基于区块链的智能锁设计与实现

基于区块链的智能锁设计与实现一、优势基于区块链技术实现的智能锁应用，可实现常规厂商难以企及的 高安全性，同时亦不损失灵活性。该论断基于以下几点：•服务提供者即区块链；•区块链数据的可信性（公开透明、不可篡改）；•开放协议，开源代码；•用户不被特定厂商所 绑架。二、基本原理2.1 功能逻辑划分智能锁根据功能分为两部分：•门锁。硬件，内置程序，该程序需要联网读取区块链数据，以验证钥匙的权限，从而决定是否开锁；•钥匙。软件，区块链钱包应用程序负责其 创建、存储、使用 和 转让 等业务操作。 开锁 操作需要持有者向锁证明其拥有锁的控制权，锁通过访问区块链上数据来执行验证。钱包内的钥匙可以在不同用户的钱包内进行转让流通，即交付给下一个使用者。这可以广泛应用于共享经济，如租房、租车等。2.2 开锁验证流程锁在区块链上查找包含有自身ID 标识的那个UTXO（未花费的交易输出），通过验证UTXO 的控制权以确认是否有锁的控制权（该UTXO 的控制权即锁的控制权）。具体过程是：1：取出控制者的公钥（或地址），然后向试图开锁者发送一个要求，要求其对自己生成的一个随机数用私钥签名，并发回给自己，2：如果签名正确，那么说明对方持有正确的钥匙，即验证通过，可以开锁。3：钥匙可以使用比特币本身拥有的 多重签名机制，如2/3签名，表示3把钥匙有任意2把同时通过验证（需要配合 不同钥匙的有效期），即可以开锁。这特别适合用于 共享经济。2.3 应用场景示例在租房应用场景中，我们可以为锁配备3把不同的钥匙，应用2/3签名，并分别分配给3方各自持有。具体如下：•中介公司持有1把钥匙，开锁操作单次有效；•租户持有1把钥匙，开锁操作单次有效；•房东持有1把钥匙，开锁操作永久有效（在全部3方持有者没有任何变更的情况下），即：相当于这把钥匙一直插在钥匙孔里。由于是2/3签名，再有任一另一把钥匙插进来，即可开锁。这样以来，租户和中介公司任意一方都可以使用自己的钥匙开锁，但房东不行，他必须再找个人帮他开锁。这个设置乍一看似乎不合理，但仔细分析一下：•房东是个人行为，通常不受约束，如果其可以随意开锁进门，这对租房者不利；•中介公司持有的钥匙在使用时通常比较谨慎，因为其需要维护良好的信用和口碑。因此中介公司不会随意开锁去危害租房者的利益，即使有个别极端情况，概率上是比房东更受控的；•而租房者是使用者，需要随时可以开锁，不应该受到约束。因此上述设置是合理的。但房东也应该有开门的需求，那么可以找中介公司和租户任一方协助开门，这同时保证了其它两方的知情权；而房东也需要在必要的时候能够 维权，那么我们也正好兼容此需求！在上述设置方案中，房东可以随时拔下钥匙（即：通知锁让本钥匙失效），此时租户和中介公司单方面都无法开锁，他们必须再找一方协商解决问题。不过房东通常没有理由这样做，除非利益受到损害。仅能拔下钥匙的维权方式设计，也避免了维权过猛而造成的伤害。在房东拔下钥匙后，如果仍希望避免租户和中介公司串通单方面开锁，可以在锁程序中给房东的钥匙设置投票权超过1的权重，这样租户和中介的权重之和低于2，仍无法开锁，必须经过房东的同意并重新插入钥匙。即：房东拔下钥匙可以迫使租户和中介公司积极应对房东的维权要求。2.4 钥匙的转让交接这个过程非常简单，与比特币的支付操作无异。只不过如果是多签名的话，也需要多方签署这笔交易。支付操作完成后，这个携带锁ID 的UTXO 将归比特币接收地址的控制者所有，控制者的数量也可以变更，各方的投票权重可以由植入UTXO 内的协议控制。UTXO 控制权的变更意味着锁的控制权变更，即等同于钥匙的变更交接：钥匙进入了新的使用者的钱包。使用者的变更可以仅仅是租户，也可以是其它任意各方使用者，这取决于（或决定着）UTXO 的收款地址如何构造。三、技术实现需要三个参与方的程序/数据交互协作。3.1 协议化UTXO需要将锁的ID 植入到 UTXO，这需要创建协议数据结构并完成一个支付操作，此时该协议化的UTXO 便存在于区块链上了。