區塊鏈密碼學如何對抗量子計算攻擊？_區塊鏈:Grove Coin

導讀

當前，區塊鏈和分布式賬本技術已有了長足發展并廣泛應用與多種場景中，原因在于其提供透明性，冗余性和問責性的能力。就區塊鏈而言，此類特征是通過公鑰加密和哈希函數提供的。但是，隨著量子計算的飛速發展，基于Grover和Shor算法對公鑰密碼學和散列函數構成了重要威脅，迫使我們重新設計具有量子抗性的區塊鏈密碼系統，以承受潛在的量子攻擊。

基于此，我們需要研究后量子密碼系統的最新技術，以及如何將其應用于區塊鏈和DLT，以及后量子時代區塊鏈系統及其面臨的主要挑戰。本章節主要介紹了當前的區塊鏈密碼學技術特征，對比分析了公鑰系統及散列函數應對量子攻擊的安全性能，探討了后量子區塊鏈計劃和后量子區塊鏈方案的理想特征。

1.概述

區塊鏈能夠提供安全的通信，數據隱私，彈性和透明度，基于哈希算法和塊鏈數據結構組成了一個分布式賬本，允許在靈信任環境下的對等多方之間共享信息。區塊鏈系統的用戶通過公鑰/非對稱加密技術和哈希函數進行安全交互，這對于用戶的身份認證和安全交易至關重要。

ReserveBlock基金會將推出專注于NFT的開源去中心化區塊鏈平臺:12月17日消息，ReserveBlock基金會宣布即將在2022年第一季度推出專注于NFT的開源去中心化區塊鏈平臺，在推出后，該網絡將實現一個可擴展的基于公用代幣的協議，具有去中心化存儲的鏈上功能，可編程的智能合約，鏈上版稅執行，以及不斷發展的NFT功能，允許任何人使用開放市場，而不需要中心化的當局或市場，并且交易成本接近零。該網絡將由一個主節點基礎設施管理，允許完全的碳中和，而不影響功能和效用。

ReserveBlock基金會將在未來幾周內發布其白皮書和關于主節點的信息。（prnewswire?）[2021/12/17 7:45:10]

如今，隨著量子計算機的快速發展，量子信息技術正對公鑰密碼系統和哈希函數構成了重要威脅。

動態 | 2020區塊鏈產業應用與品牌創新大會籌備會在京舉行:“2020區塊鏈產業應用與品牌創新大會”籌備會日前舉行。聯合主辦方新華網和中國國家品牌網介紹了舉辦此次大會的目的、意義和主要議題以及大會籌備工作的進展情況。大會將匯聚我國政、產、學、研、用各界代表，連接覆蓋全行業的區塊鏈技術與產業創新機構，共同探討新時代中國區塊鏈發展的重要議題，為政府和企業提供一站式戰略規劃、模式創新等服務，構建中國區塊鏈產業和品牌的頂層生態圈，推動中國區塊鏈產業的深入發展。籌備會上，承辦方國研智庫、聯合承辦方歐科集團相關負責人以及來自清華大學、正略集團、北大校友創業聯合會、清華x-lab區塊鏈實驗室等專家做了主題發言。

籌備會同時發布了《2020中國區塊鏈創新應用發展報告》暨應用案例征集評選活動事宜，啟動了《區塊鏈改變未來生活》全國大學生征文活動。來自上市公司、北京高校、區塊鏈相關機構和各商協會代表共約100多人參加了籌備會。（新華網）[2020/1/17]

對于公鑰密碼系統，量子攻擊會影響最受歡迎的公鑰算法，包括RSA，ECDSA，ECDH，或DSA等，運用Shor算法可在多項式時間內打破。

動態 | 貴陽市體育中考將采取區塊鏈技術確保數據安全可靠:貴州都市報今日刊文《考試：實現“學科平等”　招生：實行“六區統籌”》，對貴陽市中考改革擬實施“方案”進行了解讀。文中提到，新體育中考采用全智能化設備考試，同時將利用區塊鏈技術，確保數據即時同步、防篡改、可追溯，使得考試數據安全性、可靠性達到較高水準，強化體育中考成績的保密性、公正性。[2018/12/16]

另外，量子計算機可以利用Grover算法來加速哈希的生成，從而重新創建整個區塊鏈；同時，Grover算法可用來檢測哈希沖突，在替換區塊鏈上的塊數據結構的同時，保留其完整性。

2.從量子前到量子后的區塊鏈

2.1區塊鏈的公鑰安全

我們一般常用安全位級別，來評估公鑰密碼系統抵抗經典計算攻擊的強度。此級別定義為經典計算機執行暴力攻擊所需的工作量。表1列出了一些最通用的對稱和非對稱密碼系統的安全級別。

