区块链数字签名运用对称加密

A. 什么是数字签名

数字签名（又称公钥数字签名、电子签章）是一种类似写在纸上的普通的物理签名，但是使用了公钥加密领域的技术实现，用于鉴别数字信息的方法。一套数字签名通常定义两种互补的运算，一个用于签名，另一个用于验证。
数字签名，就是只有信息的发送者才能产生的别人无法伪造的一段数字串，这段数字串同时也是对信息的发送者发送信息真实性的一个有效证明。
数字签名是非对称密钥加密技术与数字摘要技术的应用。

B. 【深度知识】区块链之加密原理图示(加密,签名)

先放一张以太坊的架构图：

在学习的过程中主要是采用单个模块了学习了解的，包括P2P,密码学，网络，协议等。直接开始总结：

秘钥分配问题也就是秘钥的传输问题，如果对称秘钥，那么只能在线下进行秘钥的交换。如果在线上传输秘钥，那就有可能被拦截。所以采用非对称加密，两把钥匙，一把私钥自留，一把公钥公开。公钥可以在网上传输。不用线下交易。保证数据的安全性。

如上图，A节点发送数据到B节点，此时采用公钥加密。A节点从自己的公钥中获取到B节点的公钥对明文数据加密，得到密文发送给B节点。而B节点采用自己的私钥解密。

2、无法解决消息篡改。

如上图，A节点采用B的公钥进行加密，然后将密文传输给B节点。B节点拿A节点的公钥将密文解密。

1、由于A的公钥是公开的，一旦网上黑客拦截消息，密文形同虚设。说白了，这种加密方式，只要拦截消息，就都能解开。

2、同样存在无法确定消息来源的问题，和消息篡改的问题。

如上图，A节点在发送数据前，先用B的公钥加密，得到密文1，再用A的私钥对密文1加密得到密文2。而B节点得到密文后，先用A的公钥解密，得到密文1，之后用B的私钥解密得到明文。

1、当网络上拦截到数据密文2时， 由于A的公钥是公开的，故可以用A的公钥对密文2解密，就得到了密文1。所以这样看起来是双重加密，其实最后一层的私钥签名是无效的。一般来讲，我们都希望签名是签在最原始的数据上。如果签名放在后面，由于公钥是公开的，签名就缺乏安全性。

2、存在性能问题，非对称加密本身效率就很低下，还进行了两次加密过程。

如上图，A节点先用A的私钥加密，之后用B的公钥加密。B节点收到消息后，先采用B的私钥解密，然后再利用A的公钥解密。

1、当密文数据2被黑客拦截后，由于密文2只能采用B的私钥解密，而B的私钥只有B节点有，其他人无法机密。故安全性最高。
2、当B节点解密得到密文1后， 只能采用A的公钥来解密。而只有经过A的私钥加密的数据才能用A的公钥解密成功，A的私钥只有A节点有，所以可以确定数据是由A节点传输过来的。

经两次非对称加密，性能问题比较严重。

基于以上篡改数据的问题，我们引入了消息认证。经过消息认证后的加密流程如下：

当A节点发送消息前，先对明文数据做一次散列计算。得到一个摘要, 之后将照耀与原始数据同时发送给B节点。当B节点接收到消息后，对消息解密。解析出其中的散列摘要和原始数据，然后再对原始数据进行一次同样的散列计算得到摘要1, 比较摘要与摘要1。如果相同则未被篡改，如果不同则表示已经被篡改。

在传输过程中，密文2只要被篡改，最后导致的hash与hash1就会产生不同。

无法解决签名问题，也就是双方相互攻击。A对于自己发送的消息始终不承认。比如A对B发送了一条错误消息，导致B有损失。但A抵赖不是自己发送的。

在(三)的过程中，没有办法解决交互双方相互攻击。什么意思呢？ 有可能是因为A发送的消息，对A节点不利，后来A就抵赖这消息不是它发送的。

为了解决这个问题，故引入了签名。这里我们将(二)-4中的加密方式，与消息签名合并设计在一起。

在上图中，我们利用A节点的私钥对其发送的摘要信息进行签名，然后将签名+原文，再利用B的公钥进行加密。而B得到密文后，先用B的私钥解密，然后 对摘要再用A的公钥解密，只有比较两次摘要的内容是否相同。这既避免了防篡改问题，有规避了双方攻击问题。因为A对信息进行了签名，故是无法抵赖的。

为了解决非对称加密数据时的性能问题，故往往采用混合加密。这里就需要引入对称加密，如下图:

在对数据加密时，我们采用了双方共享的对称秘钥来加密。而对称秘钥尽量不要在网络上传输，以免丢失。这里的共享对称秘钥是根据自己的私钥和对方的公钥计算出的，然后适用对称秘钥对数据加密。而对方接收到数据时，也计算出对称秘钥然后对密文解密。

