基于公證人組的跨鏈交互安全模型

蔣楚鈺，方李西，章寧，朱建明

基于公證人組的跨鏈交互安全模型

蔣楚鈺，方李西，章寧，朱建明*

（中央財經大學 信息學院，北京 102206）（?通信作者電子郵箱zjm@cufe.edu.cn）

公證人機制；區塊鏈；跨鏈；安全多方計算；全同態加密

0 引言

在區塊鏈系統中，各信息只在單鏈上流通，而跨鏈技術的出現，在鏈與鏈之間搭建起了橋梁，是有效地解決鏈與鏈之間的互聯互通的重要技術。

本文提出了一種基于公證人組的跨鏈交互安全模型。根據公證人組節點的職能將節點劃分為交易驗證者、連接者和監督者。交易驗證組打包經過共識之后的多筆交易，將所有交易的哈希值連接起來，并再次哈希將得到的這個結果當成是一筆新交易的哈希值，交易驗證組成員可利用門限簽名技術對它進行簽名。這些被確認的交易會被置于跨鏈待轉賬池中，連接者從中隨機選取多筆交易，先對需要進行資產交互的交易進行驗證，確保這些跨鏈交易是未被篡改的且已被交易驗證組驗證審核簽名確認的。連接者利用交易信息的內容先計算得到每筆交易從屬的大交易的哈希值，然后連接者與擁有真實哈希值集合的領導者節點利用安全多方計算、全同態加密和范德蒙行列式技術判斷交易的真實性。若交易真實可靠，則連接者可以使用對應的交易驗證組公鑰進行二次驗證。在“雙重驗證保險機制”下，連接者可以批處理多筆跨鏈支付交易，并與區塊鏈進行信息交互。

本文提出的跨鏈交互安全模型中，將公證人職能分散化，每個節點在自己的崗位上批處理輔助完成跨鏈交易過程，削弱了公證人節點的權利，避免了單點故障的問題。另外，與傳統的公證人機制需要對每筆交易進行簽名確認相比，本文模型減少了重復簽名確認的時間，有助于提高跨鏈交易的速度。再者，連接者在進行交易驗證時，無法獲取同一交易驗證組公證人簽名組別下其他的交易信息，有助于保護交易信息的隱私性。最后，置于跨鏈待轉賬池中的交易也可能存在數據被篡改的風險，如果交易驗證組中存在惡意節點并修改了交易數據將很難被發現，因此連接者在驗證過程中最關鍵的是恢復出大交易的哈希值能夠被證實準確性和唯一存在性，則考慮引入領導者節點掌握這些大交易哈希值的集合數據，但雙方的隱私數據在交互過程中都不能被對方知道，因此引入安全多方計算等技術，實現在數據不出庫的前提下完成協同計算，這將維護交易信息的機密性和數據的安全性，防止惡意節點影響跨鏈交互的正常運行。

與現有研究相比，本文工作的主要特點包括：

1）與傳統的公證人機制需要對每筆交易進行簽名確認相比，本文提出的基于公證人組的跨鏈批處理技術減少了重復簽名確認的時間，有助于提高跨鏈交易的速度。

2）引入了安全多方計算、全同態加密技術和范德蒙行列式技術以輔助判斷跨鏈待轉賬池中的交易是否未被篡改，連接者需要與擁有真實被確認過的所有大交易的哈希值集合的領導者節點進行交互，核查所驗證交易的未經篡改性以完成后續的驗證過程。

1 相關研究

跨鏈技術主要包括側鏈/中繼技術［1-2］、哈希鎖定［3］以及公證人機制［4］等。

1.1　側鏈/中繼技術

在側鏈技術中，參與跨鏈交易的區塊鏈分為側鏈和主鏈。側鏈通過側鏈協議實現側鏈到主鏈的互聯互通，而不能實現側鏈與側鏈間的跨鏈交互過程。BTC?Relay（Bitcoin? Relay）是側鏈技術的代表項目之一，以太坊為側鏈、比特幣為主鏈，并通過智能合約實現二者之間的鏈接［5］。

