03區(qū)塊鏈安全課程教學(xué)大綱

SMUClassification:Restricted區(qū)塊鏈安全課程教學(xué)大綱SMUClassification:Restricted區(qū)塊鏈安全課程教學(xué)大綱英文名稱：BlockchainSecurity課程編碼：學(xué)時：36學(xué)分：4.0課程性質(zhì)：學(xué)位選修課課程類別：理論課先修課程：算法分析與設(shè)計、現(xiàn)代密碼學(xué)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)開課學(xué)期：第4學(xué)期適用專業(yè)：信息安全、網(wǎng)絡(luò)空間安全、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)一、課程教學(xué)目標(biāo)1、使學(xué)生掌握區(qū)塊鏈底層構(gòu)造、基本理論、基本知識和基本技能，并能利用這些知識對區(qū)塊鏈相關(guān)安全問題進(jìn)行分析和解釋；使學(xué)生了解及掌握區(qū)塊鏈在應(yīng)用層、智能合約層、共識層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層中所存在的安全問題及應(yīng)對策略。2、使學(xué)生初步具備區(qū)塊鏈安全分析和解釋的能力，建立數(shù)據(jù)安全、分布式數(shù)據(jù)處理的信息處理理論。3、使學(xué)生初步具有安全應(yīng)用區(qū)塊鏈等基本技能，掌握并使用多種分析技術(shù)、技能和現(xiàn)代化工具的能力，培養(yǎng)學(xué)習(xí)區(qū)塊鏈系統(tǒng)方案設(shè)計和創(chuàng)新的思維方式和方法及自主學(xué)習(xí)的能力二、課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程教學(xué)目標(biāo)1、工程知識:能夠掌握密碼學(xué)、分布式網(wǎng)絡(luò)、智能合約等技術(shù)在區(qū)塊鏈中的重要作用，同時可以分析復(fù)雜的區(qū)塊鏈各層級安全問題。1-21-2掌握區(qū)塊鏈領(lǐng)域必備的底層基礎(chǔ)和專業(yè)知識，并綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)、密碼學(xué)、分布式網(wǎng)絡(luò)等知識對區(qū)塊鏈的各層模型進(jìn)行安全分析。教學(xué)目標(biāo)12、安全分析:能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、密碼學(xué)、分布式網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)基本原理，識別、表達(dá)、并通過文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜的區(qū)塊鏈工程應(yīng)用問題，以獲得有效的安全性結(jié)論。2-22-2能夠應(yīng)用區(qū)塊鏈基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識對其復(fù)雜的工程應(yīng)用問題進(jìn)行安全性分析、判斷并獲得結(jié)論。教學(xué)目標(biāo)23、設(shè)計/開發(fā)安全的區(qū)塊鏈應(yīng)用方案:能夠設(shè)計針對復(fù)雜工程應(yīng)用問題的解決方案，設(shè)計滿足信息安全需求的分布式應(yīng)用方案，并能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)去中心化信任的安全意識，考慮社會、安全、法律、以及環(huán)境等綜合性因素。3-13-1能夠針對具備不同特點(diǎn)的復(fù)雜區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用設(shè)計安全的解決方案。教學(xué)目標(biāo)3三、課程的基本內(nèi)容3.1理論教學(xué)1、緒論（支撐教學(xué)目標(biāo)）教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生了解區(qū)塊鏈誕生背景、定義及四個主要的發(fā)展階段；了解區(qū)塊鏈的去中心化、公開透明性、集體維護(hù)性、一致性和不可篡改性等基礎(chǔ)特性；了解區(qū)塊鏈在金融、數(shù)據(jù)管理、物聯(lián)網(wǎng)等多個領(lǐng)域引發(fā)的深刻變革；了解區(qū)塊鏈的三種主要分類及其定義；圍繞區(qū)塊鏈的技術(shù)局限性，初步了解區(qū)塊鏈相關(guān)的演進(jìn)核心技術(shù)，包括側(cè)鏈、閃電網(wǎng)絡(luò)和zk-SNARK等技術(shù)。