算區塊鏈的加密難題

『壹』 區塊鏈的加密技術

數字加密技能是區塊鏈技能使用和開展的關鍵。一旦加密辦法被破解，區塊鏈的數據安全性將受到挑戰，區塊鏈的可篡改性將不復存在。加密演算法分為對稱加密演算法和非對稱加密演算法。區塊鏈首要使用非對稱加密演算法。非對稱加密演算法中的公鑰暗碼體制依據其所依據的問題一般分為三類:大整數分化問題、離散對數問題和橢圓曲線問題。第一，引進區塊鏈加密技能加密演算法一般分為對稱加密和非對稱加密。非對稱加密是指集成到區塊鏈中以滿意安全要求和所有權驗證要求的加密技能。非對稱加密通常在加密和解密進程中使用兩個非對稱暗碼，稱為公鑰和私鑰。非對稱密鑰對有兩個特點:一是其間一個密鑰(公鑰或私鑰)加密信息後，只能解密另一個對應的密鑰。第二，公鑰可以向別人揭露，而私鑰是保密的，別人無法通過公鑰計算出相應的私鑰。非對稱加密一般分為三種首要類型:大整數分化問題、離散對數問題和橢圓曲線問題。大整數分化的問題類是指用兩個大素數的乘積作為加密數。由於素數的出現是沒有規律的，所以只能通過不斷的試算來尋找解決辦法。離散對數問題類是指基於離散對數的困難性和強單向哈希函數的一種非對稱分布式加密演算法。橢圓曲線是指使用平面橢圓曲線來計算一組非對稱的特殊值，比特幣就採用了這種加密演算法。非對稱加密技能在區塊鏈的使用場景首要包含信息加密、數字簽名和登錄認證。(1)在信息加密場景中，發送方(記為A)用接收方(記為B)的公鑰對信息進行加密後發送給

B，B用自己的私鑰對信息進行解密。比特幣交易的加密就屬於這種場景。(2)在數字簽名場景中，發送方A用自己的私鑰對信息進行加密並發送給B，B用A的公鑰對信息進行解密，然後確保信息是由A發送的。(3)登錄認證場景下，客戶端用私鑰加密登錄信息並發送給伺服器，伺服器再用客戶端的公鑰解密認證登錄信息。請注意上述三種加密計劃之間的差異:信息加密是公鑰加密和私鑰解密，確保信息的安全性；數字簽名是私鑰加密，公鑰解密，確保了數字簽名的歸屬。認證私鑰加密，公鑰解密。以比特幣體系為例，其非對稱加密機制如圖1所示:比特幣體系一般通過調用操作體系底層的隨機數生成器生成一個256位的隨機數作為私鑰。比特幣的私鑰總量大，遍歷所有私鑰空間獲取比特幣的私鑰極其困難，所以暗碼學是安全的。為便於辨認，256位二進制比特幣私鑰將通過SHA256哈希演算法和Base58進行轉化，構成50個字元長的私鑰，便於用戶辨認和書寫。比特幣的公鑰是私鑰通過Secp256k1橢圓曲線演算法生成的65位元組隨機數。公鑰可用於生成比特幣交易中使用的地址。生成進程是公鑰先通過SHA256和RIPEMD160哈希處理，生成20位元組的摘要成果(即Hash160的成果)，再通過SHA256哈希演算法和Base58轉化，構成33個字元的比特幣地址。公鑰生成進程是不可逆的，即私鑰不能從公鑰推導出來。比特幣的公鑰和私鑰通常存儲在比特幣錢包文件中，其間私鑰最為重要。丟掉私鑰意味著丟掉相應地址的所有比特幣財物。在現有的比特幣和區塊鏈體系中，現已依據實踐使用需求衍生出多私鑰加密技能，以滿意多重簽名等愈加靈敏雜亂的場景。

『貳』 區塊鏈以什麼方式保證網路中數據的安全性

區塊鏈保證網路中數據的安全性的方式：
在區塊鏈技術中，數字加密技術是其關鍵之處，一般運用的是非對稱加正晌密演算法，即加密時的密碼與解鎖時的密碼是不一樣的。簡單來說，就是我們有專屬的私鑰，只要把自己的私鑰保護好，把公鑰給對方，對方用公鑰加密文件生成密文，再將密文傳給你，我們再用私鑰解密得到明文，就能夠保障嘩清盯傳輸內容不被別人看到，這樣子，加密數據就傳輸完畢啦！
同時，還有數字簽名為我們加多一重保障，用來證明文件發給對方過程中沒有被篡改。由此可見區塊鏈的加密技術能夠有效解決數據流通共享過程中的安全問題，可謂是大有施展之處。亂和

『叄』 【深度知識】區塊鏈之加密原理圖示(加密,簽名)

