2020, Vol. 31
2. 中国科学院 计算技术研究所, 北京 100190;
3. 内蒙古大学, 内蒙古 呼和浩特 010021
2. Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;
3. Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China
在社会生活中涉及多方经济利益及法律责任的数据, 最终呈现为多种形式的合约(保险合同、银行存单等).在以纸质材料为存证要素时, 通常情况下, 利益和责任各方相互留存纸质材料作为存证是可行的, 因为纸质材料包含了各方的签名、指纹、印章、身份证复印件等内容, 并且在线下可以保证双方同时公平获得对方签署的纸质合约, 这样即可作为具有法律效力的存证数据.在数字化深入发展的今天, 只有将纸质合约电子化、数字化、去纸化, 才能利用目前信息技术和大数据技术优势, 提高存证数据管理的效率.
涉及“多方利益及责任”的合约数据数字化之后, 通过PKI/CA体系的非对称密钥数字签名机制, 可以实现对合同内容的安全加密传输及单方确认签字; 通过单向哈希摘要算法, 可以验证合约数据的完整性, 并能提高数字签名的效率.除此之外, 确保电子合约的公平交换协议(fair contract signing protocol, 简称FCSP)是实现线上电子合约签署的必要条件.公平交换协议指的是:双方通过网络相互发送经过己方数字签名的合约数据, 合约内容对双方来说都是公平的(公平是指合约内容即包括双方的“利益”, 也包括双方的“责任”), 数字签名都是可由对方验证的.在双方互不信任的情况, 合约的交换过程要保证公平性, 也就是说, 不管交换过程成功与否(可能网络故障意外终止交换过程、也可能某一方恶意终止交换过程), 都应该使得交换的双方处于均势.如果合约签署交换过程正常进行, 双方都能得到各自所需的数据(对方的数字签名); 如果交易过程异常终止(包括协议某一方的恶意终止), 任何一方(包括恶意终止的一方)都不占优势.公平合约交换协议要解决的不仅仅是节点异常或网络异常的行为, 而是要解决任何一方作弊时(为了逃避合约“责任”, 或是为了获得不公平“利益”), 在被诚实的一方举证后, 经过第三方仲裁, 都不能否认诚实方的合约利益, 也不能否认己方的合约责任.实现公平合约交换协议, 可以划分为两种类型:(1)有可信第三方(trusted third party, 简称TTP)的实现方式; (2)无可信第三方的实现方式.
1.2 区块链技术近年, 以比特币[1]为代表的数字货币实践获得广泛关注, 数字货币的底层技术平台是区块链(blockchain)技术, 区块链的核心协议可以概括为以下几个技术术语的组合:P2P网络、基于非对称密钥机制的签名验证、全网共同遵守的当前时间段交易信息共识、基于单向HASH算法的交易历史链式数据结构, 这在中本聪的论文《Bitcoin: a peer-to-peer electronic cash system》进行了详细的描述.区块链的出现, 解决了数字货币的两大问题:双重支付问题以及拜占庭将军问题[2-7].区块链技术在去中心化的金融、保险、支付、公证等领域有广阔的应用前景.当前, 区块链技术的设计初衷与应用推广方面矛盾日益突出, 鉴于此, 国内外的学者在区块链基础架构、共识分片和共识协议算法方面展开了基础研究工作[8-10].
基于去中心化的点对点交易需求以及系统可靠性方面的考虑, 区块链技术普遍基于P2P网络, 网络中的每个节点以扁平式拓扑结构相互连通和交互, 不存在任何中心化的特殊节点、不存在层级结构, 每个节点均会承担网络路由、验证交易单、验证区块数据、传播区块数据、发现新节点等功能.
本文的主要贡献如下:
1) 利用区块链技术, 实现了多方的、无TTP的、确定性的FCSP协议, 并且提供了公平合约的追加、更新和删除管理功能;
2) 改变了区块链的“单向信任”模式, 为区块链网络建立了双向信任(或称多向信任);
3) 分析了方法的公平性、有效性和隐私性.
本文第2节对FCSP协议的研究进行总结.第3节对本文实现的协议进行综述, 包括区块链协议改造、系统搭建、公平合约的交换过程和更新过程.第4节对本文实现的协议进行公平性、隐私性和共识方面的讨论.第5节描述本协议的概要内容并总结.
2 相关工作线上公平合约交换协议(fair contract signing protocol, 简称FCSP)可以被划分为两种类型:(1)有可信第三方(trusted third party, 简称TTP)的实现方式, 包括在线和离线两种情况; (2)无可信第三方的实现方式.