本單元主要內(nèi)容：（1）區(qū)塊鏈產(chǎn)生背景、定義及發(fā)展（2）區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)特性（3）區(qū)塊鏈引發(fā)的深刻變革（4）區(qū)塊鏈的三種主要分類（5）區(qū)塊鏈的技術(shù)演進(jìn)過程2、區(qū)塊鏈構(gòu)造（支撐教學(xué)目標(biāo)）教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生掌握區(qū)塊鏈技術(shù)的底層構(gòu)造，包括區(qū)塊、交易、地址、腳本、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)和區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)等主要的模塊功能。掌握區(qū)塊鏈本身的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及字段的屬性來源；掌握區(qū)塊鏈交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及相關(guān)的密鑰管理，掌握對交易的產(chǎn)生、驗(yàn)證及上鏈過程；熟悉區(qū)塊鏈如比特幣的交易輸入輸出的驗(yàn)證腳本，掌握幾種典型的腳本功能；了解區(qū)塊鏈分布式網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信過程；初步了解幾類區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能。本單元主要內(nèi)容：（1）區(qū)塊鏈的總體構(gòu)造（2）區(qū)塊鏈的交易、密鑰管理及其驗(yàn)證機(jī)制（3）區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建機(jī)制3、區(qū)塊鏈密碼學(xué)基礎(chǔ)（支撐教學(xué)目標(biāo)）教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生了解和學(xué)習(xí)與區(qū)塊鏈技術(shù)密切相關(guān)的密碼學(xué)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)知識，包括群的定義、困難問題以及密碼學(xué)技術(shù)；了解哈希函數(shù)、加密算法、數(shù)字簽名，零知識證明等基本密碼學(xué)組件；掌握對稱加密算法和非對稱加密算法兩種基本加密算法，了解典型的應(yīng)用算法對其進(jìn)行分析應(yīng)用。本單元主要內(nèi)容：（1）群定義及整數(shù)群、橢圓曲線群、雙線性映射群（2）密碼學(xué)困難問題（3）對稱加密機(jī)制、公鑰加密機(jī)制（4）哈希函數(shù)、梅克爾樹、布隆過濾器（5）數(shù)字簽名4、區(qū)塊鏈共識協(xié)議（支撐教學(xué)目標(biāo)）教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生能夠?qū)^(qū)塊鏈分布式共識協(xié)議有基本的認(rèn)識，然后基于此認(rèn)識來幫助理解區(qū)塊鏈中的共識算法；了解傳統(tǒng)異步網(wǎng)絡(luò)的分布式共識協(xié)議，包括Paxos算法、Raft算法和拜占庭算法的共識過程；掌握區(qū)塊鏈環(huán)境下的共識算法的四種主要特性包括激勵兼容、最終共識、活躍性和正確性；了解區(qū)塊鏈共識算法的基本原理及演變過程。本單元主要內(nèi)容：（1）CAP基本原理（2）Paxos算法、Raft算法和拜占庭算法共識過程（3）區(qū)塊鏈共識算法的基本特性（4）PoW、PoS、PBFT、DPoS共識算法的基本原理5、區(qū)塊鏈安全和隱私（支撐教學(xué)目標(biāo)）教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生了解區(qū)塊鏈中總體的安全及隱私問題；了解和掌握區(qū)塊鏈安全的主要目標(biāo)及定義，熟悉每種安全目標(biāo)中所涉及的安全特性；熟悉區(qū)塊鏈應(yīng)用層、智能合約層、共識層、網(wǎng)絡(luò)層及數(shù)據(jù)層中所關(guān)注的主要安全問題，了解每層安全及隱私問題所觸發(fā)的背景及意義。本單元主要內(nèi)容：區(qū)塊鏈安全與隱私問題分類區(qū)塊鏈的安全目標(biāo)及定義區(qū)塊鏈各層級中的安全風(fēng)險產(chǎn)生原因6、應(yīng)用層安全（支撐教學(xué)目標(biāo)）教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生了解基本概念以及涉及的相關(guān)知識；了解密鑰管理安全及相關(guān)攻擊；理解和重點(diǎn)掌握密鑰管理相關(guān)的攻擊方式的基本原理以及防御手段(如有字典攻擊、撞庫攻擊以及鍵盤記錄攻擊）；了解客戶端安全及相關(guān)攻擊手段。