利用洋蔥路由的匿名在線秘密拍賣方案

李 錦,李曉宇

(鄭州大學(xué) 計算機(jī)與人工智能學(xué)院,鄭州 450001)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展,在線拍賣在生活中得到了普遍的應(yīng)用.再加上近幾年新冠病毒的出現(xiàn),給人們的生活造成了很大的困擾,為了防止病毒的傳播,應(yīng)盡量少聚集,這就體現(xiàn)出在線拍賣在拍賣市場中的便捷性.有時競拍者在線拍賣過程中不希望泄露自己的身份信息和位置信息(IP地址),因此研究匿名在線拍賣技術(shù)變得越來越重要.

在線拍賣中,匿名通信[1]可以使身份和位置信息得到保護(hù),防止被惡意篡改,從而更加公平公正.Reed M G 等人[2]在美國海軍實驗室提出洋蔥路由系統(tǒng),可以完成隱私交流.賀道德等人[3]針對對等網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)存在信任度低的問題提出洋蔥路由的組合加密機(jī)制,具有很好的易用性.Kate A等人[4]提出一種新的洋蔥路由匿名網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.在基于身份的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)置中定義一個可證明安全的隱私保護(hù)密鑰協(xié)議方案,所需的計算和通信量要少得多,允許洋蔥路由匿名網(wǎng)絡(luò)優(yōu)雅地擴(kuò)展.趙夢瑤等人[5]基于洋蔥路由提出一種基于洋蔥路由的雙向匿名秘密通信協(xié)議,每個節(jié)點(diǎn)收到信息時都會檢查是否有接收者,有效減少系統(tǒng)中的流量.Kita K等人[6]從內(nèi)容生產(chǎn)者的不可鏈接性出發(fā),嚴(yán)格定義生產(chǎn)者匿名性,設(shè)計一個IP中基于洋蔥路由的系統(tǒng)以實現(xiàn)生產(chǎn)者匿名性.該系統(tǒng)以較少的開銷提供與隱藏服務(wù)相當(dāng)?shù)哪涿?

近些年來在在線拍賣隱私保護(hù)方面,許多學(xué)者做出了顯著的貢獻(xiàn).王小麗等人[7]提出一種基于匿名通信的拍賣協(xié)議.在通信過程中節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇,有效防止竊聽和流量分析.但平均響應(yīng)時間較長,通信效率不高.Wu M等人[8]提出一種新的量子密封競拍協(xié)議,該協(xié)議在可信第三方中心的幫助下采用量子認(rèn)證和單粒子量子公鑰,有效地防止拍賣人和競拍者串通,具有更高的安全性和可行性.但需要引入誠實可信的第三方.Bárász M等人[9]提出一個加密協(xié)議的匿名密封出價拍賣.提議的方案允許在不使用可信第三方的情況下,識別至少一個違反協(xié)議的不誠實參與者.此外,要求投標(biāo)書具有約束力.這是通過讓所有參與者一致行動找出獲勝者的身份來實現(xiàn)的,以防獲勝者無法購買.但如果其中有不誠實的參與者,時間復(fù)雜度就會增加,最壞到O(n2).Srinath T R等人[10]開發(fā)一個多屬性多輪逆向拍賣的安全協(xié)議.該方案可以有效地減輕拍賣人和競買人的計算負(fù)擔(dān),能為賣方提供一個安全的投標(biāo)環(huán)境,但需要引入可信的第三方.

本文將洋蔥路由系統(tǒng)應(yīng)用到在線拍賣過程中,提出一種利用洋蔥路由的匿名在線秘密拍賣方案.競拍者所在的節(jié)點(diǎn)事先選定一系列中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成洋蔥路徑.每到一個中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn),利用此節(jié)點(diǎn)的私有密鑰解密洋蔥路由最外一層,獲取下一跳IP地址,直到發(fā)送給拍賣服務(wù)器.拍賣服務(wù)器用私鑰解密最后一層得到對稱密鑰[11],用對稱密鑰解密密文得到報價信息.只有拍賣服務(wù)器能得到報價信息,并且拍賣服務(wù)器及任意一個中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)都不知道競拍者的身份信息.任意攻擊者都不可能得到報價信息,也不知道競拍者是誰,從而有效保護(hù)競拍者的隱私.實驗結(jié)果顯示該方案具有較低的響應(yīng)時間,隨著節(jié)點(diǎn)的加入,響應(yīng)時間緩慢增加,系統(tǒng)具有良好的健壯性.