動態 | NTT data公司與技術研發機構NEDO聯手開發區塊鏈信息共享系統:據Cointelegraph Japan消息，新能源與產業技術綜合開發機構NEDO今日表示，將著手開發驗證基于區塊鏈技術的出口手續業務信息共享系統，旨在促進貿易手續效率化。NTT data公司負責研發這一系統，并計劃明年年初以面向北美和亞洲的集裝箱出口業務為對象進行實證實驗。[2018/8/23]

盡管當前還沒有出現非常強大的量子計算機，但在未來的20年中，量子計算機將能夠輕易破解當前強大的公鑰密碼系統。實際上，諸如NSA之類的組織已經警告了量子計算對IT產品的影響，并建議提高某些密碼套件的ECC安全級別。

表2列出了受量子威脅影響的最相關的公鑰密碼系統及其他相關密碼系統的主要特征，這些特征將受到與Shor和Grover算法有關的量子攻擊的破壞或嚴重影響。

2.2散列函數安全

與公鑰密碼系統相反，傳統的哈希函數被認為能夠抵抗量子攻擊，因為開發用于NP難題的量子算法似乎不太可能。盡管學者們最近提出了新的哈希函數來抵抗量子攻擊，但通常建議增加傳統哈希函數的輸出大小。該建議與量子攻擊有關，通過Grover算法以二次因子來加速蠻力攻擊。

2.3后量子區塊鏈計劃

當前已有不少項目開展了量子后區塊鏈計劃的相關研究，包括NIST等。比特幣后量子是一個主要的實驗分支，它使用量子后數字簽名方案。另一個是以太坊3.0，它計劃應用包括諸如zk-STARKs之類的抗量子組件。其他區塊鏈平臺，例如Abelian，則建議使用基于晶格的后量子密碼系統來防止量子攻擊，而某些區塊鏈正在嘗試使用SPHINCS之類的后量子算法。

2.4區塊鏈后量子方案的理想特征

為了提高效率，后量子密碼系統將需要為區塊鏈提供以下主要功能：

小秘鑰。與區塊鏈交互的設備在理想情況下需要利用小型公鑰和私鑰，以減少所需的存儲空間。另外，小密鑰在管理時涉及較少復雜的計算操作。對于需要物聯網終端設備交互的區塊鏈而言，這一點尤其重要，因為后者通常在存儲和計算能力方面受到限制。值得指出的是，與其他新興技術如深度學習一樣，物聯網在過去幾年中經歷了顯著增長，但物聯網設備仍然面臨一些重要挑戰，主要是關于安全性問題，在某種程度上限制了它與區塊鏈的聯合使用以及其廣泛采用。

小簽名和哈希長度。區塊鏈本質上是存儲數據交易，包括用戶簽名和數據/塊哈希。因此，如果簽名/哈希長度增加，則區塊鏈大小也將增加。

快速執行。后量子方案需要盡可能快，以便允許區塊鏈每秒處理大量交易。此外，快速執行通常涉及較低的計算復雜性，這對于不將資源受限的設備從區塊鏈交易中排除是必需的。

低計算復雜度。此功能與快速執行有關，但必須注意，使用某些硬件進行快速執行并不意味著后量子密碼系統的計算簡單。例如，某些方案可以在使用高級矢量擴展指令集的Intel微處理器中快速執行，但是當在基于ARM的微控制器上執行時，相同的方案可能被認為是慢速的。因此，有必要在計算復雜度，執行時間和支持的硬件設備之間尋求折衷方案。

能耗低。諸如比特幣之類的一些區塊鏈應用被認為是耗電大戶，主要是因為執行其共識協議所需的能量消耗。還有其他影響功耗的因素，例如使用的硬件，已執行的通信事務的數量，以及所實施的安全方案，由于所執行的操作的復雜性，它們可能會消耗大量的電流。

注釋

1.多項式時間：在計算復雜度理論中，指的是一個問題的計算時間m(n)不大于問題大小n的多項式倍數。

2.秀爾算法：一種常見的量子算法，可以在多項式時間內完成大整數質因數分解。

3.NP問題(NondeterministicPolynomially)：是指一個復雜問題不能確定是否在多項式時間內找到答案，但是可以在多項式時間內驗證答案是否正確。NP類問題有完全子圖問題、圖著色問題、旅行商(TSP)問題等。

4.zk-SNARKs：指簡潔化的非交互式零知識證明。Zcash是zk-SNARKs的首個廣泛應用。

5.zk-STARKs：指簡潔化的全透明零知識證明。zk-STARK不需要進行初始化可信設置，zk-STARKs是作為zk-SNARK協議的替代版本而創建的，被認為是該技術的更快和更便捷的實現方式。

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