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Web3公开课-第二讲.17924171

发布时间 2023-12-24 12:38:42作者: 夏目^_^

Web3公开课-第二讲

为什么讲密码学？

密码学是区块链底层安全机制的保障。（区块链底层基于密码学）

科尔霍夫原则

对于一个密码学系统，应当仅有密钥是保密的，其余算法和一切参数都应该是公开的。（换句话说：保密性只针对于密钥，对于加密过程等其他的内容都应该是公开的）

并不一定在数学上完全不可破解，只要在现实中不可能破解即可（例如：对于一个加密算法，理论上可以破解，但是花费的时间很长）。

加密/解密算法

对称加密

加解密使用相同的密钥，典型的应用：

古典密码学：

  1. 凯撒密码
  2. 维吉尼亚密码

现代对称加密算法：

  1. 分组密码（AES、DES）
  2. 流密码（伪随机数生成器）

优点：加解密效率高

缺点：双方必须事先共享密钥，密钥管理不便，对于传输密钥的信道的安全性要求很高。

非对称加密（重点）

加解密使用不同的密钥（公钥和私钥）公钥公开，私钥自己保存。

如果要保证保密性，使用公钥加密私钥解密。如果用于数字签名（验证发的人是你），那么使用私钥加密，公钥解密。

缺点：效率低（解决：通过非对称加密交换密钥，再用对称加密进行通信）

优点：安全性很高，基于某种数学难题（至今没有什么好的解决方案）（大整数分解等），导致破解密码非常难。

非对称加密算法：

  1. RSA(基于大整数分解)
  2. 离散对数
  3. 椭圆曲线ECC（比特币基于椭圆曲线）

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数字签名

加解密

Alice给Bob传信息，Alice用Bob的公钥加密，Bob用自己的私钥解密

在没有私钥的情况下，无法获取到明文相关信息

数字签名（基于非对称加密）

  1. Alice想证明某个消息是自己发的
  2. Alice用自己的私钥签名，其他人可以用Alice的公钥验证签名有效性
  3. 没有私钥的情况下，无法伪造签名
  4. ECDSA(基于椭圆曲线的数字签名)（椭圆曲线数字签名算法）

数字签名的流程（来自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/629109418）：

  1. 发送方 ”张三“对原始数据通过哈希算法计算出数字摘要，使用私钥对数字摘要进行加密，这个加密后的数据就是数字签名；

  2. 数字签名与”张三“的原始数据一起发送给验证签名的任何一方。

验证数字签名的流程（来自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/629109418）：

  1. 首先，签名的验证方，一定要拥有发送方”张三“的公钥。

  2. 在接收到数字签名与”张三“的原始数据后，首先使用公钥，对数据签名进行解密，得到原始摘要值；

  3. 然后，对”张三“的原始信息通过同样的哈希算法计算出摘要值，再对比通过公钥解密得到的摘要值与重新计算的摘要值是否相同，如果相同，则签名验证通过。

  4. ”张三“的公钥可以解密数字签名，保证了原始数据确实来自”张三“；解密后的摘要值，与原始数据重新计算得出的摘要值相同，保证了原始数据在传输的过程中未经过篡改。

哈希（散列函数）

哈希介绍

哈希算法可以理解为是一种消息摘要，哈希算法可能会产生冲突，如何解决冲突对于哈希算法很重要。

  1. 可以将无穷空间内的消息映射到有限空间内的摘要。（将大范围映射为小范围）
  2. H(M) = x
  3. 确定性算法（对于同一个消息，哈希的结果都是一样的）
  4. 消息一旦改变，摘要也会改变。

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哈希的性质

  1. 不可逆（单向性）：（拿到哈希的人，没办法知道原始明文是什么）
  2. 抗碰撞：哈希函数出现碰撞是不可避免的，一个好的哈希函数应该具有尽量小的碰撞概率（当概率足够小，我们就说这个函数是抗碰撞的）。抗碰撞指：在相同哈希值的情况下，找到两个不同的输入数据的难度（在计算意义上不可能）。
  3. 确定性
  4. 混淆性
  5. 不可预测性：对于原文，只需改动一点，就可以使密文发生翻天覆地的变化。换句话说，无法通过密文去猜测明文。

这里给出其他人在哈希函数抗碰撞性上的理解：

而现在所说的抗碰撞性是指：虽然说会产生哈希碰撞，但这种哈希碰撞很难被人为制造，也就是给定一个输入m，哈希运算得到H(m)，但是很难人工找到另外一个输入m'，使得2次的哈希结果完全相同，即H(m)=H(m')。

上述内容出自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/110128573

区块链中的密码学

钱包地址

每个人都依据钱包地址在区块链上进行交易。

  1. 每个地址实际上对应一对公私钥对
  2. 钱包地址如何生成？生成私钥->公钥->乱七八糟的转换->钱包地址
  3. 私钥是证明你拥有该账户的唯一方式，一旦私钥泄露，该账户将被别人拥有。（代表：任何情况下不要复制私钥/助记词，注意保存）

交易（哈希+数字签名）

  1. 每个交易就是一条message（包含资产的转移等）（简单理解为转钱、金钱的流动等）
  2. 交易的流程：在区块链网络中，每个节点都拥有一份公私钥对，节点发送交易时，先利用自己的私钥对交易内容进行签名，并将签名附加在交易中。其他节点收到广播消息后，首先对交易中附加的数字签名进行验证，完成消息完整性校验和消息发送者身份合法性校验后（验证发送者身份（数字签名），以及发送数据是否被篡改（通过哈希计算报文摘要）），交易才会触发后面的处理流程。（来自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/629109418）
  3. 不要签名未知/不可信的交易，可能导致你的财产损失。

靠哈希算法出块（挖矿）

挖矿通俗的理解就是不断地算哈希值，暴力枚举计算哈希小于某个值。如果我能比你先算出来，那么我就可以获得奖励。

有人为了获得奖励，通过很多台机器来进行计算。

哈希算法如何保证区块链的安全性，防止篡改？

每一个块的头部，都包含的上一个区块的哈希（链式结构），想要修改之前区块中的某个内容，需要从那个块开始整个后面的所有块都要修改（计算哈希很难，对算力的要求极高）。

默克尔树（Merkle Tree）

一种依靠哈希来快速确认某个值是否在一个集合中的数据结构（验证一个交易是否在某个区块中）。

常用于区块存储交易，发行白名单确认等场景。

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致谢

    [1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/629109418
    [2] https://www.bilibili.com/video/BV1YM411J7oS?p=2&vd_source=a642bb3ddc5b706845426dc41d73fbda