1.无TTP的协议
文献[11]中已经证明:如果没有第三方参与, 利用数字签名方法, 两方之间是不存在确定的FCSP协议的.原因在于双方之间发送签名的顺序, 双方无论经过多少轮的顺序签名, 被提前终止发送顺序签名的一方都会被质疑是否向对方传递顺序数字签名, 而使得自身保存的顺序数字签名无法主张权利.鉴于此, Even[12], Goldreich[13]等人也给出了无TTP的、近似的FCSP实现.他们的方案是将己方的数字签名数据分散为多份, 每份执行一个确定难度的加密运算.随后, 将加密的签名数据分片传递给对方之后, 双方同步发送己方的数字签名加密分片的解密密钥, 己方获得一份密钥之后, 发送己方的一份密钥给对方, 如此往复, 直到双方都收到全部的分片密钥.显而易见, 这不是一个确定性的无TTP方案, 因为当一方收到最后一份密钥之后, 他可能拒绝发出自己最后的一份己方密钥.在这种情况下, 另一方只能通过解密的方式求解最后一份密钥, 虽然假定加密算法的难度是确定的, 但是他仍然可能在有效的时间内无法破解最后一份密钥, 从而使得自己处于被动劣势地位.
2.基于在线TTP的协议
文献[14]的FCSP协议需要半信任的第三方来保证每一次交换的公平性, 并且保证第三方在内的任何一方提前终止数据交换都不会获得任何益处, 也不会使得利益不均衡.但是需要确保的前提是第三方不会与任何一方同谋.Alawi等人在文献[15]中给出了名为Halevi-Micali“承诺”方案, 要求准备签署合同的双方把合同交给第三方做备案记录, 这需要在线TTP的支持.该方案可以应用到互联网上, 其实现的公平交换协议保证了“乐观、公平和无滥用”等安全特性, 并且该方案使用无碰撞哈希函数, 即建立在基础的计算机密码学之上, 使得该方案很实用.而且只需要4轮数据交换即可完成协议过程, 通信和计算成本相对较低.Wan等人在文献[16]中号称实现了无任何TTP的FCSP, 但是实际上, 该文献提到的可信时间戳服务充当了TTP角色.
3.离线TTP协议
文献[17-21]分别利用数字签名技术的不同方面(包括聚合签名技术等)提出了FCSP.文献[22]通过优化签名算法, 无须解密密钥向TTP传递即可验证, 降低了对TTP的要求, 且协议过程和通信量更简单高效.文献[23]提出利用公开可验证秘密分享(publicly verifiable secret sharing, 简称PVSS)原理, 实现了签名者隐私的保护, 有效地降低了签名者中的一方与离线半可信TTP合谋来获取另一方签名的概率.但是, 以上研究都需要第三方离线TTP在争议时提供验证服务和仲裁.
区块链技术以“去中心化”为核心特征, 对应了FCSP的无TTP需求, 其中, 文献[24]给出了基于区块链技术的FCSP的三方实现.其核心思想是:三方在对合约进行数字签名之后, 在比特币网络上发布对赌交易, 没有传递自身签名的一方会被惩罚, 失去对应的比特币.此方案是基于区块链技术首次尝试实现FCSP, 此方案的缺点也是明显的, 此方法依赖比特币一类的公有链数字货币, 并且当对赌的数字货币的价值低于公平协议包含的价值时, 此方案将会失效.
文献[25]利用以太坊区块链的智能合约实现了公平合约交换协议的部分第三方功能, 其实现的基本方法是:将待签协议以交易单的形式发布在以太坊的区块链网络内, 等待对手方的签名确认或由己方签名废弃.此方法的缺陷是在公有链的线上环境暴露了合约内容, 这在真实的商业场景是不能接受的; 其实现的交换协议只适用于两方, 不能推广到多方的合约场景; 并且只适用于交换“利益”, 不能适用交换“责任”.
文献[26]在比特币网络上实现了公平交换混合器(fair-exchange mixer), 通过公平交换混合器实现比特币与“收据”之间的公平交换.但是交换过程效率低下, 通常需要几个小时完成, 这不适用于在线合约交换的应用场景.文献[27, 28]也使用公平交换混合器作为中介机构, 保证发送双方匿名发送比特币.公平交换混合器是无法窃取中间资金的, 与文献[26]相比, 在效率上做了优化.同样, 这3个方案都是建立在比特币网络之上的有“中心”机构公平交换, 并且只能适用于交换“利益”, 即以比特币(转账比特币是不包含责任的)为交换媒介.
文献[29]使用比特币网络实现了数字货币与线上数据之间的公平交换, 大概过程分为3个步骤.