中繼技術指額外引入一條中繼鏈充當源鏈與目標鏈之間溝通的橋梁。Cosmos是該機制的代表項目之一，它主要由Cosmos Hub和Zone兩部分構成，適用于非同構鏈的跨鏈交互場景［6］。其中：Zone代表著不同區塊鏈，Cosmos Hub作為系統中的中繼鏈，能夠實時監控并收集所有區塊鏈的狀態變化。

1.2　哈希鎖定

哈希時間鎖定機制的代表項目為閃電網絡（Hashed Time Lock Contract， HTLC），但存在效率有限、支付成本高等問題［7］，因此部分學者基于HTLC的原理技術提出改進方案，包括引入違約鎖、時間鎖和哈希鎖［8］，以及構建一個新型支付網絡Teechain來實現區塊鏈的異步訪問，提高了區塊鏈吞吐量，并允許未直接建立連接的用戶交換資金［9］。

1.3　公證人機制

公證人機制指擁有不同區塊鏈交易賬戶的個體通過引入共同信任的公證人輔助完成跨鏈交互流程，缺點是跨鏈的實現依賴于公證人節點的信譽，存在潛在作惡風險［10］。

而“中心化”是公證人機制的一大爭議，這與區塊鏈的“去中心化”思想相悖。在跨鏈交互中公證人的職能包括監聽、查看、驗證、審核和資產信息轉移等職能，部分學者考慮分散化節點職能以緩解中心化問題。趙濤等［11］將區塊鏈中的節點劃分為共識服務節點、跨鏈交換節點和應用節點，不同節點各司其職輔助完成跨鏈交互過程，有助于提高跨鏈交互效率。公證人機制代表項目PalletOne提出在共識協議中引入兩類共識節點即陪審團以及調停中介，能夠作為不同類型區塊鏈之間的信息交互以及資產轉移的中間渠道［12］。

另外，部分學者改進了基于公證人組的跨鏈交互協議以維護系統的穩定程度，但相關研究較少。Interledger項目為兩個記賬系統和連接器創建的資金提供托管，并利用非對稱加密技術確保托管過程的安全性［13-14］。

1.4　跨鏈機制比較

側鏈/中繼技術符合區塊鏈“去中心化”的要求，但是側鏈技術要求側鏈在跨鏈交互之前必須知道主鏈相關信息，且側鏈與側鏈之間無法直接完成跨鏈交互；中繼技術實現難度較大，難以大規模應用。哈希鎖定技術去中心化程度較高，但弊端是難以完成跨鏈資產轉移，應用場景較為受限。

公證人機制實現原理較為簡單，較好地克服了其他跨鏈技術存在的缺點，但節點的信譽、跨鏈交互的安全性和中心化現象等問題是公證人機制的軟肋。通過文獻梳理可知，引入合適的節點信譽算法以及分散化節點的職能能夠緩解這些問題，以維護跨鏈交互的正常運行。再者，現有的公證人機制無論是哪種類型，針對每筆交易都需要安排對應的公證人或者是公證人組進行交易的驗證和審核等。公證人組在有效時間內只能實現一筆交易的驗證審核，在得到確認之后，再將這筆交易寫入區塊鏈中使其成為不可篡改的數據，無法同時批處理多筆交易，這在一定程度上降低了區塊鏈的吞吐量和跨鏈交易的效率。

2 基于公證人組的跨鏈交互安全模型

2.1　基于公證人組的跨鏈交互流程

公證人角色分為三類：1）交易驗證者，實現監聽、查看、驗證、審核等功能，將組內達成共識確認的交易打包成一筆大的交易并共同簽名于這筆交易；2）連接者，實現資產的轉移等；3）監督者，負責檢查監督跨鏈交互中交易驗證者和連接者的不法行為。引用戴炳榮等［15］提出的普通公證人節點信用排序算法對節點進行信用值排序，其中任意普通公證人節點都可以成為監督者，監督跨鏈交易的流程并參與舉報以獲取獎勵。只有信用值排序較高的節點才能成為交易驗證者和連接者，參與跨鏈信息的審核和輔助資產的轉移等工作。以2組跨鏈交易為例，跨鏈交互具體流程如圖1所示。

