基于区块链的公开可验证随机数生成方法研究

摘要

随机数具有广泛的应用场景，随机数是否随机和不可预测直接关系到了随机数应用的利益、公平性和安全性。随着当今社会的发展，因随机数生成过程不透明而导致的问题层出不穷，人们对随机数公开透明属性和可验证性的需求日益增加。现阶段的可验证随机数生成方案普遍依赖可信第三方做为公证或计算中心，可信第三方的崩溃或者作弊都会导致随机数生成过程中断或者不公平的情况出现；分布式的可验证随机数生成方案没有雇佣可信第三方，但是其只满足参与者可验证，并不是所有人可验证。针对此现状，为了保证随机数生成的公平性，提高随机数生成的透明性，本文提出基于区块链的公开可验证随机数生成方法。主要包括以下研究内容： （1）本文基于可验证秘密共享、多方安全计算和零知识证明，提出一种公开可验证随机数生成方法。该方法使多个互不信任的参与者分布式地生成可验证真随机数，并使任何感兴趣的人均可以验证真随机数的随机性和不可预测性，可验证真随机数可以由任何人通过公开信息计算得到。本文对协议进行了效率提升、效率分析和安全性分析。效率提升使用霍纳算法、快速指数运算和批验证算法提升了协议各阶段的计算效率；效率分析得出协议对每个参与者的计算时间复杂度的平均值与最差值均为O(n)；安全性分析证明了随机数生成方法的随机性、不可预测性、公开可验证性与健壮性。 （2）在公开可验证随机数生成方法中，参与者通过构建零知识证明协议产生了其证明自身正确履行协议的证据。为了使证据不被篡改或伪造，本文提出使用区块链作为公开可验证随机数生成方法中证据的公布平台，利用区块链去中心化、公开透明、不可篡改、多方维护的性质来保护证据的安全性。本文基于区块链架构Hyperledger Fabric设计并实现了公开可验证随机数原型系统，并对此系统进行了功能测试和性能测试。性能测试结果表明，系统实际运行时间随参与者数量和系统门限的增长呈线性增长，具备实际应用价值。 本文所研究的基于区块链的公开可验证随机数生成方法，能够使参与者分布式地高效生成随机、不可预测、公开可验证的真随机数，适用于对随机数公开透明属性和可验证性要求较高的应用场景，尤其是电子彩票领域当中。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1可验证随机数研究现状

1.2.1区块链研究现状

1.3 研究目标、内容及技术路线

1.4 本文组织结构

第2章 理论研究和方案分析

2.1 理论研究

2.1.1Shamir’s (t,n)门限秘密共享

2.1.2 Feldman可验证秘密共享

2.1.3 Pedersen可验证秘密共享

2.1.4 零知识证明

2.1.6 多方安全计算

2.2 现有技术方案分析

2.2.1 基于插值多项式的可验证随机数生成方案

2.2.2 无可信第三方的可验证随机数生成方案

2.3 本章小结

第3章 公开可验证随机数生成方法

3.1 方法概述

3.1.1 设计思想

3.1.2 系统模型

3.1.3 安全属性

3.2 协议内容

3.2.1 主要符号表

3.2.1 协议流程

3.2.2 技术细节

3.3 安全性分析

3.3.1 随机性

3.3.2 不可预测性

3.3.3 公开可验证性

3.3.4 健壮性

3.4 效率分析

3.4.1 效率提升

3.4.2 效率分析

3.5 本章小结

第4章 区块链公开可验证随机数原型系统

4.2Hyperledger Fabric原理

4.2.1 整体架构

4.2.2 交易流程

4.3 系统设计

4.4 系统架构

4.5 系统开发

4.5.1 环境配置

4.5.2 平台搭建

4.6 功能测试

4.7 性能测试

4.8 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 主要工作总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录