1) 数据证明:数据卖方S将售卖数据分成多份, S产生非对称密钥对{PK, SK}, 用公钥PK分别将拆分为多份的数据加密传递给买方B, 同时将PK传递给B, B随机将部分数据分片要求S提供解密证据, 证明数据的正确性, S将B提供的部分数据用SK解密之后返回给B, B可以验证解密数据的正确性, 并可证明解密数据与原加密数据一致;
2) 签名承诺:B提交一个当前消息给S, 请求S用SK进行签名, S将签名之后的数据返回给B, B用PK(上一步骤得到)可以验证SK的正确性;
3) 私钥交换:B在比特币网络创建一个私钥锁定交易(private key locked transaction)Tx1用于执行原子性的私钥交换, 在该交易中提交购买数据所需的比特币, Tx1被记入新区块并经过确认后, S看到了Tx1之后, 使用自己的私钥SK和Tx1构建新的交易Tx2, 将Tx1的比特币转账进入S的新公钥地址, Tx2被广播到网络之后, B即可获得SK的信息, 使用SK解密购买的数据.
通过以上过程, 实现了B和S之间的公平交换.此方法需要区块链内的智能合约脚本支持私钥锁定交易, 适用于比特币及其他线上数据之间的公平交换, 且B和S之间交易的数据需要能被分片验证正确性(例如利用视频片段或图像片段验证完整数据的正确性).目前, 该方法基于比特币区块链实现, 依赖比特币的脚本语言.此方法只适用于交换“利益”的场景, 不适用于交换“责任”的场景, 不能适用于公平交换合约(合约中既包含双方的“利益”, 也规定了双方的“责任”)的场景.即:当“责任”数据交换成功之后, 当责任事件发生后, 某一方为逃避责任, 可以通过藏匿自身收到的数据, 声明没有收到过对手方发送的“责任”, 此时, 基于公平原则, 对手方收到的数据也不能在声明权利(因为比特币网络是完全匿名的, 无法证明对手方发送了自身签名的数据), 从而造成了交换“责任”的失效.
3 基于区块链技术的线上公平合约交换公平合约线上交换过程, 在无中心的情景下, 其关键问题是无法确定交换截止时, 最后一方是否收到对方的数字签名, 这造成了“事后抵赖”的逃避“合约责任”的问题.引入区块链的去中心化群体共识见证协议, 避免了合约交换方的事后抵赖行为.线上合约的交换过程可划分为多个状态, 从初始状态转换为多方签署成功(或失败)的状态由各方的数字签名触发, 合同签署状态迁移映射为区块链的链式事务状态迁移的数据结构.将各个阶段的、有各方签名确认的状态转换经过区块链内的群体共识验证, 固化为链上的历史事务交易链, 同时解决了对TTP的依赖及事后抵赖行为, 依据重新设计的链上协议流程, 解决合约交换过程及交换结果的公平性(见下文).
目前, 学术界和工业界还未出现基于区块链技术体系的公平合约(合约中包括利益、也包括责任划分)交换协议实现.区块链核心协议中实现了在不信任的网络节点之间建立“去中心的”信任, 但是这种信任是百分之百单向的、不公平的.以比特币支付为例, A向B支付了一笔比特币后, B可以信任A的支付行为, 但是A仍然无法信任B, 这是因为区块链共识协议只是确认了单向支付的“利益”行为, 并没有确认接受支付的一方该有的责任.基于此, 本文将区块链的核心协议进行了改造, 将链上的交易内容转换为双方(或多方)之间的合约内容.合约中明确了双方(或多方)的“利益与责任”, 当合约的链上签署交换过程结束后, 即可通过链内的共识验证确认了一方接收了另一方的利益, 同时也接收了责任, 即建立A和B之间的双向信任关系.即区块链加公平合约, 不仅实现了“利益与责任”的线上公平交换, 同时实现了区块链上的双向(或多向)信任关系(如图 1所示).
|
Fig. 1 State transition of the online contract signing process is mapped to the growth of the chain state of the blockchain 图 1 线上合约签署过程的状态迁移映射为区块链的链条状态的增长 |
3.1 合约目标
首先, 将交易类型的区块链网络交易的内容从“数字”货币转变为待双方(或多方, 本文以下以两方A和B的形式讨论, 最后给出多方的推广方法)签署合约内容m的哈希摘要H(m), 在双方A和B的交易过程中, 完成交易双方对H(m)的顺序3轮签名.假设A和B的签名分别为Ra(H(m))和Rb(H(m)), 由于签名的交易数据广播到网络内, 经过全网共识记账之后, 链入全局一致的区块链数据结构中, 这保证了签名在双方传递的过程及各自的签名过程是无法抵赖、无法藏匿的.为了达到FCSP的公平性, 需要确保双方都能获得对方的签名合约, 只需在协议中规定:顺序的3次签名交易Ra(H(m)), Rb(Ra(H(m)))和Ra(Rb(Ra(H(m))))都被记账, 才使双方最终确认合约生效(Ra和Rb的签名没有严格的起始顺序要求, 只需相互间隔即可), 除此之外的情况, 都认为合约是无效的.在顺序签名过程未完成时, 任何一方都可在当前签名链条的末尾链接一个“合约废止”签名, 使得当前公平合约交换过程正常终止.此种方法源于无TTP时顺序数字签名的“递归质疑公平性”[11].在区块链的技术体系下, 任何一方的签名都会被广播到全网, 通过全网的共识、记账、验证过程, 将签名顺序记入共享区块链账本, 这保证了任何一方都无法通过藏匿最后一次获得的签名数据而逃避合约规定的责任, 因为签名顺序是公开记录在共享区块链账本中的, 因此双方获得了同等的权益和责任保证.以下给出基于交易类型的区块链协议实现FCSP的具体方法.