先放一張以太坊的架構圖：

在學習的過程中主要是採用單個模塊了學習了解的，包括P2P,密碼學，網路，協議等。直接開始總結：

秘鑰分配問題也就是秘鑰的傳輸問題，如果對稱秘鑰，那麼只能在線下進行秘鑰的交換。如果在線上傳輸秘鑰，那就有可能被攔截。所以採用非對稱加密，兩把鑰匙，一把私鑰自留，一把公鑰公開。公鑰可以在網上傳輸。不用線下交易。保證數據的安全性。

如上圖，A節點發送數據到B節點，此時採用公鑰加密。A節點從自己的公鑰中獲取到B節點的公鑰對明文數據加密，得到密文發送給B節點。而B節點採用自己的私鑰解密。

2、無法解決消息篡改。

如上圖，A節點採用B的公鑰進行加密，然後將密文傳輸給B節點。B節點拿A節點的公鑰將密文解密。

1、由於A的公鑰是公開的，一旦網上黑客攔截消息，密文形同虛設。說白了，這種加密方式，只要攔截消息，就都能解開。

2、同樣存在無法確定消息來源的問題，和消息篡改的問題。

如上圖，A節點在發送數據前，先用B的公鑰加密，得到密文1，再用A的私鑰對密文1加密得到密文2。而B節點得到密文後，先用A的公鑰解密，得到密文1，之後用B的私鑰解密得到明文。

1、當網路上攔截到數據密文2時， 由於A的公鑰是公開的，故可以用A的公鑰對密文2解密，就得到了密文1。所以這樣看起來是雙重加密，其實最後一層的私鑰簽名是無效的。一般來講，我們都希望簽名是簽在最原始的數據上。如果簽名放在後面，由於公鑰是公開的，簽名就缺乏安全性。

2、存在性能問題，非對稱加密本身效率就很低下，還進行了兩次加密過程。

如上圖，A節點先用A的私鑰加密，之後用B的公鑰加密。B節點收到消息後，先採用B的私鑰解密，然後再利用A的公鑰解密。

1、當密文數據2被黑客攔截後，由於密文2隻能採用B的私鑰解密，而B的私鑰只有B節點有，其他人無法機密。故安全性最高。
2、當B節點解密得到密文1後， 只能採用A的公鑰來解密。而只有經過A的私鑰加密的數據才能用A的公鑰解密成功，A的私鑰只有A節點有，所以可以確定數據是由A節點傳輸過來的。

經兩次非對稱加密，性能問題比較嚴重。

基於以上篡改數據的問題，我們引入了消息認證。經過消息認證後的加密流程如下：

當A節點發送消息前，先對明文數據做一次散列計算。得到一個摘要, 之後將照耀與原始數據同時發送給B節點。當B節點接收到消息後，對消息解密。解析出其中的散列摘要和原始數據，然後再對原始數據進行一次同樣的散列計算得到摘要1, 比較摘要與摘要1。如果相同則未被篡改，如果不同則表示已經被篡改。

在傳輸過程中，密文2隻要被篡改，最後導致的hash與hash1就會產生不同。

無法解決簽名問題，也就是雙方相互攻擊。A對於自己發送的消息始終不承認。比如A對B發送了一條錯誤消息，導致B有損失。但A抵賴不是自己發送的。

在(三)的過程中，沒有辦法解決交互雙方相互攻擊。什麼意思呢？ 有可能是因為A發送的消息，對A節點不利，後來A就抵賴這消息不是它發送的。

為了解決這個問題，故引入了簽名。這里我們將(二)-4中的加密方式，與消息簽名合並設計在一起。

在上圖中，我們利用A節點的私鑰對其發送的摘要信息進行簽名，然後將簽名+原文，再利用B的公鑰進行加密。而B得到密文後，先用B的私鑰解密，然後 對摘要再用A的公鑰解密，只有比較兩次摘要的內容是否相同。這既避免了防篡改問題，有規避了雙方攻擊問題。因為A對信息進行了簽名，故是無法抵賴的。

為了解決非對稱加密數據時的性能問題，故往往採用混合加密。這里就需要引入對稱加密，如下圖:

在對數據加密時，我們採用了雙方共享的對稱秘鑰來加密。而對稱秘鑰盡量不要在網路上傳輸，以免丟失。這里的共享對稱秘鑰是根據自己的私鑰和對方的公鑰計算出的，然後適用對稱秘鑰對數據加密。而對方接收到數據時，也計算出對稱秘鑰然後對密文解密。

以上這種對稱秘鑰是不安全的，因為A的私鑰和B的公鑰一般短期內固定，所以共享對稱秘鑰也是固定不變的。為了增強安全性，最好的方式是每次交互都生成一個臨時的共享對稱秘鑰。那麼如何才能在每次交互過程中生成一個隨機的對稱秘鑰，且不需要傳輸呢？

