比特币公钥加密

1. 比特币算法原理

比特币算法主要有两种，分别是椭圆曲线数字签名算法和SHA256哈希算法。

椭圆曲线数字签名算法主要运用在比特币公钥和私钥的生成过程中，该算法是构成比特币系统的基石。SHA-256哈希算法主要是运用在比特币的工作量证明机制中。

比特币产生的原理是经过复杂的运算法产生的特解，挖矿就是寻找特解的过程。不过比特币的总数量只有2100万个，而且随着比特币不断被挖掘，越往后产生比特币的难度会增加，可能获得比特币的成本要比比特币本身的价格高。

比特币的区块由区块头及该区块所包含的交易列表组成，区块头的大小为80字节，由4字节的版本号、32字节的上一个区块的散列值、32字节的 Merkle Root Hash、4字节的时间戳（当前时间）、4字节的当前难度值、4字节的随机数组成。拥有80字节固定长度的区块头，就是用于比特币工作量证明的输入字符串。不停的变更区块头中的随机数即 nonce 的数值，并对每次变更后的的区块头做双重 SHA256运算，将结果值与当前网络的目标值做对比，如果小于目标值，则解题成功，工作量证明完成。

比特币的本质其实是一堆复杂算法所生成的一组方程组的特解（该解具有唯一性）。比特币是世界上第一种分布式的虚拟货币，其没有特定的发行中心，比特币的网络由所有用户构成，因为没有中心的存在能够保证了数据的安全性。

2. 比特币密钥是什么意思

比特币的所有权是通过数字密钥、比特币地址和数字签名来确定的。
比特币包含一系列密钥对、每个密钥对包含一个公钥和私钥。
私钥是一个随机数、私钥通过椭圆曲线算法生成公钥、公钥再通过单向加密哈希函数生成比特币地址。
比特币使用非对称加密、使得签名只能由私钥产生、且在不泄露私钥情况下所有人都可以验证该签名p。
私钥和公钥有可以被编码成多种类型格式、无一例外的作用就是为了方便识别及钱包操作方便。

3. 什么是比特币加密技术

比特币和区块链的诞生需要依赖于很多核心技术的突破：一是拜占庭容错技术；二是非对称加密技术；三是点对点支付技术。下面会依次介绍。
拜占庭容错技术
比特币和区块链诞生的首要难点在于如何创建分布式共识机制，也就是菜斯利·兰伯特等人1982年提出的拜占庭将军问题。所谓拜占庭将军问题是指，把战争中互不信任的各城邦军队如何达成共识并决定是否出兵的决策过程。延伸至计算机领域，试图创建具有容错性的分布式系统，即使部分节点失效仍可确保系统正常运行，也可让多个基于零信任基础的节点达成共识，并确保信息传递的一致性。
中本聪所提到的“拜占庭将军问题”解决方法起始于亚当﹒拜克在1997年发明的哈希现金算法机制，起初该设计是用于限制垃圾邮件发送与拒绝服务攻击。2004年，密码朋克运动早期和重要成员哈尔·芬尼将亚当﹒拜克的哈希现金算法改进为可复用的工作量证明机制。他们的研究又是基于达利亚·马凯与迈克尔·瑞特的学术成果：拜占庭容错机制。正是哈尔·芬尼的可复用的工作量证明机制后来成为比特币的核心要素之一。哈尔·芬尼是中本聪的最早支持者，同时也是第一笔比特币转账的接受者，在比特币发展的早期与中本聪有大量互动与交流。
非对称加密技术
比特币的非对称加密技术来源于以下几项密码学的技术创新：1976年，Sun公司前首席安全官Whitfield Diffie与斯坦福大学教授Martin Hell，在开创性论文《密码学的新方向》首次提出公开钥匙密码学的概念，发明了非对称加密算法。1978年省理工学院的伦纳德·阿德曼、罗纳德·李维斯特、阿迪·萨莫尔三名研究人员，共同发明了公开钥匙系统“RSA”可用于数据加密和签名，率先开发第一个具备商业实用性的非对称RSA加密算法。1985年，Neal Koblitz和Victor Miller俩人，首次提出将椭圆曲线算法（ECC），应用于密码学，并建立公钥加密的算法，公钥密码算法的原理是利用信息的不对称性，公钥对应的是私钥，私钥是解开所有信息的钥匙，公钥可以由私钥反推算出。ECC能够提供比RSA更高级别的安全。比特币使用的就是椭圆曲线算法公钥用于接收比特币，而私钥则是比特币支付时的交易签名。这些加密算法奠定了当前非对称加密理论的基础，被广泛应用于网络通信领域。但是，当时这些加密技术发明均在NSA严密监视的视野之内。NSA最初认为它们对国家安全构成威胁，并将其视为军用技术。直到20世纪90年代末，NSA才放弃对这些非对称加密技术的控制，RSA算法、ECC算法等非对称加密技术最终得以走进公众领域。
不过，中本聪并不信任NSA公布的加密技术，在比特币系统中没有使用RSA公钥系统，原因除了ECC能够提供比RSA更高级别的安全性能外，还担心美国安全部门在RSA留有技术后门。2013年9月，斯诺登就曾爆料NSA采用秘密方法控制加密国际标准，比特币采用的RSA可能留有后门，NSA能以不为人知的方法弱化这条曲线。所幸的是，中本聪神一般走位避开了RSA的陷阱,使用的加密技术不是NSA的标准，而是另一条鲜为人知的椭圆曲线，这条曲线并不在美国RSA的掌握之下。全世界只有极少数程序躲过了这一漏洞，比特币便是其中之一。