圖 1　基于公證人組的跨鏈交互模型

1）交易驗證組的形成以及發揮職能的過程。

2）跨鏈待轉賬池的形成。

3）連接者確認交易的無篡改性以及發揮跨鏈交互職能。

2.2　基于安全多方計算、全同態加密和范德蒙行列式技術驗證交易真實存在性

2.2.1安全多方計算與全同態加密

區塊鏈具有透明度、一致性、可追溯性和公平性等特點，但它在某些情況下揭示了隱私信息。安全多方計算保證了更強的隱私性和正確性，參與雙方可以在數據在不出庫的前提下對隱私進行協同計算［16］，并得到反饋結果，因此安全多方計算與區塊鏈相結合可以同時解決隱私性和信任問題［17］。而同態加密指在密文空間對密文的操作等同在明文空間對明文的操作［18］。若一個算法同時滿足加法同態和乘法同態，則稱之為全同態加密。安全多方計算與同態加密技術廣泛應用于隱私保護領域［19-20］。

2.2.2范德蒙行列式

2.2.3交易真實存在性驗證過程

1）跨鏈交互模型潛在攻擊分析。

2）潛在攻擊的解決方案。

2.3　公證人組的管理

同時擁有源鏈與目標鏈賬戶的節點才有資格成為普通公證人節點。考慮到不同的源鏈與目標鏈的公證人節點集合不同，達成共識的節點應屬于同一組源鏈與目標鏈下的集合。在達成共識之后，還需要與掌管不同源鏈與目標鏈交易信息的領導者節點進行信息交互。因此，本文提出的跨鏈交互模型是基于聯盟鏈的背景下運行的，能夠處理異構區塊鏈背景下的資產交互和資產轉移等操作，并且引入可信第三方假設。聯盟鏈指的是部分去中心化的區塊鏈，適用于多個實體構成的組織或聯盟，其共識過程受到預定義的一組節點控制［21］。

公證人組中包含三類角色，分別是交易驗證者、連接者和監督者。其中，交易驗證者和連接者是通過算法從候選公證人組篩選出的，而監督者是所有普通公證人節點都可以充當的角色，只要發現其他節點的不誠信行為并提供證據即可獲得一定的代幣獎勵。公證人組的管理流程如圖2所示。

圖 2　公證人組節點管理流程

2.3.1公證人組的加入

同時擁有源鏈和目標鏈賬戶并且繳納一定數額保證金的節點才能申請成為公證人。根據交易表現對所有符合條件的節點計算信用值，拒絕低信用值節點的進入，余下節點構成候選公證人組。保證金的設定有助于防止惡意節點偽造生成大量的節點來干擾公證人選舉進程［22］。信用值門檻的設置有助于提高候選公證人組的可靠性，維護跨鏈系統的穩定性。

2.3.2公證人組的退出

公證人節點的退出機制分為自愿退出和被迫退出［23］。

1）自愿退出。此時節點需要完成所參與的跨鏈交互任務方可退出，否則將會扣除一定比例的保證金作為懲戒。

2）被迫退出。節點因誠信等問題失去成為公證人節點的資格，保證金將不予歸還。若節點信用值較低沒有達到選舉成為候選公證人組的門檻，或者存在重大失信交易記錄等情況，領導者節點有權將該節點從申請名單中剔除；在跨鏈交互過程中，若該節點的失信行為坐實，領導者節點會選擇其他節點替代該節點完成交互過程點，參與舉報的節點會受到代幣獎勵。

3 安全性分析與證明

安全性對于區塊鏈跨鏈通信而言至關重要。傳統的基于公證人組的跨鏈交互模型面臨的信息安全隱患主要包括交易信息被截取、篡改、節點失信等問題；同時，不同的交易都需要分配不同的公證人組，無法實現同一公證人組同時批處理多筆交易的現象可能導致跨鏈交互速率不高。針對上述的潛在風險，本章將對本文提出的基于公證人組的跨鏈交互安全模型的安全性進行分析并給出證明。

