區塊鏈安全技術分析（微課視頻版）

黃可，男，黨員，博士， 電子科技大學，計算機科學與工程學院（網絡空間安全學院），副教授，研究生導師。黃可博士目前主要從事公鑰密碼學、區塊鏈安全、密評、人工智能安全等有關研究與教學工作。 學術方面，黃可博士在中科院一區以及CCFA類期刊上發表了10余篇高水平學術論文，獲得10余項國家發明專利授權。出版一本英文專著《區塊鏈密碼算法的設計與分析》（CRC出版），參編中文專著《區塊鏈安全技術與應用》。曾經擔任TDSC, TSC, Information Sciences等國際SCI期刊的審稿人。在2017-2019年期間受國家留學基金委資助，前往澳大利亞伍倫貢大學（University of Wollongong）進行交流。曾經擔任Inscrypt PC Member。中國計算機學會（CCF）會員、中國密碼學會會與。 項目方面，主持自然科學基金項目1項；主持兩項橫向課題，主持項目累計科研經費220萬。參與包括國家重點研發計劃在內的重大項目若幹。 教學方面，參與四川省教育廳教改項目一項《基於產學研合作的“工”型網絡安全人才培養模式的探索與實踐》，排名第2。指導研究生共計10名。負責講授本科課程《計算機系統與網絡安全技術》《區塊鏈與數字資產》《數據恢復與取證綜合設計實驗》；講授研究生課程《現代密碼理論》。

