大数据防篡改机制与区块链防篡改技术探讨

传统的大数据防篡改机制

一般的防篡改机制是基于加密算法的。 选择密文安全（CCA-security）是公钥密码学中的一个强安全概念比特币的防篡改功能，足以应对许多存在主动攻击的加密应用。 构建CCA安全公钥密码体制具有重要意义。 例如，Bellare 和 Rogaway 提出的 OAEP 体系已经成为 SET 协议的加密标准。

长期以来，只有少数加密方案被证明能够抵抗标准模型中的选择密文攻击，实用的就更少了。 第一个实用的方案是由 Cramer 和 Shoup 于 1998 年提出的，后来他们将该方案的构建扩展到平滑哈希证明系统（Smooth Hash Proof Systems，SHPS）。 长期以来比特币的防篡改功能，使用 SHPS 是在标准模型中构建实用的 CCA 方案的唯一途径。 2004 年，Canetti、Halevi 和 Katz 提出了一种通用方法，可以将任何 Selective-ID 安全基于身份的加密 (IBE) 方案转换为 CCA 安全公钥加密方案。 为了加密m，加密者使用接收者的公钥PK生成一次性签名密钥对(vk, sk)并将密文(vk, Enc(vk,m),σ)发送给接收者，其中Enc (vk ,m)可以看做是对m的加密，以PK为主要公参，vk为身份。 σ 表示用私钥 SK 对密文前两部分的签名。 解密时，首先验证签名的有效性。 如果合法，用主密钥提取身份vk的私钥d，用d解密。 可以看出，该方案与原IBE方案相对应，通信和计算负荷明显，因为加密时会生成一次性签名的密钥对，并使用生成的私钥对IBE密文进行签名。 在解密之前还需要验证签名的有效性。

waters方案是Adaptive-ID安全的，即攻击者可以自适应地选择身份攻击，而Canetti、Halevi和Katz将其改造为Selective-ID安全的，即攻击者只能非自适应地选择身份（所以攻击的身份是在生成参数之前确定的）攻击。

选择密文安全（CCA-security）：

(1)挑战者执行参数生成算法和密钥生成算法，将公开参数Param和加密后的公钥PK交给攻击者A；

(2) 攻击者A向解密预言机询问若干密文，挑战者根据解密算法进行解密，并将解密结果交给攻击者A；

(3) 攻击者A选择两条等长消息m0和m1，挑战随机选择一个比特值γ，对mγ进行加密，形成挑战密文C=E(mγ)给攻击者；

(4)攻击者A可以继续选择密文查询解密预言机。 唯一的限制是他不能使用挑战密文C来查询；

(5) 最后，攻击者输出一个猜测值γ'。 当γ'=γ时，攻击者A成功。

区块链技术的特点和优势

2017年最火的是什么？ 大家肯定会说是区块链。 在此之前，先介绍一下比特币系统的账户模型； 在比特币中，没有用户资产记录这个概念，也不会像mysql中那样用数据存储记录来表达； 它的资产，是通过连接和聚合所有交易记录获得的； 而且，区块链系统明确表示，账户中的资产来源可以向上追溯至创世块，也就是挖矿获得的收益。

比如你收到了小张的50元转账； 小张转给你的50元中，20元来自小李，30元来自小王，小李的20元中有3元来自小李。 对于小刘来说，这17元是小萌的……这笔资金的流向，将在链上得到充分体现。

让我们看看区块链系统是如何工作的：

所谓资金转移就是一笔交易，所以比特币系统设计了一个非常核心的数据结构，请看下面的截图：

MsgTx 是表示一个事务。 在这个交易结构中，有一个分片字段TxIn。 完整的定义是 MsgTx 之后的下一个结构。 在这个结构体中，有一个PreviousOutPoint，表示本次输入的源地址； 这样的交易信息会先被密封在一个区块结构中，然后通过验证存储在数据库中； 之前的交易记录中，还会有一个继续指向前方的PreviousOutPoint； 这样一来，每一笔资金的来源就会更加清晰。 如果大家比较感兴趣，可以在数据库中追溯，直到创世块；

再来看防篡改； 先从上面小张账户的50元说起； 这里不得不提到P2P网络，它是区块链运行的基础； 区块链系统是一个完全松散自治的P2P网络，这个网络，每时每刻都会有节点加入和离开； 并且没有中心节点进行管理，每个节点依靠算法维护自己的数据块信息；

现在我们来看小张的账号； 如果小张想把50元的账户改成50万元； 他要做的第一件事就是控制全网51%以上的节点。 可能，可以认为失败是不可避免的（概率中的最大似然估计法）； 假设一个人非常幸运，他真的控制了全网51%的节点； 下面还有一个更严峻的挑战：获取用户的私钥； 上面我们说了，如果小张想把这50换成50万，他需要在小张之前把小李的、小王的、小刘的、小孟的……总之，这50元所有相关人的私钥被窃取，然后篡改数据以欺骗区块链系统；

这里有两个问题：1、为什么要改这么多人的数据？ 这是因为，如前所述，区块链系统会记录每笔交易的详细来源。 交易验证时，如果发现数据不正确，会继续回溯验证； 2. 为什么需要私钥？ 对于我们需要配合交易的数据结构，我们看下图中最后一个数据结构TxOut

这个数据结构表示用户的交易输出，比如小张50元的来源是小李的20，小王的30，那么这20和30分别对应小李的交易输出； 大家注意，在这个TxOut中有一个PkScript字段，专业上叫做锁脚本； 就是说你要花钱或者要动钱，需要有相应的解锁脚本和锁定脚本来匹配； 否则，它将失败并被系统锁定。 发现加锁脚本通常是用户的公钥，解锁脚本是用户的私钥； 简单理解，就是非对称加密验证； 因此，用户要想篡改资金数额，不仅要控制全网51%以上的节点，还要窃取众多相关人员的密钥，其难度可想而知。 （文/龚才春）

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