以上这种对称秘钥是不安全的，因为A的私钥和B的公钥一般短期内固定，所以共享对称秘钥也是固定不变的。为了增强安全性，最好的方式是每次交互都生成一个临时的共享对称秘钥。那么如何才能在每次交互过程中生成一个随机的对称秘钥，且不需要传输呢？

那么如何生成随机的共享秘钥进行加密呢？

对于发送方A节点，在每次发送时，都生成一个临时非对称秘钥对，然后根据B节点的公钥 和 临时的非对称私钥 可以计算出一个对称秘钥(KA算法-Key Agreement)。然后利用该对称秘钥对数据进行加密，针对共享秘钥这里的流程如下：

对于B节点，当接收到传输过来的数据时，解析出其中A节点的随机公钥，之后利用A节点的随机公钥 与 B节点自身的私钥 计算出对称秘钥(KA算法)。之后利用对称秘钥机密数据。

对于以上加密方式，其实仍然存在很多问题，比如如何避免重放攻击(在消息中加入 Nonce )，再比如彩虹表(参考 KDF机制解决 )之类的问题。由于时间及能力有限，故暂时忽略。

那么究竟应该采用何种加密呢？

主要还是基于要传输的数据的安全等级来考量。不重要的数据其实做好认证和签名就可以，但是很重要的数据就需要采用安全等级比较高的加密方案了。

密码套件 是一个网络协议的概念。其中主要包括身份认证、加密、消息认证(MAC)、秘钥交换的算法组成。

在整个网络的传输过程中，根据密码套件主要分如下几大类算法：

秘钥交换算法：比如ECDHE、RSA。主要用于客户端和服务端握手时如何进行身份验证。

消息认证算法：比如SHA1、SHA2、SHA3。主要用于消息摘要。

批量加密算法：比如AES, 主要用于加密信息流。

伪随机数算法：例如TLS 1.2的伪随机函数使用MAC算法的散列函数来创建一个 主密钥 ——连接双方共享的一个48字节的私钥。主密钥在创建会话密钥（例如创建MAC）时作为一个熵来源。

在网络中，一次消息的传输一般需要在如下4个阶段分别进行加密，才能保证消息安全、可靠的传输。

握手/网络协商阶段：

在双方进行握手阶段，需要进行链接的协商。主要的加密算法包括RSA、DH、ECDH等

身份认证阶段：

身份认证阶段，需要确定发送的消息的来源来源。主要采用的加密方式包括RSA、DSA、ECDSA(ECC加密，DSA签名)等。

消息加密阶段：

消息加密指对发送的信息流进行加密。主要采用的加密方式包括DES、RC4、AES等。

消息身份认证阶段/防篡改阶段：

主要是保证消息在传输过程中确保没有被篡改过。主要的加密方式包括MD5、SHA1、SHA2、SHA3等。

ECC ：Elliptic Curves Cryptography，椭圆曲线密码编码学。是一种根据椭圆上点倍积生成 公钥、私钥的算法。用于生成公私秘钥。

ECDSA ：用于数字签名,是一种数字签名算法。一种有效的数字签名使接收者有理由相信消息是由已知的发送者创建的，从而发送者不能否认已经发送了消息(身份验证和不可否认)，并且消息在运输过程中没有改变。ECDSA签名算法是ECC与DSA的结合，整个签名过程与DSA类似，所不一样的是签名中采取的算法为ECC，最后签名出来的值也是分为r,s。 主要用于身份认证阶段 。

ECDH ：也是基于ECC算法的霍夫曼树秘钥，通过ECDH，双方可以在不共享任何秘密的前提下协商出一个共享秘密，并且是这种共享秘钥是为当前的通信暂时性的随机生成的，通信一旦中断秘钥就消失。 主要用于握手磋商阶段。

ECIES： 是一种集成加密方案,也可称为一种混合加密方案，它提供了对所选择的明文和选择的密码文本攻击的语义安全性。ECIES可以使用不同类型的函数：秘钥协商函数(KA)，秘钥推导函数(KDF)，对称加密方案(ENC)，哈希函数(HASH), H-MAC函数(MAC)。

ECC 是椭圆加密算法，主要讲述了按照公私钥怎么在椭圆上产生，并且不可逆。 ECDSA 则主要是采用ECC算法怎么来做签名， ECDH 则是采用ECC算法怎么生成对称秘钥。以上三者都是对ECC加密算法的应用。而现实场景中，我们往往会采用混合加密(对称加密，非对称加密结合使用，签名技术等一起使用)。 ECIES 就是底层利用ECC算法提供的一套集成(混合)加密方案。其中包括了非对称加密，对称加密和签名的功能。

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这个先订条件是为了保证曲线不包含奇点。

所以，随着曲线参数a和b的不断变化，曲线也呈现出了不同的形状。比如:

所有的非对称加密的基本原理基本都是基于一个公式 K = k G。其中K代表公钥，k代表私钥，G代表某一个选取的基点。非对称加密的算法 就是要保证 该公式 不可进行逆运算( 也就是说G/K是无法计算的 )。 *

ECC是如何计算出公私钥呢？这里我按照我自己的理解来描述。

我理解，ECC的核心思想就是：选择曲线上的一个基点G，之后随机在ECC曲线上取一个点k(作为私钥)，然后根据k G计算出我们的公钥K。并且保证公钥K也要在曲线上。*

那么k G怎么计算呢？如何计算k G才能保证最后的结果不可逆呢？这就是ECC算法要解决的。

首先，我们先随便选择一条ECC曲线，a = -3, b = 7 得到如下曲线：

在这个曲线上，我随机选取两个点，这两个点的乘法怎么算呢？我们可以简化下问题，乘法是都可以用加法表示的，比如2 2 = 2+2，3 5 = 5+5+5。 那么我们只要能在曲线上计算出加法，理论上就能算乘法。所以，只要能在这个曲线上进行加法计算，理论上就可以来计算乘法，理论上也就可以计算k*G这种表达式的值。

曲线上两点的加法又怎么算呢？这里ECC为了保证不可逆性，在曲线上自定义了加法体系。

现实中，1+1=2，2+2=4，但在ECC算法里，我们理解的这种加法体系是不可能。故需要自定义一套适用于该曲线的加法体系。

ECC定义，在图形中随机找一条直线，与ECC曲线相交于三个点(也有可能是两个点)，这三点分别是P、Q、R。

那么P+Q+R = 0。其中0 不是坐标轴上的0点，而是ECC中的无穷远点。也就是说定义了无穷远点为0点。

同样，我们就能得出 P+Q = -R。 由于R 与-R是关于X轴对称的，所以我们就能在曲线上找到其坐标。

P+R+Q = 0, 故P+R = -Q , 如上图。

以上就描述了ECC曲线的世界里是如何进行加法运算的。

从上图可看出，直线与曲线只有两个交点，也就是说 直线是曲线的切线。此时P,R 重合了。

也就是P = R, 根据上述ECC的加法体系，P+R+Q = 0, 就可以得出 P+R+Q = 2P+Q = 2R+Q=0

于是乎得到 2 P = -Q (是不是与我们非对称算法的公式 K = k G 越来越近了)。

于是我们得出一个结论，可以算乘法，不过只有在切点的时候才能算乘法，而且只能算2的乘法。

假若 2 可以变成任意个数进行想乘，那么就能代表在ECC曲线里可以进行乘法运算，那么ECC算法就能满足非对称加密算法的要求了。

那么我们是不是可以随机任何一个数的乘法都可以算呢？ 答案是肯定的。 也就是点倍积 计算方式。

选一个随机数 k, 那么k * P等于多少呢？

我们知道在计算机的世界里，所有的都是二进制的，ECC既然能算2的乘法，那么我们可以将随机数k描 述成二进制然后计算。假若k = 151 = 10010111

由于2 P = -Q 所以 这样就计算出了k P。 这就是点倍积算法 。所以在ECC的曲线体系下是可以来计算乘法，那么以为这非对称加密的方式是可行的。

至于为什么这样计算 是不可逆的。这需要大量的推演，我也不了解。但是我觉得可以这样理解：

我们的手表上，一般都有时间刻度。现在如果把1990年01月01日0点0分0秒作为起始点，如果告诉你至起始点为止时间流逝了 整1年，那么我们是可以计算出现在的时间的，也就是能在手表上将时分秒指针应该指向00：00：00。但是反过来，我说现在手表上的时分秒指针指向了00：00：00,你能告诉我至起始点算过了有几年了么？

ECDSA签名算法和其他DSA、RSA基本相似，都是采用私钥签名，公钥验证。只不过算法体系采用的是ECC的算法。交互的双方要采用同一套参数体系。签名原理如下：

在曲线上选取一个无穷远点为基点 G = (x,y)。随机在曲线上取一点k 作为私钥， K = k*G 计算出公钥。

签名过程：

生成随机数R, 计算出RG.

根据随机数R,消息M的HASH值H,以及私钥k, 计算出签名S = (H+kx)/R.