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 在線拍賣

在線拍賣[12]是傳統(tǒng)拍賣形式的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn).拍賣前,拍賣方在網(wǎng)上發(fā)布拍賣品的詳細(xì)信息及拍賣規(guī)則,為了讓競拍者進(jìn)一步了解競拍物品也可以在網(wǎng)上展示拍賣品.在線拍賣可以減少實物由于移動損壞的風(fēng)險,保證實物的安全,也可以更方便競拍者,足不出戶就可以競拍.在線拍賣根據(jù)拍賣商品數(shù)量及商品最后的拍賣價格,拍賣網(wǎng)站可以分為兩種競拍方式:英式拍賣和荷蘭式拍賣.其中英式拍賣是競拍者在規(guī)定時間內(nèi)競價,出價最高者將得到物品.拍賣前賣家可以設(shè)置保留價,當(dāng)最高競價低于保留價時,拍賣方有權(quán)力不出售拍賣的物品.荷蘭式拍賣適用于拍賣方要拍賣物品數(shù)量較多的情況.

1.2 利用洋蔥路由的匿名通信模型

洋蔥路由系統(tǒng)[13]使用原路由協(xié)議,發(fā)送者在目錄節(jié)點(diǎn)所提供的列表中選擇一組節(jié)點(diǎn),事先規(guī)劃好轉(zhuǎn)發(fā)路徑.用上一節(jié)點(diǎn)的公開密鑰對下一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)及IP地址進(jìn)行加密,發(fā)送信息被一層層加密,形成洋蔥路徑.中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)解密最外一層,得到下一跳IP地址,轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳,以此類推直到目的節(jié)點(diǎn)將洋蔥路由最后一層解密,獲得發(fā)送的原始信息.接收者回送給發(fā)送者信息時按原路返回,直到到達(dá)發(fā)送節(jié)點(diǎn).每一跳洋蔥路由節(jié)點(diǎn)都只能解密洋蔥的最外一層,得到下一跳節(jié)點(diǎn)地址后轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點(diǎn),與此同時,每個節(jié)點(diǎn)都會記錄前驅(qū)節(jié)點(diǎn)IP地址.接收者在回送消息時也對數(shù)據(jù)進(jìn)行層層加密,只不過加密的順序與發(fā)送者加密的順序相反.

所有節(jié)點(diǎn)加入一個公開密鑰系統(tǒng),所有節(jié)點(diǎn)的公開密鑰都是開放的,私有密鑰保密.服務(wù)器的身份是公開的,其它競拍者不公開.記拍賣服務(wù)器的公開密鑰為Epkr,私有密鑰為Eskr.節(jié)點(diǎn)i的公開密鑰為Epki,私有密鑰為Eski.匿名在線拍賣模型示意圖如圖1所示.

圖1 匿名通信模型Fig.1 Anonymous online auction scheme model

下面介紹利用洋蔥路由的匿名秘密通信協(xié)議:

1)發(fā)送者生成一個AES密鑰K0;

2)發(fā)送者選擇一系列中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn),構(gòu)成一條路徑:節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、…、節(jié)點(diǎn)n .先用最后一個節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)n)的公開密鑰加密接收者的IP地址,再把密文和節(jié)點(diǎn)n的IP地址合起來,用節(jié)點(diǎn)n-1的公開密鑰加密,以此類推,構(gòu)造一個洋蔥路由頭R=Epk1(IP2,Epk2(IP3,…,Epkn-1(IPn,Epkn(IPr,Epkr(K0)…).

路由表是一個存儲在節(jié)點(diǎn)的電子表格,記錄了從此節(jié)點(diǎn)經(jīng)過的每一條信息,每一個節(jié)點(diǎn)都需建立路由表,每一項包含<序列碼s,發(fā)送消息給自己的節(jié)點(diǎn)IP地址>.洋蔥路由的匿名秘密通信模型中每個節(jié)點(diǎn)的路由表信息如表1所示.

表1 路由表結(jié)構(gòu)Table 1 Routing table structure

發(fā)送者發(fā)送請求消息過程:

發(fā)送節(jié)點(diǎn)t0隨機(jī)生成一個消息序列碼s,用K0對明文消息P加密得到密文EP.將洋蔥路由頭R、密文EP及消息序列碼s組合在一起形成請求消息.發(fā)送者將請求消息發(fā)送給第1個中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn).

算法1.發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息算法

1. 發(fā)送節(jié)點(diǎn)利用AES算法生成密鑰;

2. 發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇一系列中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn),構(gòu)成路徑;

3. 獲取各節(jié)點(diǎn)的公鑰和IP地址,用接收者的公鑰加密K0得到Rn=Epkr(K0),再用最后一個中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)tn的公鑰加密得Rn-1=Epkn(IPr,Rn),以此類推得到洋蔥路由頭R;

4. EP=K0(P)//用對稱密鑰K0加密明文消息P;

5. 將其與Seq組合形成請求消息REQ0=(R,EP,Seq);

6. 發(fā)送者將REQ0發(fā)送給第1個中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)t1;

中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)t1收到請求消息后,用私有密鑰Esk1解密洋蔥路由頭R的最外層,得到下一跳t2的IP地址,把R的剩余部分R1,與密文EP和序列碼s合起來得到請求消息,發(fā)送給中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)t2.同時t1記錄下序列碼s和上一跳節(jié)點(diǎn)(即節(jié)點(diǎn)t0)的IP地址,存入路由表.

