基于PBFT算法的區塊鏈用戶隱私數據保護與查找問題研究

趙倩

摘 ? ?要

本文針對區塊鏈技術中的共識算法的一種——PBFT算法（實用拜占庭算法）進行研究，主要探究該算法在用戶隱私數據保護與查找問題方面的作用。筆者從區塊鏈技術作用機制與原理入手，以拜占庭算法為基礎，與實用拜占庭算法相比較，深入剖析了實用拜占庭算法在區塊鏈共識機制當中的作用機理，并通過數據實例進行驗證，充分證明了實用拜占庭算法在區塊鏈技術中的廣闊使用前景。

關鍵詞：PBFT ?實用拜占庭算法 ?區塊鏈 ?用戶隱私

中圖分類號：TP309;TP311.1

1.區塊鏈技術簡介

區塊鏈最大的特點是“去中心化”，而目前區塊鏈技術的主要用途是充當數字加密貨幣分布式賬本，是數字加密貨幣得以順暢運行的底層核心技術。目前較流行的虛擬貨幣比特幣正式在該技術的支持下來構建整體系統的。除了比特幣外，近年來還涌現了其他新的虛擬貨幣以及完全不同應用領域，比如能源領域等。它們的共性依然是對區塊鏈技術的深層使用，因此，區塊鏈技術的研究和應用得以進一步擴展，與此同時，也暴露出了一些問題，最典型的就是數據隱私問題。由于“去中心化”這個特征既成就了區塊鏈特有的共識機制，但也容易造成用戶數據隱私的泄露問題，且隨著在多類應用中的深入使用，數據隱私泄露問題越發嚴重。以比特幣交易為例，在這種虛擬貨幣的交易過程中會產生海量的數據記錄，這就給某些意圖不軌的人帶來的機會，他們會利用數據中的規律來推算交易參與者的身份信息和地理位置信息，進而將這些信息關聯起來，盜取用戶的比特幣。而在如能源應用等領域若發生信息泄露，則會給國家帶來巨大的甚至災難性的損失。由此可見，區塊鏈技術的數據隱私安全問題至關重要。

關于區塊鏈的數據安全問題，目前常用的解決方法有以下幾種：

第一種是節點認證機制，即在區塊鏈特有的節點中植入一定的加密規則，這樣就可以防止非法節點的訪問，這種機制的特征是僅針對0惡意節點的區塊鏈有效，一旦發生惡意節點訪問，則防護無力。

第二種是混幣機制，這種機制的目的是及時檢測出已存在的惡意節點，并且用數據混淆的理念增強交易單的數據復雜度，進而降低惡意節點獲取區塊鏈數據庫規律的可能性。

第三種是零知識證明技術，這種技術的主要作用就是信息認證，但是認證耗時較長，效率不高。

第四種是物聯網數據保護技術，該技術的基本原理與區塊鏈技術相吻合，即去中心化，通過對存儲數據區塊化處理并加密，來提高數據的安全性。但缺點就是計算量過大，實用型不佳。

2. PBFT算法簡介

除了上述數據隱私保護機制外，本文從區塊鏈數據隱私保護與數據查找取用便捷的角度提出了一種數據安全方案，即基于PBFT算法的區塊鏈用戶隱私數據保護與查找機制。實用拜占庭容錯算法即Practical Byzantine Fault Tolerance（簡稱PBFT），是對拜占庭容錯算法Byzantine Fault Tolerance（即BFT）的優化方案。實用拜占庭算法的分布式安全性以抵抗攻擊者主觀攻擊意愿和攻擊抵抗能力來看是所有共識算法當中最強大的 。

在區塊鏈網絡環境中，有運行正常的節點，有信息有誤的節點，還有惡意節點。共識算法的核心是在正常的節點間形成對網絡狀態的共識。通常，這些信息有誤節點被稱為拜占庭節點，而正常的節點即為非拜占庭節點。

拜占庭系統普遍采用的假設條件包括：

1）拜占庭節點的行為可以是任意的，拜占庭節點之間可以共謀;

2）節點之間的錯誤是不相關的;

3）節點之間通過異步網絡連接，網絡中的消息可能丟失、亂序并延時到達，但大部分協議假設消息在有限的時間里能傳達到目的地;

4）服務器之間傳遞的信息，第三方可以嗅探到，但是不能篡改、偽造信息的內容和驗證信息的完整性。

原始的拜占庭容錯系統缺乏實用性，還需要額外的時鐘同步機制支持，算法的復雜度也是隨節點增加而指數級增加。而實用拜占庭容錯系統（PBFT）降低了拜占庭協議的運行復雜度 ，從指數級別降低到多項式級別（Polynomial）。實用拜占庭容錯算法的特征在于可搜索加密，主要思想就是對重要信息的加密和密文進行搜索，在不耗費過多計算量的同時，還能確保區塊鏈數據的安全。其具體計算邏輯與算法演示在后面進行詳述。