将消息M,RG,S发送给接收方。

签名验证过程：

接收到消息M, RG,S

根据消息计算出HASH值H

根据发送方的公钥K,计算 HG/S + xK/S, 将计算的结果与 RG比较。如果相等则验证成功。

公式推论：

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

在介绍原理前，说明一下ECC是满足结合律和交换律的，也就是说A+B+C = A+C+B = (A+C)+B。

这里举一个WIKI上的例子说明如何生成共享秘钥，也可以参考 Alice And Bob 的例子。

Alice 与Bob 要进行通信，双方前提都是基于 同一参数体系的ECC生成的 公钥和私钥。所以有ECC有共同的基点G。

生成秘钥阶段：

Alice 采用公钥算法 KA = ka * G ，生成了公钥KA和私钥ka, 并公开公钥KA。

Bob 采用公钥算法 KB = kb * G ，生成了公钥KB和私钥 kb, 并公开公钥KB。

计算ECDH阶段：

Alice 利用计算公式 Q = ka * KB 计算出一个秘钥Q。

Bob 利用计算公式 Q' = kb * KA 计算出一个秘钥Q'。

共享秘钥验证：

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

故 双方分别计算出的共享秘钥不需要进行公开就可采用Q进行加密。我们将Q称为共享秘钥。

在以太坊中，采用的ECIEC的加密套件中的其他内容：

1、其中HASH算法采用的是最安全的SHA3算法 Keccak 。

2、签名算法采用的是 ECDSA

3、认证方式采用的是 H-MAC

4、ECC的参数体系采用了secp256k1, 其他参数体系 参考这里

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

在 以太坊 的 UDP通信时(RPC通信加密方式不同)，则采用了以上的实现方式，并扩展化了。

首先，以太坊的UDP通信的结构如下：

其中，sig是 经过 私钥加密的签名信息。mac是可以理解为整个消息的摘要， ptype是消息的事件类型，data则是经过RLP编码后的传输数据。

其UDP的整个的加密，认证，签名模型如下：

C. 什么是数字签名

数字签名是用于验证数字和数据真实性和完整性的加密机制。我们可以将其视为传统手写签名方式的数字化版本，并且相比于签字具有更高的复杂性和安全性。

简而言之，我们可以将数字签名理解为附加到消息或文档中的代码。在生成数字签名之后，其可以作为证明消息从发送方到接收方的传输过程中没有被篡改的证据。

虽然使用密码学保护通信机密性的概念可以追溯到古代，但随着公钥密码学（PKC）的发展，数字签名方案在20世纪70年代才成为现实。因此，要了解数字签名的工作原理，我们首先需要了解散列函数和公钥加密的基础知识。

哈希是数字签名中的核心要素之一。哈希值的运算过程是指将任意长度的数据转换为固定长度。这是通过称为散列函数的特殊运算实现的。经过散列函数运算而生成的值称为哈希值或消息摘要。

当哈希值与加密算法相结合，即使用加密散列函数的方法来生成散列值（摘要），该值可作为唯一的数字指纹。这意味着对于输入数据（消息）的任何更改都会导致有完全不同的输出值（散列值）。这就是加密散列函数被广泛用于验证数字和数据真实性的原因。

公钥加密或PKC是指使用一对密钥的加密系统：公钥和私钥。这两个密钥在数学上是相关的，可用于数据加密和数字签名。

作为一种加密工具，PKC相比于对称加密具有更高的安全性。对称加密系统依赖于相同的密钥进行加密和解密信息，但PKC则使用公钥进行数据加密，并使用相应的私钥进行数据解密。

除此之外，PKC还可以应用于生成数字签名。本质上，该过程发送方使用自己的私钥对消息（数据）的哈希值进行加密。接下来，消息的接收者可以使用签名者提供的公钥来检查该数字签名是否有效。

在某些情况下，数字签名本身可能包括了加密的过程，但并非总是这样。例如，比特币区块链使用PKC和数字签名，而并不像大多数人所认为的，这个过程中并没有进行加密。从技术上讲，比特币又部署了所谓的椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）来验证交易。

在加密货币的背景下，数字签名系统通常包含三个基本流程：散列、签名和验证。

第一步是对消息或数据进行散列。通过散列算法对数据进行运算，生成哈希值（即消息摘要）来完成的。如上所述，消息的长度可能会有很大差异，但是当消息被散列后，它们的哈希值都具有相同的长度。这是散列函数的最基本属性。

但是，仅仅将消息进行散列并不是生成数字签名的必要条件，因为也可以使用私钥对没有进行过散列的消息进行加密。但对于加密货币，消息是需要经过散列函数处理的，因为处理固定长度的哈希值有助于加密货币的程序运行。

对信息进行散列处理后，消息的发件人需要对其消息进行签名。这里就用到了公钥密码学。有几种类型的数字签名算法，每种算法都有自己独特的运行机制。本质上，都是使用私钥对经过散列的消息（哈希值）进行签名，然后消息的接收者可以使用相应的公钥（由签名者提供）来检查其有效性。

换句话说，如果在生成签名时不使用私钥，则消息的接收者将不能使用相应的公钥来验证其有效性。公钥和私钥都是由消息的发送者生成的，但仅将公钥共享给接收者。

需要注意的是，数字签名与每条消息的内容相关联。因此，与手写签名所不同，每条消息的数字签名都是不同的。

让我们举一个例子说明下整个过程，包括从开始直到最后一步的验证。我们假设Alice向Bob发送一条消息、并将该消息进行散列得到哈希值，然后将哈希值与她的私钥结合起来生成数字签名。数字签名将作为该消息的唯一数字指纹。

