基于监督者组的区块链账本修正方案.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：上海市科技创新行动计划资助项目（）；上海科学院关键共性技术攻关计划资助项目（）作者简介：顾康（），男，江苏扬州人，硕士研究生，主要研究方向为区块链技术及其应用；张绍华（），男（通信作者），四川渠县人，研究员，硕导，博士，主要研究方向为区块链、数据治理（）；李超（），男，安徽蚌埠人，工程师，硕士，主要研究方向为区块链、大数据基于监督者组的区块链账本修正方案顾康，张绍华，李超（上海海洋大学 信息学院，上海 ；上海计算机软件技术开发中心，上海 ；上海商学院，上海 ）摘要：区块链账本中存在违规数据、误操作上链数据等问题，相关学者开展了可修正账本技术研究。针对传统修正方案中修改效率低、恶意节点作乱影响安全性等问题，提出了一种基于监督者组的区块链账本修正方案来改进传统方案。通过基于改进 的区块链节点信用排序算法筛选出监督组成员节点，进而在可信前提下提升了账本修正流程的效率。设计了一种改进随机选择修正者算法并使用可验证随机函数构建节点验证追责机制，保障了账本数据修正流程的可追溯性和安全性。通过分析和仿真实验，该方案具有较高的安全性，并在区块信息修正效率和资源利用率方面优于传统方案。关键词：可编辑区块链；变色龙哈希；算法；可验证随机函数中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：，（，；，；，）：，：；引言随着区块链技术在各个领域的发展与应用，区块链的不可窜改性将作为重点研究方向之一 。虽然其具有不可窜改特性，但并不是绝对的。随着国内区块链发展环境的影响，响应国家监管的需求，发现历史区块信息不合规后需要对历史信息进行修正或者删除等操作。传统区块链利用哈希函数不可碰撞特性保证区块链不可窜改性，一旦发现历史区块信息错误需要修正，只能通过区块链硬分叉重新建立一个主链，需要花费巨大的成本 。而基于变色龙哈希的账本修改方案是当前研究的新方向，通过变色龙哈希函数特性有效解决区块链编辑需求，目前国内外已从各个角度进行研究 。对于区块链账本修改方案，等人 在传统区块链的基础上提出了一种基于变色龙哈希函数的方案，利用变色龙哈希函数可以人为设置一个陷门避免哈希碰撞，用户只有通过该陷门修改历史区块账本信息后不改变原有哈希值，实现区块链的可编辑性。但是该方案仅考虑了历史区块数据的修改，并没有考虑到区块链去中心化问题，导致其安全性与修正效率较低。为改进方案中中心化高的问题，等人 在变色龙哈希算法基础上加入密码分享技术（，），通过一个可信节点生成一个陷门，将陷门通过密码分享技术碎片化分发给网络中节点，只有完整的陷门才可以对区块链账本进行修改，当需要修改时通过多方安全计算将碎片化的陷门合成一个完整陷门，进行账本修改。虽然本文方案将陷门碎片化分散到不同的节点上使得该部分达到了去中心化，但是在陷门生成过程中仍然依靠一个可信节点。该方案实现了部分去中心化但是其效率和安全性仍然有很大的提升空间。李佩丽等人 针对联盟链，在前人方案的基础上进行改进，使得系统每一个拥有特定的陷门，只有被选中的人才能修改区块链账本，利用密码分享技术中哈希函数的随机性在拥有陷门的节点中随机选取一个节点对账本进行修改。该方案基于随机选择修改者而无须利用多方安全技术，避免了一个频繁的交互，一定程度上提高了修正效率，并从半中心化改进为多中心化，安全性进一步提升。等人 采用非线性密码分享替换掉原有的线性密码分享技术，并使可编辑区块链账本具有可追责性，进一步提高了系统的安全性，但该方案并未提高账本去中心化程度，并且处理效率并未得到提升。薛庆水等人 针对修正过程中私钥合成通信量大的问题，采用同态加密技术第 卷第 期 年 月计 算 机 应 用 研 究 进一步保障了区块链账本修正过程中的安全性，但该方案并未进一步提高修正效率。