3.2 线上公平合约的建立机制 3.2.1 系统架构及数据结构以交易类型(例如比特币)区块链协议和系统为原型, 进行针对公平合约交换协议FCSP的改造, 搭建专用区块链网络, 称为FCSP-Blockchain.这个区块链系统内, 将交易类型的区块链系统内的交易单的交易内容从“数字”货币, 转变为文本内容的公平合约m, 具体的组网方式如图 2所示.
|
Fig. 2 Networking between nodes of FCSP-blockchain 图 2 FCSP-blockchain的参与节点P2P组网方式 |
本方法中包含CA中心, 用于向参与节点颁发实名绑定的数字证书, 每个节点用数字证书(将公钥和真实账户身份进行绑定)对应的公私钥完成交易过程和交换合约内容的签名、验签.由于交换的合约既包括“利益”, 还包括“责任”, 实名数字证书用于避免节点为逃避“责任”, 而否认己方的公私钥.本方案中引入CA中心并非是向中心化的退化, 更非传统的可信第三方的角色(TTP).可以通过其他更简单的方式取消CA, 例如, 要求参与FCSP- Blockchain的所有节点在区块链之外公开自己的公钥信息, 即可不再需要CA.
首先将待签合约内容数字化为数据m, 将交易单的交易有效内容从“数字”货币替换为m或A, B双方对m的签名确认.将公平合约交换协议中包含的各方签名确认转变为区块链网络的交易单“转账”过程.合约交换过程未完成时, 允许任何一方终止交换过程, 合约m的终止消息为dm.
一般情况下合约的线上签署过程分为发起方和确认方, 由于合约的多轮签署及确认是一个动态的过程, 因此为了保证存证数据的权威性, 基于区块链技术的A和B双方合约签署过程, 既要实现合约内容由双方(发起方和确认方)进行数字签名确认, 也要实现合约多轮的签署过程由双方签名并确认.不妨设A为发起方, B为确认方.通过链上协议的合约签署及交换过程如图 3所示:A对待签合约m构造合约交换起始“交易abc”, 在交易单中包含A的数字签名, 该交易经过共识协议记入全局区块链数据结构中; B查询链上数据, 获知有指向自己地址的待签合约, 经过合约内容的确认后, 在“交易abc”之后链接转发新的“交易def”, 该交易单同样经过共识协议记入全局区块链数据结构中; 经过以上的过程, 公平合约的线上双方签署过程, 在区块链共识协议的见证下, 实现了公开公平, 防止了合约履行过程的抵赖行为.
|
Fig. 3 Signature exchange process of the contract in the consensus protocol witness 图 3 共识协议见证链上合约的签名交换过程 |
链上交易单链接的签名和验证基于非对称密钥机制, 其签名过程为:在交易单的前置交易信息in→ scriptSig→sig属性中, 记录本方私钥对前置交易单hash值的签名; 在in→scriptSig→pubKey属性中, 记录本方数字证书的公钥原值; 在交易单的输出属性out→address中, 记录本交易单的输出指向地址的hash值.在交易单链条的合法性验证过程为:验证本交易单的in→scriptSig→pubKey的hash值与前置交易单的out→address中记录的输出指向地址的hash值相等; 验证使用本交易单的in→scriptSig→pubKey解密本交易单的in→scriptSig→sig值, 其值与in→prev_out→hash中记录的前置交易单hash值相等.交易单链接的合法性验证由参与共识协议的任意节点都可完成, 交易单链接的验证在栈数据结构中完成, 具体流程如图 4所示.
经过以上的验证过程, 在全网共识协议的协同下, 可以确认以下信息.
1. A确实向B发起了一次合约交换请求, 以A的私钥数字签名作为防抵赖依据;
2. B确实收到了该合约交换请求, 以B的数字签名作为B对合约的签署确认和防抵赖依据;
3.合约交换签名被全网的共识节点验证和确认, 被记入全局一致的区块链数据结构, 以防止单方藏匿和篡改.
