基于信誉值和强盲签名算法的委托权益证明共识算法

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2023121822

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (12): 3717-3722.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2023121822

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基于信誉值和强盲签名算法的委托权益证明共识算法

赵振皓¹^,²^,³, 张仕斌¹^,²^,³(), 万武南¹^,²^,³, 张金全¹^,²^,³, 秦智¹^,²^,³

^1.成都信息工程大学网络空间安全学院，成都 610225
^2.先进密码技术与系统安全四川省重点实验室（成都信息工程大学），成都 610225
^3.成都信息工程大学网络空间安全产业学院，成都 610203

收稿日期:2023-12-19 修回日期:2024-02-15 接受日期:2024-02-26 发布日期:2024-03-11 出版日期:2024-12-10
通讯作者: 张仕斌
作者简介:赵振皓（1996—），男，山东潍坊人，硕士研究生，CCF会员，主要研究方向：区块链
万武南（1978—），女，江西樟树人，副教授，博士，CCF会员，主要研究方向：区块链、密码算法分析
张金全（1974—），男，四川邻水人，副教授，博士，主要研究方向：密码学、区块链
秦智（1977—），男，四川资阳人，副教授，硕士，主要研究方向为；网络与信息安全、区块链、物联网。
基金资助:
国家重点研发计划“网络空间安全治理”重点专项(2022YFB3103103);四川省重点研发计划项目(2022YFS0571);成都市科技局重点研发支撑计划项目(2023?XT00?00002?GX)

Delegated proof of stake consensus algorithm based on reputation value and strong blind signature algorithm

Zhenhao ZHAO¹^,²^,³, Shibin ZHANG¹^,²^,³(), Wunan WAN¹^,²^,³, Jinquan ZHANG¹^,²^,³, zhi QIN¹^,²^,³

^1.School of Cybersecurity，Chengdu University of Information Technology，Chengdu Sichuan 610225，China
^2.Advanced Cryptography System Security Key Laboratory of Sichuan Province （Chengdu University of Information Technology），Chengdu Sichuan 610225，China
^3.Industrial College of Cybersecurity，Chengdu University of Information Technology，Chengdu Sichuan 610203，China

Received:2023-12-19 Revised:2024-02-15 Accepted:2024-02-26 Online:2024-03-11 Published:2024-12-10
Contact: Shibin ZHANG
About author:ZHAO Zhenhao， born in 1996， M. S. candidate. His research interests include blockchain.
WAN Wunan， born in 1978， Ph. D.， associate professor. Her research interests include blockchain， cryptographic algorithm analysis.
ZHANG Jinquan， born in 1974， Ph. D.， associate professor. His research interests include cryptology， blockchain.
QIN Zhi， born in 1977， M. S.， associate professor. His research interests include network and information security， blockchain， internet of things.
Supported by:
National Key Research and Development Program on Cyberspace Security Governance(2022YFB3103103);Key Research and Development Program of Sichuan Province(2022YFS0571);Key Supporting Program of Chengdu Science and Technology Bureau(2023-XT00-00002-GX)

摘要/Abstract

摘要：

针对委托权益证明（DPoS）算法存在高权重节点记账权概率大导致的中心化趋势加剧、节点投票积极性不高以及节点腐败导致的共谋攻击等问题，提出一种基于信誉值和强盲签名算法的DPoS共识算法。首先，根据初始条件的不同分为2类节点，并第一次筛选节点，选出代理节点；其次，代理节点相互投票，并根据历史信誉值与最终票数的平均值选取排名前21的节点组成见证人节点集合，而剩余节点组成备用见证人节点集合；在投票过程中应用基于Elgamal的强盲签名算法，保证投票节点的隐私性；最后，见证人节点出块，完成共识过程。实验结果表明，与原始DPoS共识算法相比，所提算法的活跃节点比例提升了约20个百分点，恶意节点比例接近0。可见，所提算法提高了节点投票的积极性，并保护了节点的隐私信息。