从上述研究内容可以看出，基于变色龙哈希的账本修改方案完全依赖于拥有陷门者，只有拥有了陷门才可以修改区块链账本，因此陷门拥有者的可靠性和安全性决定了整个区块链系统数据的可靠性与安全性。目前研究内容主要通过变色龙哈希技术与可验证密码分享相结合，进行区块链账本的修正，其中需要全部链上用户参与投票，一些不积极的节点和一些恶意节点的参与会使整个投票的效率低下，链中的所有用户几乎不变，会在一定程度上导致中心化问题 。对于陷门的隐藏分发的去中心化程度、安全性、可修正区块链的修正效率仍然有可提升的空间 。因此，本文针对当前区块链账本修正方案中修改效率低、恶意节点作乱影响安全性等问题，提出了一种改进的区块链账本修正方案。本文方案的创新主要有：）提出了一种基于监督者组的区块链账本修正方案，将全部节点参与验证过程，改进为监督者组成员。）通过基于改进 的区块链节点信用排序算法筛选出监督组成员节点，进而在可信前提下提升账本修正流程的效率。）设计了一种改进随机选择修正者算法，并使用可验证随机函数构建节点验证追责机制，保障账本数据修正流程的可追溯性和安全性。）通过理论分析并设计仿真实验来验证该方案具有较高的安全性，并在区块信息修正效率和资源利用率方面优于传统方案。预备知识 变色龙哈希哈希函数 指将任意一个随机数生成一个固定长度的数，称为哈希值或者散列值。哈希函数利用两个大素数相乘得到的数无法逆推到原理，即得到的哈希值无法推出输入值。哈希函数满足如下特性：）抗碰撞性。输入任意数 ，得到哈希值 （），找不到另一个数 ，得到哈希值 （），使得 （）（），即得到的哈希值输入值唯一，并且难以逆推出输入值。）高灵敏度：不同的哈希输入值得到的哈希值必不相同，输入值轻微的改动会使得哈希值发生巨大变化。与传统哈希函数相比，变色龙哈希函数（，）具有一个人为设置的陷门，通过陷门可以轻易找到另一个数满足哈希值相同，实现哈希碰撞。对于其余无陷门用户，变色龙哈希函数依旧满足抗碰撞性。变色龙哈希主要由四个算法组成：（，）。）（）：输入初始参数 ，输出公共参数 （）；）（）：输入共同参数 ，输出公钥和陷门（，），为公钥，为陷门即私钥；）（，）：输入 、修改前消息 和随机数 ，输出 为变色龙哈希值；）（，）：输入陷门 、修改前消息 、随机数 和修改后消息 ，输出结果为新随机数 ，其中 （，）（，）。由上述可知，只有陷门拥有者才可以找到一个 对应的 使得历史区块上哈希值不变，最终可以将修改前的数据修正为修改后的数据 。算法 算法起初是一种对网页的重要性评价算法，考虑其余页面和评价页面关系来计算评价页面分数值，分数值越大说明该页面越重要 ，每个页面根据信任页面有各种信任权重值形成一个拓扑图，随着不停的迭代计算，使得 值趋于稳定，最终 值计算公式如下所示。（）（）（）（）（）其中：（）表示页面的 出链总量；（）代表页面 的 计算值；代表页面 的入链总和；代表阻尼系数，默认为 ，主要缓解了由于垂悬链接所造成的 计算值滞留的问题，也使得 值能够不断地传递下去。阻尼系数 理论意义主要指用户可以通过点击指向 页面的超链接浏览到 页面的几率，则表示用户可以通过其他网页浏览到 页面的几率。对应区块链节点的信誉列表中，若节点 与 具有指定关联，即节点 信任节点 。假定某个节点的 值计算结果为 ，该节点中有 个信赖的节点，则平均分给其他节点的每个 值是 ，这意味着该节点中有 的值支持信赖的节点成为监督者组成员。可验证随机函数可验证随机函数（，）也可以看成是一种随机预言机（，），也就是能够利用随机数的某个入口，得到某个随机数输出。可验证随机函数与随机预言机相比最大的变化在于多了一种非交互的零知识证明机制，可以无须私钥来验证随机数产生的真实性，从而验证输出的随机数确定是指定的某个人生成的。具有以下两种特性：首先针对所有不同的 、的取值都是具有随机性的，并且均衡地散布在值域范围内，针对相同的 值，得到的 值一定相等；其次，通过零知识证明，让结果可验证。其主要包含四个函数：）生成一个公钥私钥对（，）；）生成随机数输出 （，）；）计算零知识证明 （，）；）验证随机数输出 （，）。