具体的交易单数据结构和实现流程如下节所述.
|
Fig. 4 Transaction legality verification based on asymmetric encryption algorithm 图 4 基于非对称密钥的交易合法性验证过程 |
3.2.2 双方公平合约的创建及确认
1) 首先由A发起合约m的签署确认的初始化过程:A将包含m的初始化信息形成交易单数据结构Ta, 其核心交易内容为事先商定的合约内容hash摘要H(m), 并且附带A的数字签名; A将交易单信息Ta广播到区块链网络, 表示A已经确认签名确认了m, 且等待B的签名确认(或等待A链接终止交易单);
2) 区块链网络的共识节点接收到该交易单信息后, 共识判断该交易单为A发起的合约签署初始化过程, 因此不需对交易单的来源项进行验证, 经过区块链网络的共识过程和共识验证, 将本交易单写入区块链的历史区块中;
3) B客户端通过区块链历史数据, 发现有指向自己公钥地址的待确认合约签署请求, B通过查询获得A提交的交易单数据Ta, 通过该交易单构造新的交易单数据结构Tb, 其链接的前置交易单为Ta, Tb, 并且在Tb中附带B的数字签名; B将Tb交易单广播到区块链网络, 表示A对合约m的签名已经被B确认, 并且B也对合约m进行了签名;
4) 区块链网络共识节点接收到该交易单, 共识节点验证该交易单的合法性(验证B的公钥地址与前置交易单的输出公钥地址是否匹配、验证B的数字签名与公钥地址是否匹配).验证通过后, 经过区块链网络的共识过程和验证过程, 将该交易单写入区块链网络的历史区块中;
5) A客户端通过区块链历史数据, 发现有指向自己公钥地址的待确认合约签署请求, A查询获得B提交的交易单数据, 通过该交易单构造新的A最终确认交易单数据结构Tc, 其链接的前置交易单为Tb, 并附带A的数字签名; A将交易单信息Tc广播到区块链网络;
6) 区块链网络的共识节点接收到Tc交易单信息后, 共识节点验证该交易单的合法性(验证A的公钥地址与前置交易单的输出公钥地址是否匹配、验证A的数字签名与公钥地址是否匹配).验证通过后, 经过区块链网络的共识过程和验证过程, 将该交易单写入区块链网络的历史区块中.
经过以上的过程, 确认了两项内容:(1) A和B双方对合约内容m的数字签名; (2) A和B对合约的顺序数字签名确认; (3) A和B都已经“获知”对方完成了合约签名.这个过程保证了合约内容的可信性、不可抵赖性和合约签署过程的可信性、不可抵赖性(不可藏匿); 当3次顺序签名的交易单被区块链网络记入区块链数据结构以后, 双方之间的公平合约即建立.此后, 合约内容是无法单方撤销的, 需要双方的再次3次签名确认过程才能撤销已建立的公平合约(后面将会叙述).
在前两个交易单的数据结构中, 双方都在交易单的输出指向地址中加入了本方的交易地址, 目的是在合约交换还未完成时, 允许任何一方终止还在交换过程中的公平合约.区块链的共识机制避免了“分叉”现象, 因此, 交换过程中的公平合约, 当任何一方发布链接“终止合约”交易单, 对手方同时发布“确认”合约交易单时, 区块链的全网共识机制, 保证了这两个矛盾的交易单中只能有一个交易单被成功记入区块链全局区块链数据中, 这保证了公平合约交换过程的全局数据一致性.无论公平合约成功建立, 还是某一方终止合约交换过程, 都不影响其公平性、不可抵赖性和不可撤销性.由其在区块链网络内形成的交易单链接如图 5所示.
|
Fig. 5 Creating contract and signature transfer process between A and B 图 5 合约创建及A和B双方的签名确认过程 |
其合约终止交易单可由A, B中的任何一方发起, 数据结构包含己方的数字签名和指向为空的目的地址.
图 4中的交易单链接关系, 为了保证合约交换过程的数据一致及状态一致, 避免造成“合约正常终止”与“合约成功建立”同时发生而出现的矛盾, 其区块链全网节点的交易单合法性验证, 与目前的交易类型区块链交易单合法性验证略有不同, 即:每个交易单输出项指向地址中, 不论包含多少个有效项, 只能有一个输出地址能被后续交易单引用为前置交易单.即交易单的某个输出项被后续交易单使用之后, 此交易单其他输出项地址同时变为无效状态, 不能再被引用, 否则会被共识节点验证交易单输入项不合法.在区块链网络的共识协议保证下, 避免了交易单的“分叉”现象, 多个矛盾的交易单同时在区块链网络发布时, 只能有其中一个交易单被成功记入区块链网络, 这使得合约交换过程要么被双方确认成功, 要么被某一方确认终止.
