基于智能合約的雙線性對運(yùn)算外包算法

李佩怡 李翔宇

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 上海 200444)

0 引 言

云計算[1]是一種新型計算形式，它允許資源受限的用戶根據(jù)需求訪問計算資源共享池，即云服務(wù)器。它是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)后在信息時代的一個變革，是信息時代的一個巨大飛躍，它的產(chǎn)生使得外包計算成為可能。外包計算是指服務(wù)器幫助計算能力有限的用戶執(zhí)行復(fù)雜度高的運(yùn)算，并根據(jù)自己提供的計算服務(wù)向用戶收取相應(yīng)的費用。外包計算解決了資源受限的用戶的計算問題，也極大地降低了用戶的計算成本。

盡管外包計算有其獨特的優(yōu)勢，但是它也帶來了一些安全問題和挑戰(zhàn)[2]。首先，云服務(wù)器[3]只能被認(rèn)為是半可信的，而資源受限的用戶的外包源可能包含一些敏感信息，用戶不希望將這些敏感信息暴露給服務(wù)器。因此，第一個安全挑戰(zhàn)就是保密性，即云服務(wù)器無法獲取用戶真正的計算內(nèi)容及計算結(jié)果。其次，云服務(wù)器只能被認(rèn)為是半可信的，因為它發(fā)送給用戶的計算結(jié)果可能是錯誤的。因此，第二個安全挑戰(zhàn)為可驗證性，即保證用戶可以驗證其接收到的計算結(jié)果是否正確。但是，用戶的驗證過程不能涉及很復(fù)雜的運(yùn)算，否則外包將變得毫無意義。最后，外包計算的主要目的是降低用戶的計算成本。因此，在實現(xiàn)前兩者的前提下，需要保證外包算法中用戶的計算成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直接計算。

雙線性對運(yùn)算是密碼學(xué)領(lǐng)域中常見的運(yùn)算，但是它的復(fù)雜度較高，對計算能力有限的用戶來講，是極其耗時的，因此，許多研究人員希望將它外包給服務(wù)器進(jìn)行計算。Chevallier等[4]首先提出了基于單個服務(wù)器的雙線性對外包算法。在該算法中，用戶通過付費的方式讓服務(wù)器執(zhí)行雙線性任務(wù)，服務(wù)器計算完成后將計算結(jié)果發(fā)送給用戶，如果服務(wù)器返回錯誤的結(jié)果，用戶可以完全檢測到，但是，用戶還需要執(zhí)行模指數(shù)運(yùn)算和標(biāo)量乘運(yùn)算，其中模指數(shù)運(yùn)算的復(fù)雜度約等價于雙線性對運(yùn)算，所以該算法并不實用。與Chevallier等[4]不同，其他研究人員試圖實現(xiàn)基于兩臺服務(wù)器的高效外包算法。Chen等[5]首先提出在外包算法中加入預(yù)計算過程，由此提出了一種實用的雙線性對外包算法。該算法中，用戶首先執(zhí)行預(yù)計算對數(shù)據(jù)進(jìn)行隱藏，然后，由服務(wù)器執(zhí)行多次雙線性對運(yùn)算后，把結(jié)果發(fā)送給用戶。整個過程，用戶只需要執(zhí)行一些簡單的運(yùn)算，但是，用戶只能以1/2的概率檢測到服務(wù)器產(chǎn)生的錯誤，服務(wù)器依然可以欺騙到用戶。Tian等[6]提出了兩種雙線性對運(yùn)算外包算法，該算法由兩臺服務(wù)器分開執(zhí)行部分外包運(yùn)算來保證用戶隱私。其中一種外包算法降低了用戶和服務(wù)器的計算量，但其可驗證性為1/2，另一種外包算法提高了可驗證性，但犧牲了用戶和服務(wù)器的效率。Ren等[7]提出了一種完全可驗證的雙線性對外包算法，但用戶需要與每臺服務(wù)器交互兩次，并且增加了一些計算代價。近年來，一部分研究人員將注意力重新轉(zhuǎn)向基于單個服務(wù)器的安全外包算法的研究工作中。Shao等[8]提出了一種面向車載網(wǎng)的完全可驗證的雙線性對外包算法。由于該算法特殊的應(yīng)用場景，用戶的部分?jǐn)?shù)據(jù)可以公開，對該算法的隱私性要求相對較低，因此云服務(wù)器的計算效率大幅提高。但是該算法的應(yīng)用場景受限，且該算法中用戶的計算涉及復(fù)雜度極高的模冪運(yùn)算。Dong等[9]提出了一種新的雙線性對外包算法，該算法引入集合來隱藏用戶的輸入，并且它的可驗證概率約為1。由于該算法引入集合來隱藏用戶信息，用戶的計算量及服務(wù)器執(zhí)行對運(yùn)算的次數(shù)增大很多。