在進行基于PBFT算法的區塊鏈用戶隱私數據保護與查找機制的有效性論證之前，首先要明確區塊鏈技術自身基本的架構。區塊鏈架構分為數據層、網絡層、共識層、合約層和應用層5個基本層，各層次職能獨立、協同分工，進而實現基于區塊鏈技術的各類應用的正常運行。區塊鏈的基本架構模型如圖1所示。

如圖1所示，最底層數據層的職能就是存儲數據和取用數據，這里的數據主要指交易數據。每當完成一個交易，則與此次交易相關的所有數據都會被數據層封裝，以單個區塊的形式傳輸到特定數據庫。通常，一個單獨的數據區塊中一定會有時間數據、哈希值、以及與交易數據有關的各個文本文件等。

3.PBFT算法共識計算步驟與優勢

本文采用PBFT技術是區塊鏈共識算法中的一種 ，目前流行的區塊鏈共識算法主要有強一致性共識算法和最終一致性共識算法兩大分支，而PBFT算法屬于前一個分支，特點就是相對最終一致性共識算法，這類算法的安全性更高，對數據隱私的保護力度更強，但是算法較復雜，相對耗費的計算量較大。

采用PBFT算法需要經歷客戶端、主節點和從節點三種角色的共識，假設PBFT算法可以接納的非法節點為f，假設從節點的個數為n，則從節點個數與非法節點的關系表達式為：n=3f+1。

每一個客戶端的請求共需要經過5個階段，通過采用兩次兩兩交互的方式在服務器達成一致之后再執行客戶端的請求。由于客戶端不能從服務器端獲得任何服務器運行狀態的信息，PBFT中主節點是否發生錯誤只能由服務器監測。如果服務器在一段時間內都不能完成客戶端的請求，則會觸發視圖更換協議。其中C為客戶端，N0～N3表示服務節點， N0為主節點，N3為故障節點。整個協議的基本過程是：

1）客戶端發送請求，激活主節點的服務操作。

2）當主節點接收請求后，啟動三階段的協議以向各從節點廣播請求。

（2.1）序號分配階段，主節點給請求賦值一個序列號n，廣播序號分配消息和客戶端的請求消息m，并將構造PRE-PREPARE消息給各從節點;

（2.2）交互階段，從節點接收PRE-PREPARE消息，向其他服務節點廣播PREPARE消息;

（2.3）序號確認階段，各節點對視圖內的請求和次序進行驗證后，廣播COMMIT消息，執行收到的客戶端的請求并給客戶端以響應。

3）客戶端等待來自不同節點的響應，若有m+1個響應相同，則該響應即為運算的結果。

進行共識計算的步驟如圖2 、圖3所示。

運用PBFT算法的優勢是，計算過程中爭奪出塊的機會這一關鍵步驟所消耗的計算資源較少，可以快速獲得共識成功;PBFT算法的另外一個優點則在于爭奪出塊機會時，不會依賴區塊鏈中各節點的權益分量，這個優勢不僅能節約運算耗費，還能同時保證數據的隱私安全。

4. 可搜索加密

區塊鏈技術的去中心化和分布式特征決定了區塊鏈中的數據不會采用明文存儲，而是先加工所有數據封裝加密，以單位區塊的模式存入分布式數據庫。這種存儲方式對于單個區塊數據來說安全性高，但是對于整體數據的查找、取用等來說，就加大了難度。

為了解決分布式存儲模式下數據的使用便捷性，可搜索加密技術應運而生。目前，常用的可搜索加密技術有兩種，分別是對稱可搜索和非對稱可搜索。假設加密密鑰為A，解密密鑰為B，則對稱可搜索技術中，A=B，而非對稱可搜索技術中，A≠B。兩者的不同之處在于前者適用于私鑰用戶，而后者適用于公鑰用戶。

可搜索加密的技術特征是對已經完成加密的文件和數據進行搜索，所以在搜索的過程中，運算過程需要向系統出示搜索信號標簽，相對來說，這種以來標簽進行搜索的信息查找方式安全性更好。

可搜索加密技術的數據查找運算執行過程如圖4所示。

5. 應用測試

為了驗證上述算法的有效性，本文對存儲在區塊鏈中的某虛擬貨幣數據進行查找，總共選用了3000個關鍵詞，且都是加密狀態。測試時以100為啟始查找數量，之后按照一定規律遞增，來檢驗運用本文所論述的方法查找數據所耗費的時間，測試結果如表1所示。

將表1中的數據進行分析，可以得到如圖5所示的查找耗時隨著關鍵詞個數增加而延長的趨勢。

由表1和圖4綜合分析可知，運用本文所論述的基于PEFT算法的區塊鏈用戶隱私數據保護與查找技術，在可搜索加密的支撐下，一方面能夠保證區塊鏈數據的安全效果，另一方面，且便于用戶查找，查找耗時與所查找個數正相關。

6. 小節

本文提出并論述了基于PBFT算法的區塊鏈用戶隱私數據保護與查找機制，在可搜索加密的支撐下，能夠有效地確保區塊鏈中用戶隱私數據的安全需求，防止數據被惡意泄露，且在數據加密情況下，用戶查找取用數據更便捷。此方法可應用于基于區塊鏈底層技術的不同應用，具有較好的社會價值。

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