一种基于量子拜占庭共识协议的新型区块链系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于量子拜占庭共识协议的新型区块链系统，属于量子信息计算和区块链分布式共识协议领域。所述系统架构包括：用户层、核心层和基础层。用户层包括节点管理和业务功能；核心层包括量子拜占庭共识协议、智能合约和加密算法；基础层包括计算存储和对等网络。区别于其他区块链系统，该新型区块链系统基础层中的对等网络采用经典和量子两种信道实现节点间通信。经典信道用于传输大量经典的区块数据；量子信道结合量子计算技术实现了一种新型的秘密数字列表分发方式，提高了秘密数字列表分发的效率和量子资源的利用率。用户层中各节点通过秘密数字列表达成核心层中的量子拜占庭共识协议，提高了区块链系统的容错能力和安全性。能力和安全性。能力和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子拜占庭共识协议的新型区块链系统


[0001]本专利技术涉及量子信息与计算领域和区块链分布式共识协议领域，具体设计了一种基于量子拜占庭共识协议的新型区块链系统。

技术介绍

[0002]区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。其创新的分布式去中介化信任体系改变了传统互联网依托中心化机构建立和维护信任体系改变了传统互联网依托中心机构建立和维护信任的机制，给金融、经济、政治、科技和政府等各领域带来深远的影响。从技术层面来看，区块链可以看做是分布式系统里实现数据存储的分布式账本，共识机制保证分布式节点传输信息时如何保持数据的一致性问题，密码学机制保证了区块链信息不被篡改和可认证等的安全性问题。
[0003]区块链的共识机制设计极大地影响区块链系统的性能，包括交易能力、可扩展性和分区容错能力。其中最重要的分区容错能力指系统中各节点如何在不可信的网络环境中达成一致的难题。该难题的解决方法和1982年Leslie Lamport等人就提出拜占庭将军问题异曲同工：在已知有将军是叛徒的情况下，其余忠诚的将军如何达成一致协议。目前区块链中应用的共识算法如PoW,PBFT等都结合实际的应用场景，从不同程度上给出了拜占庭将军问题的可行解。但理论已经证明：如果有超过1/3的将军是叛军，则拜占庭将军问题无解，除非将军拥有一组相互关联的隐私数字列表。因此，解决拜占庭将军问题可以归结为解决这些列表的生成和安全分发问题。经典的分发方案的安全性依赖于哈希算法和公私钥密码，而对于具有超越经典优越性的量子计算而言，公钥密码体系理论上可以在极短的时间内被破解，就意味着没有安全的秘密列表是可用。因而，完全依赖于经典的科学技术，没有办法完全应对区块链系统中的存在任意多恶意节点的情况。如何将区块链技术与抗量子科技结合，根据区块链应用场景设计和优化共识机制，使得区块链系统能够突破经典限制，同时具备抗量子计算攻击的安全性，是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]基于上述问题，本专利技术提供一种基于量子拜占庭共识协议的新型区块链系统，从根本上提高区块链系统的安全性和可靠性。
[0005]本专利技术的技术方案包括：
[0006]一种基于量子拜占庭共识协议的新型区块链系统架构包括三层：用户层、核心层、基础层；用户层包括节点管理和业务功能；核心层包括量子拜占庭共识协议、智能合约和加密算法；基础层包括计算存储和对等网络。该新型区块链系统的组成区别于其他区块链系统体现在量子拜占庭共识协议和对等网络的不同。
[0007]优选地，系统基础层中的对等网络采用经典
‑
量子两种信道进行通信；系统核心层中的量子拜占庭共识协议包括：主节点P1的选取；主节点P1和其他普通节点通过量子计算和量子信道生成具有特定关联的256组秘密数字列表；主节点P1通过经典信道发送区块B、区
块摘要信息m以及依据自身秘密列表生成的信息位置列表V1给其他各节点；各节点P
k
收到主节点P1发送的所有消息后，通过经典信道将区块摘要信息m以及依据自身秘密列表l
k
生成的信息位置列表V
k
发送给其他节点；各节点将所有得到的消息与自身的秘密列表对比验证，根据验证结果决定同步更新区块或者放弃更新。
[0008]优选地，区块链节点通过秘密数字列表的成功分发来协助实现区块链系统核心层中的量子拜占庭共识协议。
[0009]优选地，每次对完整区块的共识需要先在用户层选取出主节点P1。
[0010]优选地，通过轮流制选举出主节点。
[0011]优选地，用户层的主节点和其它普通节点通过量子信道进行量子态传输以协同完成量子相位估计算法，从而生成具有特定关联的一组秘密数字列表；