近年來，隨著開源項目比特幣[10]的發(fā)展，大家逐漸認(rèn)識到區(qū)塊鏈技術(shù)[11-13]。區(qū)塊鏈系統(tǒng)是由大量節(jié)點組成的去中心化的分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)中的所有交易均需要由各個節(jié)點共同參與驗證，區(qū)塊鏈利用該共識機(jī)制[14-15]解決了系統(tǒng)中節(jié)點間的信任問題，從而確保了區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)的一致性和正確性。在外包計算中，用戶和服務(wù)器之間缺乏信任，而將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在外包計算中就可以解決這一問題。Zhang等[16]為了實現(xiàn)安全外包服務(wù)的安全公平支付而不依賴第三方，提出了一種基于區(qū)塊鏈的公平支付框架，該方案用區(qū)塊鏈代替第三方支付平臺，用于云計算中的外包服務(wù)的付費環(huán)節(jié)。Hu等[17]首先提出了基于區(qū)塊鏈的搜索加密云方案，該方案使用智能合約替換中央服務(wù)器，構(gòu)建了一個分散的隱私保護(hù)搜索方案，保證用戶可以從服務(wù)器處獲取到正確的搜索結(jié)果，而無須擔(dān)心惡意服務(wù)器的潛在錯誤行為。Wu等[18]提出了基于區(qū)塊鏈的匿名的分散式眾包方案BPTM，該方案提出由任務(wù)請求方和任務(wù)執(zhí)行人分別將加密后的任務(wù)和個人信息發(fā)送給到區(qū)塊鏈系統(tǒng)，然后由區(qū)塊鏈進(jìn)行任務(wù)匹配，該方案可以保證匹配結(jié)果的可靠性且不泄露用戶隱私。Lin等[19]首先提出了基于區(qū)塊鏈的雙線性對運(yùn)算外包算法。該算法中，由區(qū)塊鏈來執(zhí)行預(yù)計算、向兩個服務(wù)器分發(fā)外包任務(wù)并對服務(wù)器的返回結(jié)果進(jìn)行驗證。但是，該算法中由于兩個服務(wù)器是半可信的，如果它們相互串通，可能會泄露用戶的隱私信息。

在基于對的密碼體制中，雙線性對運(yùn)算一直是最昂貴的運(yùn)算，它對密碼體制的實現(xiàn)有著非常重要的影響，另外，它在信息安全中有著廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合區(qū)塊鏈中的智能合約，提出一種新的雙線性對安全外包算法。主要貢獻(xiàn)如下：(1) 與已有算法不同，本文算法將整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)當(dāng)作一個“服務(wù)器”，完全解決了服務(wù)器缺乏信任的問題。另外，利用智能合約的運(yùn)行機(jī)制，用戶在外包算法中不需要驗證過程，即能實現(xiàn)可驗證概率為1。(2) 本文算法在確保用戶的隱私性的基礎(chǔ)上，降低了用戶和服務(wù)器的計算代價。(3) 將雙線性對運(yùn)算通過智能合約部署在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上，用戶可以隨時調(diào)用智能合約執(zhí)行該算法，更加實用。