当Bob收到消息时，他可以使用Alice提供的公钥来检查数字签名的有效性。这样，Bob可以确定签名是由Alice创建的，因为只有她拥有与该公钥所对应的私钥（至少这与我们所假设的一致）。

因此，Alice需要保管好私钥至关重要。如果另一个人拿到了Alice的私钥，他们就同样可以创建数字签名并伪装成Alice。在比特币的背景下，这意味着有人可以使用Alice的私钥，并可在未经她知晓的情况下转移或使用她的比特币。

数字签名通常用于实现以下三方面目标：数据完整性、身份验证和不可否认性。

数字签名可以应用于各种数字文档和证书。因此，他们有几个应用程序。一些最常见的案例包括：

数字签名方案面临的主要挑战主要局限于以下三方面因素：

简而言之，数字签名可以理解为是一种特定类型的电子签名，特指使用电子化的方式签署文档和消息。因此，所有数字签名都可认为是电子签名，但反之并非如此。

它们之间的主要区别在于身份验证方式。数字签名需要部署加密系统，例如散列函数、公钥加密和加密技术。

散列函数和公钥加密是数字签名系统的核心，现已在各种案例中使用。如果实施得当，数字签名可以提高安全性，确保完整性，便于对各类数据进行身份验证。

在区块链领域，数字签名用于签署和授权加密货币交易。它们对比特币尤为重要，因为数字签名能够确保代币只能由拥有相应私钥的人使用。

虽然我们多年来一直使用电子和数字签名，但仍有很大的发展空间。如今大部分的公文仍然还是基于纸质材料，但随着更多的系统迁移到数字化中，我们还会看到更多的数字签名方案。