基于监督者组的区块链账本修正方案 区块链账本修正模型概述针对可修正区块链中恶意节点和不积极节点导致投票效率低下的问题，提出了一种基于监督者组的可修正区块链模型。该模型通过引入监督者组在确保修正区块链安全性的前提下提高了共识效率。基于监督者组的区块链账本修正方案与传统方案对比，如图 所示。如图 所示，本模型主要包含监督者组初始化阶段、准备阶段、修正确认阶段三个阶段。该方案主要涉及监督者组用户，监督者组由许多节点组成，在监督者组初始化阶段通过智能合约在链上创建一个保证金池。该阶段形成的监督者组的每个监督者都会有一个信誉值，监督者组的每个成员共同维护信誉值表。在信誉值表中排名第一的节点为第一监督者。在准备阶段，从监督者组中选取出担任此次区块链修正的真实修正者。）监督者组初始化阶段。该阶段是在用户发起请求后，从区块链中的用户选取出部分参与到历史区块链信息修正中，形成监督者组。涉及监督者组成员的加入与退出，保证监督者组成员的安全性。）准备阶段。该阶段主要包括投票阶段和选出修改区块信息的监督者阶段。投票阶段是在用户发起修正请求，第一监督者将修正信息广播到监督者组中，监督者组用户进行投票，需满足大于一半的监督者同意修改请求，如监督者中 个用户同意，该 个监督者需要对用户请求签名，广播该 个签名。进第 期顾康，等：基于监督者组的区块链账本修正方案入选出修改区块信息的监督者阶段，通过密码分享技术以及拉格朗日插值 等技术从监督者组中随机选择一个监督者作为真实修正者，负责对区块信息修正。）修正阶段。该阶段指选取出的真实修正者，通过变色哈希生成的陷门 ，将历史区块信息 修正为 。真实修正者将修改的相关信息广播给监督者组，监督者组可以通过 来验证是否是真实修正人对区块信息的修改，修改信息是否正确。验证通过则成功将信息修改，随后将记录修正后的历史区块并标记，标记内容包括所有真实修正者广播信息，做到可溯源性、可追责性。图 监督者组区块链账本修正方案与传统方案对比 图 基于监督者组的可修正区块链模型 节点信誉排序算法选取监督者组本文方案采用基于改进 节点信誉排序算法的节点评价模型 来选取监督者组成员，通过计算每个节点的信誉值进行排名，剔除后 的节点形成监督者组。采用该节点评价模型可以通过信誉值排名将信誉值低的节点排除，筛选出安全可靠的监督者组。本评价模型将其他节点评价与该节点历史交易评价进行配合，最后该模型随着不停迭代计算形成一个动态的节点信誉值排序，由高到低剔除排名靠后的节点。整个信誉值计算过程都在链外进行，不占用区块链上资源，最终将结果上传供后续操作参考 。该信誉值评价模型在规定的某一时间内，对申请加入监督者组的节点进行信誉值计算，该模型考虑到根据当前节点信赖关系而建立的节点信誉评价表以及考虑到不同节点历史交易信息对信誉值的影响，采用改进 信誉值排序算法计算信誉值并进行排名，本文方案将会剔除排名后 的节点，组成一个监督者组。具体实现过程如图 所示。具体采用的信誉值排序算法是基于 算法的改进，加入节点性能、交易评价值、历史消极信息等因素对于信誉值计算的影响。对于每个节点信誉值计算步骤如下：）创建节点历史交易信息的节点性能、交易评价值、历史消极信息的集合：，（）图 监督者节点信誉值评价模型流程 ）引入分段函数确定用户整体评价权重，分别计算包括节点性能、交易评价值、历史消极信息三部分 ：历史消极信息交易评价值 节点性能（）节点历史消极信息评价值计算，计算公式如下：（）其中：表示节点历史消极信息评价值；表示节点历史消极信息评价权重；代表节点历史消极信息评价数量。）用交易评价价值计算，计算公式如下：（）其中：表示节点总体交易评价值；表示节点交易评价权重；表示交易历史评价值。）节点性能值计算，计算公式如下：（）其中：表示节点性能值；表示节点性能权重；表示每个节点事务处理的时间。）将 、放入集合 中：，（）通过向量空间模型（，）可以计算出节点 、相似度，公式如下：（）（槡）（）最终得到 算法改进后计算节点信誉值公式：（）（）（）（）（）（）其中如果某一节点无历史交易信息，则 （）本文方案采用改进 信誉值评价模型，通过计算每个节点信誉值，确保监督者组成员的安全性与可靠性。