1 相關(guān)知識

1.1 雙線性對運(yùn)算

設(shè)q為大素數(shù)，G1和G2是兩個生成元為P和Q、階為q的加法群，GT是一個階為q的乘法群。若滿足下列性質(zhì)，則稱e:G1×G2→GT是一個雙線性對映射[20-23]：

(2) 非退化性。存在U∈G1，V∈G2，滿足e(U,V)≠1。

(3) 可計算性。對任意U∈G1，V∈G2，均可以計算e(U,V)。

若該雙線性映射存在，那么稱e(U,V)為一個雙線性對[20-23]。

雙線性對映射可通過基于有限群的超奇異橢圓曲線上的Weil或Tate對實現(xiàn)。為簡便起見，我們在本文中使用上述符號，更多細(xì)節(jié)參考文獻(xiàn)[20-23]。

1.2 智能合約

智能合約[24-25]又稱“智能合同”，它是一段提前設(shè)定好觸發(fā)條件后部署到區(qū)塊鏈上的程序。一旦達(dá)到智能合約的預(yù)設(shè)條件，智能合約便被自動執(zhí)行。與普通合約一樣，智能合約也需要事先經(jīng)過多方認(rèn)證。部署在區(qū)塊鏈上的智能合約均有唯一的調(diào)用函數(shù)和相關(guān)參數(shù)，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點可以根據(jù)不同的調(diào)用函數(shù)和參數(shù)執(zhí)行不同的智能合約。智能合約的運(yùn)行模型如圖1所示。

若需執(zhí)行一個智能合約，客戶端需首先發(fā)起一筆交易，通知區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的節(jié)點需要調(diào)用的函數(shù)及所需參數(shù)。系統(tǒng)中的所有節(jié)點都將接收到這筆交易，然后每個節(jié)點會調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)從區(qū)塊鏈系統(tǒng)中獲取對應(yīng)的智能合約，并在本地環(huán)境中執(zhí)行該智能合約獲得執(zhí)行結(jié)果。為防止惡意節(jié)點作惡，每個節(jié)點在運(yùn)行智能合約后，需要將自己得到的結(jié)果與區(qū)塊鏈中其他節(jié)點的結(jié)果進(jìn)行比較。最后，當(dāng)各個節(jié)點在確認(rèn)最終結(jié)果無誤后才將該結(jié)果記錄到區(qū)塊鏈上。目前支持智能合約的有以太坊、Hyperledger Fabric。

1.3 安全定義

Hohenberger等[26]首先對安全外包計算做出形式化定義。下面，我們做簡要介紹。算法Alg由可信方T和不可信程序U組成，其中：可信方T為資源受限的用戶；不可信程序U為云服務(wù)器。另外，TU表示用戶T調(diào)用云服務(wù)器U進(jìn)行計算。敵手A=(E,U′)，其中：E表示惡意環(huán)境，在該環(huán)境下，Alg會提交惡意輸入；U′表示惡意環(huán)境E生成的惡意軟件，它會試圖代替U作惡。

定義1(外包定義) 如果算法Alg接受5個輸入，并生成3個輸出，我們則稱算法Alg遵守外包算法的輸入/輸出規(guī)范。有關(guān)外包算法Alg輸入/輸出的詳細(xì)描述如表1所示。