4. 公钥与私钥的区别与应用。

现实生活中，我要给依依转1个比特币，我需要在比特币交易平台、比特币钱包或者比特币客户端里面，输入我的比特币钱包地址、依依的钱包地址、转出比特币的数量、手续费。然后，我们等十分钟左右，矿工处理完交易信息之后，这1个比特币就成功地转给依依了。

这个过程看似很简单也很便捷，跟我们现在的银行卡转账没什么区别，但是，你知道这个过程是怎样在比特币系统里面实现的吗？它隐藏了哪些原理呢？又或者，它是如何保证交易能够在一个安全的环境下进行呢？

我们今天就来讲一讲。

对于转出方和接收方来讲，也就是我和依依（我是转出方，依依是接收方）我们都需要出具两个东西：钱包地址、私钥。

我们先说钱包地址。比特币钱包地址其实就相当于银行卡、支付宝账号、微信钱包账号，是比特币支付转账的“凭证”，记录着平台与平台、钱包与钱包、钱包与平台之间的转账信息。

我们在使用银行卡、支付宝、微信转账时都需要密码，才能够支付成功。那么，在比特币转账中，同样也有这么一个“密码”，这个“密码“被称作“私钥”。掌握了私钥，就掌握了其对应比特币地址上的生杀大权。

“私钥”是属于“非对称加密算法”里面的概念，与之对应的还有另一个概念，名叫：“公钥”。

公钥和私钥，从字面意思我们就可以理解：公钥，是可以公开的；而私钥，是私人的、你自己拥有的、需要绝对保密的。

公钥是根据私钥计算形成的，比特币系统使用的是椭圆曲线加密算法，来根据私钥计算出公钥。这就使得，公钥和私钥形成了唯一对应的关系：当你用了其中一把钥匙加密信息时，只有配对的另一把钥匙才能解密。所以，正是基于这种唯一对应的关系，它们可以用来验证信息发送方的身份，还可以做到绝对的保密。

我们举个例子讲一下，在非对称加密算法中，公钥和私钥是怎么运作的。

我们知道，公钥是可以对外公开的，那么，所有人都知道我们的公钥。在转账过程中，我不仅要确保比特币转给依依，而不会转给别人，还得让依依知道，这些比特币是我转给她的，不是鹿鹿，也不是韭哥。

比特币系统可以满足我的上述诉求：比特币系统会把我的交易信息缩短成固定长度的字符串，也就是一段摘要，然后把我的私钥附在这个摘要上，形成一个数字签名。因为数字签名里面隐含了我的私钥信息，所以，数字签名可以证明我的身份。

完成之后，完整的交易信息和数字签名会一起广播给矿工，矿工用我的公钥进行验证、看看我的公钥和我的数字签名能不能匹配上，如果验证成功，都没问题，那么，就能够说明这个交易确实是我发出的，而且信息没有被更改。

接下来，矿工需要验证，这笔交易花费的比特币是否是“未被花费”的交易。如果验证成功，则将其放入“未确认交易”，等待被打包；如果验证失败，则该交易会被标记为“无效交易”，不会被打包。

其实，公钥和私钥，简单理解就是：既然是加密，那肯定是不希望别人知道我的消息，所以只能我才能解密，所以可得出：公钥负责加密，私钥负责解密；同理，既然是签名，那肯定是不希望有人冒充我的身份，只有我才能发布这个数字签名，所以可得出：私钥负责签名，公钥负责验证。

