SecMine：一种使用见证加密方案的隐私工作量证明方法

《Computer Networks》：SecMine: A private PoW method using witness encryption scheme

　　

摘要
传统工作量证明（PoW）区块链通过公开可见的币基交易暴露矿工身份，导致金融监控、定向攻击和监管过度干预。尽管之前的隐私增强技术保护了交易流（例如环签名、zk-SNARKs、隐身地址），但它们使共识层奖励机制完全透明。本文介绍了 SecMine，这是第一个通过将见证加密（WE）集成到挖矿谜题中实现共识层奖励隐私的 PoW 范式。在 SecMine 中，区块奖励被加密锁定到派生自区块链状态的 NP 实例；只有发现有效随机数（nonce）的矿工作为见证者，才能在链下解密奖励并通过零知识证明声明它，而无需在链上公开随机数或任何公钥。这种新颖的随机数作为见证者的绑定产生了三个变革性属性：(i) 时间耦合解密，在奖励赎回方面对区块扣押实施指数级惩罚，将 30% 算力下自私矿工的预期收益获取盈利能力从 0.22（比特币）降低到 0.09，而不改变分叉竞赛概率；(ii) 抗分叉奖励，防止攻击者即使产生分叉也能声称原始奖励；攻击者的奖励窃取成功率从 0.11（比特币）降低到 0.003，提高了 36 倍，而产生成功分叉的概率仍由标准的 Nakamoto 共识控制；(iii) 挖出的区块与声称者地址之间的完全不可链接性，不可链接性评分为 0.98，而门罗币（Monero）为 0.85。开销极小：对于使用基于哈希的 WE 的轻量级实例化（SecMine-Lite），链上足迹每个区块仅 64 字节（一个 32 字节的承诺和一个 32 字节的密文）。基于带误差学习（LWE）的抗量子扩展提供 128 位后量子安全性，密文大小为 14 KB，解密时间为 10 毫秒。SecMine 保留了所有基本的 PoW 属性（可调节难度、O(1) 验证），并可以通过智能合约接口部署在现有 PoW 链上，无需可信设置或交易层更改。我们的工作通过在密码学理论与实用的共识层匿名性之间弥合长期差距，确立了区块链隐私的新前沿。

引言
工作量证明（PoW）是区块链网络中用于实现去中心化共识和安全交易验证的基础密码学机制 [1]。PoW 谜题是一个计算密集型问题，要求矿工找到一个随机但有效的数字（称为 nonce）值，当与区块头哈希时，产生的输出满足预定义的难度条件 [2]。这个过程通常被建模为对密码学哈希函数的部分原像攻击，确保区块创建需要大量的计算工作，同时可以被网络参与者轻松验证。

基于 PoW 的挖矿激励参与者向网络贡献计算能力，保护区块链免受西尔比攻击（Sybil attacks），并确保账本的不可篡改性。然而，传统的 PoW 方案缺乏内置的隐私保证，使矿工面临潜在的安全风险和财务审查。

在基于 PoW 的区块链系统中，每个新挖出的区块的第一笔交易是币基交易，它作为发行新数字资产和奖励负责区块验证的矿工的机制。与标准交易不同，币基交易不是源自现有的未花费交易输出（UTXOs），而是根据协议的货币政策生成新代币 [3], [4]。这种激励结构不仅激励参与网络，还影响区块链的经济稳定性和安全性。然而，由于币基交易本质上透明且公开记录，它们导致了矿工奖励的可追踪性，可能导致隐私担忧和对挖矿活动的对手监控。

基于 PoW 的挖矿的一个根本局限性是将区块奖励直接存入矿工公开已知的钱包地址。由于区块链交易本质上透明且永久存储在分布式账本上，与矿工奖励相关的公钥可链接到源自同一地址的所有后续交易 [5]。这种透明度允许对手跟踪矿工的财务活动，推断他们的总收入，并可能识别他们的运营规模。因此，标准区块链实现中缺乏隐私机制使矿工面临定向攻击、监管审查和金融画像等风险，这使得隐私增强技术对于安全和匿名挖矿操作至关重要。

在基于 PoW 的区块链网络中，保护矿工的隐私对于确保经济安全和操作完整性至关重要。如果没有足够的隐私保护措施，矿工将面临财务暴露、竞争劣势和监管过度干预的风险。关键隐私问题包括挖矿实体的匿名性、钱包余额的隐藏、哈希率贡献的保护以及挖矿策略的模糊。拥有详细挖矿活动访问权限的对手可以发起选择性拒绝服务（DoS）攻击，操纵网络共识动态，或对特定矿工施加不公正限制 [6], [7], [8]。为了解决这些漏洞，正在探索隐私增强密码技术，包括见证加密（WE）[9], [10], [11]、零知识证明（ZKPs）[12] 和隐身地址，以解耦矿工身份与其奖励，同时保留区块链网络的基本透明性和安全性。