表1 外包的輸入/輸出

安全模型需確保：即使可信方T使用了惡意環(huán)境E撰寫的惡意軟件U′，E和U′也不能獲取外包算法TU的輸入和輸出的任何信息。

定義2(安全模型) 若算法Alg可以滿足下列條件，我們則稱TU是算法Alg的一次安全執(zhí)行。

(1) 正確性。TU是Alg的一次正確執(zhí)行。

(2) 保密性。對于所有的敵手A=(E,U′)，在TU的執(zhí)行過程中不能得到有關(guān)算法Alg輸入/輸出的任何信息。

若需證明算法Alg滿足保密性，則需證明對于所有的敵手A=(E,U′)，存在兩個模擬器(S1,S2)在計算上不能正確區(qū)分隨機(jī)變量EVIEWreal～EVIEWideal和UVIEWreal～UVIEWideal。其中：EVIEWreal～EVIEWideal表示惡意環(huán)境E在TU的執(zhí)行過程中不能得到算法Alg輸入/輸出的相關(guān)信息；UVIEWreal～UVIEWideal表示惡意環(huán)境E撰寫的惡意軟件U′在TU執(zhí)行過程中不能得到算法Alg輸入/輸出的相關(guān)信息。該部分的詳細(xì)證明可參考文獻(xiàn)[26]。

定義3((α,β)-outsource-security) 假設(shè)TU是算法Alg的一次正確執(zhí)行，對于任意輸入x，如果T的運(yùn)行時間小于或等于Alg的α倍，并且用戶T能以大于或等于的概率發(fā)現(xiàn)服務(wù)器U的惡意行為，則稱(T,U)是算法Alg的(α,β)-outsource-security實現(xiàn)。

2 基于智能合約的雙線性對運(yùn)算外包方案

2.1 方案概述

本文算法的參與方包括用戶和“服務(wù)器”。與以往算法[5-9]不同，此處的“服務(wù)器”是指區(qū)塊鏈系統(tǒng)。該方案將原本需要服務(wù)器計算的雙線性對運(yùn)算寫入智能合約，并將智能合約部署在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上，用戶可以隨時調(diào)用智能合約執(zhí)行雙線性對運(yùn)算。

同樣地，為了保證隱私性，我們需要將雙線性對運(yùn)算的輸入和輸出進(jìn)行隱藏。整個方案的流程如圖2所示。與文獻(xiàn)[5-9]中一樣，我們也要先調(diào)用Rand子程序生成所需參數(shù)，對雙線性對運(yùn)算的輸入進(jìn)行隱藏。然后，由用戶發(fā)起一筆交易，通知區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的各個節(jié)點需要調(diào)用的函數(shù)及所需參數(shù)。之后，各節(jié)點利用調(diào)用函數(shù)從區(qū)塊鏈系統(tǒng)中讀取相應(yīng)的智能合約，并在本地執(zhí)行環(huán)境執(zhí)行該智能合約獲得執(zhí)行結(jié)果。為防止惡意節(jié)點作惡，每個節(jié)點在運(yùn)行智能合約后，需要將自己得到的結(jié)果與區(qū)塊鏈中其他節(jié)點的結(jié)果進(jìn)行比較。當(dāng)各個節(jié)點在確認(rèn)最終結(jié)果無誤后，該結(jié)果才會被記錄到區(qū)塊鏈上。最后，用戶檢索區(qū)塊鏈上的交易數(shù)據(jù)，獲得相應(yīng)的運(yùn)算結(jié)果，再執(zhí)行部分簡單計算獲得最終的結(jié)果。

從上文中可知，最終被寫入?yún)^(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過各個節(jié)點的相互對比驗證，故該結(jié)果是完全可信的，所以本文方案中減少了用戶驗證的環(huán)節(jié)，但可以保證算法的可驗證性為1。

2.2 Rand子程序

為了保證算法的隱私性，我們引入集合來構(gòu)造元素間的關(guān)系。集合之間的關(guān)系如圖3所示，即A=A1∪A2∪A3，B=B1∪B2∪B3。Rand子程序生成amP時，將元素amP隨機(jī)分布在集合A1、A2、A3中；生成bnQ時，將元素bnQ隨機(jī)分布在集合B1、B2、B3中。其中m∈{2,3，…，i},n∈{2,3，…，i}。每個集合中需至少包含一個元素。集合A1、A2、A3中的元素分別用am1P、am2P、am3P表示，集合B1、B2、B3中的元素分別用bn1Q、bn2Q、bn3Q表示。