本單元主要內(nèi)容：（1）區(qū)塊鏈應(yīng)用層安全的基本概念（2）密鑰管理安全及幾種典型的安全攻擊（3）客戶端安全及幾種典型的安全攻擊7、智能合約安全（支撐教學(xué)目標(biāo)）教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生了解以太坊和智能合約相關(guān)的基礎(chǔ)背景及原理；了解幾種典型的針對Solidity合約的攻擊案例，包括交易順序依賴漏洞、時間戳依賴漏洞、異常處理漏洞、CALL注入攻擊漏洞等，使學(xué)生通過代碼實(shí)例來了解智能合約遭受攻擊的過程；熟悉智能合約編寫過程中的基本原則，掌握規(guī)避典型合約漏洞的基本方法。本單元主要內(nèi)容：（1）以太坊的主要特性（2）智能合約基本特性及原理（3）交易順序依賴漏洞（4）時間戳依賴漏洞 （5）異常處理漏洞 （6）競態(tài)條件 （7）整數(shù)操作漏洞 （8）基于塊燃料限制 （9）CALL注入攻擊漏洞8、共識層安全（支撐教學(xué)目標(biāo)）教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生了解共識層基本概念以及涉及的相關(guān)知識；了解共識協(xié)議安全基本假設(shè)；了解可擴(kuò)展共識相關(guān)協(xié)議基本原理；理解和重點(diǎn)掌握共識層的攻擊方式的基本原理以及防御手段(如自私挖礦攻擊、長距離攻擊以及雙重支付攻擊）。本單元主要內(nèi)容：（1）共識協(xié)議安全基本假設(shè)（2）可擴(kuò)展共識相關(guān)協(xié)議基本原理（3）共識層安全威脅及相關(guān)攻擊9、網(wǎng)絡(luò)層安全（支撐教學(xué)目標(biāo)）教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生了解區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層中點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、傳播機(jī)制和驗(yàn)證機(jī)制三個層面存在的安全問題；理解對網(wǎng)絡(luò)層安全造成威脅的拒絕服務(wù)攻擊、日食攻擊、BGP劫持攻擊、女巫攻擊和竊聽攻擊等多種攻擊方式；了解網(wǎng)絡(luò)攻擊如何影響區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層安全以及相應(yīng)的防御方法；理解針對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層的隱私保護(hù)提出的混淆協(xié)議CoinJoin和CoinShuffle。本單元主要內(nèi)容：（1）網(wǎng)絡(luò)層安全概述（2）網(wǎng)絡(luò)層安全威脅的五種攻擊方式及相應(yīng)防御方法（3）網(wǎng)絡(luò)層隱私保護(hù)CoinJoin、CoinShuffle混淆協(xié)議10、數(shù)據(jù)層安全（支撐教學(xué)目標(biāo)）教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生了解區(qū)塊鏈底層的安全；了解區(qū)塊鏈在數(shù)據(jù)層中會發(fā)生的惡意信息攻擊、交易延展性攻擊等多種攻擊形式，以及掌握相關(guān)攻擊的應(yīng)對措施；理解并掌握基于零知識證明的隱私保護(hù)，重點(diǎn)掌握zk-SNARK技術(shù)原理主要過程；理解并掌握基于環(huán)簽名的隱私保護(hù)，重點(diǎn)掌握CryptoNote協(xié)議的具體構(gòu)造過程。本單元主要內(nèi)容：數(shù)據(jù)層安全威脅數(shù)據(jù)層主要安全威脅：惡意信息攻擊、資源濫用攻擊、長度擴(kuò)展攻擊、差分攻擊、交易延展性攻擊、交易關(guān)聯(lián)性分析、數(shù)據(jù)層安全防御基于零知識證明的隱私保護(hù)Zerocash協(xié)議與Zcashzk-SNARK技術(shù)原理基于環(huán)簽名的隱私保護(hù)環(huán)簽名技術(shù)CryptoNote協(xié)議11、區(qū)塊鏈安全應(yīng)用（支撐教學(xué)目標(biāo)）教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生了解區(qū)塊鏈技術(shù)在解決實(shí)際工程應(yīng)用的優(yōu)勢和作用；了解區(qū)塊鏈在機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程中的主要作用及運(yùn)行機(jī)制；掌握區(qū)塊鏈在數(shù)據(jù)公平交換過程中的主要作用及運(yùn)行機(jī)制；了解區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用中的主要作用及運(yùn)行機(jī)制。