监督者组管理本文引入一个监督者组，以下将对监督者组的加入、退出 和激励机制 进行介绍。监督者组的加入与退出）监督者组的加入。当用户确认需要对区块信息进行修改后，链上用户可以申请加入监督者组，但是需要先向监督者组系统缴纳一定保证金，根据节点历史表现计算信誉值，拒绝低信誉值节点进入，其余申请通过的节点构成监督者组。保证金的设定杜绝了恶意节点生成大量节点来干扰监督者选取进程 。计 算 机 应 用 研 究第 卷通过信誉值门槛的设置提高了监督者组的安全可靠性。）监督者组的退出。监督者组成员退出分为自然退出和非自然退出两种情况。（）自然退出。监督者需要完成监督者组内义务，保证没有发生过恶意行为后才能自然退出。自然退出的节点将会收到保证金池退还的保证金。（）非自然退出。该节点在监督者组内发生过恶意行为，会将其标记为失信节点并广播到全节点网路中，无法再次加入到监督者组中，直到所有阶段结束，监督者组系统会将节点踢出，并将其缴纳的保证金没收。其无法在修正区块信息过程中退出监督者组，在修正过程中会不断地被其他节点验证，如果验证发现不诚信恶意行为，举报节点将会得到相应的奖励。监督者组的激励机制为了保证监督者组系统的安全性，引入了激励机制。激励机制主要是为了吸引更多的节点参与到区块链修改投票验证的过程中，从而保证系统的安全性。激励机制将分别对遵守规则的节点进行奖励和违反规则的节点进行惩罚。该方案主要包括第一监督者 、真实修正者 以及监督者组验证节点 。源节点 根据修正内容缴纳修正手续费 ，需将请求清单进行验证，将验证通过的请求通过广播的形式发布到监督者组内。如果 将虚假错误的请求验证通过，被 查出，则将 的信誉值清空为零，并将 缴纳的保证金 全部没收。验证成功后 将会加一信誉值，并得到部分修正手续费 作为奖励。修正最终结束后将 标记为失信节点踢出监督者组并在全节点网络中广播。对区块链账本进行修正，如果因为个人原因导致修正失败，则将 信誉值清零，没收保证金并踢出监督者组。如果因为非人为原因（如网络）导致请求失败，将减 信誉值作为这次请求失败的惩罚。当最终修正成功后，将得到 和信誉值加一作为奖励。对区块链账本进行成功修正后将 和信誉值加一作为奖励，剩余 费用将作为请求修正成功的手续费。监督者组的具体激励操作步骤如下：）（），说明第一监督者 散播虚假错误信息，则监督者组 将 信誉值置为 零 以 及 拒 绝 返 还 保 证 金 （，），。）每个 验证成功后将得到一信誉值和部分 费用作为奖励，在规定时间内验证成功的节点，共奖励 。操作为 （），（，），（，（）。）当 修正区块链账本时，若人为原因导致修正最终失败则 （），（，），（，）；若非人为原因，如网络问题导致修正失败，则使得 （），（，）。）最终修正成功后将对第一监督者 以及真实修正者 发放奖励，具体为 （，），（），（，），真实修正者得到更高的奖励，（，），（），（，）。因此该方案激励机制中，在修正成功后真实修正者将会得到较高比例的手续费作为奖励，其次作为信誉值最高的第一监督者也会得到一定手续费作为奖励。其余验证节点在规定时间内验证成功后将平分 的手续费作为奖励，有效地提高了区块链节点加入监督者组的积极性以及加入后监督者组成员的积极性。基于监督者组的区块链账本修正方案实现本文方案具体区块信息修正流程如图 所示。图 基于监督者组区块信息修正流程 投票签名假设该区块链共有 个节点，其中用户（）发起更改请求，请求将某一历史区块链中的内容 改为 ，需要监督者组 进行投票，只有大部分监督者同意后才可以进入下一个阶段。首先，在修改请求的清单 上填写 账户地址、签名以及修改内容 。其次，将修改请求发送到第一监督者 （监督者组内信誉值排名第一的监督者）。将修改请求订单广播到 内，成员进行投票签名，对于成功投票验证节点标记最终分发奖励。修改清单 符号的含义如表 所示。