中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)t2收到請求消息后,按照同樣的方法發(fā)給第3個中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn),同時中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)t2記錄下序列碼s和上一跳節(jié)點(diǎn)的IP地址,存入路由表.依次轉(zhuǎn)發(fā),直到到達(dá)接收者.

算法2.中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)送消息算法

1. FOR i=1 TO i=n

2. 中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)ti收到請求消息REQi-1=(Ri-1,EP,Seq);

3. Eski{Ri-1}=IPi+1//ti用私鑰Eski解密Ri-1得到下一個節(jié)點(diǎn)的IP地址;

4. REQi=(Ri,EP,Seq);

5. ti在路由表記錄;

6. ti將請求消息REQi發(fā)送給節(jié)點(diǎn)ti+1;

7. END FOR

接收者使用自己的私有密鑰Eskr解密余下的洋蔥路由頭,得到K0,用K0解密EP得到發(fā)送者的明文消息P.

算法3.接收節(jié)點(diǎn)接收發(fā)送消息算法

1. 接收者收到tn發(fā)送的請求消息REQn;

2. Eskr{Epkr(K0)}=K0;

3. K0{EP}=P;

4. 接收者在路由表中記錄;

到此為止完成一次節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求消息.在發(fā)送請求消息的整個過程中,中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)只知道上一跳和下一跳的IP地址,無法確定上一跳是否是發(fā)送者,也無法確定下一跳是否是接收者.每一個中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)及接收者都無法獲取請求消息的整個發(fā)送路徑,消息經(jīng)過層層加密由接收者解密最后一層得到明文消息,保證了消息的隱秘性.

接收者回復(fù)發(fā)送者過程:

接收者向發(fā)送者發(fā)送回復(fù)消息P′.用K0加密回復(fù)消息得密文EP′,將密文和序列碼組合在一起形成報文.用對稱密鑰Kr加密報文,用最后一個中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)tn的公開密鑰Epkn加密Kr.將這兩部分組合在一起得到最后的回復(fù)消息,在路由表中按序列碼s查找到對應(yīng)的IP地址,將回復(fù)消息返回給發(fā)送請求消息給它的節(jié)點(diǎn)tn并在路由表中刪除該記錄.

算法4.接收者發(fā)送回復(fù)消息算法

1. EP′=K0(P′);

2. 與序列碼組合形成報文;

3. Kr()//用對稱密鑰Kr加密報文;

4. Epkn(Kr);

5. 組成REPr=( Kr(),Epkn(Kr));

6. 按序列碼s在路由表中查找對應(yīng)的IP,將回復(fù)消息發(fā)送到該IP,并刪除該記錄;

中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)tn收到后,用私有密鑰Eskn解密得到對稱密鑰Kr,用Kr解密得到報文.通過序列碼s查詢自己的路由表獲得上一跳節(jié)點(diǎn)tn-1的IP地址.用對稱密鑰Kn加密報文,用其上一跳節(jié)點(diǎn)tn-1的公開密鑰Epkn-1加密Kn,將這兩部分合在一起得到回復(fù)消息,返回給中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)tn-1并在路由表中刪除該記錄.依次轉(zhuǎn)發(fā),直到返回給第1個中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)t1.

中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)t1收到后,重復(fù)以上節(jié)點(diǎn)的工作,查找路由表,找到上一個節(jié)點(diǎn)(即接收者)t0,將回復(fù)消息返回給t0.

算法5.中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)回復(fù)消息算法

1. 中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)tn收到回復(fù)消息REPr;

2. Eskn{Epkn(Kr)}=Kr;

3. Kr{Kr()}=s;

4. Kn();

5. Epkn-1(Kn);

6. 回復(fù)消息REPn=( Kn(),Epkn-1(Kn));

7. 將REPn轉(zhuǎn)發(fā)給tn-1,并刪除該條記錄;

8. 依次轉(zhuǎn)發(fā),直到發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到回復(fù)消息;

t0用私有密鑰Esk0解密得到對稱密鑰K1,用K1對報文進(jìn)行解密得到序列碼和密文,用K0對密文進(jìn)行解密得到接收者發(fā)送的回復(fù)消息.

算法6.發(fā)送者接收回復(fù)消息算法

1. 發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到回復(fù)消息REP1;

2. Esk0{Epk0(K1)}=K1;

3. K1{K1()}=;

4. K0{EP′}=P′;

整個過程中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)及拍賣服務(wù)器不知道發(fā)送節(jié)點(diǎn)的位置,保證了發(fā)送節(jié)點(diǎn)匿名.