例如，这是一个正常的交易（transaction）数据结构：{hash:3b06b1e9d70217d5e02644703fe79f54355b0ea05cd535787f5a6c627f1c，ver:1,vin_sz:2,vout_sz:1,lock_time:0,size:404,in:[{prev_out:{hash:022e05bdfa2e148bc1882cb7a81506b8316fee6957b11625126d075a8cf8791b,n:0},Sig: 304402203c1db72394263dd50070b91bb1da9125c591f15772dfc628f41447dabb7798a10220302dc6e7e8c81e24da9a99d5ac7233b90156a410051a50bb29d55aabbf0ff24d0102b8c918bd169a5e669cc149549f822dd5f2c50872eb83172a1c69172277fe378f},{// 另一个输入，省略…}],out:[{value:12.51603279PubKey:OP_DUPOP_HASH160 69e02e18b5705a05dd6b283d517716c894b3d42eOP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG}]}应该在PubKey 字段位置插入协议信息。协议内容格式 可初步定义为如下Uri 格式：lock://id/e10exxxx.../sig/2*3/pubs/62e*73a*84b/addrs/1ac*2bd*2ce/weights/1.2*0.9*0.9/povs/0*1*1将该Uri + OP_DROP 插入到PubKey 字段值的OP_DUP 前面，即可完成植入。其中：lock是协议的识别标识；id表示锁的ID；sig表示多签名规则；pubs表示多签验证需要使用的公钥信息，这里紧填开头最短的部分，用于辨识与weights 权重设置对应的公钥；addrs表示多签验证需要使用的公钥hash 地址信息（与pubs 二选一，其中的“*”是分隔符，将多个地址或者公钥分开）；weights表示每个公钥的投票权重；povs表示组合有效期，0为永久有效，1为单次有效。3.2 门锁端程序每个锁硬件需要能够在重置时生成 ID（确切地说，是符合高阶最小熵分布的安全随机数），并能够在特定操作下（如按住某按键）允许查询该 ID，以备创建协议UTXO 和钥匙时使用。需要为锁安装程序，该程序需要随时联网查询其ID 对应的 UTXO，进而验证该UTXO 的控制权以确认是否拥有钥匙。但需要注意一点：该UTXO必须与初始化时的UTXO处于同一条支付流转链上，不可以是任意 UTXO，以防恶意破坏。在操作上，应遵循如下逻辑：锁程序应当存储初始化时的UTXO 的txid（区块链账本上记录的一条交易的 id），若发现该UTXO 已经被支付，则应当查找支付目的地的UTXO 并更新锁内存储的txid，而忽略其它任何包含本ID 的UTXO（它们可能是恶意混淆，当然自己也可以故意混淆以防止追踪）。有txid 的跟踪，可以 不要求锁ID必须唯一。3.3 用户端程序用户端程序，即：区块链钱包（后文简称钱包）。用于钥匙的 创建、存储、使用 和 转让 等业务操作。其中存储和转让操作与比特币的支付操作无异。关于创建和使用开锁操作见后文。3.4 初始化门锁的初始化，即创建一个协议化的 UTXO，同时也是钥匙的创建过程。分为以下步骤：1. 获得物理锁的控制权。很重要。可防止锁被非法用户恶意操作；2. 重置并生成新的 ID。在特定物理操作的前提下（如长按reset 按钮）；3. 钱包读取门锁 ID。读取方式可通过 二维码 或 无须配对的 低功耗蓝牙BLE技术来实现；4. 钱包根据即将分配钥匙的各方所提供的公钥，生成UTXO 的目标地址；5. 