表 区块信息修改清单 变量符变量含义 发起修正历史区块请求账户地址 第一监督者账户地址 真实修正者账户地址 修正发起者签名 监督者组签名 真实修正者签名 监督者组意见原始内容 修改内容算法 投票签名算法输入：，。输出：。）将修改清单生成签名后清单）（，），（，），（，）将变量插入到请求清单发送到第一修正者并将结果广播 ）（）（），（，）；（，）监督者组签名，如第一监督者未通过，将原因写入清单并广播 ）（）；（）；超过一半监督者组成员签名则修正请求通过，否则第 期顾康，等：基于监督者组的区块链账本修正方案请求失败 ）（），（）对成功验证签名的节点做标记，最终分发奖励，将最终清单广播 真实修正者选取本文方案基于文献 中每一位用户都拥有修改区块链的陷门，都有修改区块链的机会。只有被选择到的用户才能最终成功修改区块信息，即真实修正者的选取。在准备阶段在监督者组中选取一个监督者作为该区块信息修改的真实修正者。首先，第一监督者将修正信息广播到监督者组内，各个监督者可以根据修改内容决定参不参加真实修正者的竞选。其次，修正人组会计算所有修正人的平均信誉值，将参加选取的监督者分为两组（第一组监督者的信誉值大于平均信誉值，第二组监督者的信誉值小于平均信誉值）。最后，监督者组系统分别统计两个组的监督者个数，记为 和 ，比较两者大小，如果 更大，则从第一组中随机选取一位监督者作为真实修正者，反之从第二组中随机选取一位监督者作为真实修正者。实现算法如下，其中输入分别为请求修正信息和监督者组内信誉排名。算法 真实修正者选取算法输入：，。输出：。），导入清单和信誉值排名表）（）（，）（）（，）（）计算平均信誉值并分别将大于平均值的监督者节点以及小于平均值的监督者节点各分为一组，两组分别计数 ）（）（）两组中节点数大的从中随机选取一个节点作为真实修正者 ）将选出节点返回本文算法是传统选取更改用户算法上的改进，其中 （）函数是传统选取用户的算法，通过可验证秘密分享技术得到一个随机数 ，每个参与随机选取的用户 计算哈希值 （，），将哈希值 排序，其中最小的哈希值对应的 即为选中的真实修正者。本文算法通过引入平均信誉值，将参与用户分成两组，根据两组用户个数选取其中一组进行真实修正者的选取，在一定程度上提升了去中心水平，进一步提高了选取真实修正者的安全性。基于可验证随机函数的追责验证监督者组需对修正区块各个环节进行验证，本文方案是一种基于可验证随机函数的验证算法 。基于可验证随机函数的可验证算法相比于其他算法加入了一种非交互的零知识证明机制，验证者可以根据公告信息验证信息的正确性，只需要知道被验证者公钥信息就可以验证上传信息是否是指定用户生成上传的，从而进一步对该用户追责处理。监督者组具体操作步骤如下：）真实监督者 计算 ，（，）。）真实监督者 把 ，递交给第一监督者 。）第一监督者 将 （，）广播到监督者组 中，等待 成员验证。）成员验证 （），通过 是否可以计算出 ，从而推导出 与 是否匹配，验证了 修正结果的正确性。通过 （，）结果可以验证是否是指定的 修正的区块信息，而不是其他监督者。）若 ，说明该公钥的拥有者即真实修正者修正信息不对，对公钥的拥有者进行追责处理，实现可修正区块链的可追责性。）通过 （）和 （）函数对于每个成功验证的节点得到一信誉值和部分的手续费进行奖励。方案分析本章对基于监督者组的可修正区块链方案进行简单的正确性分析和安全性分析。正确性分析通过引入监督者组系统后，将原有链上全部节点参与到区块信息修改的过程中，筛选成部分积极并安全节点参与，在一定程度上提高了历史区块信息修正的安全性和共识效率，去中心化程度进一步提高。无论哪个阶段，每次都需要验证者验证 （，），本文方案是基于可验证随机函数验证以及追责，还原 结构，将 内容解构为（，），映射到椭圆曲线上的点为 ，令 ，对椭圆曲线上的点 进行散列，需要证明 ，。首先将 代入 （），由生成过程可知 （）即 ，代入 得证。同理 （）。由上述可知等式两边成立，则表明本文方案是正确的。符号约定如表 所示。