1）信息的機密性。

連接者在資產結算時，只能看到自己需要進行操作的交易信息，難以看到同交易驗證組的其他交易信息。這在一定程度上保護了同組交易信息的隱私性。

2）數據的完整性。

3）抵御女巫攻擊和連接者帶來的違約風險。

要成為連接者的公證人，必須繳納一定的保證金，因此若連接者出現不良表現，系統能夠及時扣除保證金以緩解一定的損失。再者，若不設置保證金池，可能會出現女巫攻擊。在公證人組的跨鏈交互中存在節點信用監督不足的問題，可對公證人節點進行信用計算，通過剔除較低信用值的節點得到高可信的公證人節點集合，提高公證人組的可靠性［24］。

4）跨鏈交易效率的提高。

與傳統的公證人機制相比，跨鏈交易都是一筆一筆地進行驗證，在運行上是一致的。不同的點是，在交易進行驗證審核和跨鏈轉賬等操作時，系統將多筆交易同時分給一組交易驗證組和一位連接者，相較于傳統的公證人機制而言，交易驗證組和連接者可以批處理這些跨鏈交易，有助于提高區塊鏈的吞吐量。另外，在簽名階段，公證人組只需要對打包過后組成的新的大交易進行簽名就行，而傳統的機制是每筆交易都需要進行簽名，相對來說效率在一定程度上有所提高。以筆交易為例進行傳統的多重簽名的公證人機制和本文提出的跨鏈批處理機制的性能對比如表1所示，可知跨鏈機制性能在一定程度上有所提高。

表 1　跨鏈機制的性能對比

4 結語

公證人機制中存在的“公證人節點職能集中”和“無法批處理多筆交易”等問題，可采用本文所提出的跨鏈交互安全模型來解決。該模型將公證人節點分為交易驗證者、連接者和監督者，其中任意普通公證人節點都可以成為監督者，監督跨鏈交易的流程并參與舉報以獲取獎勵，只有信用值排序較高的節點才能成為交易驗證者和連接者，參與跨鏈信息的審核和輔助資產的轉移等工作。交易驗證者先對多筆交易進行驗證審核，將已在組內達到共識的多筆交易，在鏈外打包形成一筆大交易，并利用門限簽名技術共同簽名于這筆大交易，與傳統的公證人機制需要對每筆交易進行簽名確認相比，減少了重復簽名確認的時間，有助于提高跨鏈交易的速度；然后是連接者在收到系統的任務安排之后能夠批處理多筆跨鏈支付交易。連接者利用“雙重驗證保險機制”進行資產交互之前的驗證行為，在確保交易是未被篡改之后，批處理這些跨鏈交易，完成資產的跨鏈交互。

通過對跨鏈交互模型進行安全性分析可知，本文模型具備信息的機密性、數據的完整性、能夠抵御女巫攻擊和連接者帶來的違約風險，有助于區塊鏈跨鏈交互效率的提高。

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Cross-chain interaction safety model based on notary groups

JIANG Chuyu， FANG Lixi， ZHANG Ning， ZHU Jianming*

（，，100081，）

notary mechanism; blockchain; cross?chain; secure multiparty computation; fully homomorphic encryption

This work is partially supported by National Natural Science Foundation of China （62072487）， Emerging Interdisciplinary Project of Central University of Finance and Economics.

JIANG Chuyu， born in 1998， M. S. candidate. Her research interests include blockchain， financial technology.

FANG Lixi， born in 1998， M. S. candidate. Her research interests include blockchain， digital currency.

ZHANG Ning， born in 1975， Ph. D.， professor. Her research interests include financial technology， management information system.

ZHU Jianming， born in 1965， Ph. D.， professor. His research interests include information security， blockchain， financial technology.

TP309

A

1001-9081（2022）11-3438-06

10.11772/j.issn.1001-9081.2021111915

2021?11?11；

2022?01?18；

2022?01?24。

國家自然科學基金資助項目（62072487）；中央財經大學新興交叉學科項目。

蔣楚鈺（1998—），女，湖南永州人，碩士研究生，主要研究方向：區塊鏈、金融科技；方李西（1998—），女，安徽安慶人，碩士研究生，主要研究方向：區塊鏈、數字貨幣；章寧（1975—），女，江西臨川人，教授，博士，主要研究方向：金融科技、管理信息系統；朱建明（1965—），男，山西太原人，教授，博士，CCF會員，主要研究方向：信息安全、區塊鏈、金融科技。