那麼如何生成隨機的共享秘鑰進行加密呢？

對於發送方A節點，在每次發送時，都生成一個臨時非對稱秘鑰對，然後根據B節點的公鑰 和 臨時的非對稱私鑰 可以計算出一個對稱秘鑰(KA演算法-Key Agreement)。然後利用該對稱秘鑰對數據進行加密，針對共享秘鑰這里的流程如下：

對於B節點，當接收到傳輸過來的數據時，解析出其中A節點的隨機公鑰，之後利用A節點的隨機公鑰 與 B節點自身的私鑰 計算出對稱秘鑰(KA演算法)。之後利用對稱秘鑰機密數據。

對於以上加密方式，其實仍然存在很多問題，比如如何避免重放攻擊(在消息中加入 Nonce )，再比如彩虹表(參考 KDF機制解決 )之類的問題。由於時間及能力有限，故暫時忽略。

那麼究竟應該採用何種加密呢？

主要還是基於要傳輸的數據的安全等級來考量。不重要的數據其實做好認證和簽名就可以，但是很重要的數據就需要採用安全等級比較高的加密方案了。

密碼套件 是一個網路協議的概念。其中主要包括身份認證、加密、消息認證(MAC)、秘鑰交換的演算法組成。

在整個網路的傳輸過程中，根據密碼套件主要分如下幾大類演算法：

秘鑰交換演算法：比如ECDHE、RSA。主要用於客戶端和服務端握手時如何進行身份驗證。

消息認證演算法：比如SHA1、SHA2、SHA3。主要用於消息摘要。

批量加密演算法：比如AES, 主要用於加密信息流。

偽隨機數演算法：例如TLS 1.2的偽隨機函數使用MAC演算法的散列函數來創建一個 主密鑰 ——連接雙方共享的一個48位元組的私鑰。主密鑰在創建會話密鑰（例如創建MAC）時作為一個熵來源。

在網路中，一次消息的傳輸一般需要在如下4個階段分別進行加密，才能保證消息安全、可靠的傳輸。

握手/網路協商階段：

在雙方進行握手階段，需要進行鏈接的協商。主要的加密演算法包括RSA、DH、ECDH等

身份認證階段：

身份認證階段，需要確定發送的消息的來源來源。主要採用的加密方式包括RSA、DSA、ECDSA(ECC加密，DSA簽名)等。

消息加密階段：

消息加密指對發送的信息流進行加密。主要採用的加密方式包括DES、RC4、AES等。

消息身份認證階段/防篡改階段：

主要是保證消息在傳輸過程中確保沒有被篡改過。主要的加密方式包括MD5、SHA1、SHA2、SHA3等。

ECC ：Elliptic Curves Cryptography，橢圓曲線密碼編碼學。是一種根據橢圓上點倍積生成 公鑰、私鑰的演算法。用於生成公私秘鑰。

ECDSA ：用於數字簽名,是一種數字簽名演算法。一種有效的數字簽名使接收者有理由相信消息是由已知的發送者創建的，從而發送者不能否認已經發送了消息(身份驗證和不可否認)，並且消息在運輸過程中沒有改變。ECDSA簽名演算法是ECC與DSA的結合，整個簽名過程與DSA類似，所不一樣的是簽名中採取的演算法為ECC，最後簽名出來的值也是分為r,s。 主要用於身份認證階段 。

ECDH ：也是基於ECC演算法的霍夫曼樹秘鑰，通過ECDH，雙方可以在不共享任何秘密的前提下協商出一個共享秘密，並且是這種共享秘鑰是為當前的通信暫時性的隨機生成的，通信一旦中斷秘鑰就消失。 主要用於握手磋商階段。

ECIES： 是一種集成加密方案,也可稱為一種混合加密方案，它提供了對所選擇的明文和選擇的密碼文本攻擊的語義安全性。ECIES可以使用不同類型的函數：秘鑰協商函數(KA)，秘鑰推導函數(KDF)，對稱加密方案(ENC)，哈希函數(HASH), H-MAC函數(MAC)。

ECC 是橢圓加密演算法，主要講述了按照公私鑰怎麼在橢圓上產生，並且不可逆。 ECDSA 則主要是採用ECC演算法怎麼來做簽名， ECDH 則是採用ECC演算法怎麼生成對稱秘鑰。以上三者都是對ECC加密演算法的應用。而現實場景中，我們往往會採用混合加密(對稱加密，非對稱加密結合使用，簽名技術等一起使用)。 ECIES 就是底層利用ECC演算法提供的一套集成(混合)加密方案。其中包括了非對稱加密，對稱加密和簽名的功能。

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這個先訂條件是為了保證曲線不包含奇點。

所以，隨著曲線參數a和b的不斷變化，曲線也呈現出了不同的形狀。比如:

所有的非對稱加密的基本原理基本都是基於一個公式 K = k G。其中K代表公鑰，k代表私鑰，G代表某一個選取的基點。非對稱加密的演算法 就是要保證 該公式 不可進行逆運算( 也就是說G/K是無法計算的 )。 *

ECC是如何計算出公私鑰呢？這里我按照我自己的理解來描述。

我理解，ECC的核心思想就是：選擇曲線上的一個基點G，之後隨機在ECC曲線上取一個點k(作為私鑰)，然後根據k G計算出我們的公鑰K。並且保證公鑰K也要在曲線上。*

那麼k G怎麼計算呢？如何計算k G才能保證最後的結果不可逆呢？這就是ECC演算法要解決的。

首先，我們先隨便選擇一條ECC曲線，a = -3, b = 7 得到如下曲線：

在這個曲線上，我隨機選取兩個點，這兩個點的乘法怎麼算呢？我們可以簡化下問題，乘法是都可以用加法表示的，比如2 2 = 2+2，3 5 = 5+5+5。 那麼我們只要能在曲線上計算出加法，理論上就能算乘法。所以，只要能在這個曲線上進行加法計算，理論上就可以來計算乘法，理論上也就可以計算k*G這種表達式的值。

曲線上兩點的加法又怎麼算呢？這里ECC為了保證不可逆性，在曲線上自定義了加法體系。

現實中，1+1=2，2+2=4，但在ECC演算法里，我們理解的這種加法體系是不可能。故需要自定義一套適用於該曲線的加法體系。

ECC定義，在圖形中隨機找一條直線，與ECC曲線相交於三個點(也有可能是兩個點)，這三點分別是P、Q、R。

那麼P+Q+R = 0。其中0 不是坐標軸上的0點，而是ECC中的無窮遠點。也就是說定義了無窮遠點為0點。

同樣，我們就能得出 P+Q = -R。 由於R 與-R是關於X軸對稱的，所以我們就能在曲線上找到其坐標。

P+R+Q = 0, 故P+R = -Q , 如上圖。

以上就描述了ECC曲線的世界裡是如何進行加法運算的。

從上圖可看出，直線與曲線只有兩個交點，也就是說 直線是曲線的切線。此時P,R 重合了。

也就是P = R, 根據上述ECC的加法體系，P+R+Q = 0, 就可以得出 P+R+Q = 2P+Q = 2R+Q=0

於是乎得到 2 P = -Q (是不是與我們非對稱演算法的公式 K = k G 越來越近了)。

於是我們得出一個結論，可以算乘法，不過只有在切點的時候才能算乘法，而且只能算2的乘法。

假若 2 可以變成任意個數進行想乘，那麼就能代表在ECC曲線里可以進行乘法運算，那麼ECC演算法就能滿足非對稱加密演算法的要求了。

那麼我們是不是可以隨機任何一個數的乘法都可以算呢？ 答案是肯定的。 也就是點倍積 計算方式。

選一個隨機數 k, 那麼k * P等於多少呢？

我們知道在計算機的世界裡，所有的都是二進制的，ECC既然能算2的乘法，那麼我們可以將隨機數k描 述成二進制然後計算。假若k = 151 = 10010111

由於2 P = -Q 所以 這樣就計算出了k P。 這就是點倍積演算法 。所以在ECC的曲線體系下是可以來計算乘法，那麼以為這非對稱加密的方式是可行的。

至於為什麼這樣計算 是不可逆的。這需要大量的推演，我也不了解。但是我覺得可以這樣理解：

我們的手錶上，一般都有時間刻度。現在如果把1990年01月01日0點0分0秒作為起始點，如果告訴你至起始點為止時間流逝了 整1年，那麼我們是可以計算出現在的時間的，也就是能在手錶上將時分秒指針應該指向00：00：00。但是反過來，我說現在手錶上的時分秒指針指向了00：00：00,你能告訴我至起始點算過了有幾年了么？

ECDSA簽名演算法和其他DSA、RSA基本相似，都是採用私鑰簽名，公鑰驗證。只不過演算法體系採用的是ECC的演算法。交互的雙方要採用同一套參數體系。簽名原理如下：

在曲線上選取一個無窮遠點為基點 G = (x,y)。隨機在曲線上取一點k 作為私鑰， K = k*G 計算出公鑰。

簽名過程：

生成隨機數R, 計算出RG.

根據隨機數R,消息M的HASH值H,以及私鑰k, 計算出簽名S = (H+kx)/R.