[0012]所述协同完成量子相位估计算法过程包括：主节点首先生成初始量子态，初始量子态在节点之间相互传递，每次传递每个节点都做出相应的量子操作，最后回传到主节点进行最后的操作，完成一组秘密数字列表的分发。
[0013]优选地，所有节点通过1个工作量子比特和t个辅助量子比特，通过量子通道传输，进行ntL次量子通信以完成量子相位估计算法；其中，n为网络中节点的总数，L为秘密数字列表的长度。
[0014]优选地，区块包括区块头和区块体，区块体利用梅克尔树保存上链数据。
[0015]优选地，区块头包括：版本号、前一个区块哈希、梅克尔树的根、时间戳。
[0016]优选地，区块的摘要信息由SHA
‑
256算法对区块头进行两次哈希计算得来。
[0017]与现有技术相比，本专利技术包括以下有益效果：
[0018](1)构建一种基于量子拜占庭共识协议的新型区块链系统，极大提高了区块链系统的分区容错能力，进而达到提高整个网络数据的安全性和可靠性的目的。无论网络中存在多少恶意节点，该系统都能够满足：I所有诚实的节点要么同步相同的区块B和应对应的摘要信息m，将通过验证的新区块写入本地区块链数据库，要么都放弃同步，选择下一个节点作为主节点，进行下一轮的共识；II.如果主节点P1是诚实的，那么每个诚实的节点要么同步P1发送的区块B和对应的摘要信息m，将通过验证的新区块写入本地区块链数据库，要么都放弃同步，选择下一个节点作为主导节点，进行下一轮的共识。
[0019](2)本专利技术提出一种安全高效的秘密数据列表分发方法,只需要ntL次量子通信和极少的量子比特，便能够以接近100％的成功概率分发各节点相关联的一组秘密数字列表，能高效利用量子资源。
[0020](3)构建一种安全高效的数字列表分发方法的量子线路，该量子线路具体、明确，易实施。本专利技术提供的列表分发量子线路为区块链共识机制的量子线路模型的构建提供了设计思路，同时量子线路是总结了各个节点之间交互的具体实现方式，量子通信信道和量子硬件系统应用该线路设计可以达到期望的结果。
附图说明
[0021]图1为本专利技术一个实施例中构建一种基于量子拜占庭共识协议的新型区块链系统的系统架构图。
[0022]图2为本专利技术一个实施例中新型区块链系统所采用的量子拜占庭共识协议的流程
示意图。
[0023]图3为本专利技术一个实施例中各节点间构建安全高效的数据列表分发方法的量子线路图。
[0024]图4为本专利技术一个实施例中3个节点完成共识的消息传输示意图。
[0025]图5为本专利技术一个实施例中记录数据的梅克尔树数据结构。
[0026]图6为本专利技术一个实施例中区块链结构示意图。
[0027]具体实现方式
[0028]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清晰，根据以下参照附图，结合具体实施例，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于量子拜占庭共识协议的新型区块链系统，其特征在于，所述新型区块链系统的架构包括三层：用户层、核心层、基础层；用户层包括节点管理和业务功能；核心层包括量子拜占庭共识协议、智能合约和加密算法；基础层包括计算存储和对等网络。2.根据权利要求1所述的新型区块链系统，其特征在于，系统基础层中的对等网络采用经典
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量子两种信道进行通信；系统核心层中的量子拜占庭共识协议包括：主节点P1的选取；主节点P1和其他普通节点通过量子计算和量子信道生成具有特定关联的256组秘密数字列表；主节点P1通过经典信道发送区块B、区块摘要信息m以及依据自身秘密列表生成的信息位置列表V1给其他各节点；各节点P
k
收到主节点P1发送的所有消息后，通过经典信道将区块摘要信息m以及依据自身秘密列表l
k
生成的信息位置列表V
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发送给其他节点；各节点将所有得到的消息与自身的秘密列表对比验证，根据验证结果决定同步更新区块或者放弃更新。3.根据权利要求2所述的新型区块链系统，其特征在于，区块链节点通过秘密数字列表的成功分发来协助实现区块链系统核心层中的量子拜占庭共识协议。4.根据权利要求2所述的新型区块链系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔巍，颜世露，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：