表 验证符号含义 变量符号符号含义有限域上椭圆曲线上大素数子群群 的素数阶生成元验证私钥 为验证公钥 安全性分析安全性能是衡量可修正区块链重要的衡量标准，本节分别对可编辑性的安全性和监督者组安全性进行分析。）可编辑性安全分析可修正区块链中将历史区块信息 改成 ，需要通过变色龙哈希 找到一个陷门 将原始随机数 变成 ，使得 （，）（，）。为避免传统多方计算导致的交互过多的问题，本文方案将链上 个用户赋予修改权力。新变色龙哈希计算公式为 （，）（）其中：随机数新的结构为 （，），。哈希函数的 个陷门（，）分别被区块链中 个用户拥有，。用户，如请求将某一历史区块信息 修正为 ，可利用其陷门 求得随机数，使得哈希满足公式：（，（，）（，（，）（）但是用户 只能触发修正请求，只有监督者组选择出的真实修正者 才能修改区块信息。定理 可编辑性。对于任意历史区块信息 改成 以及一个原始随机数 ，总能找到一个新的随机数 ，使得 （，）（，），对该区块哈希的修改不会导致其他区块哈希值改变，保证了其他区块信息的不变性和整个可修正区块链的安全性。证明假设两个素数 、，其中 为大素数满足 ，是阶为 的群，为群的生成元。陷门 为 ，公钥计 算 机 应 用 研 究第 卷 表示为 ，给定修改区块原始信息 和该区块对应随机数 ，则 变色龙哈希 值为 （，）。将 代入 （，）得到 （，）（）同理代入得 （，）（）因为 （，）（，），所以计算出 （）因此，修正者总能通过 找到一个新的随机数 ，满足修正前后哈希值一致性，不影响其他区块，实现安全的修正方案。）监督者组安全分析定理 监督者组系统可以抵挡女巫攻击 和组内成员作恶违约的风险。证明监督者组系统通过引入保证金池以及信誉值机制，保证监督者组系统的安全可信，可以有效抵御女巫攻击并大大降低监督者作恶的比例。链上的用户申请加入到监督者系统，需要缴纳一定金额的保证金，只要在监督的过程中出现违约的行为将没收保证金，并最终踢出监督者组。如果无保证金机制，系统会遭受到女巫攻击。通过信誉值机制保障了监督者的可信度，对监督者节点进行信誉值计算并进行排名，当信誉值到达监督者组信誉值下限，会将低于监督者组信誉值下限的节点剔除，提高监督者的可信性。定理 历史区块信息修正效率的提高。证明监督者组系统通过激励机制大大提高了链上用户节点参与到监督者组以及监督者的积极性。传统的可修正区块链需要所有的节点参与到区块链的修改中，其中不免有一些恶意节点或者不积极的节点，会影响整个修正操作的效率。由于监督者组内的成员保留着高信誉值和积极节点，原本 个节点的区块链可能只有 的节点加入到监督者组，在保证节点安全性的同时，大大提高了共识效率及整个修正效率。通过上述分析可知，本方案可以抵御女巫攻击并能降低组内成员违约作恶的风险，在一定程度上提高了区块信息修改效率，具有较高的安全性。实验分析本章使用自己搭建的以太坊私有链的区块链网络作为实验环境，进行恶意节点模拟实验和区块修改效率对比实验。实验环境配置如表 所示。效率分析基于提出监督者组修正方案，该部分通过相关实验测试分析本文方案区块链信息修正效率以及通过恶意节点对修正的影响来分析本文方案具有较高的安全性。表 以太坊私有链搭建环境 名称参数 版本 服务器配置 核 ；内存 ；宽带 服务器系统 版本 智能合约版本 ）区块信息修正效率分析本实验对比传统安全多方计算区块链修正方案、无监督者组随机选择用户修正方案以及本文基于监督者组修正方案，通过模拟用户不断发送修正请求，观察最终处理完毕时间来反映区块信息修正效率。如图 所示，刚开始的初始化阶段由于本文方案需要组成一个监督者组花费一定时间，随着需要处理的区块修正数越来越多，本文方案花费的时间越来越少，当同时处理 笔修正后，效率相比于另外两个方案具有显著优势。传统安全多方计算区块链修正方案与无监督者组随机选择用户修正方案在处理区块修正的效率上差不多，但随着处理数越多，基于监督者组的修正方案相比另外两个方案区块修正效率越高。）