D. 区块链使用安全如何来保证呢

区块链本身解决的就是陌生人之间大规模协作问题，即陌生人在不需要彼此信任的情况下就可以相互协作。那么如何保证陌生人之间的信任来实现彼此的共识机制呢？中心化的系统利用的是可信的第三方背书，比如银行，银行在老百姓看来是可靠的值得信任的机构，老百姓可以信赖银行，由银行解决现实中的纠纷问题。但是，去中心化的区块链是如何保证信任的呢？
实际上，区块链是利用现代密码学的基础原理来确保其安全机制的。密码学和安全领域所涉及的知识体系十分繁杂，我这里只介绍与区块链相关的密码学基础知识，包括Hash算法、加密算法、信息摘要和数字签名、零知识证明、量子密码学等。您可以通过这节课来了解运用密码学技术下的区块链如何保证其机密性、完整性、认证性和不可抵赖性。
基础课程第七课 区块链安全基础知识
一、哈希算法（Hash算法）
哈希函数（Hash），又称为散列函数。哈希函数：Hash(原始信息) = 摘要信息，哈希函数能将任意长度的二进制明文串映射为较短的（一般是固定长度的）二进制串（Hash值）。
一个好的哈希算法具备以下4个特点:
1、 一一对应：同样的明文输入和哈希算法，总能得到相同的摘要信息输出。
2、 输入敏感：明文输入哪怕发生任何最微小的变化，新产生的摘要信息都会发生较大变化，与原来的输出差异巨大。
3、 易于验证：明文输入和哈希算法都是公开的，任何人都可以自行计算，输出的哈希值是否正确。
4、 不可逆：如果只有输出的哈希值，由哈希算法是绝对无法反推出明文的。
5、 冲突避免：很难找到两段内容不同的明文，而它们的Hash值一致（发生碰撞）。
举例说明：
Hash(张三借给李四10万，借期6个月) = 123456789012
账本上记录了123456789012这样一条记录。
可以看出哈希函数有4个作用：
简化信息
很好理解，哈希后的信息变短了。
标识信息
可以使用123456789012来标识原始信息，摘要信息也称为原始信息的id。
隐匿信息
账本是123456789012这样一条记录，原始信息被隐匿。
验证信息
假如李四在还款时欺骗说，张三只借给李四5万，双方可以用哈希取值后与之前记录的哈希值123456789012来验证原始信息
Hash（张三借给李四5万，借期6个月）=987654321098
987654321098与123456789012完全不同，则证明李四说谎了，则成功的保证了信息的不可篡改性。
常见的Hash算法包括MD4、MD5、SHA系列算法，现在主流领域使用的基本都是SHA系列算法。SHA（Secure Hash Algorithm）并非一个算法，而是一组hash算法。最初是SHA-1系列，现在主流应用的是SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512算法（通称SHA-2），最近也提出了SHA-3相关算法，如以太坊所使用的KECCAK-256就是属于这种算法。
MD5是一个非常经典的Hash算法，不过可惜的是它和SHA-1算法都已经被破解，被业内认为其安全性不足以应用于商业场景，一般推荐至少是SHA2-256或者更安全的算法。
哈希算法在区块链中得到广泛使用，例如区块中，后一个区块均会包含前一个区块的哈希值，并且以后一个区块的内容+前一个区块的哈希值共同计算后一个区块的哈希值，保证了链的连续性和不可篡改性。
二、加解密算法
加解密算法是密码学的核心技术，从设计理念上可以分为两大基础类型：对称加密算法与非对称加密算法。根据加解密过程中所使用的密钥是否相同来加以区分，两种模式适用于不同的需求，恰好形成互补关系，有时也可以组合使用，形成混合加密机制。
对称加密算法（symmetric cryptography,又称公共密钥加密，common-key cryptography），加解密的密钥都是相同的，其优势是计算效率高，加密强度高；其缺点是需要提前共享密钥，容易泄露丢失密钥。常见的算法有DES、3DES、AES等。
非对称加密算法（asymmetric cryptography，又称公钥加密，public-key cryptography），与加解密的密钥是不同的，其优势是无需提前共享密钥；其缺点在于计算效率低，只能加密篇幅较短的内容。常见的算法有RSA、SM2、ElGamal和椭圆曲线系列算法等。 对称加密算法，适用于大量数据的加解密过程；不能用于签名场景：并且往往需要提前分发好密钥。非对称加密算法一般适用于签名场景或密钥协商，但是不适于大量数据的加解密。
三、信息摘要和数字签名
顾名思义，信息摘要是对信息内容进行Hash运算，获取唯一的摘要值来替代原始完整的信息内容。信息摘要是Hash算法最重要的一个用途。利用Hash函数的抗碰撞性特点，信息摘要可以解决内容未被篡改过的问题。
数字签名与在纸质合同上签名确认合同内容和证明身份类似，数字签名基于非对称加密，既可以用于证明某数字内容的完整性，同时又可以确认来源（或不可抵赖）。
我们对数字签名有两个特性要求，使其与我们对手写签名的预期一致。第一，只有你自己可以制作本人的签名，但是任何看到它的人都可以验证其有效性；第二，我们希望签名只与某一特定文件有关，而不支持其他文件。这些都可以通过我们上面的非对称加密算法来实现数字签名。
在实践中，我们一般都是对信息的哈希值进行签名，而不是对信息本身进行签名，这是由非对称加密算法的效率所决定的。相对应于区块链中，则是对哈希指针进行签名，如果用这种方式，前面的是整个结构，而非仅仅哈希指针本身。
四 、零知识证明（Zero Knowledge proof）
零知识证明是指证明者在不向验证者提供任何额外信息的前提下，使验证者相信某个论断是正确的。
零知识证明一般满足三个条件：
1、 完整性（Complteness）：真实的证明可以让验证者成功验证；
2、 可靠性（Soundness）：虚假的证明无法让验证者通过验证；
3、 零知识（Zero-Knowledge）：如果得到证明，无法从证明过程中获知证明信息之外的任何信息。
五、量子密码学（Quantum cryptography）
随着量子计算和量子通信的研究受到越来越多的关注，未来量子密码学将对密码学信息安全产生巨大冲击。
量子计算的核心原理就是利用量子比特可以同时处于多个相干叠加态，理论上可以通过少量量子比特来表达大量信息，同时进行处理，大大提高计算速度。
这样的话，目前的大量加密算法，从理论上来说都是不可靠的，是可被破解的，那么使得加密算法不得不升级换代，否则就会被量子计算所攻破。
众所周知，量子计算现在还仅停留在理论阶段，距离大规模商用还有较远的距离。不过新一代的加密算法，都要考虑到这种情况存在的可能性。

E. 区块链中的对称加密是什么非对称加密又是什么

对称加密算法是指在加密和解密时使用的是同一个秘钥。与对称加密算法不同，非对称加密算法需要公钥和私钥。公钥和私钥是一对，如果用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密。
非对称加密与对称加密相比，其安全性更好。对称加密的通信双方使用相同的秘钥，如果一方的秘钥遭泄露，那么整个通信就会被破解。
而非对称加密使用一对秘钥，一个用来加密，一个用来解密，而且公钥是公开的，秘钥是自己保存的，在通讯前不需要先同步秘钥，避免了在同步私钥过程中被黑客盗取信息的风险。

F. 区块链技术中的哈希算法是什么

1.1. 简介

计算机行业从业者对哈希这个词应该非常熟悉，哈希能够实现数据从一个维度向另一个维度的映射，通常使用哈希函数实现这种映射。通常业界使用y = hash(x)的方式进行表示，该哈希函数实现对x进行运算计算出一个哈希值y。
区块链中哈希函数特性：