3.2.3 双方公平合约的追加、更新和删除在上述过程中, 在末尾交易单Tc构造新的交易单, 可以在合约公平交换协议中实现合约内容的追加、更新和删除过程.“追加”指的是在合约内容m之后补充新的条款m'; “更新”指在合约内容m之后补充新的条款m', 且m'中包含与原m相矛盾的内容时, 以最新的补充条款m'为准; “删除”指在合约内容m之后补充新的条款m', 且m'的内容为对m的失效声明.由此可知:合约内容m的追加、更新和删除都表现为在交易单Tc之后链接新的交易单, 且新交易单的双方待签内容为m'.因此, 以下将追加、更新和删除过程抽象为相同的过程:在合约内容m之后追加新的合约内容m'并确认m'.合约更新的交换过程未完成时, 允许任何一方终止合约更新过程, 合约更新内容m'的终止消息为dm'.
上述末尾交易单Tc的输出Out指向了A和B的公钥地址, 交易单Tc的输出Out的验证脚本指明:A和B双方任何一方都可发起后续的合约管理过程(更新、追加、删除过程), 在此不妨设A为发起方, B为确认方.具体的追加(或更新)流程在区块链网络内形成的合约更新过程交易单链接示意图如图 6所示(省略了交换过程被正常终止的展示).
|
Fig. 6 When the contents of the contract are added, signature transfer process between A and B 图 6 合约内容追加时的A, B双方签名确认过程 |
经过以上的过程, 实现了A和B双方对合约m的追加内容m'的数字签名和追加过程的数字签名, 保证了合约追加内容m'的可信性、不可抵赖性和追加过程的可信性、不可抵赖性; 同时, 通过区块链网络的的共识记账过程和验证过程, 保证了数据的完整性、不可篡改性和可靠性.
上述合约的更新交换过程, 在合约更新交换未完成时, 同样允许任何一方终止合约更新的交换过程, 其终止方式和终止交易单与公平合约的创建过程完全一致, 在此不再赘述.
3.3 多方公平交换协议的推广以上的讨论中, 只涉及A和B两方进行合约的公平交换过程, 可以将以上的实现过程推广到N方之间, 即:将以上的3次交易单链接过程推广为N+1次交易单链接过程, 每个链接的交易单是N方之一进行数字签名确认过程, 新链接的交易单的输出地址指向N方中剩下所有未签名确认的参与方, 剩下所有未签名确认的每个参与方, 通过竞争在交易单链条末尾链接自己的签名确认交易单, 区块链网络的共识机制会保证对这些竞争的交易单其中之一(同时, 在某个交易单链条末尾竞争签名的交易单在同一时间是相互矛盾的, 只能有一个交易单被成功记入当前新生成的区块中)进行记账, 未被成功记账的参与者会选择在新的交易单链条末尾竞争记账, 直到N方中的所有参与者都将自己签名确认的交易单链接到本次合约的交易单链条中, 合约签署的发起方最后会链接一个指向N方所有地址的交易单在此交易链条的末尾作为截止, 以便N方中任何一方都可发起合约内容的追加、更新和删除请求.区块链网络的共识协议避免了签名交易单链条的分叉, 最终保证了只有唯一的一个签名顺序会被记入全网一致的区块链数据结构中, 如图 7所示(省略了交换过程被正常终止的展示).
|
Fig. 7 Unique signature order between N parties is recorded in the blockchain data structure 图 7 N方之间的唯一签名顺序记入区块链数据结构 |
通过以上过程, 形成的N方之间的签名顺序是随机的, 这通常是现实中的合约所需要的, 这也是合约的线上交换过程的公平性体现之一.
同样的, 在N方之间的合约交换和更新过程中, 可由N方中的已完成交易单链接的任何一方提前终止合约交换过程, 这与两方之间的合约正常终止过程类似, 不再赘述.
4 特性分析 4.1 公平性本文中合约交换过程的公平性讨论如下.
1) 本协议规定:只有经过N+1次链接的交易单被记入区块链数据结构之后, N方数字签名确认的合约内容才是生效的状态; 除此之外, 都是无效状态.因此, 任何一方提前终止N+1次交换过程, 既不会使得本方获益, 也不会使得对手方受害;
2) N+1次链接的交易单被成功记入区块链全局账本之后, 因为区块链全局账本的公开透明性, 所以任何一方都无法否认某一次签名确认的行为(公钥是提前公开的, 或者采用CA颁发的数字证书), 从而避免了通过藏匿签名数据而逃避责任的行为.因此, 区别于原始区块链技术的单向信任关系, 本文的协议改造方案使得区块链的节点之间建立了多方之间的任意双方的双向信任关系.
4.2 隐私性在上节的讨论中, 为便于说明, 将合约内容原文m写入了交易单Ta中.显然, 将交易单Ta中的合约内容m去掉, 只保留H(m), 不会影响本协议的正确性和可验证性, 从而实现针对合约内容的隐私性.