因此，Rand生成的元素間應(yīng)存在如下關(guān)系：

(1)

(2)

2.3 具體算法

結(jié)合區(qū)塊鏈和智能合約，提出一個雙線性對運(yùn)算的安全外包算法VCBP(Verifiable-Contracts-Bilinear Pairings)。在該算法中，需要由服務(wù)器執(zhí)行的雙線性對運(yùn)算被寫入智能合約，該智能合約被部署在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上。用戶通過發(fā)起交易通知區(qū)塊鏈中的各個節(jié)點執(zhí)行智能合約從而得到所需雙線性對運(yùn)算的結(jié)果。

令q為一個大素數(shù)，算法的輸入為兩個隨機(jī)點A和B，其中A∈G1，B∈G2，輸出為e(A,B)。另外，A、B和e(A,B)對智能合約都是保密的。算法的執(zhí)行過程如圖4所示，具體算法如下：

2) 用戶T隨機(jī)詢問區(qū)塊鏈系統(tǒng)，系統(tǒng)返回計算結(jié)果：

U(A+a1P,B+b1Q)→e(A+a1P,B+b1Q)U(amP,B+b1Q)→e(amP,B+b1Q)=αmU(A+a1P,bnQ)→e(A+a1P,bnQ)=βn，m∈{2,3,…,i}，n∈{2,3,…,i}U(ai+1P,B+b1Q)→e(ai+1P,B+b1Q)=θ1U(A+a1P,bi+1Q)→e(A+a1P,bi+1Q)=θ2

3) 由于區(qū)塊鏈上的記錄的計算結(jié)果是由區(qū)塊鏈中的節(jié)點聯(lián)合得出的，所以上述結(jié)果是完全可信的。因此，用戶T獲得區(qū)塊鏈系統(tǒng)返回的結(jié)果，就可以直接計算最終結(jié)果：

(1)T計算：

(3)

(4)

(2)T再計算：

e(A,B)=e(A+a1P,B+b1Q)e(-a1P,B+b1Q)·

e(A+a1P,-b1Q)e(a1P,b1Q)

(5)

3 安全性及性能分析

3.1 安全性分析

我們首先分析了算法的隱私性、可驗證概率和復(fù)雜度，然后結(jié)合安全性定義給出了嚴(yán)格的安全證明。

(1) 隱私性。如果區(qū)塊鏈中的惡意節(jié)點想要獲得雙線性對運(yùn)算的輸入信息，那么可以分為如下情況：

如果惡意節(jié)點想要獲取輸入A的信息，那么它必須知道a1P，則它必須知道我們構(gòu)造a1P所用的各個元素。因為ρm∈{+1,-1},m∈{2,3，…,i}，所以惡意節(jié)點猜出ρ的概率為2-(i-1)；因為t1、t2、t3取區(qū)間[1,s]中的任意整數(shù)，所以惡意節(jié)點猜出t1、t2、t3的概率為s-3；因為amP隨機(jī)分布在集合A1、A2、A3中，m∈{2,3，…,i},所以，惡意節(jié)點猜中amP的概率為3-(i-1)，因此，節(jié)點猜出A的概率為s-36-(i-1)；同理，節(jié)點猜出B的概率為s-36-(i-1)。

因此，惡意節(jié)點猜出雙線性對運(yùn)算的輸入的概率為s-66-2(i-1)。當(dāng)s=5、i=10時,雙線性對運(yùn)算中敏感信息暴露的概率為10-17，可以忽略不計。