將消息M,RG,S發送給接收方。

簽名驗證過程：

接收到消息M, RG,S

根據消息計算出HASH值H

根據發送方的公鑰K,計算 HG/S + xK/S, 將計算的結果與 RG比較。如果相等則驗證成功。

公式推論：

HG/S + xK/S = HG/S + x(kG)/S = (H+xk)/GS = RG

在介紹原理前，說明一下ECC是滿足結合律和交換律的，也就是說A+B+C = A+C+B = (A+C)+B。

這里舉一個WIKI上的例子說明如何生成共享秘鑰，也可以參考 Alice And Bob 的例子。

Alice 與Bob 要進行通信，雙方前提都是基於 同一參數體系的ECC生成的 公鑰和私鑰。所以有ECC有共同的基點G。

生成秘鑰階段：

Alice 採用公鑰演算法 KA = ka * G ，生成了公鑰KA和私鑰ka, 並公開公鑰KA。

Bob 採用公鑰演算法 KB = kb * G ，生成了公鑰KB和私鑰 kb, 並公開公鑰KB。

計算ECDH階段：

Alice 利用計算公式 Q = ka * KB 計算出一個秘鑰Q。

Bob 利用計算公式 Q' = kb * KA 計算出一個秘鑰Q'。

共享秘鑰驗證：

Q = ka KB = ka * kb * G = ka * G * kb = KA * kb = kb * KA = Q'

故 雙方分別計算出的共享秘鑰不需要進行公開就可採用Q進行加密。我們將Q稱為共享秘鑰。

在以太坊中，採用的ECIEC的加密套件中的其他內容：

1、其中HASH演算法採用的是最安全的SHA3演算法 Keccak 。

2、簽名演算法採用的是 ECDSA

3、認證方式採用的是 H-MAC

4、ECC的參數體系採用了secp256k1, 其他參數體系 參考這里

H-MAC 全程叫做 Hash-based Message Authentication Code. 其模型如下：

在 以太坊 的 UDP通信時(RPC通信加密方式不同)，則採用了以上的實現方式，並擴展化了。

首先，以太坊的UDP通信的結構如下：

其中，sig是 經過 私鑰加密的簽名信息。mac是可以理解為整個消息的摘要， ptype是消息的事件類型，data則是經過RLP編碼後的傳輸數據。

其UDP的整個的加密，認證，簽名模型如下：

『肆』 區塊鏈密碼演算法是怎樣的

區塊鏈作為新興技術受到越來越廣泛的關注，是一種傳統技術在互聯網時代下的新的應用，這其中包括分布式數據存儲技術、共識機制和密碼學等。隨著各種區塊鏈研究聯盟的創建，相關研究得到了越來越多的資金和人員支持。區塊鏈使用的Hash演算法、零知識證明、環簽名等密碼演算法:

Hash演算法

哈希演算法作為區塊鏈基礎技術，Hash函數的本質是將任意長度（有限）的一組數據映射到一組已定義長度的數據流中。若此函數同時滿足：

（1）對任意輸入的一組數據Hash值的計算都特別簡單；

（2）想要找到2個不同的擁有相同Hash值的數據是計算困難的。

滿足上述兩條性質的Hash函數也被稱為加密Hash函數，不引起矛盾的情況下，Hash函數通常指的是加密Hash函數。對於Hash函數，找到使得被稱為一次碰撞。當前流行的Hash函數有MD5,SHA1,SHA2,SHA3。

比特幣使用的是SHA256，大多區塊鏈系統使用的都是SHA256演算法。所以這里先介紹一下SHA256。

1、 SHA256演算法步驟

STEP1：附加填充比特。對報文進行填充使報文長度與448模512同餘（長度=448mod512），填充的比特數范圍是1到512，填充比特串的最高位為1，其餘位為0。

STEP2：附加長度值。將用64-bit表示的初始報文（填充前）的位長度附加在步驟1的結果後（低位位元組優先）。

STEP3：初始化緩存。使用一個256-bit的緩存來存放該散列函數的中間及最終結果。

STEP4：處理512-bit（16個字）報文分組序列。該演算法使用了六種基本邏輯函數，由64 步迭代運算組成。每步都以256-bit緩存值為輸入，然後更新緩存內容。每步使用一個32-bit 常數值Kt和一個32-bit Wt。其中Wt是分組之後的報文，t=1,2,...,16 。

STEP5：所有的512-bit分組處理完畢後，對於SHA256演算法最後一個分組產生的輸出便是256-bit的報文。

2、環簽名

2001年，Rivest, shamir和Tauman三位密碼學家首次提出了環簽名。是一種簡化的群簽名，只有環成員沒有管理者，不需要環成員間的合作。環簽名方案中簽名者首先選定一個臨時的簽名者集合,集合中包括簽名者。然後簽名者利用自己的私鑰和簽名集合中其他人的公鑰就可以獨立的產生簽名,而無需他人的幫助。簽名者集合中的成員可能並不知道自己被包含在其中。