2 利用洋蔥路由的匿名在線秘密拍賣方案

本文匿名在線秘密拍賣的核心思想是在整個拍賣過程中競拍者采用洋蔥路由匿名通信協(xié)議發(fā)送報價信息.在節(jié)點(diǎn)列表中選擇節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建路徑,每到一個節(jié)點(diǎn)解析最外一層的地址,發(fā)送給下一個節(jié)點(diǎn),從而實現(xiàn)對競拍者的身份和位置(IP地址)隱私的保護(hù).該方案采用英式拍賣[14]的競拍形式,在規(guī)定時間內(nèi)出價最高的競拍者得到物品.

2.1 匿名拍賣過程基本思想

模型的基本思路是競拍者作為發(fā)送者,拍賣服務(wù)器作為接收者.競拍者采用利用洋蔥路由的匿名通信技術(shù)將競拍信息發(fā)送給拍賣服務(wù)器,以保證競拍者的身份信息和地理位置信息不會被服務(wù)器及任意第三方獲取.當(dāng)競拍者想要競拍物品時,可以按照以下步驟:

Step1.拍賣服務(wù)器建立一個公示欄,公布競拍物品種類、拍賣品的拍賣規(guī)則、拍賣保留價、拍賣物品的截止日期、保證金金額及拍賣服務(wù)器賬戶等,所有用戶都可以看到.

Step2.競拍者構(gòu)造自己的競拍信息AInfo(包含ID號、商品、出價).競拍者將保證金匯入指定賬戶,并在匯款時備注序列碼.競拍者隨機(jī)構(gòu)造一條洋蔥路徑,競拍者將競拍信息AInfo發(fā)送給第1個節(jié)點(diǎn),依次轉(zhuǎn)發(fā)最終到達(dá)拍賣服務(wù)器.

Step3.拍賣服務(wù)器收到AInfo,沿原路回送一條表示投標(biāo)申請已收到的信息給競拍者.在截止期限到期之后,拍賣服務(wù)器只考慮繳納保證金的競拍者,選擇出價最高的,在公示欄上公布.

Step4.中標(biāo)者在截至日期之前將競拍物品余下金額通過銀行匯入指定賬戶,同時將ID號,序列碼和匯款憑據(jù)通過匿名通信方式發(fā)送給拍賣服務(wù)器.逾期未繳納剩余金額的中標(biāo)者視為自動放棄,保證金沒收.未中標(biāo)競拍者的保證金按原路退回個人賬戶.

Step5.拍賣服務(wù)器確認(rèn)中標(biāo)者已付款,回送給中標(biāo)者一條表示匯款憑據(jù)已收到的信息,交易完成,在公示欄中予以公布并刪除原競拍物品.中標(biāo)者領(lǐng)取拍賣貨品采用線下交接的方式另行安排.

2.2 利用洋蔥路由的匿名在線秘密拍賣方案

本文拍賣協(xié)議需要用到的符號定義如表2所示.

表2 相關(guān)符號定義Table 2 Definition of correlation symbois

2.2.1 拍賣服務(wù)器任務(wù)發(fā)布

網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)和拍賣服務(wù)器都加入RSA公開密鑰系統(tǒng).競拍者使用自身所處節(jié)點(diǎn)的公開密鑰-私有密鑰對.所有競拍者隨機(jī)生成一個32位的二進(jìn)制字符串作為ID號,ID號和節(jié)點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系除競拍者自己,任意節(jié)點(diǎn)(包括服務(wù)器)都不知道.拍賣服務(wù)器在公示欄公布競拍物品種類、每種拍賣品的拍賣規(guī)則、拍賣物品的截止日期、保證金金額以及服務(wù)器賬戶等.針對每種拍賣品的信息都應(yīng)在公示欄中公告,以體現(xiàn)拍賣的公開性及公平性.

2.2.2 競標(biāo)

競拍者構(gòu)造競拍信息(包含ID號、商品、出價).競拍者隨機(jī)構(gòu)造一條洋蔥路徑,在物品截至日期之前通過洋蔥路徑將競拍信息三元組AInfo=(ID,Commodity,Bidid)(其中ID為ID號,Commodity為商品名稱,Bidid為出價)發(fā)送給洋蔥路徑的第一個節(jié)點(diǎn),經(jīng)過洋蔥路徑中的節(jié)點(diǎn)依次轉(zhuǎn)發(fā),最終到達(dá)拍賣服務(wù)器.拍賣服務(wù)器收到競拍信息后,沿原路回送一條表示投標(biāo)申請已收到的確認(rèn)信息給競拍者.