(2) 可驗證概率。在本文方案中，用戶調(diào)用智能合約來執(zhí)行雙線性對運(yùn)算，相當(dāng)于把區(qū)塊鏈系統(tǒng)當(dāng)作一個大型“服務(wù)器”。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，每個節(jié)點在本地執(zhí)行環(huán)境運(yùn)行智能合約后，需要將自己得到的結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)中廣播，與區(qū)塊鏈中其他節(jié)點的結(jié)果進(jìn)行比較。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點對比計算結(jié)果后，超過一半的節(jié)點對計算結(jié)果達(dá)成共識，則該結(jié)果作為最終結(jié)果被記錄到區(qū)塊鏈上。否則，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點需再次執(zhí)行智能合約，完成外包任務(wù)。在該系統(tǒng)中，一旦有惡意節(jié)點作惡，便會在結(jié)果比對環(huán)節(jié)被立馬檢測出來。所以，該算法的可驗證概率為1。

(4) 安全性證明。下面本文方案給出嚴(yán)格的安全性證明，相應(yīng)的安全性定義證明可參考文獻(xiàn)[26]。

定理1在基于單個服務(wù)器的模型中，本文算法(T,U)是VCBP算法的正確執(zhí)行，其中算法的輸入(A,B)可能是誠實的、保密的、誠實的，受保護(hù)的或惡意的、受保護(hù)的。

證明在基于單個服務(wù)器的安全模型中，令(E,U′)是與PPT算法T交互的PPT敵手。

第一，證明EVIEWreal～EVIEWideal，即惡意環(huán)境E在TU的執(zhí)行過程中不能得到有關(guān)算法Alg輸入/輸出的任何信息。

由于算法的輸入(A,B)分為三種情況，因此，分開討論：

如果輸入(A,B)為誠實的、受保護(hù)的或者惡意的、受保護(hù)的，那么惡意環(huán)境E總是可以獲取輸入(A,B)。在這兩種情況下，模擬器S1將與real環(huán)境下一樣，總是能夠知道輸入(A,B)。

劉俊紅等[4]對廢舊膠粉的改性方法及原理作了簡要介紹，重點綜述了廢橡膠粉在聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等橡塑復(fù)合材料中的研究和應(yīng)用進(jìn)展。對廢橡膠粉在橡塑復(fù)合材料中的研究、開發(fā)和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

綜上所述，我們可以得出在基于單個服務(wù)器的模型中，本文算法(T,U)是VCBP算法的正確執(zhí)行，其中算法的輸入(A,B)可能是誠實的、保密的，誠實的、受保護(hù)的或惡意的、受保護(hù)的。

3.2 性能分析

本節(jié)將本文算法VCBP分別與Shao等[8]提出的CVCC算法和Dong等[9]提出的BPS算法的性能進(jìn)行了比較，如表2所示。其中，PA、SM、MExp、MM、MInv、Pair依次表示加法群G1或G2中的點加運(yùn)算、標(biāo)量乘、乘法群GT中的模冪運(yùn)算、模乘運(yùn)算、模逆運(yùn)算、雙線性對運(yùn)算。

