區塊鏈中應用的密碼學原理

1. 區塊鏈技術的原理

下面就以比特幣為例進行說明：
區塊鏈（Blockchain）是比特幣的一個重要概念，本質上是一個去中心化的資料庫，同時作為比特幣的底層技術。區塊鏈是一串使用密碼學方法相關聯產生的數據塊，每一個數據塊中包含了一次比特幣網路交易的信息，用於驗證其信息的有效性（防偽）和生成下一個區塊。
區塊鏈在網路上是公開的，可以在每一個離線比特幣錢包數據中查詢。比特幣錢包的功能依賴於與區塊鏈的確認，一次有效檢驗稱為一次確認。通常一次交易要獲得數個確認才能進行。輕量級比特幣錢包使用在線確認，即不會下載區塊鏈數據到設備存儲中。
比特幣的眾多競爭幣也使用同樣的設計，只是在工作量證明上和演算法上略有不同。如，採用權益證明和SCrypt等等。
除此之外，萊特幣、以太坊、微盟幣、狗狗幣、瑞泰幣等數字加密貨幣也都是利用區塊鏈的技術。

2. 區塊鏈使用安全如何來保證呢

區塊鏈本身解決的就是陌生人之間大規模協作問題，即陌生人在不需要彼此信任的情況下就可以相互協作。那麼如何保證陌生人之間的信任來實現彼此的共識機制呢？中心化的系統利用的是可信的第三方背書，比如銀行，銀行在老百姓看來是可靠的值得信任的機構，老百姓可以信賴銀行，由銀行解決現實中的糾紛問題。但是，去中心化的區塊鏈是如何保證信任的呢？
實際上，區塊鏈是利用現代密碼學的基礎原理來確保其安全機制的。密碼學和安全領域所涉及的知識體系十分繁雜，我這里只介紹與區塊鏈相關的密碼學基礎知識，包括Hash演算法、加密演算法、信息摘要和數字簽名、零知識證明、量子密碼學等。您可以通過這節課來了解運用密碼學技術下的區塊鏈如何保證其機密性、完整性、認證性和不可抵賴性。
基礎課程第七課 區塊鏈安全基礎知識
一、哈希演算法（Hash演算法）
哈希函數（Hash），又稱為散列函數。哈希函數：Hash(原始信息) = 摘要信息，哈希函數能將任意長度的二進制明文串映射為較短的（一般是固定長度的）二進制串（Hash值）。
一個好的哈希演算法具備以下4個特點:
1、 一一對應：同樣的明文輸入和哈希演算法，總能得到相同的摘要信息輸出。
2、 輸入敏感：明文輸入哪怕發生任何最微小的變化，新產生的摘要信息都會發生較大變化，與原來的輸出差異巨大。
3、 易於驗證：明文輸入和哈希演算法都是公開的，任何人都可以自行計算，輸出的哈希值是否正確。
4、 不可逆：如果只有輸出的哈希值，由哈希演算法是絕對無法反推出明文的。
5、 沖突避免：很難找到兩段內容不同的明文，而它們的Hash值一致（發生碰撞）。
舉例說明：
Hash(張三借給李四10萬，借期6個月) = 123456789012
賬本上記錄了123456789012這樣一條記錄。
可以看出哈希函數有4個作用：
簡化信息
很好理解，哈希後的信息變短了。
標識信息
可以使用123456789012來標識原始信息，摘要信息也稱為原始信息的id。
隱匿信息
賬本是123456789012這樣一條記錄，原始信息被隱匿。
驗證信息
假如李四在還款時欺騙說，張三隻借給李四5萬，雙方可以用哈希取值後與之前記錄的哈希值123456789012來驗證原始信息
Hash（張三借給李四5萬，借期6個月）=987654321098
987654321098與123456789012完全不同，則證明李四說謊了，則成功的保證了信息的不可篡改性。
常見的Hash演算法包括MD4、MD5、SHA系列演算法，現在主流領域使用的基本都是SHA系列演算法。SHA（Secure Hash Algorithm）並非一個演算法，而是一組hash演算法。最初是SHA-1系列，現在主流應用的是SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512演算法（通稱SHA-2），最近也提出了SHA-3相關演算法，如以太坊所使用的KECCAK-256就是屬於這種演算法。