為了防止惡意競拍者中標(biāo)后拒不付款造成拍賣失敗,增加競拍者繳納保證金環(huán)節(jié).競拍者事先采用銀行匯款方式將保證金匯入拍賣方指定賬戶,在匯款備注上填寫自己的ID號.

拍賣服務(wù)器收到一條競拍信息后核對該競拍者是否已經(jīng)繳納保證金,如果沒有繳納,直接返回“拒絕接受競拍”.如果競拍者中標(biāo)之后拒不付款,則保證金沒收,競拍重啟并且禁止該競拍者再參與新一輪競拍.

算法7.競標(biāo)環(huán)節(jié)算法

1. 競拍者利用AES算法生成密鑰;

2. 競拍信息AInfo=(ID,Commodity,Bidid);

3. bidder將保證金匯入公示欄提供的賬戶;

4. bidder構(gòu)造洋蔥路由頭R;

5. EP=K0(AInfo);

6. 與Seq組合形成請求消息REQ0=(R,EP,Seq) //Seq是競拍者生成的隨機(jī)數(shù),是唯一的;

7. t1收到請求消息REQ0;

8. Esk1{R}=IP2;

9. REQ1=(R1,EP,Seq);

10. t1在路由表記錄;

11. t1將REQ1發(fā)送給下一節(jié)點(diǎn)t2;

12. 最后一個中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)tn將請求消息REQn=(Rn,EP,Seq)發(fā)送給拍賣服務(wù)器server;

13. server收到請求消息REQn;

14. Eskr{Rn}=K0,K0{EP}=AInfo;

15. server在路由表中記錄;

16. server從AInfo中得到ID,然后與銀行賬戶收款記錄備注中的ID號對比;

17. IF(兩者ID相同)

18. 返回確認(rèn)信息,記錄競拍信息并執(zhí)行算法8,;

19. ELSE

20. server回復(fù)競拍者“拒絕接受競拍”,執(zhí)行算法4、5、6;

21. END IF

2.2.3 開標(biāo)

到截止時間后,拍賣服務(wù)器查看所收到競拍信息,根據(jù)快速排序算法對繳納保證金的競標(biāo)者的標(biāo)價進(jìn)行排序,選擇最高價.在公示欄公布中者ID號、商品名稱和出價及其他競標(biāo)者的競拍信息.中標(biāo)者將競拍物品總價減去保證金余下的金額通過銀行匯入指定賬戶,逾期未繳納視為自動放棄,保證金沒收.沒有中標(biāo)的保證金退回個人賬戶.

若最高價有多個競拍者投,拍賣服務(wù)器公布投了最高價的競拍者們并宣布進(jìn)入下一輪競拍.其它競拍者取消資格,再次發(fā)送競拍信息,拍賣服務(wù)器會拒絕接受.競拍方法與之前一致,新一輪的競拍中,拍賣起拍價變?yōu)樯弦惠喌淖罡邇r,重復(fù)競拍過程,直到選出唯一一個最高價.

算法8.開標(biāo)環(huán)節(jié)算法

1. server CHECK AInfo=(ID,Commodity,Bidid);

2. QuickSort={ Bidid};

3. QuickSort(A,p,r)

4. if p

5. q=Partition(A,p,r)

6. QuickSort(A,p,q-1)

7. QuickSort(Q,q+1,r)

8. End

9. Partition(A,p,r)

10. x=A[r]

11. i=p-1

12. for j=p to r-1

13. do if A[j]<=x

14. then i=i+1

15. exchange A[i]<->A[j]

16. exchange A[i+1]<->A[r]

17. return i+1

18. End

19. RETURN QuickSort[length-1];

20. CHECK最高價Bid對應(yīng)的ID;

21. IF(ID有多個)

22. RETURN Bid對應(yīng)的ID集合M;

23. Bid視為拍賣起價;

24. 集合M執(zhí)行算法7,算法8;

25. ELSE

26. RETURN Bid及其ID;

27. END IF

28. server公布中標(biāo)者的ID,商品名以及Bid;

29. IF(中標(biāo)者按時將錢匯入指定賬戶)

30. 執(zhí)行算法9;

31. ELSE

32. 沒收保證金,本次拍賣作廢;

33. END IF

34. server退回未中標(biāo)者保證金至個人賬戶;

