密码学初探

密码学是学习区块链技术最重要的课程之一。

因为区块链技术，包括比特币，它们之所以这么安全，最重要的基石就是密码，包括非对称加密、哈希、数字签名这些技术。

如果不理解密码，就不能理解之后的签名、地址、验证等问题。

对非专业研究算法的我们来说，密码学的原理并不复杂，关键掌握以下要点：

一、进制&存储单位

1、进制是一种计数方法

（注：上图“2进制”与“10进制”写反了）

2、存储单位

（注：上图“BG”应为“GB”，“TG”应为“PG”）

比特币挖矿算力8359PH/s，指比特币每秒钟的算力达到8359PG的哈希量。

二、加密解密

1、对称加密

对称加密中，密钥只有一个，一旦密钥丢失或被盗，任何得到密钥的人都能解密信息。这也正是对称加密的缺点，传递过程中无法确保密钥的绝对安全。

对称加密中的密钥就类似于我们在谍战剧中看到的密码本，任何得到密码本的人都可以根据密码本破译出原文，所以密码本的安全传递就非常重要。

那怎样才能更安全的传递信息呢？

这就需要非对称加密。

2、非对称加密

非对称加密由公钥和私钥进行加密。

私钥是本机电脑上自动生成的。公钥是私钥根据算法生成的。

传递的只是公钥。私钥由个人保存，用于解密。

发送方将信息用接收方的公钥进行加密（公钥可以公开），随机生成一段密文，接收方接到密文后，用自己的私钥进行解密，还原信息。

整个过程解决了安全问题，但没有解决“接收方如何验证信息是由指定的发送方发送”的问题。

就好比我收到了一个信息，我还原了这个信息，我如何知道这个信息是你发给我的而不是别的人发给我的？

这就需要数字签名。

在谈数字签名之前，我们先谈谈另一个重要的概念：哈希。

三、哈希-Hash

哈希是将一段任意长度的数据，转换为一段定长的数据。

我们可以根据原数据生成哈希值，但无法通过哈希倒推出原数据。这个过程是不可逆的。

（公钥加密后生成的密文是随机的，但都能用对应的私钥进行解密。

而同一数据生成的哈希值是确定的，因此哈希值可以用来验证数据。）

下图为哈希运算界面

你可以将任意长度的数据，无论是几K或是几G的文件输入，点击“Hash”，就会生成很多格式的哈希值。以前比较常用的有MD5，但是随着计算机算力的增强现在它的安全性受到了挑战。现在比特币的哈希值采用的是“SHA-256”格式，今后也许会采用“SHA-384”或其它长的格式。

哈希可以用于很多方面。比如财务软件安全下载。

如果你要下载一款炒股的软件，下载界面就会出现它的哈希结果：MD5……

当你下载完成以后，你想验证你所下载的这个软件是不是安全的，你就可以对这个下载的文件进行哈希：

然后生成的哈希结果与原下载界面的哈希结果进行比对验证，如果一致，证明这个软件是安全的，没有被篡改过。

哈希还可以用于用户密码的存储：

现在很多服务器都不直接存储用户密码的明文，那样一旦被攻击，或者发生数据库管理员监守自盗，所有的信息直接暴露。

因为哈希的不可逆性，哈希值可以用来验证用户密码，却不能倒推出用户密码，所以现在大多服务器存储的都是哈希。

但是哈希存储可以用“彩虹表攻击”的方法，就是先大量的输入猜测的密码，用生成的哈希值与服务器存储的哈希值作比对，一旦一致就可以倒推出用户密码。

针对“彩虹表攻击”，现在很多服务器采取的是“盐+哈希”存储的方式，就是在原密码的基础上，引入一个随机数，比如时间，当做“盐”，生成一个新的哈希，这样就使得彩虹表失效。

四、签名

发送方将信息用接收方的公钥进行加密，生成一个随机的密文，发送给接收方。

接受方接到密文后，用自己的密钥进行解密，得到一个信息。

接收方如何确认这个信息是指定的发送方所发送的呢？

这就需要数字签名。

发送方先将信息进行哈希，生成的摘要用自己的私钥进行签名，然后发送给接收方。

接收方接收后，用发送方的公钥进行解密，生成一个摘要。

然后接收方再把之前收到的信息进行哈希，生成一个摘要。两个摘要做比对，如果一致，就证明是确定的发送方发送的。

在实际应用中，由证书授权重心CA来证明“我确实是我”。

五、结语

相信学完这一课，你对公钥、私钥、哈希、签名等都有了新的认识。

公钥加密，私钥解密。

私钥签名，公钥解密。

区块链的世界，切记要保护好自己的私钥。

（本文根据新大区块链课程整理，授课人：周兵，图片来源：课程PPT）