量子拜占庭共识协议安全研究

作     者：高欣欣 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许娟

授予年度：2022年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：量子计算 量子信息 共识协议 拜占庭共识问题 量子拜占庭共识协议 

摘      要：区块链是一种保证数据一致存储、难以篡改、防止抵赖的去中心化的分布式账本技术。区块链能够在不可信的竞争环境中建立信任的新型计算范式,是未来发展数字经济、构建新型信任体系不可或缺的技术之一。区块链的安全性主要依赖密码学算法,但是,目前随着量子计算机的发展,量子算法对加密算法产生了威胁。为了巩固区块链的应用,扩大区块链的应用范围,安全是首要考虑的问题。另一方面,通过将量子计算的优势与区块链技术相融合的方式,能够抵御来自量子计算机的攻击。共识协议是区块链技术的核心组件之一,其本质是对拜占庭将军问题的一种回答,即研究区块链系统中可容纳多少恶意节点,依然能够保证系统的可靠性。共识协议是保证各个节点数据一致性的基础。经典的共识算法通过增加预设前提条件等方式提高最佳容错上限,在实用性方面处于劣势。量子拜占庭共识协议是一种基于量子计算的共识协议,依赖一些不同于经典力学的特性和原理实现保证协议无条件的安全性,不仅有效抵御量子计算机攻击,而且利用已有资源提升协议最佳容错上限。量子拜占庭共识协议的安全由量子资源和共识过程的合理设计共同保证。因此,本文分别从上述两个角度研究量子拜占庭共识协议的安全性。1.本文研究了纠缠态对协议安全的影响。量子纠缠态是协议的主要资源,因为纠缠态能够实现经典共识算法中的预设前提条件。首先,本文给出了适用于量子拜占庭共识协议的纠缠态的两个条件。其次,基于纠缠度量由攻击成功概率定量的分析了常用量子纠缠态对协议安全性的具体影响。2.本文提出两种机制实现对恶意节点行为的防范。首先,通过引入双重签名机制提高生成错误报告消息的成本,达到降低错误报告消息数量的目的。其次,通过引入节点信任度机制,主要包括设计合理的信任度计算方法以及引入信任度阈值μ两种措施,防范恶意主节点和从节点的作恶行为。实验仿真表明双重签名机制使恶意从节点生成错误报告消息的数量降低为原方案的约1 2倍。由理论分析可知生成错误报告消息的数量由概率1下降至1 2理论分析证明信任度计算方法能够保证恶意主节点一旦被检测出之后,信任度将降低到μ值以下,从下一轮共识的候选主节点中被剔除。总之,本文从纠缠态选择和恶意节点对协议安全性影响的角度进行了深入的分析,并给出了相应的防范措施。将本文的两项研究工作应用到现有的量子拜占庭共识协议,可以大大提高协议的安全性。