2.2.4 支付和驗證

中標(biāo)者(比如是Bob)通過銀行將剩余金額匯入指定賬戶,同時將ID號、序列碼和匯款憑據(jù)通過洋蔥路由匿名通信方式發(fā)送給拍賣服務(wù)器.為防止拍賣服務(wù)器通過銀行轉(zhuǎn)賬信息獲知中標(biāo)者身份和位置隱私,中標(biāo)者使用銀行或者第三方代理機(jī)構(gòu)提供的匿名轉(zhuǎn)賬賬戶來匯款.第三方代理機(jī)構(gòu)有法律義務(wù)對匯款者的身份保密,不得泄露給任何人或者機(jī)構(gòu).拍賣服務(wù)器收到款項和匯款憑據(jù)之后,確認(rèn)中標(biāo)者已付款,通過匿名通信方式回復(fù)確認(rèn)信息CInfo給中標(biāo)者,至此交易完成.在這里確認(rèn)信息中簽名需要使用拍賣服務(wù)器的私鑰簽名,以供線下交接拍賣物品時驗證.在公示欄予以公布中標(biāo)者ID號及“已收到全額匯款:XXX元”.宣布此次拍賣結(jié)束,并刪除原競拍物品.中標(biāo)者領(lǐng)取拍賣貨品采用線下交接的方式另行安排.

算法9.支付及驗證環(huán)節(jié)算法

1. Bob將錢匯入指定賬戶;

2. 將ID號、Seq和匯款證據(jù)發(fā)送給拍賣服務(wù)器;

3. server收到信息后,核對轉(zhuǎn)賬數(shù)據(jù)和身份;

4. 確認(rèn)是中標(biāo)者匯款,生成確認(rèn)信息CInfo;

5. EP′=K0(CInfo),Mr=Kr(EP′,s);

6. 根據(jù)路由表中記錄,確定返回給tn;

7. server獲取tn的公鑰Epkn,Nr=Epkn(Kr);

8. 與Mr=Kr(EP′,s)組成回復(fù)消息REPn=(Mr,Nr);

9. server刪除路由表中記錄;

10. tn收到回復(fù)消息REPn;

11. Eskn{Epkn(Kr)}=Kr,Kr{Kr(EP′,s)}=s;

12. FOR i=n TO i=2

13. ti根據(jù)記錄,返回給ti-1;

14. ti獲得ti-1的公鑰Epki-1,Ni=Epki-1(Ki);

15. 與Mi=Ki(EP′,s)組成REPi-1=(Mi,Ni);

16. ti刪除路由表中記錄;

17. ti-1收到回復(fù)消息REPi-1;

18. Eski-1{Epki-1(Ki)}=Ki,Ki{Ki(EP′,s)}=s;

19. END FOR

20. t1根據(jù)記錄,確定返回給中標(biāo)者Bob;

21. t1獲取Bob的公鑰Epkb,N1=EpkBob(K1);

22. 與M1=K1(EP′,s)組成REPb=(M1,N1);

23. t1刪除路由表中記錄;

24. Bob收到t1發(fā)送的回復(fù)消息REPb;

25. Eskb{Epkb(K1)}=K1,K1{K1(EP′,s)}=EP′;

26. Bob獲取自己的對稱密鑰K0;

27. K0{EP′}=CInfo;

28.server公布拍賣完成信息;

3 協(xié)議分析

本方案在信息發(fā)送過程中有可能收到攻擊者威脅.攻擊者是網(wǎng)絡(luò)中(或者網(wǎng)絡(luò)外)的任意節(jié)點(diǎn),它可能監(jiān)聽和截獲節(jié)點(diǎn)之間的通信,也可能被選為中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn),還可能采用黑客手段入侵和控制某些節(jié)點(diǎn).攻擊者的目的是發(fā)現(xiàn)獲取競拍者的身份和IP地址.另外,拍賣服務(wù)器也可能試圖獲取競拍者的身份和IP地址.

3.1 匿名性

定理1.除競拍者以外任意節(jié)點(diǎn)都不能獲知競拍者的位置和身份隱私.

證明：競拍者構(gòu)造洋蔥路徑加密信息里只有K0,中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)只對洋蔥路由最外一層解密.轉(zhuǎn)發(fā)路徑是競拍者構(gòu)造好的,中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)無法獲知上一節(jié)點(diǎn)的身份,也就無法獲知競拍者的位置隱私.拍賣服務(wù)器也是只知道上一跳的IP地址,無法確認(rèn)上一跳是否是競拍者.

拍賣服務(wù)器發(fā)送回復(fù)消息時,各節(jié)點(diǎn)通過查詢路由表,回復(fù)消息按原路返回,任意節(jié)點(diǎn)無法獲知競拍者的位置.

定理2.競拍信息隱私:中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)及攻擊者都無法獲取競拍的具體信息.

證明：競拍者用對稱密鑰K0加密明文形成密文,用拍賣服務(wù)器的公鑰Epkr加密K0,根據(jù)洋蔥路徑選擇的節(jié)點(diǎn)順序用最后一個節(jié)點(diǎn)的公鑰Epkn加密Epkr(K0)及拍賣服務(wù)器的IP地址,以此類推,形成洋蔥路由頭.中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)只解密最外層洋蔥,得到下一跳IP地址.到拍賣服務(wù)器時解密得到密文.只有拍賣服務(wù)器利用私有密鑰Eskr解密得到對稱密鑰K0,其他任意節(jié)點(diǎn)都無法獲取,也就無法獲取競拍者發(fā)送的競拍信息.