環簽名方案由以下幾部分構成：

（1）密鑰生成。為環中每個成員產生一個密鑰對(公鑰PKi,私鑰SKi)。

（2）簽名。簽名者用自己的私鑰和任意n個環成員(包括自己)的公鑰為消息m生成簽名a。

（3）簽名驗證。驗證者根據環簽名和消息m,驗證簽名是否為環中成員所簽,如果有效就接收,否則丟棄。

環簽名滿足的性質：

（1）無條件匿名性:攻擊者無法確定簽名是由環中哪個成員生成,即使在獲得環成員私鑰的情況下,概率也不超過1/n。

（2）正確性:簽名必需能被所有其他人驗證。

（3）不可偽造性:環中其他成員不能偽造真實簽名者簽名,外部攻擊者即使在獲得某個有效環簽名的基礎上,也不能為消息m偽造一個簽名。

3、環簽名和群簽名的比較

（1）匿名性。都是一種個體代表群體簽名的體制，驗證者能驗證簽名為群體中某個成員所簽，但並不能知道為哪個成員，以達到簽名者匿名的作用。

（2）可追蹤性。群簽名中，群管理員的存在保證了簽名的可追蹤性。群管理員可以撤銷簽名，揭露真正的簽名者。環簽名本身無法揭示簽名者,除非簽名者本身想暴露或者在簽名中添加額外的信息。提出了一個可驗證的環簽名方案,方案中真實簽名者希望驗證者知道自己的身份,此時真實簽名者可以通過透露自己掌握的秘密信息來證實自己的身份。

（3）管理系統。群簽名由群管理員管理，環簽名不需要管理，簽名者只有選擇一個可能的簽名者集合，獲得其公鑰，然後公布這個集合即可，所有成員平等。

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『伍』 什麼是區塊鏈加密演算法

區塊鏈加密演算法（EncryptionAlgorithm）
非對稱加密演算法是一個函數，通過使用一個加密鑰匙，將原來的明文文件或數據轉化成一串不可讀的密文代碼。加密流程是不可逆的，只有持有對應的解密鑰匙才能將該加密信息解密成可閱讀的明文。加密使得私密數據可以在低風險的情況下，通過公共網路進行傳輸，並保護數據不被第三方竊取、閱讀。
區塊鏈技術的核心優勢是去中心化，能夠通過運用數據加密、時間戳、分布式共識和經濟激勵等手段，在節點無需互相信任的分布式系統中實現基於去中心化信用的點對點交易、協調與協作，從而為解決中心化機構普遍存在的高成本、低效率和數據存儲不安全等問題提供了解決方案。
區塊鏈的應用領域有數字貨幣、通證、金融、防偽溯源、隱私保護、供應鏈、娛樂等等，區塊鏈、比特幣的火爆，不少相關的top域名都被注冊，對域名行業產生了比較大的影響。

『陸』 區塊鏈：防篡改的哈希加密演算法

同學A和B在教室里拋硬幣，賭誰打掃衛生，正面朝上，則A打掃，反面朝上，則B打掃，這個策略沒有什麼問題。

然而，如果把情景遷移到網路聊天室，A和B同樣進行拋硬幣的游戲，估計B就不會答應了，因為當A拋了硬幣，B不論是猜

正面還是反面，A都可以說B猜錯了。

怎麼解決這個問題呢？要不先給拋硬幣的結果加密，B再猜？這個方法可以試一下。

假設任意奇數代表硬幣正面，任意偶數代表反面。A想一個數375，然後乘以一個258，把其結果告訴B為96750，並聲明A想的375為密鑰，由他保管。
在接下來驗證結果時，A可以謊稱258為他想的數，375為密鑰，A還是立於不敗之地。那如果A事先把密鑰告訴B呢？B可以直接算出原始數字，失去了保密作用。

這種知道加密方法就知道了解密方法顯然行不通，那有沒有一種方法，知道了加密方法仍然無法恢復原文呢？

顯然是有的，在加密過程中加入不可逆運算就OK了。A設計新的加密方式：

假設A想的數是375，進行加密：

B拿到結果120943，但他幾乎不能根據120943反算出密匙375。
如果B想要驗證A是否說謊：

終於可以拋硬幣了……

這種丟掉一部分信息的加密方式稱為「單向加密」，也叫 哈希演算法 。

有個問題：

這個是有可能的，但可以解決，就是增加上述演算法的難度，以致於A很難很難找到。

根據以上表述，一個可靠的哈希演算法，應該滿足：

密碼學中的哈希函數有3個重要的性質，即 抗碰撞性、原像不可逆、難題友好性 。

碰撞性，就是指A同學事先找出一奇一偶使得哈希結果一致，在計算上是不可行的。

首先，把大空間桑拿的消息壓縮到小空間上，碰撞肯定是存在的。假設哈希值長度固定為256位，如果順序取1，2，…2 ²⁵⁶ +1， 這2 ²⁵⁶ +1個輸入值，逐一計算其哈希值，肯定能找到兩個輸入值使得其哈希值相同。

