比特币POW机理研究及其在散列函数分析中的应用

Characterized by distributed decentralization,anonymity,free transaction taxing,security and general-purpose application, bitcoin system has developed very fast in very recent years, quite a lot of new bitcoin inspired cryptographic currencies have been proposed. Considering the "51% attack" problem and the everyday increasing huge energy consumption of the bitcoin system, this project raises a propose of building a fair and energy-saving POW scheme so that the ASIC based mining pools will be no longer in force, and proposes a scheme to exploit the huge computation capability to launch a practical collision attack on some cryptographic hash functions. Main topics include:1)A random magic square evolutionary algorithm is used to filter the work of POW scheme to eliminate the technical premise of the ASIC based brute force search;2)Study the stochastic distribution of magic square generation of the evolutionary algorithm in order to devise a linearized POW difficulty regulation scheme,so that the bitcoin system is only supported by internet networked computer's cpus;3)Try to design a POW scheme to exploit the bitcoin system in the differential collision attack on sha1 algorithm, such that a cryptanalysis can be freely accomplished without breaking the system running; 4)Try to devise a smooth transition scheme between the problem solving period and the normal running period of the bitcoin system,such that the problem solving will not collapse the running bitcoin system. This project is conducted to find a solution to the fairness and energy saving problem of the bitcoin system, so as to improve the energy utilization efficiency of the whole Internet network.

比特币具有分布式去中心、匿名、免费、安全及通用等优点，近几年获得了快速发展，模仿比特币POW机理的密码货币竞相推出。针对"51%攻击"以及维护全网运行日益增长的巨大能耗问题，本课题提出构建公平绿色的POW机制，从技术上使ASIC矿机不再有利；提出利用比特币系统实现散列函数差分碰撞攻击的POW机制。主要内容包括：1）研究基于随机幻方演化算法POW过滤机制，消除蛮力搜索的技术条件；2）研究幻方演化算法的均匀随机性，设计线性POW难度调节方案，使比特币系统仅依靠网络CPU运算维持，消除"51%攻击"的技术条件；3）研究利用比特币系统免费解决sha1差分碰撞问题的POW机制，在维护系统正常运行前提下顺便解决密码分析问题；4）研究问题求解与比特币系统正常运行之间的平稳转换机制以及实时POW难度调节方案，使问题求解不至影响系统正常运行。本课题旨在解决比特币系统的公平性与环保性，提高互联网能源利用效率。

区块链具有去中心、匿名、不可篡改等特点，在证券交易、智能合约、物联网、众筹等领域具有广泛的革命性应用。P2P网络拜占庭将军问题是区块链共识机制的基本问题。区块链共识机制分为两类：不基于加密货币激励的分布式共识协议，基于加密货币激励的工作量证明(PoW)与权益证明(PoS)协议。拜占庭容错算法(BFT)仅适合联盟或私有区块链, PoS协议存在固有安全缺陷。PoW 共识机制以全网密码散列算力作为代价，篡改区块链记录需要同样代价，因此, PoW具有安全区块链共识机制的必要条件。.密码散列计算是底层计算，是发行加密货币必要的安全代价，但底层计算必然导致计算硬件的“军备竞赛”，通过 “矿力垄断”产生“计算中心化”结果。本项目提出一种基于随机幻方构造的区块链工作量证明方法，采用随机幻方构造算法生成投票约束随机幻方取代区块头中投票随机新数nonce，实现工作量证明过程的密码散列值投票计算。上一区块记录随机幻方决定当前区块投票随机幻方的约束条件，当前区块记录随机幻方又决定下一区块投票随机幻方的约束条件，前后区块投票随机幻方的约束数字互不重叠，且不可预测。如果以10阶随机幻方构造工作量证明为例，经过测试，目前普通PC机每分钟可以构造3000个左右无约束随机幻方，固定一行或列的约束随机幻方构造速度降至1/3，由当前区块的投票随机幻方构造过程猜测下一区块的投票随机幻方的关联约束随机数字的概率约为10-20。.通过构造前后区块不可预测的关联约束投票随机幻方，工作量证明转化为一个约束随机幻方构造的NP难问题求解的智能计算过程。由于智能算法一般不适合ASIC实现，或者智能算法的ASIC实现与CPU程序实现在能效上没有明显可比优势。现有随机幻方构造智能算法与随机或枚举法的效率之比已达到1040以上，改进计算硬件与改进智能算法本身相比不具效能优势。而且，智能算法效率越高,计算硬件效能优势就越低。因此，可以实现理想的一CPU一票的区块记录投票权，防止纯密码散列计算的工作量证明方法所固有的“计算中心化”、51%攻击与能源浪费，实现公平、安全、稳定、节能的绿色区块链网络技术。