3.2 匿名度計算

根據(jù)匿名拍賣方案不難看到,在所有中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)都是忠實的情況下,競拍者的身份和位置隱私百分百得到保護(hù).如果中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)中存在惡意節(jié)點(diǎn),拍賣服務(wù)器與惡意節(jié)點(diǎn)串通,就有可能沿著轉(zhuǎn)發(fā)路徑追溯到競拍者.定義匿名度:

D=1-P

(1)

P為拍賣服務(wù)器追溯到競拍者的概率.假定網(wǎng)絡(luò)中除了拍賣服務(wù)器和競拍者本人之外一共有N個節(jié)點(diǎn),其中含有m個惡意節(jié)點(diǎn).競拍者隨機(jī)選擇L個節(jié)點(diǎn)生成洋蔥路徑,容易看到,如果路徑長度L>m,則轉(zhuǎn)發(fā)路徑中一定有非惡意節(jié)點(diǎn),那么拍賣服務(wù)器追溯到競拍節(jié)點(diǎn)是不可能的,所以匿名度D=1.如果L≤m,則匿名度計算如下.第1個中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)恰好為惡意節(jié)點(diǎn)的概率為:

(2)

依次類推,L個中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)恰好均為惡意節(jié)點(diǎn)的概率為:

(3)

所以:

(4)

圖2表示轉(zhuǎn)發(fā)路徑L分別等于3,4,5時,匿名度與惡意節(jié)點(diǎn)比例的關(guān)系.隨著惡意節(jié)點(diǎn)比例增大,匿名度不斷降低,跟預(yù)期是一樣的,惡意節(jié)點(diǎn)越多,與拍賣服務(wù)器同謀的節(jié)點(diǎn)越多,同謀的節(jié)點(diǎn)獲取競拍節(jié)點(diǎn)身份的概率就越大.此外,轉(zhuǎn)發(fā)路徑越長,相應(yīng)的拍賣服務(wù)器追溯到競拍者的概率就越小,匿名度越大.最后,即使是L=3的最短路徑下,假定惡意節(jié)點(diǎn)比例為50%,匿名度仍然高達(dá)0.88,而現(xiàn)實中惡意節(jié)點(diǎn)比例通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于50%,因此,本方案具有很好的匿名性.

圖2 匿名度-惡意節(jié)點(diǎn)比例關(guān)系圖Fig.2 Anonymity-proportion diagram of malicious nodes

3.3 本方案的優(yōu)越性

3.3.1 安全性

競拍者采用構(gòu)造洋蔥路徑的方式確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑.競拍信息通過洋蔥路由層層加密,中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)只解密最外層,只有拍賣服務(wù)器才能解密競拍信息,其他拍賣者不能獲取,保證了競拍信息的安全到達(dá).

為防止攻擊者冒充競拍者給拍賣服務(wù)器發(fā)送信息以干擾拍賣過程,拍賣服務(wù)器收到競拍信息之后,使用自己的私鑰對ID號進(jìn)行簽名并將簽名附在確認(rèn)信息之后一起回復(fù)給競拍者.由于ID號是競拍者生成的,其它任何人都無法知道.只有等到競拍截至,拍賣服務(wù)器在公告欄公布所有競拍信息時,ID號才公諸于眾.后續(xù)競拍者與拍賣服務(wù)器再通信時,必須提供(ID號,ID號簽名),拍賣服務(wù)器驗證簽名通過之后才與之通信,否則拒不接收對方發(fā)來的任何信息.因為其它人都不可能獲得ID號簽名,所以攻擊者無法仿冒競拍者.

3.3.2 健壯性

在構(gòu)造洋蔥路徑時,競拍者首先通過查詢網(wǎng)絡(luò)路由器或者廣播查詢信息,確定當(dāng)前活躍節(jié)點(diǎn)集合.然后在活躍節(jié)點(diǎn)集合中隨機(jī)選擇選取一組轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn).構(gòu)造洋蔥路由,層層加密,實現(xiàn)競拍信息及位置隱私的保護(hù).洋蔥路徑上的節(jié)點(diǎn)選擇是隨機(jī)的,不依賴于特定的節(jié)點(diǎn),因此方案具有較好的健壯性.

當(dāng)然,現(xiàn)實中由于洋蔥路徑中某個節(jié)點(diǎn)的突發(fā)故障引起通信失敗是無法徹底杜絕的,但是這種概率很小,一般情況下系統(tǒng)仍然能正常運(yùn)行.