表2 基于單個服務(wù)器的雙線性對外包算法性能比較

根據(jù)3.1節(jié)的安全性分析可知，如果我們設(shè)s=5、i=10,則雙線性對運(yùn)算中敏感信息暴露的概率為10-17，可以忽略不計。

假設(shè)s=5、i=10。由表2可知，與CVCC算法[8]相比，首先，本文算法用戶的計算過程中，不涉及標(biāo)量乘和模冪運(yùn)算。其次，雖然我們的算法用戶的計算過程中增加了1次點加運(yùn)算和2次模逆運(yùn)算，但是這兩種運(yùn)算的計算代價很小，所以增加的計算成本可以忽略不計。最后，在本文算法中，用戶需要多執(zhí)行約42次模乘運(yùn)算，但是，在CVCC算法[8]中用戶需要執(zhí)行1次模冪運(yùn)算。而模冪運(yùn)算的計算復(fù)雜度非常高，用平方乘方法計算1次模冪運(yùn)算，約需執(zhí)行1.5L次模乘運(yùn)算，L是模冪運(yùn)算中指數(shù)的比特長度。通常，L至少取160 bit，因此，1次模冪運(yùn)算大約相當(dāng)于240次模乘運(yùn)算。因此，用戶執(zhí)行1次模冪運(yùn)算的計算代價要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于執(zhí)行42次模乘運(yùn)算的計算代價。同時，CVCC算法[8]和本文算法，用戶均需要執(zhí)行一次Rand子程序。而本文算法中， Rand子程序并不需要執(zhí)行模冪運(yùn)算。另外，CVCC算法[8]是面向車載網(wǎng)的，由于其特殊的應(yīng)用場景，該算法中輸入B是可以公開的，而本文算法VCBP中，輸入A和B是完全保密的，所以，這就導(dǎo)致了CVCC算法和本文算法中云服務(wù)器執(zhí)行雙線性對運(yùn)算的次數(shù)有所差異。除此之外，本文算法VCBP的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CVCC算法[8]。

4 實 驗

本節(jié)做了一些實驗來評估所提算法VCBP和其他算法[8-9]的效率。在實驗中，設(shè)置s=5、i=10，用戶由一臺Intel core i3 CPU(2.5 GHz)、4 GHz內(nèi)存的計算機(jī)模擬。其中，智能合約部署在Hyperledger Fabric上，我們使用另一臺Intel core i5 CPU(1.6 GB)、8 GB的計算機(jī)連接Hyperledger Fabric區(qū)塊鏈系統(tǒng)，模擬區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的一個節(jié)點去運(yùn)行智能合約，幫助用戶執(zhí)行雙線性對運(yùn)算，該節(jié)點表示區(qū)塊鏈中的任意一個節(jié)點。另外，使用的編程語言為Java，并使用了JPBC(Java-Pairing-Based Cryptography)數(shù)據(jù)庫。

關(guān)于算法中智能合約的部署過程如下：

(1) 設(shè)置Java鏈代碼開發(fā)環(huán)境：首先，利用開源的應(yīng)用容器引擎Docker和Docker Hub的預(yù)構(gòu)建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)組件鏡像來運(yùn)行本地區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)；其次，安裝構(gòu)建軟件Gradle和HTTP客戶端軟件SoapUI，Gradle用于構(gòu)建鏈代碼，即智能合約，SoapUI用于實現(xiàn)智能合約與Hyperledger Fabric的REST接口間的通信；然后，完成區(qū)塊鏈定義，并啟動本地區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)；最后，從Hyperledger Fabric的GitHub存儲庫獲取最新源代碼，構(gòu)建Java shim客戶端JAR。

(2) 編寫和構(gòu)建算法中的Java鏈代碼，即智能合約：首先，安裝適用于Eclipse(基于Java的開發(fā)平臺)的Gradle Buildship插件，從GitHub存儲庫中克隆名為ChaincodeTutorial的Java鏈代碼框架項目，并將該項目導(dǎo)入開發(fā)平臺Eclipse中；然后，編寫算法中的智能合約代碼，并利用單元測試框架Junit來測試；最后，使用開發(fā)平臺Eclipse和Eclipse的Gradle Buildship插件構(gòu)建智能合約。

(3) 部署并執(zhí)行鏈代碼：首先，向本地區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)注冊已經(jīng)構(gòu)建好的智能合約；然后，打開SoapUI，導(dǎo)入步驟(2)中克隆的Chaincode Tutorial項目中的REST項目，打開REST項目中的ChaincodeLog Deploy請求，并提交請求，至此，算法中的鏈代碼部署完成；最后，調(diào)用函數(shù)運(yùn)行鏈代碼。

本文算法中所部署的智能合約的核心代碼如下，該部分代碼主要實現(xiàn)外包任務(wù)中所有的雙線性對運(yùn)算，即2.3節(jié)中步驟2)由區(qū)塊鏈執(zhí)行的雙線性對運(yùn)算。

protected void uResponse() {

Q1=pairing.pairing(inputA_a1P,inputB_b1Q);

for(int i=0;i<9;i++) {

alpha[i]=pairing.pairing(aP[i],inputB_b1Q);

beta[i]=pairing.pairing(inputA_a1P,bQ[i]);