到这里，我们简单概括一下上面的内容。上面我们主要讲到这么几个词：私钥、公钥、钱包地址、数字签名，它们之间的关系我们理一下：

（1）私钥是系统随机生成的，公钥是由私钥计算得出的，钱包地址是由公钥计算得出的，也就是：私钥——公钥——钱包地址，这样一个过程；

（2）数字签名，是由交易信息＋私钥信息计算得出的，因为数字签名隐含私钥信息，所以可以证明自己的身份。

私钥、公钥都是密码学范畴的，属于“非对称加密”算法中的“椭圆加密算法”，之所以采用这种算法，是为了保障交易的安全，二者的作用在于：

（1）公钥加密，私钥解密：公钥全网公开，我用依依的公钥给信息加密，依依用自己的私钥可以解密；

（2）私钥签名，公钥验证：我给依依发信息，我加上我自己的私钥信息形成数字签名，依依用我的公钥来验证，验证成功就证明的确是我发送的信息。

只不过，在比特币交易中，加密解密啦、验证啦这些都交给矿工了。

至于我们现在经常用的钱包APP，只不过是私钥、钱包地址和其他区块链数据的管理工具而已。钱包又分冷钱包和热钱包，冷钱包是离线的，永远不联网的，一般是以一些实体的形式出现，比如小本子什么的；热钱包是联网的，我们用的钱包APP就属于热钱包。

5. 比特币区块链用什么技术来保证交易安全

公钥密码学。比特币使用公钥密码学比特币是一种加密货币(cryptocurreny)，“Crypto”是密码学(cryptography)的缩写，更具体地说，是公钥密码学。

6. 比特币如何防止篡改

比特币网络主要会通过以下两种技术保证用户签发的交易和历史上发生的交易不会被攻击者篡改：

• 非对称加密可以保证攻击者无法伪造账户所有者的签名；

• 共识算法可以保证网络中的历史交易不会被攻击者替换；

非对称加密



• 非对称加密算法3是目前广泛应用的加密技术，TLS 证书和电子签名等场景都使用了非对称的加密算法保证安全。非对称加密算法同时包含一个公钥（Public Key）和一个私钥（Secret Key），使用私钥加密的数据只能用公钥解密，而使用公钥解密的数据也只能用私钥解密。





图 4 - 51% 攻击



• 1使用如下所示的代码可以计算在无限长的时间中，攻击者持有 51% 算力时，改写历史 0 ~ 9 个区块的概率9：


• #include


• #include



• double attackerSuccessProbability(double q, int z) {


• double p = 1.0 - q;


• double lambda = z * (q / p);


• double sum = 1.0;


• int i, k;


• for (k = 0; k <= z; k++) {


• double poisson = exp(-lambda);


• for (i = 1; i <= k; i++)


• poisson *= lambda / i;


• sum -= poisson * (1 - pow(q / p, z - k));


• }


• return sum;


• }



• int main() {


• for (int i = 0; i < 10; i++) {


• printf("z=%d, p=%f\n", i, attackerSuccessProbability(0.51, i));


• }


• return 0;


• }



• 通过上述的计算我们会发现，在无限长的时间中，占有全网算力的节点能够发起 51% 攻击修改历史的概率是 100%；但是在有限长的时间中，因为比特币中的算力是相对动态的，比特币网络的节点也在避免出现单节点占有 51% 以上算力的情况，所以想要篡改比特币的历史还是比较困难的，不过在一些小众的、算力没有保证的一些区块链网络中，51% 攻击还是极其常见的10。



• 防范 51% 攻击方法也很简单，在多数的区块链网络中，刚刚加入区块链网络中的交易都是未确认的，只要这些区块后面追加了数量足够的区块，区块中的交易才会被确认。比特币中的交易确认数就是 6 个，而比特币平均 10 分钟生成一个块，所以一次交易的确认时间大概为 60 分钟，这也是为了保证安全性不得不做出的牺牲。不过，这种增加确认数的做法也不能保证 100% 的安全，我们也只能在不影响用户体验的情况下，尽可能增加攻击者的成本。



总结



• 研究比特币这样的区块链技术还是非常有趣的，作为一个分布式的数据库，它也会遇到分布式系统经常会遇到的问题，例如节点不可靠等问题；同时作为一个金融系统和账本，它也会面对更加复杂的交易确认和验证场景。比特币网络的设计非常有趣，它是技术和金融两个交叉领域结合后的产物，非常值得我们花时间研究背后的原理。



• 比特币并不能 100% 防止交易和数据的篡改，文中提到的两种技术都只能从一定概率上保证安全，而降低攻击者成功的可能性也是安全领域需要面对的永恒问题。我们可以换一个更严谨的方式阐述今天的问题 — 比特币使用了哪些技术来增加攻击者的成本、降低交易被篡改的概率：



