分布式网络环境下基于区块链的密钥管理方案

doi:10.11959/j.issn.2096-109x.2018077

网络与信息安全学报 ›› 2018, Vol. 4 ›› Issue (9): 23-35.doi: 10.11959/j.issn.2096-109x.2018077

所属专题：区块链

分布式网络环境下基于区块链的密钥管理方案

戴千一¹(),徐开勇¹,郭松¹,蔡国明¹,周致成^1,²

¹ 战略支援部队信息工程大学密码工程学院，河南郑州 450001
² 61660部队，北京 100089

修回日期:2018-09-05 出版日期:2018-09-01 发布日期:2018-10-15
作者简介:戴千一（1994-），男，陕西西安人，战略支援部队信息工程大学硕士生，主要研究方向为区块链安全、区块链分布式应用。|徐开勇（1963-），男，河南信阳人，战略支援部队信息工程大学研究员，主要研究方向为信息安全与可信计算。|郭松（1985-），男，河北保定人，博士，战略支援部队信息工程大学讲师，主要研究方向为信息安全。|蔡国明（1976-），男，湖北云梦人，博士，战略支援部队信息工程大学副研究员，主要研究方向为密码学与信息安全。|周致成（1992-）男，河南郑州人，硕士，61660部队助理工程师，主要研究方向为区块链网络安全。
基金资助:
国家重点研发计划基金资助项目(2017YFB080210)

Blockchain-based key management scheme for distributed networks

Qianyi DAI¹(),Kaiyong XU¹,Song GUO¹,Guoming CAI¹,Zhicheng ZHOU^1,²

¹ School of Cryptographic Engineering,Strategic Support Force Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China
² 61660 Troops,Beijing 100089,China

Revised:2018-09-05 Online:2018-09-01 Published:2018-10-15
Supported by:
The National Key Research and Development Program of China(2017YFB080210)

摘要/Abstract

摘要：

为解决在分布式网络实施密钥管理困难和通信开销过大等问题，提出一种基于区块链技术的密钥管理方案（KMSBoB，key management schemes based on Blockchain）。KMSBoB中设计了分布式群组网络下基于区块链的密钥管理和传输过程，并将区块链全体成员挖矿过程和MTI/CO协议过程相结合形成动态生成会话密钥生成协议，简化了跨异构自治域下的密钥管理策略。通过仿真测试和结果分析表明 KMSBoB 的安全性和有效性，并且相比传统密钥管理方案通信开销更少和扩展性更高。

关键词: 区块链, 密钥管理, 分布式网络

Abstract:

Regarding the difficult key management and excessive communication overhead in the distributed group networks,KMSBoB-Key management schemes based on blockchain was proposed,featuring key management and transmitting procedure based on blockchain in distributed group networks.Meanwhile,the all-member mining process of blockchain and the MTI/CO protocol process were combined to establish a protocol of dynamically generated session key,so as to streamline key management strategies in cross-heterogeneous autonomous domains.According to simulation testing and result analysis,KMSBoB is safe and effective,with less communication overhead and higher expansibility than traditional key management schemes.

Key words: Blockchain, key management, distributed networks

中图分类号:

TP399

戴千一,徐开勇,郭松,蔡国明,周致成. 分布式网络环境下基于区块链的密钥管理方案[J]. 网络与信息安全学报, 2018, 4(9): 23-35.

Qianyi DAI,Kaiyong XU,Song GUO,Guoming CAI,Zhicheng ZHOU. Blockchain-based key management scheme for distributed networks[J]. Chinese Journal of Network and Information Security, 2018, 4(9): 23-35.

图/表 14

表1

图1

图2

图3

图4

表2

表3

图5

表4

图6

图7

图8

图9

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参考文献 13

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符号	说明
SMN-A	安全管理节点A
Src	源节点
Dest	目的节点
Address	安全管理节点A网络地址编号
ID	网络节点身份标识，本文模型为URL标识
Cert	数字证书，本文默认证书格式为X.509格式^[8]
pk_SMN-A	安全管理节点A的公钥，公钥对全体SMN成员公开
sk_SMN-A	安全管理节点A的私钥，本文默认私钥是安全的
enc(M)_pk→C	加密算法，使用公钥pk加密明文M可得到密文C
dec(C)_sk→M	解密算法，使用私钥sk解密密文C可得到明文M
sig(M)_sk→C	签名算法，使用私钥sk对明文M签名可得到签名C
ver(C)_pk→M	验签算法，使用公钥pk对签名C验签可得到明文M
hash()	杂凑算法，本文指SHA1算法
doublehash()	doublehash()=SHA256(SHA256())
Rand()	随机数生成算法
randPerm()	随机排序算法，对特定序列进行排序
g	双线性对生成元
G	乘法循环群
BlockHead	区块头
BlockBody	区块体
Block	区块，包含BlockHead和BlockBody

内容	说明
Hashed result of the transaction	交易内容杂凑值
Position of this transaction in block	区块交易位置
Current security domain number SMN-this	本安全域网络编号
Beacon	网络信标，标明是否进行跨AD密钥传输
Identity materials	身份相关信息，包括ID_SMN-A和Cert_SMN-A
Signature of this transaction	交易签名值Sig{Cipher+Dest_SMN}_skSMN-Src
Payload:{Encrypted Transaction Information}	Cipher=Enc{info}_pkSMN-Dest

区块内容	隶属区块部分	说明	字符长度/bit
ID	区块头	用户标识符ID，为公钥的Base58匿名值	8
Hash _prev	区块头	前一区块头杂凑值	32
Timestamp _now	区块头	时间戳，基于用户系统生成	4
BLC_Version	区块头	区块链版本号，本文为1.0	4
Root_Merkle	区块头	交易内容的Merkle Root值	32
BLC_Height	区块头	区块高度	4
Hash_Target	区块头	目标难度值	8
Nonce	区块头	工作量证明机制调整随机数值	8
BLC_Payload	区块体	区块体负载	—
Transaction _No1	BLC_Payload	交易项Tx_No1	—
Transaction _No2	BLC_Payload	交易项Tx_No2	—
#	#	#	#
Transaction _{No n}	BLC_Payload	交易项Tx_{No n}	—
Data_Payload	Transaction	交易项中包含相关数据负载，通常为密钥分量	—

密码学运算项目	平均处理时间/milliseconds
Enc()	0.489
Dec()	0.832
Sig()	0.495
Ver()	1.276
区块挖矿	5.331

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