A同學，看到這里時， 請不要高興的太早。因為你得有時間把它算出來，才是你的。為什麼這么說呢？

根據生日悖論，如果隨機挑選其中的2 ¹³⁰ +1輸入，則有99.8%的概率發現至少一對碰撞輸入。那麼對於哈希值長度為256為的哈希函數，平均需要完成2 ¹²⁸ 次哈希計算，才能找到碰撞對。如果計算機每秒進行10000次哈希計算，需要約10 ²⁷ 年才能完成2 ¹²⁸ 次哈希計算。

A同學，不要想著作弊了，估計你活不了這么久。當然如果計算機運算能力大幅提升，倒是有可能。

那麼完整性還用其他什麼用途呢？

用來驗證信息的完整性，因為如果信息在傳遞過程中別篡改，那麼運行哈希計算得到的哈希值與原來的哈希值不一樣。

所以，在區塊鏈中，哈希函數的抗碰撞性可以用來做區塊和交易的完整性驗證。

因為一個哈希值對應無數個明文，理論上你並不知道哪個是。就如，4+5=9和2+7=9的結果一樣，知道我輸入的結果是9，但能知道我輸入的是什麼數字嗎？

如果，對消息m進行哈希計算時，在引入一個隨機的前綴r，依據哈希值H(r||m)，難以恢復出消息m，這代表該哈希函數值隱藏了消息m。

所以，B同學，根據結果想反推出原數據，這是不大可能的事，就猶如大海里撈針。

難題好友性，指沒有便捷的方法去產生一滿足特殊要求的哈希值。是什麼意思呢，通俗的講，就是沒有捷徑，需要一步一步算出來。假如要求得到的哈希結果以若干個0開頭，那麼計算找到前3位均為0的哈希值和找到前6位均為0的哈希值，其所需的哈希計算次數是呈一定數量關系。

這個可以怎麼用呢？在區塊鏈中，可以作為共識演算法中的工作量證明。

主要描述了哈希函數的3個重要性質： 抗碰撞性、原像不可逆、難題友好性 。

因為這些重要性質，區塊鏈中的區塊和交易的完整性驗證、共識演算法的工作量證明等功能用哈希函數來實現。

[1].鄒均,張海寧.區塊鏈技術指南[M].北京:機械出版社,2016.11
[2].長鋏,韓鋒.區塊鏈從數字貨幣到信用社會[M].北京:中信出版社,2016.7
[3].張健.區塊鏈定義未來金融與經濟新格局[M].北京:機械工業出版社,2016.6

『柒』 小白如何秒懂區塊鏈中的哈希計算

​ 小白如何秒懂區塊鏈中的哈希計算

當我在區塊鏈的學習過程中，發現有一個詞像幽靈一樣反復出現，「哈希」，英文寫作「HASH」。

那位說「拉稀」同學你給我出去！！

這個「哈希」據說是來源於密碼學的一個函數，嘗試搜一搜，論文出來一堆一堆的，不是橫式就是豎式，不是表格就是圖片，還有一堆看不懂得xyzabc。大哥，我就是想了解一下區塊鏈的基礎知識，給我弄那麼難幹啥呀？！我最長的密碼就是123456，復雜一點的就是654321，最復雜的時候在最後加個a，你給我寫的那麼復雜明顯感覺腦力被榨乾，僅有的腦細胞成批成批的死亡！為了讓和我一樣的小白同學了解這點，我就勉為其難，努力用傻瓜式的語言講解一下哈希計算，不求最准確但求最簡單最易懂。下面我們開始：

# 一、什麼是哈希演算法

## 1、定義：哈希演算法是將任意長度的字元串變換為固定長度的字元串。

從這里可以看出，可以理解為給**「哈希運算」輸入一串數字，它會輸出一串數字**。

如果我們自己定義 「增一演算法」，那麼輸入1，就輸出2；輸入100就輸出101。

如果我我們自己定義「變大寫演算法」，那麼輸入「abc」輸出「ABC」。

呵呵，先別打我啊！這確實就只是一個函數的概念。

## 2、特點：

這個哈希演算法和我的「增一演算法」和「變大寫演算法」相比有什麼特點呢？

1）**確定性，算得快**：咋算結果都一樣，算起來效率高。

2）**不可逆**：就是知道輸出推不出輸入的值。

3）**結果不可測**：就是輸入變一點，結果天翻地覆毫無規律。

總之，這個哈希運算就是個黑箱，是加密的好幫手！你說「11111」，它給你加密成「」，你說「11112」它給你弄成「」。反正輸入和輸出一個天上一個地下，即使輸入相關但兩個輸出毫不相關。

# 二、哈希運算在區塊鏈中的使用

## 1、數據加密

**交易數據是通過哈希運算進行加密，並把相應的哈希值寫入區塊頭**。如下圖所示，一個區塊頭包含了上一個區塊的hash值，還包含下一個區塊的hash值。

1）、**識別區塊數據是否被篡改**：區塊鏈的哈希值能夠唯一而精準地標識一個區塊，區塊鏈中任意節點通過簡單的哈希計算都可以獲得這個區塊的哈希值，計算出的哈希值沒有變化也就意味著區塊鏈中的信息沒有被篡改。

