后量子时代：区块链中密码安全隐患

来源：OK区块链工程院

量子计算与区块链是当下两个热门技术，因为密码学技术联系在一起。区块链使用密码学技术保障系统安全，而量子计算对传统的密码学技术提出了巨大的挑战，进而威胁到区块链系统的安全。

目前对量子计算的认识有两个极端，一种观点是量子计算无所不能，第二种观点是量子计算还很遥远。量子计算可以做哪些事情？对传统密码体制有哪些安全威胁？

对这些问题的把握可以从两个方面入手：

（1）区块链系统采用的密码学技术

（2）量子计算对传统密码体制的威胁

区块链是一个去中心化的分布式记账系统，采用密码学技术保护账本不被篡改和实现节点共识。我们以OKChain为例，区块链系统中的主要密码学应用包括：

（1）哈希函数用于PoW计算。哈希函数为系统提供“单向性”：正向计算很容易，逆向求解很困难。在传统的PoW中，找到一个符合条件的原象（挖矿）需要一定的算力保证，但验证一个解是容易的。

（2）签名与多签技术。经典的签名方案有EC-Schnorr和ECDSA，主要基于ECC上的CDH问题设计，即假设CDH问题在数学上是困难的，则密码体制是安全的。OKChain采用了更加高效的BLS多签方案。

（3）可验证随机函数（VRF）。基于VRF，OKChain系统中采用了可验证随机洗牌函数(VRSF)，用于共识决定出块者优先级序列。

量子计算突破了传统计算的极限，在求解一些重要密码问题上获得了指数加速，对现有密码体制的安全性提出了极大的挑战。但量子计算不是万能的，也不是对所有问题都可以有多项式时间算法。

目前常见的量子算法主要基于Simon算法、Shor算法和Grover算法。

（1）Simon算法用于求解周期计算(finding period)问题。若一个函数为周期函数，则Simon算法可以在多项式时间内计算得到该周期。

（2）Shor算法用于求解整数分解(integer factoring)问题，该算法为多项式时间算法。由于DH问题与整数分解问题在多项式时间内可以相互转化，所以DH体制以及ECC上的DH体制在多项式时间内都可以在量子机上求解。

（3）Grover算法可以在一个无序的数据库中查找符合条件的解（即穷搜），相较于经典遍历穷搜可以获得平方加速。

现有很多签名方案如RSA和ECDSA的安全假设是CDH(computational Diffie–Hellman)问题是困难的。目前对量子攻击的担心主要来源于Shor算法对RSA、DH等密码问题的求解，进而威胁到包括BLS在内的大多数签名方案的安全。针对Hash函数等对称密码体制，量子计算目前没有有效的攻击方法。抗量子密码体制研究集中在公钥密钥和数字签名方案领域。

由于量子计算对传统密码体制的威胁，抗量子（后量子）密码体制逐渐被提出并标准化。现阶段，所谓的密码体制抗量子一般包括两个方面：

（1）该加密体制可以规约到一个困难数学问题上；

（2）该困难问题是NP-hard的。

2012年，美国国家标准与技术研究院(NIST)启动了后量子密码的标准化并于2016年开始向全世界公开征集后量子算法。截止到2017年11月30日，NIST共收到各种后量子时代公钥密码方案82项。

目前主要有四类算法：

（1）基于格困难问题的密码体制。该类密码算法基于格上的最短向量（SVP）等困难问题设计，如NTRU密码。

（2）基于多变元多项式的密码体制。该类算法基于多变元方程求解的困难性设计，如Rainbow数字签名方案。

（3）基于哈希函数的数字签名方案。该类密码基于Hash函数的安全性设计，如Merkle签名方案。

（4）基于编码问题的密码体制。该类密码基于纠错码设计，随机线性纠错码求解问题已经被证明是NP-hard的。代表性密码如McEliece密码体制。

鉴于量子计算带来的安全隐患，已经有团队开展抗量子的区块链体制研究，如ZK-STARK系统。ZK-STARK系统采用了基于Hash函数的数字签名方案来替代基于CDH假设的数字签名方案，从而可以抵抗量子攻击。

OK区块链工程院在抗量子计算和可证明安全等领域开展了基础研究，致力于为用户提供安全、高效的区块链解决方案。