恶意节点对修正成功率的影响本实验模拟测试了传统区块修正方案与剔除保证金池和信誉机制的监督者组的区块修正方案以及本文基于监督者组修正方案之间的修正成功率。实验模拟了一个具有 个节点的私有链，其中模拟加入监督者组节点为 个，并设置了不同比例的恶意节点来测试对于修正成功率的影响。本实验在监督者组同意修正后，仅考虑恶意节点的影响，暂不考虑其他因素的影响。从图 可知，传统的区块修正方案和剔除保证金池及信誉机制的监督者组的区块修正方案都随着恶意节点的比例增加而降低修正成功率，并且恶意节点比例越高，成功率下降越明显；相反，本文基于监督者组的修正方案无论恶意节点数量如何变化，都能保证监督者组成员的安全可靠性，从而保证修正的成功率。随着恶意节点比例的增大，本文方案都能保证修正成功率保持在 附近，实验证明具有较高的安全性。图 区块信息修正处理效率对比 图 不同比例恶意节点对修正成功率的影响 ）恶意节点 消极节点对修正区块信息确认效率的影响本实验分别测试了在最理想情况下，传统全部节点参与修改过程的方案以及本文基于监督者组修改方案同时处理相同请求修改的确认时间。如图（）（）所示，本实验分别测试了恶意节点占比、的情况下，同时处理 笔修改请求的确认时间变化。从图 可以看出，总体上最理想情况下修正效率最高，本文方案其次，传统的修正方案效率最低。本文方案在修正之前对恶意节点进行剔除，因此随着请求修改数的增多，修正效率也更趋向理想化。相反，传统方案无恶意节点处理机制，随着恶意节点比例增多和请求修改增加，与另外两个方案相比修正效率的差距也越来越大。因此本文方案与其他方案相比具有较高的修正效率。资源利用率分析在展开以上实验时，分别对不同方案的各个阶段过程中 使用率进行监听，监听结果如图 （）（）所示。根据图 所示，随着用户数量的增多，整体 使用率也越来越高。由图 （）可知，在初始化阶段，基于监督者组的方案由于需要筛选出监督者组用户占用了大量 资源，另外两个无该过程方案的 占用率差不多，并保持在 左右。由图 （）可知，在投票阶段，传统多方安全计算方案和随机选择方案 占用率是差不多的，都比较高，本文方案 占比较低。因为本文方案通过监督者组投票，共识效率高，无须过多 资源。由图 （）可知，在选择修正阶段，传统安全多方计算方案 占比最高，其次是随机选择用户方案，最后是本文方案，其 占比明显低于另两种方案。基于多方安全第 期顾康，等：基于监督者组的区块链账本修正方案计算的方案收集陷门碎片并验证分发占用了大量的 资源；随机选择用户修正方案通过计算哈希选择哈希值最低的用户进行修正，相比于前一个方案效率更高，占比有所下降；本文方案通过在监督者组内随机选取用户修正效率更高，因此 占用率最低。由图 （）可知，最终验证追责阶段，传统安全多方计算方案和随机选择用户方案 占用率相差不大，由于本文方案监督者组内验证效率更高，所以 占比明显低于另外两个方案。图 不同比例恶意节点对修正效率的影响 图 各阶段 使用率对比 综上所述，通过本节各阶段 资源占用率对比实验可以看出，本文方案除了初始化阶段需要组建修正者组占用一定的资源外，其余阶段相比于另外两个方案具有明显的优势。本文方案监督者组的创建一劳永逸，对于后续操作在事务处理效率、资源利用率方面表现优秀，能够满足区块链修正的业务需求。方案对比与分析本节从是否去中心化、节点参与范围、是否可追责、修正效率、安全性五个方面对区块链账本修正领域最新方案进行介绍和对比。对比结果如表 所示。表 不同方案对比 方案是否去中心化节点参与范围是否可追责修正效率安全性文献 否全部节点否低低文献 是全部节点否中低文献 否全部节点是低中文献 是全部节点否中中本文方案是监督者组是高高文献 采用密码分享技术，依赖于一个可信节点，并未实现去中心化，通过全部节点投票验证完成审计，该方案为传统区块链账本修正方案，并未考虑去中心化导致安全性较低。通过区块链中全部节点投票验证使得方案修正效率较低。文献 利用哈希函数中的随机性，使得每个节点都有修正区块信息的机会，该方案随机选取一个修正者避免了传统方案中多方安全技术中烦琐的交互，一定程度上提高了区块修正效率。