• 比特币使用了非对称加密算法，保证攻击者在有限时间内无法伪造账户所有者的签名；

• 比特币使用了工作量证明的共识算法并引入了记账的激励，保证网络中的历史交易不会被攻击者快速替换；



• 通过上述的两种方式，比特币才能保证历史的交易不会被篡改和所有账户中资金的安全。

7. 比特币的核心技术包括

比特币的核心技术包括1、非对称加密技术 2、点对点传输技术 3、哈希现金算法机制。
1.非对称加密技术和对称加密技术最大的不同就是有了公钥和私钥之分。非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥(publickey)和私有密钥(privatekey)。公开密钥与私有密钥是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密;如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。公钥是公开的，私钥是保密的。 由于不涉及私钥的传输，整个传输过程就变得安全多了。后来又出现了具备商业实用性的非对称RSA加密算法以及后来的椭圆曲线加密算法(ECC)，这些都奠定了加密算法理论的基础，但是美国国家安全局NSA最初认为这些技术对国家安全构成威胁，所以对这些技术进行了严密的监控，知道20世纪90年代末NSA才放弃了对这些技术的监控，这些非对称技术才最终走入了了公众的视野。这项技术对应到比特币场景中就是比特币的地址和私钥。
2.点对点传输技术顾名思义，就是无需中心服务器、个体之间可以相互传输信息的技术，P2P网络的重要目标就是让所有客户端都能提供资源，包括宽带、存储空间和计算能力。 对应到比特币网络中就是利用点对点的技术实现真正的去中心化。
3.哈希现金算法机制就是让那些制造垃圾邮件的人付出相应的代价!发送者需要付出一定的工作量，比如说哈希运算，几秒钟时间对于普通用户不算什么，但对于垃圾邮件的发送者每封邮件都要花几秒钟的时间，这样的成本是没有办法负担的。同时每次运算都会盖上一个独一无二的时间戳，这样就能保证邮件发送方不能重复使用一个运算结果。 对于比特币而言也是同样的道理，如何保证一笔数字货币没有被多次消费(Double Spending)，就类似于验证一封邮件没有被多次发送，所以就要保证每一笔交易顺利完成，必须要付出一定的工作量(proof of Work)，并且在完成交易时盖上一个时间戳表示交易完成的时间。

8. 比特币交易过程中是如何加密的

比特币系统是采用非对称加密来提升交易安全性。这也是盈富财经学院的人告诉我的，当时有个朋友在那。

在信息加密以及解密过程中，会使用了不同的密钥，只有利用对应的公钥才能进行解密，拥有私钥就等于拥有比特币的所有权。

同样，比特币用户也需通过身份验证，就能确保自身加密货币资产的所有权。

9. 比特币的核心技术包括哪些

比特币的核心技术包括1、非对称加密技术 2、点对点传输技术 3、哈希现金算法机制。
1.非对称加密技术和对称加密技术最大的不同就是有了公钥和私钥之分。非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥(publickey)和私有密钥(privatekey)。公开密钥与私有密钥是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密;如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。公钥是公开的，私钥是保密的。 由于不涉及私钥的传输，整个传输过程就变得安全多了。后来又出现了具备商业实用性的非对称RSA加密算法以及后来的椭圆曲线加密算法(ECC)，这些都奠定了加密算法理论的基础，但是美国国家安全局NSA最初认为这些技术对国家安全构成威胁，所以对这些技术进行了严密的监控，知道20世纪90年代末NSA才放弃了对这些技术的监控，这些非对称技术才最终走入了了公众的视野。这项技术对应到比特币场景中就是比特币的地址和私钥。
2.点对点传输技术顾名思义，就是无需中心服务器、个体之间可以相互传输信息的技术，P2P网络的重要目标就是让所有客户端都能提供资源，包括宽带、存储空间和计算能力。 对应到比特币网络中就是利用点对点的技术实现真正的去中心化。
3.哈希现金算法机制就是让那些制造垃圾邮件的人付出相应的代价!发送者需要付出一定的工作量，比如说哈希运算，几秒钟时间对于普通用户不算什么，但对于垃圾邮件的发送者每封邮件都要花几秒钟的时间，这样的成本是没有办法负担的。同时每次运算都会盖上一个独一无二的时间戳，这样就能保证邮件发送方不能重复使用一个运算结果。 对于比特币而言也是同样的道理，如何保证一笔数字货币没有被多次消费(Double Spending)，就类似于验证一封邮件没有被多次发送，所以就要保证每一笔交易顺利完成，必须要付出一定的工作量(proof of Work)，并且在完成交易时盖上一个时间戳表示交易完成的时间。

10. 比特币钱包是什么

比特币钱包里存储着你的比特币信息，包括比特币地址（类似于你的银行卡账号）、私钥（类似于你银行卡的密码）。就像实物钱包里可以存放多张银行卡，比特币钱包里也可以存储多个比特币地址，以及每个比特币地址所对应的独立的私钥。比特币钱包的核心功能就是保护你的私钥，如果钱包丢失，你将永远失去这笔比特币。比特币钱包有很多种形态，如PC或手机钱包客户端、在线网页钱包、甚至是记录了比特币私钥的小本本（纸钱包）或者大脑（脑钱包）。你可以根据需求来选择适合自己的钱包。俗话说“鸡蛋不要放在一个篮子里”，采用多种方式分散存储也是降低风险的有效方式。