MD5是一個非常經典的Hash演算法，不過可惜的是它和SHA-1演算法都已經被破解，被業內認為其安全性不足以應用於商業場景，一般推薦至少是SHA2-256或者更安全的演算法。
哈希演算法在區塊鏈中得到廣泛使用，例如區塊中，後一個區塊均會包含前一個區塊的哈希值，並且以後一個區塊的內容+前一個區塊的哈希值共同計算後一個區塊的哈希值，保證了鏈的連續性和不可篡改性。
二、加解密演算法
加解密演算法是密碼學的核心技術，從設計理念上可以分為兩大基礎類型：對稱加密演算法與非對稱加密演算法。根據加解密過程中所使用的密鑰是否相同來加以區分，兩種模式適用於不同的需求，恰好形成互補關系，有時也可以組合使用，形成混合加密機制。
對稱加密演算法（symmetric cryptography,又稱公共密鑰加密，common-key cryptography），加解密的密鑰都是相同的，其優勢是計算效率高，加密強度高；其缺點是需要提前共享密鑰，容易泄露丟失密鑰。常見的演算法有DES、3DES、AES等。
非對稱加密演算法（asymmetric cryptography，又稱公鑰加密，public-key cryptography），與加解密的密鑰是不同的，其優勢是無需提前共享密鑰；其缺點在於計算效率低，只能加密篇幅較短的內容。常見的演算法有RSA、SM2、ElGamal和橢圓曲線系列演算法等。 對稱加密演算法，適用於大量數據的加解密過程；不能用於簽名場景：並且往往需要提前分發好密鑰。非對稱加密演算法一般適用於簽名場景或密鑰協商，但是不適於大量數據的加解密。
三、信息摘要和數字簽名
顧名思義，信息摘要是對信息內容進行Hash運算，獲取唯一的摘要值來替代原始完整的信息內容。信息摘要是Hash演算法最重要的一個用途。利用Hash函數的抗碰撞性特點，信息摘要可以解決內容未被篡改過的問題。
數字簽名與在紙質合同上簽名確認合同內容和證明身份類似，數字簽名基於非對稱加密，既可以用於證明某數字內容的完整性，同時又可以確認來源（或不可抵賴）。
我們對數字簽名有兩個特性要求，使其與我們對手寫簽名的預期一致。第一，只有你自己可以製作本人的簽名，但是任何看到它的人都可以驗證其有效性；第二，我們希望簽名只與某一特定文件有關，而不支持其他文件。這些都可以通過我們上面的非對稱加密演算法來實現數字簽名。
在實踐中，我們一般都是對信息的哈希值進行簽名，而不是對信息本身進行簽名，這是由非對稱加密演算法的效率所決定的。相對應於區塊鏈中，則是對哈希指針進行簽名，如果用這種方式，前面的是整個結構，而非僅僅哈希指針本身。
四 、零知識證明（Zero Knowledge proof）
零知識證明是指證明者在不向驗證者提供任何額外信息的前提下，使驗證者相信某個論斷是正確的。
零知識證明一般滿足三個條件：
1、 完整性（Complteness）：真實的證明可以讓驗證者成功驗證；
2、 可靠性（Soundness）：虛假的證明無法讓驗證者通過驗證；
3、 零知識（Zero-Knowledge）：如果得到證明，無法從證明過程中獲知證明信息之外的任何信息。
五、量子密碼學（Quantum cryptography）
隨著量子計算和量子通信的研究受到越來越多的關注，未來量子密碼學將對密碼學信息安全產生巨大沖擊。
量子計算的核心原理就是利用量子比特可以同時處於多個相干疊加態，理論上可以通過少量量子比特來表達大量信息，同時進行處理，大大提高計算速度。
這樣的話，目前的大量加密演算法，從理論上來說都是不可靠的，是可被破解的，那麼使得加密演算法不得不升級換代，否則就會被量子計算所攻破。
眾所周知，量子計算現在還僅停留在理論階段，距離大規模商用還有較遠的距離。不過新一代的加密演算法，都要考慮到這種情況存在的可能性。

3. 區塊鏈究竟是什麼呢

區塊鏈究竟是什麼呢？本質上講，區塊鏈是一種分布式、去中心化的網路資料庫系統， 這個系統會讓數據的存儲、更新、維護、操作變得不同。區塊鏈有四項不可缺的核心技術， 分別是：分布式存儲、共識機制、密碼學原理、智能合約。