通过随机选取修正者将原本半中心化改进为多中心化方案。文献 采用非线性密码分析替换原本线性密码分析技术，提高了上链信息修正的安全性，加入可追责性，进一步提高了安全性，但还是通过全部节点参与的投票进行验证追责导致整个修正效率并未提高。文献 采用同态加密技术解决了在修正过程中通信量大的问题，进一步提高了系统安全性，并进一步优化投票验证流程，将全部参与验证节点分工明确化，一定程度上提高了区块链账本修正效率，但是还是全部节点参与投票验证过程中，修正效率可进一步提升。综上所述并结合表 可知，本文方案与文献 ，相比去中心化程度更高，同时采用了文献 的可追责性，提高了区块链账本修正安全性。该方案与表 其余方案相比，最大的不同就是将全部节点参与的投票验证方式改进为部分节点的监督者组，通过基于改进 的区块链节点信用排序算法筛选出监督组成员节点，进而在可信前提下大大提高了区块链账本修正效率。结束语本文针对当前区块链修正方案中修改效率低、恶意节点作乱影响安全性等问题进行研究，提出了一种基于监督者组的区块链账本修正方案。该方案通过在原本方案的基础上引入了一组监督者组，将原本链上全部用户参与到账本修改过程筛选成监督者组内成员参与，并通过引入区块链系统中信誉机制与激励机制保证监督者组内成员的安全性和可靠性。另外，针对本文提出的基于监督者组的区块链账本修正方案进行了安全性分析与修正处理效率分析。从理论与实验两个角度可知，本文方案相比于传统方案具有高安全性和较高的账本修正处理效率，能够满足对于区块链账本修正的需求。在未来的工作中将继续深入研究区块链账本修正领域，本文方案虽然具有较高的安全性，但是还是依赖于多中心化思想，并没有完全实现去中心化，因此还需设计出更高效、更安全、更加去中心化的方案。参考文献：袁勇，王飞跃 区块链技术发展现状与展望 自动化学报，（）：（，：，（）：）吕伟龙，魏松杰，于铭慧，等 面向可信联盟的区块链账本可验证修改方法研究 计算机学报，（）：（，（）：）袁勇，王飞跃 可编辑区块链：模型、技术与方法 自动化学报，（）：（，：，（）：），：，：计 算 机 应 用 研 究第 卷 ，：，：李佩丽，徐海霞，马添军，等 可更改区块链技术研究 密码学报，（）：（，（）：），：，：薛庆水，薛震，王晨阳，等 基于加法同态的可修改区块链方案 计算机应用研究，（）：（，（）：）高伟，陈利群，唐春明，等 一次变色龙哈希函数及其在可修正区块链中的应用 计算机研究与发展，（）：（，（）：）杨少杰，郑琨，张辉，等 基于博弈论与区块链融合的 匿名位置隐私保护方案 计算机应用研究，（）：（，（）：），：，：，：，：，（）：，：，：，（）：戴炳荣，姜胜明，李顿伟，等 基于改进 算法的跨链公证人机制评价模型 计算机工程，（）：（，（）：）何帅，黄襄念，刘谦博，等 区块链共识机制的改进研究 计算机应用研究，（）：（，（）：），（）：，（）：王梦楠，黄建华，邵兴辉，等 基于信誉的区块链分片共识方案 计算机科学，（）：（，（）：）何云华，刘昭阳，胡堰，等 基于区块链的分布式激励机制研究 计算机应用研究，（）：（，（）：）：，：，：（上接第 页）张典，汪海涛，姜瑛，等 基于轻量级网络的实时人脸识别算法研究 计算机科学与探索，（）：（，（）：），：，（）：，（）：姜艺，胥加洁，柳絮，等 边缘指导图像修复算法研究 计算机科学与探索，（）：（，（）：）刘微容，米彦春，杨帆，等 基于多级解码网络的图像修复 电子学报，（）：（，（）：），：，：徐润昊，程吉祥，李志丹，等 基于循环生成对抗网络的含遮挡人脸识别 计算机工程，（）：，（，（）：，）李琨剑 基于深度学习的遮挡人脸图像恢复方法研究 成都：四川大学，（：，）王晨博 基于深度学习的口罩遮挡人脸识别算法研究与实现 北京：北京交通大学，（：，），：（）：胡渲 非限制场景下人脸识别方法的研究 成都：四川大学，（：，），：，：，：第 期顾康，等：基于监督者组的区块链账本修正方案