超大规模可管控数字货币形式化安全模型与关键密码学方法

In view of the problems of poor scalability, privacy leakage and difficulty in supervision of the existing Bitcoin-like systems, this project investigates the formal security model and key cryptographic methods of very large-scale manageable digital currency (VLMDC) system, with an emphasis on VLMDC system model, formal security model, cryptographic approaches for security and privacy, and cryptographic approaches for secure auditing and management. First, this project proposes a novel scalable digital currency system model, which is featured by its three separating layers consisting of a p2p networking layer, a management layer and a service layer. Second, on the basis of provable security theory, this paper puts forward a game theory based formal security model of digital currency, which provides a solid theoretical basis for secure realization of VLMDC system. Third, we propose new concepts of linkable group signature and linkable hierarchy-hidden group encryption, addressing the conflict between the protection of privacy and security, and the requirement of secure auditing and management in the VLMDC system. Finally, following the proposed framework of the VLMDC system, the formal security model and supported by the new key cryptographic methods, this project designs secure VLMDC digital currency protocols and schemes, and provides strict security proofs and simulation verification of the protocols and schemes. The achievements of the project will enrich the theory of cryptography and innovate the security framework of digital currency system.

针对现有类比特币数字货币系统可扩展性差、隐私泄露、难以监管等问题，本项目研究超大规模可管控数字货币（VLMDC）形式化安全模型与关键密码学方法，重点研究VLMDC系统模型、形式化安全模型、安全与隐私保护密码学方法、安全审计与监管密码学方法。首先，创新性提出网络通信层、管理逻辑层、业务逻辑层相分离可扩展数字货币系统模型。第二，以可证明安全理论为基础，首次提出基于博弈论的数字货币形式化安全模型，为LMDC的系统级安全评价提供坚实理论基础。第三，首次提出可链接群签名、可链接层次隐藏群加密等密码学新方法和新技术，解决LMDC系统中安全交易、隐私保护需求和安全审计、高效监管相冲突的难题。最后，以提出的系统模型为牵引，以提出的安全模型为基础，以提出的关键密码学新方法为支撑，设计保障LMDC数字货币安全的协议和方案，对设计的协议和方案进行安全性证明及实验仿真。项目研究将丰富密码学理论，创新数字安全体系。

在本项目的研究中，我们专注于研究可以在高频交易环境下安全稳定运行的超大规模可管控数字货币的系统模型的关键密码学方法，并解决系统安全、审计监管、激励机制等方面的问题。在项目执行期间，我们较为系统地研究了相应的理论模型、方法、协议和应用，并取得了一系列成果。在此期间，共发表论文43篇，其中包括TIFS、TPDS、TKDE等顶级期刊，共申请专利16项，其中授权专利5项，申请并受理专利11项，发表学术著作2部，制定相关企业标准1项，登记软件著作权4项。.本项目在VLMDC的系统模型、系统安全模型与关键密码学方法、安全审计与监管等领域取得了一系列研究成果。首先，我们研究了VLMDC系统模型。针对VLMDC对超大规模的高频交易的需求，我们设计了一种安全的、可扩展的具有高吞吐率的区块链模型，满足了系统的鲁棒性和可扩展性要求，并设计了新的激励机制保障了系统的可持续性要求。第二，我们研究了适用于复杂场景下的VLMDC系统的隐私保护技术。面向场景公开、用户规模庞大、任务关系复杂等VLMDC系统的特点，我们适配并增强了传统的用于隐私保护的密码学核心工具、概念与密码协议，并建立了可靠的密钥管理与访问控制机制，消除VLMDC中用户敏感数据的恶意授权和隐私泄露风险。第三，我们研究了针对VLMDC系统的安全审计与监管的问题。为保障货币政策的有效运行和传导，确保法定机构对货币主权的控制，我们提出了新的数字货币审计与监管机制，并利用多种密码学工具，在最小化隐私信息泄露的原则下，实现了对交易内容、交易过程和参与者行为的合规性的安全审计和监管，确保了VLMDC的安全可靠运行。.本项目对超大规模可管控数字货币系统进行了深入的研究，提出了新的适用于VLMDC的区块链系统模型，提出了新的密码学概念与思想，突破了现有的数字货币系统的安全体系限制，促进了数字货币领域的技术发展。同时培养了多名信息安全方向的硕士研究生，取得了预期成果，成功完成了项目目标。