钱包创建协议数据（见3.1节），打包并发送交易。至此协议化UTXO 已生成；6. 将该UTXO 的txid 回传到门锁端应用程序，存储以备开锁验证使用。3.5 开锁步骤前提假设：锁完全受控于主人，锁的 验证程序 是开源且可信的。这意味着：锁不会恶意开锁或不开锁，不会泄露用户数据和隐私信息，也不会有严重的 bug 导致执行非预期的逻辑。不过即便如此，我们仍然 不应向锁提供私钥，这是底线。下面分两种情况来描述开锁操作的具体步骤。- 单签名钥匙。如果协议化UTXO 的收款地址是一个公钥或公钥hash，那么它的钥匙就是单签名钥匙（也可以说这把锁是单钥匙孔的锁），这需要在初始化时与生成的协议保持一致。开锁步骤如下：①用户发出开锁申请。可以是按下一个锁的硬件按钮；②锁联网连接区块链节点查询指定txid（见3.2节）的 UTXO，检查其内置的协议是否包含自身 ID，并检查该UTXO 是否已经被花费。若未被花费，进行下一步；否则一直向后追溯到最新没有被花费的 UTXO，并用其txid覆盖锁内之前存储的txid，然后进行下一步；③锁生成一个随机数并通过BLE 蓝牙广播一条报文，报文中同时携带锁ID 的前几位以示区别。该报文可简单表示如下：{id:d62a9e,random:34576578901823912}④钱包收到该报文，用控制该UTXO 的私钥签名该随机数，并回复报文（其中sig 表示对随机数的签名，pub 表示公钥）：{id:d62a9e,sig:304402203c1db72394263dd50070b91bb1da9125c591f15772dfc628f41447dabb7798a10220302dc6e7e8c81e24da9a99d5ac7233b90156a410051a50bb29d55aabbf0ff24d01,pub:02b8c918bd169a5e669cc149549f822dd5f2c50872eb83172a1c69172277fe378f}⑤锁收到报文，先判断 pub 是否与UTXO 中的公钥或公钥hash 匹配，若匹配，则用公钥解密sig 数据，看结果是否与自己发出去的随机数random 相等，相等表示验证通过（即：插入了正确的钥匙）；⑥若上一步验证通过，则驱动马达执行物理开锁操作，完成开锁；否则广播回复报文钥匙不匹配。- 多签名钥匙。协议化UTXO 的收款地址是多个公钥或公钥hash。由于多签名钥匙的开锁组合有效期分为单次有效，和永久有效。这里定义 单次有效 为 从该钥匙请求开锁到实际物理开锁的整个时间段内（开锁即清除状态）。永久有效 是指 从当前UTXO 产生到被花费的整个时间段内（更新txid 即清除状态）。开锁步骤如下：①用户发出开锁申请。可以是按下一个锁的硬件按钮；②锁联网连接区块链节点查询指定txid（见3.2节）的 UTXO，检查其内置的协议是否包含自身 ID，并检查该UTXO 是否已经被花费。若未被花费，进行下一步；否则一直向后追溯到最新没有被花费的 UTXO，并用其txid覆盖锁内之前存储的txid，然后进行下一步；③锁生成一个随机数并通过BLE 蓝牙广播一条报文，报文中同时携带锁ID 的前几位以示区别。该报文可简单表示如下：{id:d62a9e,random:34576578901823912}④钱包收到该报文，用 对该UTXO 有一部分控制权 的私钥签名该随机数，并回复报文（其中sig 表示对随机数的签名，pub 表示公钥， 表示多签名收款脚本）：{id:d62a9e,sig:304402203c1db72394263dd50070b91bb1da9125c591f15772dfc628f41447dabb7798a10220302dc6e7e8c81e24da9a99d5ac7233b90156a410051a50bb29d55aabbf0ff24d01,pub:02b8c918bd169a5e669cc149549f822dd5f2c50872eb83172a1c69172277f