3.3.3 競拍者違約規(guī)范

為防止惡意競拍者中標(biāo)之后拒不付款導(dǎo)致流標(biāo),拍賣服務(wù)器提出競拍者繳納保證金這一環(huán)節(jié).參與競拍的競拍者都需繳納保證金,未繳納視為作廢.公布競拍情況時會公布作廢的競拍信息.中標(biāo)者需在規(guī)定期限內(nèi)繳納剩余金額,沒有按時繳納則默認(rèn)自動放棄,保證金將被沒收,此次拍賣作廢.

4 實驗結(jié)果及分析

為了驗證本文提出的利用洋蔥路由的匿名在線秘密拍賣方案的可行性,設(shè)計了此次實驗.

4.1 實驗環(huán)境及參數(shù)配置

硬件環(huán)境:CPU為Intel(R)Core(TM)i5-9300H;主頻為2.40 GHz;內(nèi)存為16.0 GB;操作系統(tǒng)為:Windows 10 家庭中文版.實驗的開發(fā)工具:IntelliJ IDEA Community Edition 2021.3,jdk-16.0.1,編程語言為:JAVA.

4.2 實驗結(jié)果及分析

實驗中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個數(shù)為50,選取不同的中轉(zhuǎn)路徑長度L,分別做了200次模擬實驗.記錄拍賣服務(wù)器在不同情況下收到競拍信息所需時間,求出平均響應(yīng)時間.從圖3可以看出,節(jié)點(diǎn)個數(shù)一定時,隨著L增加,平均響應(yīng)時間緩慢增加.實驗中平均響應(yīng)時間均在6秒內(nèi),說明該方案具有較好適應(yīng)性,即使中轉(zhuǎn)路徑增長也可以穩(wěn)定運(yùn)行.

圖3 平均響應(yīng)時間-平均路徑長度關(guān)系圖Fig.3 Average response time -average path length diagram

圖4表示節(jié)點(diǎn)數(shù)目不同時,平均響應(yīng)時間隨中轉(zhuǎn)路徑長度L的變化,分別取中轉(zhuǎn)路徑長度為5,10,15.對每一種情況分別做了200次模擬實驗,求出拍賣服務(wù)器在不同情況下的平均響應(yīng)時間.當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目一定時,平均響應(yīng)時間會隨著L的增加而增大.L一定時,平均響應(yīng)時間會隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而增大.由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的增加,轉(zhuǎn)發(fā)信息所需時間就會增加,從而會增大平均響應(yīng)時間.節(jié)點(diǎn)數(shù)目和平均響應(yīng)時間呈近似線性關(guān)系,隨著系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加,系統(tǒng)也可以穩(wěn)定運(yùn)行.

圖4 平均響應(yīng)時間-節(jié)點(diǎn)個數(shù)關(guān)系圖Fig.4 Average response time-number of nodes diagram

4.3 對比試驗

圖5給出了隨著節(jié)點(diǎn)總數(shù)的增加,本文所提出的方案和王小麗等人[7]以及Zhang T等人[15]所提出方案的平均響應(yīng)時間的對比.本文選取中轉(zhuǎn)路徑長度為5時的平均響應(yīng)時間.王小麗等人[7]分別測試了Pf=0.25,Pf=0.5和Pf=0.75時的平均響應(yīng)時間,選取Pf=0.75時的平均響應(yīng)時間.Zhang T等人[15]分別測試了4個內(nèi)容塊下MOAC和MRAC的平均響應(yīng)時間,8個內(nèi)容塊下MOAC和MRAC的平均響應(yīng)時間,選取8個內(nèi)容塊下MRAC的平均響應(yīng)時間.當(dāng)節(jié)點(diǎn)總數(shù)一樣時,本方案的平均響應(yīng)時間低于另外兩種方案.隨著節(jié)點(diǎn)總數(shù)的增加,3種方案的平均響應(yīng)時間隨著節(jié)點(diǎn)總數(shù)增加而增大且呈線性關(guān)系,但是本方案增加的幅度更小,說明本方案效率高且有更好的穩(wěn)定性.

圖5 平均響應(yīng)時間對比Fig.5 Comparison of average response times

5 結(jié)束語

本文提出了一種利用洋蔥路由的匿名在線秘密拍賣方案.競拍過程中所有節(jié)點(diǎn)和拍賣服務(wù)器都無法獲取競拍者的位置信息,競拍信息只有拍賣服務(wù)器能夠解密得到.實驗表明,該方案可以支持網(wǎng)絡(luò)中多個競拍者順利完成拍賣,系統(tǒng)平均響應(yīng)時間隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量增長而近似呈線性緩慢增長,具有較好的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性.洋蔥路徑選擇是隨機(jī)的,不依賴于特定的節(jié)點(diǎn),因此方案具有較好的健壯性.下一步研究是對方案如何改進(jìn)來提高通信效率.