2）、**把各個區塊串聯成區塊鏈**：每個區塊都包含上一個區塊的哈希值和下一個區塊的值，就相當於通過上一個區塊的哈希值掛鉤到上一個區塊尾，通過下一個區塊的哈希值掛鉤到下一個區塊鏈的頭，就自然而然形成一個鏈式結構的區塊鏈。

## 2、加密交易地址及哈希

在上圖的區塊頭中，有一個Merkle root（默克爾根）的哈希值，它是用來做什麼的呢？

首先了解啥叫Merkle root？ 它就是個二叉樹結構的根。啥叫二叉樹？啥叫根？看看下面的圖就知道了。一分二，二分四，四分八可以一直分下去就叫二叉樹。根就是最上面的節點就叫 根。

這個根的數據是怎麼來的呢？是把一個區塊中的每筆交易的哈希值得出後，再兩兩哈希值再哈希，再哈希，再哈希，直到最頂層的數值。

這么哈希了半天，搞什麼事情？有啥作用呢？

1）、**快速定位每筆交易**：由於交易在存儲上是線性存儲，定位到某筆交易會需要遍歷，效率低時間慢，通過這樣的二叉樹可以快速定位到想要找的交易。

舉個不恰當的例子：怎麼找到0-100之間的一個任意整數？（假設答案是88）那比較好的一個方法就是問：1、比50大還是小？2、比75大還是小？3、比88大還是小？ 僅僅通過幾個問題就可以快速定位到答案。

2）、**核實交易數據是否被篡改**：從交易到每個二叉樹的哈希值，有任何一個數字有變化都會導致Merkle root值的變化。同時，如果有錯誤發生的情況，也可以快速定位錯誤的地方。

## 3、挖礦

  在我們的區塊頭中有個參數叫**隨機數Nonce，尋找這個隨機數的過程就叫做「挖礦」**！網路上任何一台機器只要找到一個合適的數字填到自己的這個區塊的Nonce位置，使得區塊頭這6個欄位（80個位元組）的數據的哈希值的哈希值以18個以上的0開頭，誰就找到了「挖到了那個金子」！既然我們沒有辦法事先寫好一個滿足18個0的數字然後反推Nounce，唯一的做法就是從0開始一個一個的嘗試，看結果是不是滿足要求，不滿足就再試下一個，直到找到。

找這個數字是弄啥呢？做這個有什麼作用呢？

1）、**公平的找到計算能力最強的計算機**：這個有點像我這里有個沙子，再告訴你它也那一個沙灘的中的一粒相同，你把相同的那粒找出來一樣。那可行的辦法就是把每一粒都拿起來都比較一下！那麼比較速度最快的那個人是最有可能先早到那個沙子。這就是所謂的「工作量證明pow」，你先找到這個沙子，我就認為你比較的次數最多，乾的工作最多。

2）、**動態調整難度**：比特幣為了保證10分鍾出一個區塊，就會每2016個塊（2周）的時間計算一下找到這個nonce數字的難度，如果這2016個塊平均時間低於10分鍾則調高難度，如高於十分鍾則調低難度。這樣，不管全網的挖礦算力是怎麼變化，都可以保證10分鍾的算出這個隨機數nonce。

# 三、哈希運算有哪些？

說了這么多哈希運算，好像哈希運算就是一種似的，其實不是！作為密碼學中的哈希運算在不斷的發展中衍生出很多流派。我看了」滿頭包」還是覺得內在機理也太復雜了，暫時羅列如下，小白們有印象知道是怎麼回事就好。

從下表中也可以看得出，哈希運算也在不斷的發展中，有著各種各樣的演算法，各種不同的應用也在靈活應用著單個或者多個演算法。比特幣系統中，哈希運算基本都是使用的SHA256演算法，而萊特幣是使用SCRYPT演算法，誇克幣（Quark）達世幣（DASH）是把很多演算法一層層串聯上使用，Heavycoin（HAV）卻又是把一下演算法並聯起來，各取部分混起來使用。以太坊的POW階段使用ETHASH演算法，ZCASH使用EQUIHASH。

需要說明的是，哈希運算的各種演算法都是在不斷升級完善中，而各種幣種使用的演算法也並非一成不變，也在不斷地優化中。

**總結**：哈希運算在區塊鏈的各個項目中都有著廣泛的應用，我們以比特幣為例就能看到在**數據加密、交易數據定位、挖礦等等各個方面都有著極其重要的作用**。而哈希運算作為加密學的一門方向不斷的發展和延伸，身為普通小白的我們，想理解區塊鏈的一些基礎概念，了解到這個層面也已經足夠。