但是, 由于采用公开的公钥信息(或CA颁发的数字证书)进行合约内容和交换过程的数字签名, 因此, 这样的信息:“实体A和B之间发生了一次交换合约行为”仍然是公开的, 实现这个信息的隐私是本文未来的工作, 零知识证明是可选择的方案之一.
4.3 共识协议的选择本协议依赖的区块链技术来源于交易类型的区块链(例如比特币), 改造的主要内容是:
1) 交易的有效数据从“数字货币”变成了待签合约(或待签合约的哈希摘要);
2) 参与节点必须公开自己的公钥信息(或是采用CA颁发的数字证书), 用公开的公钥信息对应的公私钥完成数字签名和验签.
除以上两点之外, 本协议可完全继承交易类型区块链协议的其他部分.但是出于对效率的考虑, 可以替换基于算力竞争的共识协议, 采用更加合适的共识协议, 以便在效率和安全性上做恰当的折中.
5 结论无TTP的FCSP协议还未有确定性的实现, 有TTP的FCSP协议实现的缺点是明显的, 包括信用单点、可靠性单点、额外的第三方成本等.本文提出了基于区块链核心协议的、无TTP的、确定性的FCSP协议实现.将交易类型的区块链的交易内容替换为合约内容, 公平合约交换的参与方依次构造N+1次的链接交易单, 结合区块链的共识协议实现了合约内容的依次签名确认, 并且避免了合约签名链条的分叉.本实现协议规定:N+1次的顺序交易单都被记入区块链全局账本数据中以后, 视为唯一合约生效的确认, 除此之外的情况都为无效的合约交换.合约交换过程中, 任何一方都可以提前终止交换过程.此方法实现的FCSP避免了任何一方在合约交换过程中、合约交换完成之后的作弊行为, 实现了确定的公平性.此方法利用区块链的交易单链接可以实现合约内容的公平追加、更新和删除.此外, 本文实现了区块链参与节点之间的双向信任关系, 避免“A和B之间发生了一次合约交换行为”的信息泄露是未来研究的待解问题.
| [1] |
Nakamoto S. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system. Bitcoin, 2008. https://bitcoin.org/bitcoin.pdf
|
| [2] |
Lamport L, Shostak R, Pease M. The Byzantine generals problem. Microsoft, 1982. https://www.microsoft.com/en-us/research/wp-content/uploads/2016/12/The-Byzantine-Generals-Problem.pdf
|
| [3] |
Fan J, Yi LT, Shu JW. Research on the technologies of Byzantine system. Journal of Software, 2013, 24(6): 1346-1360.
http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-RJXB201306012.htm |
| [4] |
Nelson M. The Byzantine General's problem: An agreement protocol for distributed system. Drdobbs, 2008. http://www.drdobbs.com/cpp/the-byzantine-generals-problem/206904396
|
| [5] |
Lamport L. The weak Byzantine generals problem. Journal of the ACM (JACM), 1983, 30(3): 668-676.
[doi:10.1145/2402.322398] |
| [6] |
Fedotova N, Veltri L. Byzantine generals problem in the light of P2P computing. In: Proc. of the Int'l Conf. on Mobile & Ubiquitous Systems: Networking & Services. 2006. 1-5.
|
| [7] |
Reischuk R. A new solution for the Byzantine Generals problem. Decision Support Systems, 1985, 1(2): 182.
|
| [8] |
Yuan Y, Wang FY. Blockchain: The state of the art and future trends. Acta Automatica Sinica, 2016, 42(4): 481-494(in Chinese with English abstract).
http://www.cnki.com.cn/article/cjfdtotal-moto201604001.htm |
| [9] |
Yu L, Jin Y. Research on splitting technology of blockchain data. Chinese High Technology Letters, 2017, 27(Z2): 875-888(in Chinese with English abstract).
http://www.cqvip.com/QK/97187X/201711/674626267.html |
| [10] |
Yu L, Zhao XF, Jin Y, Cai HY, Wei B, Hu B. Low powered blockchain consensus protocols based on consistent Hash. In: Proc. of the Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering. 2018. http://www.jzus.zju.edu.cn/openiptxt.php?doi=10.1631/FITEE.1800119
|
| [11] |
Even S, Yacobi Y. Relations among public key signature systems. Technical Report, # 175, Haifa: Comp. Sci. Oept., Technion, 1980
|
| [12] |
Even S. A protocol for signing contracts. ACM SIGACT News, 1983, 15(1): 34-39.