目錄

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第1部分區塊鏈技術基礎

第1章區塊鏈簡介

1.1區塊鏈發展簡史

1.1.1區塊鏈起源

1.1.2比特幣技術研究

1.1.3區塊鏈的發展階段

1.1.4區塊鏈發展歷程中的重要事件

1.1.5區塊鏈應用

1.2區塊鏈系統特性

1.2.1去中心化

1.2.2難以篡改

1.2.3身份匿名

1.2.4賬本公開

1.3區塊鏈應用

1.3.1區塊鏈價值

1.3.2區塊鏈應用分類

1.3.3區塊鏈應用現狀和趨勢

1.4區塊鏈面臨的挑戰

1.4.1區塊鏈在安全方面的問題

1.4.2區塊鏈在效率方面的問題

1.4.3其他技術層面的挑戰

小結

習題

第2章區塊鏈協議

2.1區塊鏈基礎知識

2.1.1區塊鏈的系統特點

2.1.2比特幣

2.1.3背景和問題

2.1.4區塊鏈錢包安全研究

2.1.5區塊鏈數據隱私研究

2.1.6區塊鏈應用研究

2.1.7區塊鏈的定義

2.2密碼算法的證明技術

2.2.1背景與問題

2.2.2密碼算法基礎

2.2.3密碼算法的分析原則

2.2.4計算復雜性理論

2.2.5可證明安全理論

2.2.6安全規約方法

2.3密碼協議的證明技術

2.3.1背景與問題

2.3.2安全建模

2.3.3敵手能力的定義

2.3.4執行環境的定義

2.3.5安全多方計算的目標

2.3.6半誠實敵手模型下的執行

2.3.7半誠實敵手模型下的模擬

2.3.8惡意敵手模型

2.3.9基於組合安全性的證明技術

2.4基於理性敵手的分析技術

2.4.1背景與問題

2.4.2非合作博弈

2.4.3擴展式博弈

2.4.4斯塔克伯格博弈

2.4.5隨機博弈

小結

習題

第3章區塊鏈共識

3.1拜占庭將軍問題

3.1.1問題背景

3.1.2問題定義

3.1.3同步網絡

3.1.4拜占庭廣播

3.2DolevStrong共識

3.2.1一個簡單但有缺陷的共識

3.2.2針對簡單共識的攻擊

3.2.3DolevStrong共識

3.2.4DolevStrong共識的分析

3.3分布式系統理論

3.3.1FLP不可能性理論

3.3.2CAP理論

3.3.3蒙特卡洛共識

3.3.4中等難度謎題

3.3.5狀態機復制

3.4比特幣共識

3.4.1背景與問題

3.4.2計算模型

3.4.3蒙特卡洛共識問題陳述

3.4.42f+1容忍度的比特幣協議

3.4.52f+1容忍度下限

3.4.6運行時間與消息復雜度

小結

習題

第2部分基於密碼的區塊鏈安全技術

第4章面向區塊鏈的公鑰密碼分析

4.1密碼學與基礎知識

4.1.1相關背景

4.1.2區塊鏈采用的密碼技術

4.1.3對稱密碼體制

4.1.4非對稱密碼體制

4.1.5安全模型和威脅模型

4.1.6區塊鏈相關通信協議

4.2密碼安全協議

4.2.1安全協議概述

4.2.2經典安全協議

4.3密碼安全協議及算法的設計與分析

4.3.1背景與問題

4.3.2如何構建安全的區塊鏈系統

4.3.3一個協議實例

4.3.4安全信道作為目標的實例

4.3.5達成共識作為目標的實例

4.3.6可靠交易賬本作為目標的實例

4.3.7密碼算法的設計思路與步驟

4.3.8面臨的挑戰

4.4數字簽名

4.4.1數字簽名簡介

4.4.2數字簽名安全定義

4.4.3經典簽名分析

4.4.4更多案例分析和證明技巧

4.4.5橢圓曲線數字簽名算法

4.5非對稱加密與案例

4.5.1非對稱加密簡介

4.5.2公鑰加密安全定義

4.5.3實際案例

4.5.4如何構造滿足理想安全性的公鑰加密

4.5.5經典公鑰加密分析

4.6零知識證明

4.6.1非交互式證明系統NIZKPoK

4.6.2零知識證明簡介

4.6.3零知識證明和論據

4.6.4非交互式零知識證明

4.6.5簡短非交互式零知識論據

4.6.6經典零知識證明分析

4.6.7如何構造zkSNARK

4.6.8拓展與討論

小結

習題

第5章零幣的安全分析

5.1匿名性基礎

5.1.1匿名有關概念

5.1.2比特幣去匿名化

5.1.3混幣

5.1.4分布式混幣

5.1.5匿名性對比

5.2零幣的背景和問題

5.2.1基礎幣

5.2.2零幣基本思路

5.3基礎密碼工具

5.3.1非交互式零知識證明

5.3.2知識證明

5.3.3承諾

5.3.4累加器

5.4零幣的安全模型與黑盒構造

5.4.1零幣的黑盒構造

5.4.2零幣的正確性要求

5.4.3零幣的匿名性要求

5.4.4零幣的平衡性要求

5.5零幣的安全證明

小結

習題

第6章骨幹協議的安全分析

6.1比特幣與雙花攻擊分析

6.1.1背景與問題

6.1.2分叉選擇

6.1.3雙花攻擊簡介

6.1.4區塊鏈追趕實驗

6.2基礎知識和安全模型

6.2.1基本安全性質

6.2.2共識的定義與性質

6.2.3q有界同步模型

6.2.4模型的參與者

6.2.5執行與視圖

6.2.6輪結構

6.2.7協議一般性質

6.3骨幹協議的構造

6.3.1基本數據結構

6.3.2基本函數的要求

6.3.3基本函數的定義

6.3.4基本算法

