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区块链中的那些密码学

掘金K • 18 5 月, 2022 6:20 下午 • 7×24快讯

密码学追溯历史可到古巴比伦时代，有数千年的历史，然主要应用于军事、外交和情报领域，密码学进入公众领域，还源于两件事：

标准加密系统——数据加密标准的诞生;公钥加密算法（也称非对称加密算法）的发明。

一、密码学发展历程

密码学按算法思想可分为：古典密码学、现代密码学、公钥密码学。

1949年以前，安全性基于加密算法的保密性，统称为古典密码学；1949年，香农的信息论诞生为标志，密码学步入现代密码学阶段，基于复杂计算的密码学，其是一种对称加密算法；1976年，Whitfield Diffie和Martin Hellman提出公钥密码机制，可以在不直接传递密钥的情况下，完成密文的解密，1978年，RSA公钥密码机制出现，开启一个新的里程碑，公钥密码是非对称加密算法。

二、密码学原则

如今密码学的理论共识都遵循奥古斯特.柯克霍夫19世纪提出的“柯克霍夫原则”，即：

密码系统应该就算被所有人知道其运作步骤，它仍然是安全的。即算法是公开的，唯一需要保护的是密钥。

算法的安全性被攻破有两种可能：

算法本身的漏洞，不需要密钥就能破解算法；在可接受的时间范围内暴力破解。

三、各加密算法特点

1.古典密码学：其算法归根结底主要有两种，即：置换和替换；其安全性依赖于算法的保密性，整体安全性不高。

2.对称加密：加密算法和解密算法都是同一种模式，只用一把密钥保证加密数据的安全；甲必须把密钥告诉乙，否则乙无法解密，那么保存和传递密钥，成为最头痛的问题。

3.非对称加密：有一对密钥，即：公开密钥和私有密钥，用公钥对数据进行加密后，只有对应的私钥能解密，反之亦然，通信双方无须交换密钥，就可以建立保密通信。

区块链钱包是什么

区块链钱包其实就是一个收发信息的工具，用户可以在钱包上接受或是发出指令，用来调动自己的私钥发出消息。任何一个钱包，对用户而言，有两个基本的组成部分，公钥和私钥。

4.哈希算法：输入x可以是任意长度的字符串，输出结果，即H(x)的长度是固定的。其可以具有免碰撞；隐匿性；不存在比穷举更好的方法，以使哈希结果H(x)落在特定的范围。

四、区块链中的密码

在比特币区块链的整个体系中，大量使用了公开的加密算法，如Merkle Tree哈希数算法，椭圆曲线算法、哈希算法、对称加密算法及一些编码算法。各种算法在比特币区块链中的作用如下：

哈希算法比特币系统中使用的两个哈希函数分别是：

SHA-256，主要用于完成PoW（工作量证明）计算；
RIPEMD160，主要用于生成比特币地址。Merkle哈希树基于哈希值的二叉树或多叉树，在计算机领域，Merkle树大多用来进行完整性验证处理，在分布式环境下，其进行完整性验证能大量减少数据传输和计算的复杂程度。

椭圆曲线算法比特币中使用基于secp256k1椭圆曲线数学的公钥密码学算法进行签名与验证签名，一方面可以保证用户的账户不被冒名顶替，另一方面保证用户不能否认其所签名的交易。用私钥对交易信息签名，矿工用用户的公钥验证签名，验证通过，则交易信息记账，完成交易。

对称加密算法比特币官方客户端使用AES（对称分组密码算法）加密钱包文件，用户设置密码后，采用用户设置饿密码通过AES对钱包私钥进行加密，确保客户端私钥的安全。Base58编码 Base58是比特币使用的一种独特的编码方式，主要用于产生比特币的钱包地址，其类似于古典密码学里的置换算法机制，目的是为里增加可读性，把二进制的哈希值变成了我们看到的地址“177rNLTxYAaXqTrrJPRsQNxvR9a1gF5P3K”。

其实今天的区块链加密系统并非没有天敌，只是这个天敌目前还只是存在于理论之中，那就是量子计算机。以量子计算机的运算水平，刚才需要花一千年才能运行得到的结果，量子计算机大约10分钟就可能找到答案。在这样强大的技术面前，今天的所有加密系统是不是都会黯然失色，我们的个人隐私、银行的巨额金融交易信息、国家安全的关键信息等等，都会被暴露无遗。

当然，未来还会有更多的技术问世，当然加密的技术也会不断地提高。未来不论是量子计算机，或者是其他什么先进的技术，肯定会颠覆今天的信息安全系统，这一点是毋庸置疑的。所以，我们关注区块链和比特币，并不是因为比特币的价值真的有那么高，而是我们要关注这个新技术将可能会引发的变革。就像是凯撒当年注意到了替换密码，并把它运用到了军事中；就像是阿拉伯人把加密系统运用到了国家官员的管理、税收等等方面，推动了国家的繁荣；就像是希特勒和纳粹注意到了恩格玛机，并大量使用，在二战中占得先机；就像是中本聪，他看到了全球去中心化的需求浪潮

没有任何一项技术是永恒不变的伟大。区块链和比特币虽然现在是热门词汇，任何跟区块链沾边的概念都被渲染得玄乎其玄，但要它的真正价值，要把它放到历史长河里去，用时间去检验。我们应该正确看待区块链的作用，切不可神话区块链。

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