那麼我們下面就講一講，與傳統數據處理相比，區塊鏈到底有什麼不同，幫助大家了 解區塊鏈是什麼，讓大家對區塊鏈有一個總的認知。

一、區塊鏈中的數據存儲：塊鏈式數據結構

在數據存儲方面，區塊鏈技術利用的是「塊鏈式數據結構」來驗證與存儲數據的。

塊鏈式結構是什麼意思呢？鐵鏈子大家都見過吧，一環套一環那種，那其實，每一環 我們可以看作是一個區塊，很多環節扣在一起就形成了區塊鏈。

這個所謂的「鐵鏈」是如何存儲數據的呢？簡單來講，區塊鏈和普通存儲數據的不同 之處在於：在區塊鏈上，後一個區塊里的數據是包含前一個區塊里的數據的。

以讀書為例：我們平時看書，看完第 1 頁，接著讀第 2 頁、第 3 頁......
那在區塊鏈裡面呢，如果給每個區塊標註上頁碼，那麼第 2 頁的內容是包含第 1 頁的 內容的，第 3 頁的內容包含第 1 頁和第 2 頁的內容......第 10 頁包含了前 9 頁的內容， 就是這樣一個層層嵌套的鏈條，這樣一來，就可以追溯到最本源的數據了，這就是區塊鏈 的可追溯性。

區塊鏈這種「塊鏈式數據結構」使之具備可追溯性，這就天然適用於許多領域，譬如： 食品溯源、葯品溯源等等。這樣一來，毒奶粉、假疫苗、偽劣食品事件出現的概率就會大 大降低，因為一旦出現問題，通過溯源可以清晰知道到底是哪個環節出現問題，問責追償 將會更加清晰。

二、區塊鏈中的數據更新：分布式節點共識演算法

在數據更新方面，區塊鏈技術是利用「分布式節點共識演算法」來生成和更新數據。

每每生成新的區塊（也就是更新數據的時候），都需要通過一種演算法，獲得全網 51% 以上節點的認可才能構成新的區塊。說白了就是投票，超過半數人同意就可以生成，這就 使得區塊鏈上的數據不容篡改。

為什麼這么說呢？我們還是打一個比喻：我們把區塊鏈比作一個賬本，因為都是記錄 數據的嘛，傳統世界裡，記賬權力在於記賬先生，賬本屬於記賬先生一個人的。那麼在區 塊鏈裡面，每一個人都擁有這個賬本，想要更新賬目呢，就要投票，半數人以上贊成才可 以去更新賬目數據。

在這個過程中，我們會涉及到這么幾個名詞：分布式、節點、共識演算法，這幾個名詞 其實非常好理解：

每個人都記賬（也就是人人擁有賬本，賬本分散在每個人手裡），就是所謂的「分布 式」；

大家討論、投票產生的、一致贊同的記賬辦法，就是所謂的「共識演算法」；

每一個參與記賬的人，就是所謂的「節點」。

三、 區塊鏈中的數據維護：密碼學

在數據維護階段，區塊鏈的不同之處就在於：它利用密碼學的方式來保證數據傳輸和 訪問的安全。

區塊鏈中所應用的密碼學原理主要有：哈希演算法、Merkle 哈希樹、橢圓曲線演算法、 Base58。這些原理，其實都是通過一系列復雜的運算以及換算，來保證區塊鏈上數據安全。

四、 區塊鏈中的數據操作：智能合約

智能合約，是由計算機程序定義並自動執行的承諾協議，說白了，就是用代碼執行的 一套交易准則，類似於現在的信用卡自動還款功能，開啟這個功能，你自己什麼都不用管， 到期銀行會自動扣除你欠的錢。

智能合約的突出優勢就是，很大程度上避免了由信任產生的一系列問題。
我們很多人，都遇到過被借錢的事情：朋友手頭緊了跟你借 2000 塊錢，承諾下個月 發了工資還錢，到了下個月他又找別的借口不還，拖來托去這事兒就沒譜了。本來沒多少 錢，還是朋友，雖然你很郁悶，這事也就算了。