6.3.5骨幹協議的安全性質

6.3.6誠實參與者是否會就區塊鏈達成一致

6.3.7誠實區塊是否會被其他參與者采納

6.3.8鏈是否會增長

6.3.9持久性： 交易穩定性

6.3.10活躍性： 交易按時確認性

6.4骨幹協議的安全證明

6.4.1證明策略

6.4.2證明要點

6.4.3證明涉及的符號與公式

6.4.4期望值的分析

6.4.5典型執行的概念

6.4.6CP的證明

6.4.7CQ的證明

6.4.8CG的證明

6.4.9持久性和活躍性

6.5骨幹協議的應用

6.5.1知識回顧

6.5.2基於PoW的拜占庭共識協議

6.5.3基於1/3有界敵手的拜占庭共識協議

6.5.4公開交易賬本

6.5.5其他問題

小結

習題

第7章骨幹協議的拓展分析

7.1問題與背景

7.1.1中本聰協議的根本問題

7.1.2一致性及其必要性

7.1.3網絡延遲及其影響

7.1.4有界一致性

7.2區塊鏈抽象與建模

7.2.1敵手

7.2.2基於隨機預言機的區塊鏈協議

7.2.3區塊鏈初步模型

7.2.4區塊鏈的安全屬性

7.2.5得證的定理

7.2.6中本聰協議是無權限的嗎

7.2.7分析與證明的難點

7.2.8混合模型

7.2.9證明鏈增長下界

7.2.10證明無“長”扣塊

7.2.11證明一致性

7.3區塊鏈協議與執行

7.3.1區塊鏈協議

7.3.2區塊鏈執行

7.3.3可容許環境

7.3.4傳播模式

7.3.5中本聰協議

7.4正式定義

7.4.1符號與可忽略函數

7.4.2正式定義鏈增長

7.4.3鏈質量

7.4.4一致性

7.4.5鏈增長上限

7.4.6正式的得證定理

7.5混合模型

7.5.1預言機Ftree

7.5.2混合模型下的中本聰協議

7.5.3將混合模型下的協議安全性規約到中本聰協議

7.6主要證明思路

7.6.1鏈增長的證明思路

7.6.2鏈質量的證明

7.6.3鏈一致性證明

7.6.4公開賬本的應用

小結

習題

第3部分基於理性敵手的激勵分析技術

第8章自私挖礦攻擊的分析

8.1比特幣自私挖礦攻擊

8.1.1背景與問題

8.1.2自私挖礦策略

8.1.3自私挖礦的狀態分析

8.1.4自私挖礦的條件分析

8.1.5自私挖礦的收益分析

8.1.6自私挖礦的實驗分析

8.1.7自私挖礦的問題總結

8.2以太坊的自私挖礦攻擊

8.2.1背景與問題

8.2.2以太坊模型

8.2.3以太坊自私挖礦策略

8.2.4自私挖礦問題建模

8.2.5自私挖礦狀態轉換分析

8.2.6激勵討論

8.2.7全面的收益分析

小結

習題

第9章扣塊攻擊的分析

9.1背景與問題

9.1.1礦池規模

9.1.2扣塊攻擊與檢測

9.2扣塊攻擊建模

9.2.1系統建模

9.2.2單礦工建模

9.2.3礦池建模

9.2.4扣塊礦工建模

9.3礦池博弈形式化分析

9.3.1礦池扣塊攻擊

9.3.2扣塊循環

9.3.3收益收斂

9.3.4礦池博弈建模

9.3.5形式化分析

9.4單方扣塊博弈

9.4.1博弈分析

9.4.2推廣到一般情形

9.5兩方扣塊和多方扣塊博弈

9.5.1兩方扣塊博弈分析

9.5.2多方扣塊博弈

9.5.3扣塊攻擊的總結

小結

習題

第10章BitcoinNG安全技術的分析

10.1背景與問題

10.1.1BitcoinNG背景

10.1.2高級挖礦攻擊

10.1.3BitcoinNG系統

10.1.4中本聰共識

10.1.5比特幣工作量證明和挖礦

10.1.6誠實的挖礦策略

10.1.7分叉問題

10.2BitcoinNG構造

10.2.1關鍵模塊和領導者選舉

10.2.2微區塊

10.2.3確認時間

10.2.4激勵措施

10.2.5避免微區塊分叉

10.3BitcoinNG激勵分析 

10.3.1最重鏈擴展

10.3.2最長鏈擴展

10.3.3交易打包

10.3.4最長鏈擴展

10.3.5其他問題分析

10.4單方博弈分析

10.4.1分析思路

10.4.2條件與問題梳理

10.4.3博弈分析

10.4.4兩方博弈和N方博弈分析思路

小結

習題

第4部分安全技術的仿真與實驗

第11章相關工具與平臺

11.1OpenSSL與其他相關密碼庫

11.1.1OpenSSL概念

11.1.2OpenSSL在Linux平臺上的快速安裝

11.1.3OpenSSL密碼算法庫

11.1.4SSL/TLS協議庫 

11.1.5NTL 

11.1.6GmSSL

11.2以太坊

11.2.1以太坊區塊鏈部署

11.2.2合約與以太坊虛擬機

11.2.3編寫並部署智能合約

11.2.4數字資產發行和流通

11.2.5以太坊數據查詢和分析

11.2.6以太坊隱私保護與數據安全技術

11.2.7以太坊優化

11.3超級賬本

11.3.1Fabric 1.4.6環境搭建

11.3.2官方End2End運行

11.3.3自主HelloWorld編寫

11.3.4測試環境部署

11.3.5Fabric Kafka生產

11.3.6生產環境使用智能合約

11.3.7使用SDK對Fabric進行封裝調用

11.4開發案例分析

小結

習題

參考文獻