}

theta[0]=pairing.pairing(aP[9],inputB_b1Q);

theta[1]=pairing.pairing(inputA_a1P,bQ[9]);

}

代碼中，Q1表示e(A+a1P,B+b1Q)，alpha[i]表示αm，beta[i]表示βn(m∈{2,3,…,10}，n∈{2,3,…,10})，theta[0]和theta[1]分別表示θ1和θ2。其中，函數(shù)pairing.pairing()為JPBC(Java-Pairing-Based Cryptography)數(shù)據(jù)庫自帶的函數(shù)，可以直接調(diào)用它來執(zhí)行雙線性對運(yùn)算。

接下來，我們根據(jù)模擬實驗的結(jié)果對所提算法VCBP和其他算法[8-9]進(jìn)行了對比。

圖5是VCBP算法的模擬實現(xiàn)。在算法VCBP中，用戶將復(fù)雜度極高的雙線性對運(yùn)算交給區(qū)塊鏈系統(tǒng)，并且由于智能合約的運(yùn)行機(jī)制，用戶可以免去驗證過程，所以，用戶只需執(zhí)行少量的簡單運(yùn)算，如模乘運(yùn)算、點加運(yùn)算等。因此，如圖5所示，在VCBP算法中，用戶執(zhí)行簡單運(yùn)算花費的時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直接執(zhí)行雙線性對運(yùn)算。另外，智能合約的運(yùn)行機(jī)制也保證了算法VCBP的可驗證概率為1，所以VCBP算法是完全可驗證的雙線性對外包算法。

如圖6所示，我們將VCBP算法分別與Shao等[8]和Dong等[9]提出的雙線性對運(yùn)算外包算法中用戶的執(zhí)行時間進(jìn)行比較。如圖6(a)所示，當(dāng)s=5、i=10時，VCBP中用戶的計算成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CVCC[8]。如圖6(b)所示，當(dāng)s=5、i=10 時，VCBP中用戶的計算成本約為BPS算法[9]的一半，另外，本文算法的可驗證概率為1。

圖7比較了VCBP算法和Shao等[8]及Dong等[9]提出的雙線性對運(yùn)算外包算法中服務(wù)器的執(zhí)行時間。由圖7可知，當(dāng)s=5、i=10時，與VCBP相比，CVCC算法[8]中服務(wù)器的計算時間非常低，但是由于CVCC算法中用戶需要執(zhí)行復(fù)雜的模冪運(yùn)算，所以CVCC算法[8]中服務(wù)器的計算時間與VCBP不具有可比性。與BPS[9]相比，VCBP中服務(wù)器的計算消耗也有所降低。

通過上述對比實驗可知，與Shao等[8]提出的算法CVCC算法以及Dong等[9]提出的BPS算法相比，VCBP中用戶的計算代價有了大幅度降低，服務(wù)器的計算代價也有一定降低。另外，本文算法的可驗證概率可達(dá)到1。綜上所述，與已有算法[8-9]相比，本文算法的安全性和性能更高。

5 結(jié) 語

基于單個服務(wù)器的安全模型，本文利用智能合約的運(yùn)行特點，將安全外包與區(qū)塊鏈相結(jié)合，提出一個新的雙線性對運(yùn)算外包算法。本文算法能夠保護(hù)用戶數(shù)據(jù)的隱私性，并且用戶從區(qū)塊鏈獲得的數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行驗證就可以使用，減少了驗證環(huán)節(jié)。同已有的基于單個服務(wù)器的雙線性對運(yùn)算外包算法相比，本文算法在保證安全性的基礎(chǔ)上，同時提高了用戶和服務(wù)器的計算效率，并且實現(xiàn)了完全可驗證性。