[doi:10.1145/1008908.1008913] |
| [13] |
Goldreich O. A simple protocol for signing contracts. In: Proc. of the Advances in Cryptology. New York: Springer, 1984. 133-136.
|
| [14] |
Franklin MK, Reiter MK. Fair exchange with a semi-trusted third party. In: Proc. of the 4th ACM Conf. on Computer and Communications Security. New York: ACM, 1997. 1-5.
|
| [15] |
Al-Saggaf AA, Ghouti L. Efficient abuse-free fair contract-signing protocol based on an ordinary crisp commitment scheme. IET Information Security, 2015, 9(1): 50-58.
http://ieeexplore.ieee.org/document/6983696/ |
| [16] |
Wan Z, Deng RH, Lee D. Electronic contract signing without using trusted third party. In: Proc. of the Int'l Conf. on Network and System Security. New York: Springer Int'l Publishing, 2015. 386-394.
|
| [17] |
Ben-Or M, Goldreich O, Micali S, et al. A fair protocol for signing contracts. IEEE Trans. on Information Theory, 1990, 36(1): 40-46.
|
| [18] |
Asokan N, Shoup V, Waidner M. Optimistic fair exchange of digital signatures. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2000, 18(4): 593-610.
[doi:10.1109/49.839935] |
| [19] |
Huang X, Mu Y, Susilo W, et al. Preserving transparency and accountability in optimistic fair exchange of digital signatures. IEEE Trans. on Information Forensics and Security, 2011, 6(2): 498-512.
[doi:10.1109/TIFS.2011.2109952] |
| [20] |
Wang G. An abuse-free fair contract-signing protocol based on the RSA signature. IEEE Trans. on Information Forensics and Security, 2010, 5(1): 158-168.
[doi:10.1109/TIFS.2009.2035972] |
| [21] |
Sun YB, Gu LZ, Zheng SH, Yang YX, Sun Y. An aggregate signature based multi-party contract signing protocol. Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications, 2011, 34(2): 8-11(in Chinese with English abstract).
http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/bjyddx201102002 |
| [22] |
Zhang Q, Wen QY. A new fair-exchange protocol. Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications, 2006, 29(5): 63-65(in Chinese with English abstract).
http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-BJYD200605014.htm |
| [23] |
Liu WY, Zhang S, Zhang JX. Fair contract signing protocol based on publicly verifiable secret sharing. Computer Science, 2009, 36(2): 111-113(in Chinese with English abstract).
http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JSJA200902026.htm |
| [24] |
Huang H, Li KC, Chen X. A fair three-party contract singing protocol based on blockchain. In: Wen S, et al. eds. Proc. of the CSS 2017. LNCS 10581, 2017. 72-85.
|
| [25] |
Liu J, Li W, Karame GO, et al. Towards fairness of cryptocurrency payments. arXiv preprint arXiv: 1609.07256, 2016.
|
| [26] |
Bissias G, Ozisik AP, Levine BN, Liberatore M. Sybil-Resistant mixing for Bitcoin. In: Proc. of the Workshop on Privacy in the Electronic Society. ACM, 2014. 149-158.
|
| [27] |
Heilman E, Baldimtsi F, Goldberg S. Blindly signed contracts: Anonymous on-blockchain and off-blockchain bitcoin transactions. In: Clark J, et al. eds. Proc. of the Financial Cryptography and Data Security—FC 2016 Int'l Workshops, Bitcoin, Voting, and WAHC. Revised Selected Papers. LNCS 9604, Christ Church: Springer-Verlag, 2016. 43-60.
|
| [28] |
Maxwell G. Coinswap: Transaction Graph Disjoint Trustless Trading. 2013.
|
| [29] |
Delgado-Segura S, Pérez-Solà C, Navarro-Arribas G, et al. A fair protocol for data trading based on Bitcoin transactions. In: Proc. of the Future Generation Computer Systems. 2017.
|
| [8] |
袁勇, 王飞跃. 区块链技术发展现状与展望. 自动化学报, 2016, 42(4): 481-494.
http://www.cnki.com.cn/article/cjfdtotal-moto201604001.htm |
| [9] |
于雷, 金岩. 区块链全局账本数据的拆分技术研究. 高技术通讯, 2017, 27(Z2): 875-888.
http://www.cqvip.com/QK/97187X/201711/674626267.html |
| [21] |
孙艳宾, 谷利泽, 郑世慧, 杨义先, 孙燕. 基于聚合签名的多方合同签署协议. 北京邮电大学学报, 2011, 34(2): 8-11.
http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/bjyddx201102002 |
| [22] |
张青, 温巧燕. 一种新的公平交换协议. 北京邮电大学学报, 2006, 29(5): 63-65.
http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-BJYD200605014.htm |
| [23] |
刘文远, 张爽, 张江霄. 基于公开可验证秘密分享的公平合同签署协议. 计算机科学, 2009, 36(2): 111-113.
http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JSJA200902026.htm |