• 函数参数为string类型；

• 固定大小输出；

• 计算高效；

• collision-free 即冲突概率小：x != y => hash(x) != hash(y)
  
  隐藏原始信息：例如区块链中各个节点之间对交易的验证只需要验证交易的信息熵，而不需要对原始信息进行比对，节点间不需要传输交易的原始数据只传输交易的哈希即可，常见算法有SHA系列和MD5等算法
  

1.2. 哈希的用法

哈希在区块链中用处广泛，其一我们称之为哈希指针（Hash Pointer）
哈希指针是指该变量的值是通过实际数据计算出来的且指向实际的数据所在位置，即其既可以表示实际数据内容又可以表示实际数据的存储位置。下图为Hash Pointer的示意图

G. 对称加密、非对称加密、摘要、数字签名、数字证书

作为一个开发人员，或多或少都听说过对称加密、非对称加密、摘要、数字签名、数字证书这几个概念，它们是用来保证在互联网通信过程中数据传输安全的。有人可能会有疑惑，我给传输数据加个密不就安全了，为什么还要搞这么多花样出来？本文主要通过一个案例来讲解这几个概念的实际作用。

在此之前，我先简单介绍一下这几个概念。

对称加密是指用来加密和解密的是同一个秘钥。其特点是加密速度快，但是秘钥容易被黑客截获，所以安全性不高。常见的有AES、DES算法。

非对称加密是指用来加密和解密的是不同的秘钥，它们是成对出现的，称为公钥和私钥，知道其中一个秘钥是无法推导出另外一个秘钥的。用公钥加密的内容需要用私钥才能解密，用私钥加密的内容需要用公钥才能解密。非对称加密的特点是安全性高，缺点是加密速度慢。常见的有RSA算法。

所谓的摘要就是一段信息或者一个文件通过某个哈希算法(也叫摘要算法)而得到的一串字符。摘要算法的特点就是不同的文件计算出的摘要是不同的(也有可能相同，但是可能性非常非常低)，比如一个1G的视频文件，哪怕只是改动其中一个字节，最后计算得到的摘要也是完全不同的，所以摘要算法通常是用来判断文件是否被篡改过。其还有一个特点就是通过摘要是无法推导出源文件的信息的。常用的摘要算法有MD5、SHA等。

数字签名就是一个文件的摘要加密后的信息。数字签名是和源文件一起发送给接收方的，接收方收到后对文件用摘要算法算出一个摘要，然后和数字签名中的摘要进行比对，两者不一致的话说明文件被篡改了。

数字证书是一个经证书授权中心生成的文件，数字证书里一般会包含公钥、公钥拥有者名称、CA的数字签名、有效期、授权中心名称、证书序列号等信息。其中CA的数字签名是验证证书是否被篡改的关键，它其实就是对证书里面除了CA的数字签名以外的内容进行摘要算法得到一个摘要，然后CA机构用他自己的私钥对这个摘要进行加密就生成了CA的数字签名，CA机构会公开它的公钥，验证证书时就是用这个公钥解密CA的数字签名，然后用来验证证书是否被篡改。

场景：

张三要找人装修一个房子，原则是谁的出价便宜就给谁装修，所以对于报价文件就是属于机密文件。下面我们来看下不同的方式传输报价文件都会有什么风险。

现在李四想接这个装修的活，他做了一份报价文件(文件名: lisi.txt ，文件内容: 报价50万 )。然后李四用一个对称秘钥 123 对这个文件进行加密。最后李四将这个秘钥和加密的文件发给张三，张三收到后用这个秘钥解密，知道了李四的报价是50万。

同时王五也想接这个装修的活，他本来是想报价55万的，但是又担心报价太高而丢掉这个活。恰巧王五是个黑客高手，于是他截获了李四发给张三的秘钥和加密文件，知道了李四报价是50万。最后王五将自己的报价改成了49万发给张三，结果王五接下了这个装修活。

结论：
用对称加密的话，一旦秘钥被黑客截获，加密就形同虚设，所以安全性比较低。

首先张三会生成一对秘钥，私钥是 zhangsan1 ，公钥是 zhangsan2 ，私钥张三自己保存，将公钥公布出去。

李四将报价文件 list.txt 用张三公布的公钥 zhangsan2 进行加密后传给张三，然后张三用私钥 zhangsan1 进行解密得到李四的报价是50万。

这个时候即使王五截获到了李四发给张三的报价文件，由于王五没有张三的私钥，所以他是无法解密文件的，也就无法知道李四的报价。最后王五因为报价55万而丢掉了这个装修的机会。