关键词: 共识算法, 委托权益证明, 信誉值, Elgamal数字签名, 盲签名

Abstract:

In order to address the issues of Delegated Proof of Stake （DPoS） algorithm， such as the growing centralization trend caused by high-weight nodes having a higher probability of accounting rights， low voting enthusiasm among nodes， and collusion attacks caused by node corruption， a DPoS consensus algorithm based on reputation value and strong blind signature algorithm was proposed. Firstly， the nodes were sorted into two types based on the initial conditions， and the initial selection of nodes was carried out to select the proxy nodes. Secondly， the vote for each other was performed among the proxy nodes， and the top 21 nodes were selected to form the witness node set based on the average of historical reputation value and final number of votes， while the remaining nodes were used to form the standby witness node set. During the voting process， an Elgamal-based strong blind signature algorithm was employed to ensure privacy for voting nodes. Finally， consensus process was achieved after block out of witness nodes. Experimental results demonstrate that compared to the original DPoS consensus algorithm， the proposed algorithm increases active node proportion by approximately 20 percentage points， and reduces malicious node proportion close to zero. It can be observed that the proposed algorithm enhances node enthusiasm in voting and protects privacy information of nodes.

Key words: consensus algorithm, Delegated Proof of Stake (DPoS), reputation value, Elgamal digital signature, blind signature

中图分类号:

TP309.2

赵振皓, 张仕斌, 万武南, 张金全, 秦智. 基于信誉值和强盲签名算法的委托权益证明共识算法[J]. 计算机应用, 2024, 44(12): 3717-3722.

Zhenhao ZHAO, Shibin ZHANG, Wunan WAN, Jinquan ZHANG, zhi QIN. Delegated proof of stake consensus algorithm based on reputation value and strong blind signature algorithm[J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(12): 3717-3722.

图/表 6

图1 共识算法的流程

Fig. 1 Flowchart of consensus algorithm

表1 相关参数及其意义

Tab. 1 Relevant parameters and their significance

符号	含义
$(p k u, s k u)$	节点u的非对称公私密钥对
$V$	投票节点
$S$	接收节点
$Z p *$	有限域
$g$	$Z p *$ 的本原
$m$	盲化前的消息
$m'$	盲化后的消息
$k$	$Z p *$ 中的随机数
$x$	请求签名者的私钥
$α, β$	$Z p *$ 中的随机数
$r, s$	签名者关于盲化后的消息 $m'$ 的签名
$r', s'$	请求签名者关于盲化后的消息 $m$ 的签名

表1 相关参数及其意义

Tab. 1 Relevant parameters and their significance

符号	含义
$(p k u, s k u)$	节点u的非对称公私密钥对
$V$	投票节点
$S$	接收节点
$Z p *$	有限域
$g$	$Z p *$ 的本原
$m$	盲化前的消息
$m'$	盲化后的消息
$k$	$Z p *$ 中的随机数
$x$	请求签名者的私钥
$α, β$	$Z p *$ 中的随机数
$r, s$	签名者关于盲化后的消息 $m'$ 的签名
$r', s'$	请求签名者关于盲化后的消息 $m$ 的签名

图2 电子投票模型

Fig. 2 Electronic voting model

表2 实验环境

Tab. 2 Experimental environment

软/硬件	版本/型号
操作系统	Windows 11
CPU	AMD Ryzen 7 5800H with Radeon Graphics 3.20 GHz
内存	32 GB
IDE	PyCharm 2022.1.2 （Professional Edition）
Python	3.8.7

图3 活跃节点占比

Fig. 3 Proportion of active nodes

图4 恶意节点占比

Fig. 4 Proportion of malicious nodes

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基于信誉值和强盲签名算法的委托权益证明共识算法

Delegated proof of stake consensus algorithm based on reputation value and strong blind signature algorithm

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