學習區塊鏈需要知道的密碼學基礎知識

最新 05-19

筆者在這裡不會說很深的密碼學，只是作為一個科普，用通俗易懂的語言來給大家講解區塊鏈中最基本的密碼學知識。

本書來自對《區塊鏈技術指南》的解讀、精鍊和擴展。

關鍵知識點：hash（哈希、散列）演算法，數字摘要，對稱加密，非對稱加密，數字簽名，Merkle樹，同態加密（Homomorphic Encryption），零知識證明。

hash演算法

簡單來說就是把任意數據（二進位）變為固定長度的二進位，小到一個數字「1」，大到一個視頻文件，只要是最終以二進位形式存儲的數據，就能通過hash演算法變為固定長度的一串數據。

一個優秀的hash演算法有一下四個特點：

正面快速：就是說加密的速度要在有限時間和有限資源內完成，且越快越好。

逆向困難：就是說給你一個加密後的hash值數據，要想逆向破解獲得加密前的明文是極其困難的。

輸入敏感：明文只要發生哪怕一點點改變，進行hash運算後的值都會產生很大的改變。

衝突避免：不同的明文，他們進行hash運算後的hash值基本不可能一樣。

衝突避免又叫做「抗碰撞性」，如果給你一個明文，得到hash值後，你無法找到另外一個明文的hash值與他一樣，那麼就叫做「抗弱碰撞性」。要是你自己隨便找兩個明文，讓他們的hash值一樣，如果做不到，那麼叫做「抗強碰撞性」，也就是說具有更強的「抗碰撞性」。

現在比較流行的就是MD5和SHA-1演算法。但是由於這兩種演算法不夠安全，也就是在「抗碰撞性」上做得不夠好，於是又有了SHA-224、SHA-256，SHA-512等演算法。

比特幣採用的SHA-256 hash演算法，共有256位，也就是2的256次方個結果（這個數字十分巨大），產生新區快時候，由於hash逆向困難，曠工就要用哪一個值去跟新區塊的hash的值碰撞，誰先猜對，就讓誰在新的區塊中寫入信息，並且獲得新區快中的獎勵btc。

筆者對「1」和「2」進行的hash演算法，下面有很多種：md5，sha1，sha256等。

數字摘要

其實就是運用hash演算法來對內容進行hash運算，由於前面說過了，一旦更改了原數據哪怕是一點點，hash值都會產生巨大的改變，所以這個數字摘要可以避免數據被篡改。

一個簡單的實例就是比如筆者要給你傳一個文件，為了避免別人在文件中加入木馬，筆者就對文件進行數字摘要的獲取，然後再單獨把摘要（hash值）給你，當你拿到文件後，你也對文件進行跟筆者一樣演算法的hash運算，如果得到的hash值跟筆者傳給你的一樣，那麼就證明文件沒問題，可以打開，否則就證明被篡改了。

不光是比特幣，數字簽名還有更多更廣泛的運用，比如之前筆者介紹過的INK墨鏈，就是把具有版權的數字化作品進行數字簽名，然後把簽名存儲在公有鏈上，既能防止被串改，還能對版權進行控制。

在比特幣交易中，當你要轉賬時候，需要把交易信息和一串數字簽名一起傳給礦工，礦工根據數字簽名對你的交易信息進行校驗，就如同上面說的一樣，防止交易信息被篡改。

數字簽名就是對信息的數字摘要進行了非對稱加密而來。

接下來要說說加密演算法中的對稱和非對稱加密。

加密演算法

我們在加密過程中，要用加密演算法和一個key來進行加密，舉個最簡單的例子，你要傳送一個信息數字「1」給小夥伴，但是不想被別人知道，你就跟小夥伴約定：「我先把信息加上一個值，你拿到後再減去一個值就能得到原文（加密演算法），這個值我每次跟你偷偷約定（key）」。比如這次約定的key是8，於是我就傳一個「9」給小夥伴，同時告訴他，「key的值是8」，他拿到「9」後，再減去8就得到了原文「1」。

根據加密和解密時候的key相同或者不同，加密演算法分為了對稱加密和非對稱加密。

對稱密鑰加密 (Symmetric Key Encryption)

特點：公鑰（加密使用）、私鑰（解密使用）相同。

優點：加密速度快，空間佔用小，保密強度高。

缺點：key需要多方持有且高度保密，如果有一人泄露，信息就全部泄露了。

代表演算法：DES、3DEA、AES、IDEA等。

適用場景：大量數據的加解密。

非對稱加密（asymmetric encryption）

特點：公鑰（加密使用）、私鑰（解密使用）不同。

優點：公私鑰分開，便於管理。

缺點：加密速度慢。

代表演算法：RSA、EIGamal、橢圓曲線系列演算法。

適用場景：簽名、密鑰協商場景。

實例：筆者可以把公鑰廣播出去，需要跟筆者通訊的人都可以用公鑰對信息進行加密，筆者拿到加密信息後，用自己獨有的私鑰進行解密，就能得到傳給筆者的信息了。

其實對稱和非對稱還可以組合適用，比如筆者先用非對稱加密把公鑰給你，你把一個對稱加密的臨時秘鑰加密了給筆者，筆者拿到這個對稱加密的key後再對大量數據進行加解密處理。這樣安全性和加解密速度都可以得到保障了。

數字簽名

筆者之前說了在比特幣中，要用到數字簽名校驗交易信息是否是你發出。你使用比特幣的時候都有一個私鑰，你先把自己的交易信息進行hash運算取得數字摘要，然後用私鑰對摘要進行非對稱加密，接著把交易信息和加密後的數字簽名一起發給曠工，礦工收到你的申請後，就用交易信息中的你的公鑰進行解密得到數字摘要，然後再對加以信息進行hash，保證兩個數字摘要一致，防止交易信息被篡改。這樣既能保證交易信息沒有被篡改，也能保證這筆交易確實是你發起的了。所以大家看出來了，保存好自己的私鑰是多麼重要的一件事。