那麼，有了智能合約以後，他就不能賴賬了，因為在智能合約上，一旦觸發合約中的 條款，代碼就會自動執行，不管他願不願意，只要他發了工資、賬戶上有了錢，他就得還 你。

總結一下本節內容，區塊鏈中有四項不可缺的核心技術，分別是：分布式存儲、共識 機制、密碼學原理、智能合約。

我們可以這樣理解：分布式存儲對應的是數據存儲這個階段，共識機制對應的是數據 的處理更新這個階段，密碼學對應的是數據安全，智能合約對應的是數據的操作問題。

4. 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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5. 區塊鏈技術的機密性是如何實現的

因為區塊鏈技術對實現智能合約存在天然的優勢。
比特幣、瑞泰幣、萊特幣、以太坊等數字加密貨幣都使用了區塊鏈技術。
區塊鏈（Blockchain）是比特幣的一個重要概念，本質上是一個去中心化的資料庫，同時作為比特幣的底層技術。區塊鏈是一串使用密碼學方法相關聯產生的數據塊，每一個數據塊中包含了一次比特幣網路交易的信息，用於驗證其信息的有效性（防偽）和生成下一個區塊。

6. 區塊鏈在電子合同中的應用原理是怎樣的

區塊鏈技術因其減少中間環節、減少數據一致性導致的欺詐、提升業務效率和速度、減少交易對手風險以及增加收入、節省成本等特徵，受到市場的熱捧。

深究其實現原理，區塊鏈通過深度使用密碼學演算法、特別設計的數據結構和多方參與的共識演算法，由機器演算法來解決多方交易記錄的一致性、可靠存儲和防篡改問題，與電子數據存證有著天然的強關聯。

首先，電子合同簽約記錄存儲在由多方共同維護的共享賬本上，不可篡改，不可抵賴，當然也不會丟失。

其次，電子合同文本、電子合同要素加密存儲，包括電子合同參與人也採取加密存儲，只有參與人才可以解密查看，在數據上保護簽約方隱私。

再次，機器按照預定義的規則(智能合約)嚴格執行，不再僅靠與第三方一紙協議保證。基於區塊鏈的KYC服務自動檢查驗證證書有效性和身份，在保證隱私的基礎上確保參與人身份有效真實。

7. 區塊鏈中的密碼學是怎麼應用的

在區塊鏈技術中，密碼學機制主要被用於確保交易信息的完整性、真實性和隱私性。
 
區塊鏈中的密碼學 包括布隆過濾器，哈希函數、加解密演算法，數字證書與數字簽名，同態加密，PKI體系等。

8. 區塊鏈之加密原理總結(一)

    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。

        ECC 是 Elliptic Curve Cryptography的簡稱。那麼什麼是橢圓加密曲線呢？Wolfram MathWorld 給出了很標準的定義： 一條橢圓曲線就是一組被  ​  定義的且滿足  ​ ​ 的點集。  

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：

9. 第4課 區塊鏈中的密碼學 學習總結

這是加入公Ulord深度學習第四課，楊博士給大家主講區塊鏈中的密碼學問題，本期課程令讓我弄懂了一個一直困擾著我的關於公鑰和私鑰的問題，他們之間到底是什麼關系？再這次學習中我得到了答案，現在我把我學習到的內容跟大家分享一下。

區塊鏈里的公鑰和私鑰，是非對稱加密里的兩個基本概念。

公鑰與私鑰，是通過一種演算法得到的一個密鑰對，公鑰是密鑰對中公開的部分，私鑰是非公開的部分。公鑰通常用於加密會話，就是消息或者說信息，同時，也可以來用於驗證用私鑰簽名的數字簽名。

私鑰可以用來進行簽名，用對應的公鑰來進行驗證。通過這種公開密鑰體製得到的密鑰對能夠保證在全世界范圍內是唯一的。使用這個密鑰對的時候，如果用其中一個密鑰加密數據，則必須用它對應的另一個密鑰來進行解密。

比如說用公鑰加密的數據就必須用私鑰才能解密，如果用私鑰進行加密，就必須要對應的公鑰才能解密，否則無法成功解密。另外，在比特幣的區塊鏈中，則是通過私鑰來計算出公鑰，通過公鑰來計算出地址，而這個過程是不可逆的。