本單元主要內(nèi)容：（1）基于區(qū)塊鏈技術(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制（2）基于區(qū)塊鏈及零知識的數(shù)據(jù)交換機(jī)制（3）基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)漏洞挖掘機(jī)制3.2課內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(支撐教學(xué)目標(biāo))教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生加強(qiáng)對以太坊平臺以及智能合約的應(yīng)用認(rèn)識，了解去中心化應(yīng)用在實(shí)際過程中的設(shè)計、產(chǎn)生、調(diào)用方法，初步掌握根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計智能合約的工作原理、方法流程等。了解和掌握交易順序依賴漏洞的產(chǎn)生原理，了解如何在實(shí)際應(yīng)用中規(guī)避由于時間依賴所導(dǎo)致的安全問題；掌握競態(tài)條件漏洞的產(chǎn)生和攻擊原理，了解如何在去中心化應(yīng)用編寫過程中按照“檢查-生效-交互”進(jìn)行程序編寫；掌握CALL注入漏洞的產(chǎn)生和攻擊原理，了解如何在去中心化應(yīng)用中進(jìn)行多重校驗(yàn)及替代方法來規(guī)避該漏洞的基本方法。通過課程實(shí)驗(yàn)使學(xué)生具有搭建區(qū)塊鏈平臺的能力，設(shè)計并實(shí)施去中心化應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，編寫簡單應(yīng)用程序，并對應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)用和分析以得出結(jié)論，獨(dú)立撰寫科學(xué)實(shí)驗(yàn)報告的能力，熟悉相關(guān)區(qū)塊鏈平臺及其使用方法，了解實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)管理規(guī)定。主要內(nèi)容:區(qū)塊鏈安全課程包含2個實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容分別為：a）針對以太坊平臺應(yīng)用，掌握搭建區(qū)塊鏈應(yīng)用平臺、智能合約部署運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)；b）掌握及還原“交易順序依賴漏洞”、“競態(tài)條件漏洞”、“CALL注入漏洞”3種漏洞的攻擊過程及防患策略的實(shí)驗(yàn)。3.3討論課內(nèi)容1、討論課(支撐教學(xué)目標(biāo))討論課目標(biāo):討論課是對區(qū)塊鏈安全課程內(nèi)容的靈活運(yùn)用，是對區(qū)塊鏈創(chuàng)新型人才的初期訓(xùn)練，因?yàn)閰^(qū)塊鏈安全課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識建立數(shù)據(jù)安全、分布式數(shù)據(jù)處理的信息處理理論，解決實(shí)際問題的能力，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣愛好，自由地選取研究項(xiàng)目并進(jìn)行方案構(gòu)思，最終將方案和構(gòu)思過程中的相關(guān)問題融于討論，以學(xué)生上臺講演和討論為教學(xué)形式來引導(dǎo)學(xué)生積極思考，主動發(fā)現(xiàn)工程實(shí)際中區(qū)塊鏈所帶來的安全特性及如何規(guī)避潛在的安全問題，并利用所學(xué)的知識解決實(shí)際問題，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過討論課使學(xué)生加深對區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)知識的理解、擴(kuò)寬知識面、初步具備查閱文獻(xiàn)、閱讀相關(guān)技術(shù)資料和調(diào)查研究的能力，提高學(xué)生綜合運(yùn)用本課程知識，分析、理解和解決本專業(yè)及相關(guān)行業(yè)的理論和實(shí)踐問題的能力，并引導(dǎo)學(xué)生積極思考、主動學(xué)習(xí)，鍛煉和提高學(xué)生的交流、溝通和表達(dá)能力以及團(tuán)隊合作能力，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感和職業(yè)道德。討論課內(nèi)容:討論課的題目在課程開始前下發(fā)，也可由學(xué)生根據(jù)興趣自行選題。