尽管对 PoW 系统中隐私风险的认识不断增加，但现有研究存在一个关键的科学差距：隐私增强挖矿协议的评估仍然主要是定性的，侧重于概念设计，而没有对安全性、开销或可扩展性进行严格量化。先前的工作通常基于直觉论证或在理想化网络条件下的孤立模拟，声称能够抵抗自私挖矿或双花等攻击。此外，没有先前的框架正式解决共识层的奖励接收者不可链接性问题；现有的隐私技术（环签名、zk-SNARKs、隐身地址）针对交易流，使币基交易完全透明。因此，科学界缺乏 (i) 挖矿奖励隐私的形式化对手模型，(ii) 将 PoW 难度与奖励解密联系起来的可证明安全性归约，以及 (iii) 在现实、大规模、对抗性网络环境下的经验基准测试。这一差距激发了目前的工作：建立一个原则性的、形式化可验证的和实际可部署的 PoW 机制，将奖励隐私嵌入到共识谜题本身中，从而弥合密码学理论与区块链实践之间的差距。

区块链系统中的隐私格局已被广泛研究，但大多数努力集中在交易层匿名性，使挖矿奖励暴露在外。我们将相关工作分为四个方向：(i) 传统 PoW 及其变体，(ii) 交易隐私协议，(iii) 隐私保护共识机制，以及 (iv) 基于实例加密的密码原语。这种分类补充了交易层隐私解决方案，可以与它们一起部署以实现整体匿名性。表 1 对比了 SecMine 与代表性前人工作在重要关键维度上的差异。

比特币的 PoW [1] 为去中心化共识奠定了基础，但其透明的币基交易直接将矿工与其公钥链接。后续的改进，如内存硬 PoW（例如 Ethash, RandomX [13]），旨在抗 ASIC 性，但没有解决隐私问题。自私挖矿攻击 [14] 和双花 [15] 已被广泛分析，但所有缓解措施仍然是经济或博弈论层面的。没有任何一项提供奖励匿名性的密码学保证。

门罗币 [16] 采用环签名和机密交易来模糊发送方、接收方和金额，但其币基交易仍然公开。Zcash [17] 使用 zk-SNARKs 提供屏蔽交易，但除非矿工使用屏蔽池，否则矿工奖励仍然是透明的，而屏蔽池需要可信设置并且仍然暴露奖励金额。MimbleWimble [18] 和 Grin 使用直通式和机密交易，但它们的 PoW 奖励仅在矿工使用额外的带外技术时才不可链接。最近像 Zether [19] 和 ZeroPool [20] 这样的提案将 zk-SNARKs 集成到智能合约中以隐藏交易流，但它们没有解决共识层隐私问题。这些系统保护用户，但使矿工容易受到监控。

少数工作试图隐藏矿工身份。例如，[20] 分析了 Zcash 中的挖矿池奖励，发现即使屏蔽池也会通过交易模式泄露信息。[21] 提出了一种使用环签名进行奖励声明的私人挖矿协议，但它要求矿工在声明阶段公开一个公钥，破坏了不可链接性。最近，[22] 引入了一种使用可验证延迟函数隐藏随机数提交的 PoW 变体，但它不能防止奖励抢跑。这些都没有实现 SecMine 通过 WE 提供的密码学绑定水平，这确保了奖励解密本质上与随机数绑定，而无需任何链上身份披露。

由 Garg 等人 [23] 引入的见证加密，启用加密到 NP 实例，使得只有见证者持有者才能解密。后续工作将其扩展为可提取 WE [24] 和基于哈希的变体 [25]，使其更实用。最近基于格的 WE [25] 的进展提供了后量子安全性。然而，据我们所知，没有先前的工作将 WE 应用于 PoW 挖矿奖励。SecMine 是第一个在 PoW 关系上实例化 WE 的方案，在不使用可信设置的情况下实现共识层隐私。我们的工作还利用了递归 SNARKs（例如 Halo2 [26]）的最新进展，以聚合多实例挖矿的证明，进一步增强可扩展性。

尽管 PoW 机制很流行，并且存在几种弱点和低效，但显然需要一种基于 PoW 的私人挖矿方法。预计上述基于 PoW 的私人挖矿支持优秀 PoW 谜题的所有方面，同时提供矿工的隐私。