所以用非对称加密是可以保证数据传输安全的。不过这里说一句题外话，既然非对称加密安全性高，那为什么不淘汰掉对称加密呢？其实关键就在于加密速度，非对称加密计算量很大，所以加密速度是很慢的，如果发送消息非常频繁，使用非对称加密的话就会对性能造成很大影响。所以在实际开发过程中通常是对称加密和非对称加密结合使用的。也就是对称加密的秘钥是用非对称加密后发送的，这样能保证对称加密的秘钥不被黑客截获，然后在发送业务数据时就用对称加密。这样既保证了安全性也保证了加密速度。

结论：
非对称加密可以防止黑客截获加密后的内容，安全性高。

前面都说了非对称加密是安全的，那为什么还要数字签名呢？

设想一下，王五截获了李四的报价文件，王五虽然无法知道李四的实际报价，但是他完全可以伪造一份李四的报价(文件名: lisi.txt ，文件内容: 报价60万 )，然后将这份伪造文件用张三公布的公钥 zhangsan2 进行加密后替换原来的报价文件。张三收到后解密发现报价是60万，于是张三就以为李四报的价是60万，最后决定将装修的活给报价55万的王五来做。

发生这个问题的关键就在于张三无法知道报价文件是否被篡改过。要解决这个问题就需要用到数字签名。

首先李四需要自己生成一对非对称加密的秘钥，私钥 lisi1 自己保存，公钥 lisi2 发给张三。然后李四对自己的报价文件通过摘要算法得到一个摘要(假设摘要是 aaa )，再用自己的私钥 lisi1 加密这个摘要就得到了报价文件的数字签名，最后将加密的报价文件和数字签名一起发给张三，张三收到后先用李四发过来的公钥 lisi2 解密数字签名得到摘要 aaa ，然后用自己的私钥 zhangsan1 解密加密的文件得到报价源文件，然后对报价源文件进行摘要算法，看计算得到的结果是不是 aaa ，如果不是 aaa 的话就说明报价文件被篡改了。

在这种情况下，如果王五截获了李四发给张三的文件。王五是无法解密报价文件的。如果王五伪造一份报价文件的话，等张三收到后就会发现报价文件和数字签名不匹配。那王五能不能伪造报价文件的同时也伪造签名呢？因为王五没有李四的私钥，所以没法对伪造的报价文件的摘要进行加密，所以也就没法伪造签名。

结论：
非对称加密虽然能确保加密文件内容不被窃取，但不能保证文件不被篡改。数字签名就是用来验证文件是否被篡改过。

既然非对称加密可以保证文件内容的安全性，数字签名又可以保证文件不被篡改，那还要数字证书有什么用呢？

我们再来设想一下，王五自己也生成了一对用于非对称加密的秘钥，私钥是 wangwu1 ，公钥是 wangwu2 。前面李四将自己的公钥 lisi2 发给张三的过程中被王五给截获了，王五用自己的公钥 wangwu2 替换了李四的公钥 lisi2 ，所以张三最后收到的公钥实际上是王五的，但张三对这并不知情。后面李四发的数字签名和加密的报价文件都被王五截获，并且王五伪造了一份报价文件，同时用自己的私钥加密报价文件的摘要生成伪造的签名并发给张三，张三收到后进行验证发现数字签名和报价文件是匹配的，就以为这份报价文件是真实的。

出现这个问题的关键就在于张三没法确认收到的公钥到底是不是李四发的，这个时候数字证书就起到作用了。李四到权威的数字证书机构申请数字证书，证书里面包含了公钥( lisi2 )和公钥的拥有者( 李四 )等相关信息，然后李四将证书发给张三，张三通过证书里面的信息就可以知道公钥到底是不是李四的了。

那证书在发送过程中有没有可能被王五截获并篡改呢？要知道证书里面还包含CA的数字签名，这个签名是证书机构用他们自己的私钥对证书的摘要进行加密的，而公钥是公开的。所以即便王五截获并篡改了证书内容，他也无法伪造证书机构的签名，张三在收到证书后通过验证签名也会发现证书被篡改了。所以到这一步才能保证数据传输的真正安全。

H. 怎么解读区块链的数字签名

在区块链的分布式网络里，节点之间进行通讯并达成信任，需要依赖数字签名技术，它主要实现了身份确认以及信息真实性、完整性验证。

数字签名

数字签名(又称公钥数字签名、电子签章)是一种类似写在纸上的普通的物理签名，但是使用了公钥加密领域的技术实现，用于鉴别数字信息的方法。一套数字签名通常定义两种互补的运算，一个用于签名，另一个用于验证。就是只有信息的发送者才能产生的别人无法伪造的一段数字串，这段数字串同时也是对信息的发送者发送信息真实性的一个有效证明。简单证明 “我就是我”。

I. 数字签名是非对称加密技术的一种体现，对吗

数字签名：发送者使用其私钥加密，然后接收者使用发送者的公钥解密验证。
非对称加密对数据加密：使用接收者的公钥对数据加密，然后接收者收到后使用其私钥解密。
数字签名是非对称加密技术的一种应用吧
可以这么理解。