討論課主要包括以下內(nèi)容：(1)提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的設(shè)計目標(biāo)，以解決實(shí)際應(yīng)用中的安全問題；(2)給出工作原理、邏輯架構(gòu)及設(shè)計要求；(3)部署以太坊智能合約平臺，并進(jìn)行應(yīng)用的邏輯實(shí)現(xiàn)；(5)驗(yàn)證功能、性能，分析是否解決初始的設(shè)計目標(biāo)。討論課的實(shí)施:討論課的要求與成績評定:3.4三級項(xiàng)目內(nèi)容無3.5課程其他內(nèi)容四、教學(xué)安排本課程由課堂教學(xué)、討論課及實(shí)驗(yàn)三部分組成。課堂教學(xué)以區(qū)塊鏈的底層結(jié)構(gòu)、密碼學(xué)基礎(chǔ)、共識協(xié)議、多層級安全分析的基本知識為載體，綜合運(yùn)用啟發(fā)式、探究式和互動式的教學(xué)方法，并輔助大量的真實(shí)案例和圖片資料等進(jìn)行授課。討論課1次，設(shè)置在課程理論教學(xué)授課結(jié)束后進(jìn)行。圍繞區(qū)塊鏈在特定應(yīng)用場景中（如特定物聯(lián)網(wǎng)場景）學(xué)生所設(shè)計的方案進(jìn)行探討，分析其原理的可行性和方案設(shè)計的安全性。實(shí)驗(yàn)1次，分別針對以太坊平臺搭建、智能合約編寫、智能合約編譯與運(yùn)行等基本過程進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)，對本課程中所提及的2-4類合約漏洞問題的進(jìn)行還原和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。建議學(xué)時分配如下表：講課內(nèi)容學(xué)時講課實(shí)驗(yàn)（踐）上機(jī)1緒論22區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)23區(qū)塊鏈密碼學(xué)基礎(chǔ)34區(qū)塊鏈共識協(xié)議45區(qū)塊鏈安全與隱私36應(yīng)用層安全27智能合約層安全428共識層安全39網(wǎng)絡(luò)層安全310數(shù)據(jù)層安全411區(qū)塊鏈安全應(yīng)用312討論課1合計36五、教學(xué)方法1、講授基本原理，理論聯(lián)系實(shí)際；2、采用多媒體課件和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合進(jìn)行教學(xué)，將多種教學(xué)手段有機(jī)融合，采用啟發(fā)式、互動式的授課方法；3、著重研究區(qū)塊鏈的安全問題，即區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)及其安全應(yīng)用的分析與綜合的基本理論和基本方法，強(qiáng)調(diào)對安全的共性安全問題的認(rèn)識，并能將之應(yīng)用于區(qū)塊鏈應(yīng)用方案的設(shè)計；4、理論教學(xué)、討論課及實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練相結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生的工程意識和區(qū)塊鏈安全應(yīng)用方案的設(shè)計能力；5、加強(qiáng)課后的輔導(dǎo)（通過面對面答疑和網(wǎng)絡(luò)平臺），創(chuàng)建全方位的輔導(dǎo)答疑模式。六、教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度評價（1）教學(xué)目標(biāo)1、2的達(dá)成度通過作業(yè)、實(shí)驗(yàn)和閉卷筆試考評；（2）教學(xué)目標(biāo)3的達(dá)成度通過作業(yè)、討論課考評。七、成績評定課程成績包括5個部分，分別為平時表現(xiàn)、作業(yè)、討論課、實(shí)驗(yàn)和結(jié)課考試。具體要求及成績評定方法如下。1、平時表現(xiàn)本門課程的所有環(huán)節(jié)均要求學(xué)生參與并簽到，不得缺勤。每缺勤一次扣1分。無故缺勤5次者，取消本門課程的考核資格。2、作業(yè)本門課程有4次課內(nèi)作業(yè)，要求學(xué)生必須獨(dú)立完成并在規(guī)定課程上課前提交，上課后不再接收作業(yè)。上課前不能提交作業(yè)者，按未按時提交作業(yè)處理。作業(yè)成績占總成績的20%。未按時提交作業(yè)或作業(yè)有抄襲（雷同）現(xiàn)象的，該次作業(yè)成績按零分計。教師會將批改后的作業(yè)下發(fā)，要求學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)，并妥善保管，結(jié)課時統(tǒng)一上交。作業(yè)遺失者作業(yè)成績?yōu)榱惴帧?、討論課討論課占總成績的10%。該環(huán)節(jié)在理論課程后完成。要求學(xué)生按照討論題目分組查閱資料，歸納總結(jié)，撰寫報告，制作