本研究提出了一种名为 SecMine 的基于 PoW 的私人挖矿方法，在满足优秀 PoW 挖矿谜题的前提条件的同时提供矿工的隐私。SecMine 方法确保隐私保护的、去中心化的挖矿过程，同时维护安全性和匿名性保证。尽管 SecMine 结合了已建立的原始语（PoW、WE、ZKPs、智能合约），但其新颖性在于 PoW 解决方案（随机数）与奖励解密之间特定的密码学绑定，这是通过派生自区块链状态的 NP 实例实现的。这种绑定创建了一个新属性：随机数作为见证者，它同时满足共识谜题并解锁奖励，而无需在链上公开随机数。没有先前的系统实现这种特定属性组合：

1. 共识层奖励隐私：现有的隐私焦点区块链（Monero, Zcash, MimbleWimble）保护交易流，但使币基奖励完全透明。SecMine 是第一个在保留相同共识安全性的同时隐藏区块奖励接收者的方案。
2. 时间耦合奖励锁定：WE 将奖励绑定到随每个区块变化的 NP 实例。这种自然时间锁确保延迟区块发布使奖励声明无效，从而在不需要额外惩罚或经济激励的情况下缓解自私挖矿。
3. 无需奖励隐私的可信设置：与 Zcash 的屏蔽池（需要 zk-SNARKs 的可信设置）不同，SecMine 的 WE 可以在没有可信设置的情况下实例化（例如，使用多元映射或基于哈希的变体）。即使在使用 Groth16 进行 ZKPs 时，可信设置也仅用于证明系统，而不是用于奖励加密本身。
4. 非对称验证成本：奖励声明使用昂贵的生成（每个矿工一次）但便宜验证（常数时间）的 ZKP。这将计算负担从网络（否则将验证许多交易）转移到单个矿工，提高了可扩展性。

提供了 SecMine 方法与可验证延迟函数（VDFs）或时间锁谜题用于奖励隐私的比较。VDF 可以延迟奖励发布，但不隐藏接收者身份。结合 ZKP 的时间锁谜题可以实现类似的隐藏，但谜题需要为每个区块生成，并且仍然要求矿工公开公钥。WE 独特地允许加密是“基于实例的”而无需任何公钥。表 2 总结了技术差异。

本研究的其余部分概述如下。第 2 节确定了本研究的预备知识。作为主要部分，第 3 节提出了一种名为 SecMine 的背景 PoW 秘密挖矿方法。第 4 节从几个方面分析提出的秘密挖矿方法。第 5 节提供了提出的挖矿方法与几种现有方法之间的比较。最终，第 6 节总结了本研究并概述了未来方向。

章节片段

预备知识
本节解决了本研究的背景知识。

秘密挖矿（SecMine）方法
SecMine，一种基于 PoW 的私人挖矿方法，概述在以下三个阶段中。

分析
在下文中，首先分析 SecMine 语境下优秀 PoW 谜题的关键属性。然后为几个相关的攻击向量提供形式化安全分析。

比较
在本节中，我们将 SecMine 与几种著名的 PoW 谜题进行比较，例如比特币的传统 PoW3 和内存硬方案（例如 Ethash4）。比较侧重于关键指标，包括实验性能、安全功能和计算效率。

我们的分析将理论保证与实验见解并列展示。表 10 总结了 SecMine、比特币 PoW 以及结论。SecMine 代表了传统 PoW 系统的一种创新演变，通过将 WE 嵌入挖矿过程，在不牺牲分布式共识或网络安全的情况下保障了矿工隐私。通过将有效 nonce 的计算与挖矿奖励的解密相结合，SecMine 不仅保留了易于验证的基本特性，还引入了一种强大的加密绑定，以威慑选择性扣留及相关攻击策略。

CRediT 作者贡献声明
Saeed Banaeian Far：写作 – 初稿，方法论，形式分析，数据整理，概念化。Azadeh Imani Rad：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，方法论，调查。Mohammad Reza Chalak Qazani：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，项目管理，方法论，调查，数据整理。

伦理批准
本文不包含任何作者进行的人体参与者或动物研究。

资金
作者在本文的研究和/或撰写过程中未收到任何财政支持。

未引用参考文献
表 20，[54]，[55]，[56]

竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能被认为影响了本文中报告的工作。

致谢
作者感谢匿名审稿人提出的深刻评论，这些评论改进了这项工作。

Saeed Banaeian Far 分别于 2012 年和 2016 年在伊朗德黑兰伊斯兰自由大学 Yadegar-e-Imam Khomeini (rah) Shahr-e-Rey 分校获得电气工程学士和硕士学位。他于 2023 年获得伊朗德黑兰伊斯兰自由大学科学与研究分校电气与计算机工程系的博士学位。他于 2025 年在伊朗亚兹德大学完成了博士后项目，现在是区块链和元宇宙研究的负责人。

Saeed Banaeian Far|Azadeh Imani Rad|Mohammad Reza Chalak Qazani