高深的密码学+复杂的区块链，其实也可以通俗易懂

密码学，在很多人看来是极为高深、只有数学家才能玩转的技术科学，不清楚如何才能应用于实际开发的过程中。本文将结合应用密码学比较深入的区块链，从扫盲、实战，再到实验、提高，一层层剥开密码学的“神秘面纱”。

扫盲班—密码算法解析

如果您还是密码学小白，那你需要先简单了解一下常用的密码算法：对称加密、非对称加密、数字签名和摘要算法。

对称加密

对称加密又叫传统密码算法，就是加密和解密使用同一个密钥。潜伏里面孙红雷通过电台收听到一堆数字，然后拿出一本书（密码本）比对，找到数字对应的汉字，就明白上级传达的是什么指令了。而军统的监听台没有密码本，只看到一堆没有意义的数字。

用数学公示表示就是：
加密：Ｅ_k(P) = C
解密: Ｄ_k(C) = P

这里E表示加密算法，D表示解密算法，P表示明文, C表示密文。常见的对称加密方法有DES、3DES、Blowfish、RC2、AES以及国密的SM4。有同学会问，什么是国密啊？很机密么？没那么夸张，其实它的全称叫“国家商用密码”，是为了保障商用密码安全，国家商用密码管理办公室制定了一系列密码标准。

非对称加密

对称加密又快又方便，但是有个很大的坑——密码本容易被偷或被破解。从红军到二战，胜利的最大贡献其实就是破解密码。红军在数十倍的包围圈里面自由跳来跳去，那两台大功率电台功劳莫大。怎么能够防止这种情况呢？1977年三位数学家Rivest、Shamir 和 Adleman 设计了一种算法(所以叫RSA)，把密钥分成两个，一个自己持有叫私钥(Private Key)，另一个发给对方，还可以公开，叫公钥(Public Key)，实现用公钥加密的数据只能用私钥解开：

加密: E_公钥(P) = C
解密: D_私钥(C) = P

这下就不用再头痛如何把密码本给对方或被破解了，私钥由自己保管，敌方拦截到密文也没有办法。除了RSA之外，常见的非对称算法还有Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）以及国家商用密码SM2算法。非对称算法核心原理其实就是设计一个数学难题，使得用公钥和明文推导密文很容易，但是很难根据公钥、明文和密文推导私钥。RSA是基于大整数因式分解难度，也就是两个质数相乘很容易，但是找一个大数的质因子非常困难，理论上破解RSA-2048(2048-bit)的密钥可能需要耗费10亿年的时间。

这儿说点题外话：强烈不建议使用RSA，原因如下：

容易被破解：RSA-768可以在3个小时内破解，1024在理论上100小时内也可以破解。所以使用RSA，长度起步要2048。但是数学家彼得·舒尔研究了一个针对整数分解问题的量子算法 (舒尔算法)，理论上破解2048的RSA在100秒之内(好在量子机还未投入使用)。
慢：密钥长度加到2048可以提升安全，但是计算过慢。

数字签名

有了非对称加密，数字签名就很容易理解了。乙方收到甲方传过来的一串信息，怎么能够确定确实是甲方而不是有人伪造呢？我们把非对称加密反过来做就可以了，因为只有甲方自己才持有一份秘密的私钥，他拿这个私钥对数据进行加密得到密文 C = EA私(M)，乙方持有甲方的公钥，解密明文P = DA公(C)，如果能够解密成功就证明信息确实是甲方所发。

不过通常不需要对发送信息的整个内容都加密，那样太慢。只需要计算一个信息的唯一信息摘要并对信息摘要加密解密即可，下面就会讲到数据摘要算法（俗称HASH算法），这也是数字签名的算法名称，很多时候是一个摘要算法+非对称算法，例如SHA1RSA, SHA256RSA等。

摘要算法

俗称HASH算法，学名杂凑算法，也就是从明文P生成较短的固定长度的杂凑值，保证不同的输入产生的输出是唯一的(重复几率非常非常小)。这样就可以广泛用于完整性检查、数字签名等场景。常见的摘要算法有MD5、RIPEMD、SHA和国密的SM3。MD5不建议使用，已经被爆。

实战班—区块链应用

区块链提供了通过机器算法解决参与人之间的信任问题的全新方案，其核心的核心就是在不完全信任的各方，通过深度使用密码学算法来保证数据的不可篡改特性。本节结合实际区块链中的应用，让大家在了解区块链的同时，一起惊叹原来加密算法还可以这么用。

比特币之谁能动我的钱

比特币是公有链，账本分布在无中心的节点上，任何一个节点都可以发出一个转让比特币的交易。那我的比特币是如何保证不被别人转走的呢？假设你拥有100比特币（好有钱哟），那么在公开账本上存有一个数据结构，即所谓的UTXO，其主要内容有：
index: 索引
value: 金额
hash：一个SHA256的数据摘要
script: 脚本，这个是重点要讲的

这个script是一串可执行的二进制代码，比特币定义了一个基于堆栈的脚本执行器，可以执行加减乘除、移位、HASH、验签等算法，类似于常见的科学计算器。当你想花费持有的比特币时，首先需要执行作为输入交易对应UTXO的脚本(script)，称之为“解锁脚本”，只有执行成功才能继续。最常用的一个解锁脚本就是P2PKH脚本：

解锁时传入签名和公钥组成完整脚本：

翻译起来就是： “公钥的HASH160等于<脚本里面的值>并且用这个公钥对HASH值验证签名能够通过”。计算通过，才可以花费这笔资金。因为私钥保存在你自己手上，其他人无法计算出一个满足条件的签名，从而保证了这笔资金只有你自己可以使用。这里除了数字签名外，还有一点体现了中本聪真的很聪明，账本上不会存储你的公钥，而是其HASH160(双HASH,SHA256+RIPEMD160)，由于HASH是单向的，从HASH无法反向推导公钥，这样大大减少未来量子机会带来的风险。

区块链-HASH链之如何防止篡改

前面讲了数字签名在比特币的用法，这里结合区块链数据结构本身讲一下HASH的用法。一个块只是组织数据的结构，这里暂不详述，关键是块里面有个重要的参数 – 前一块的HASH，这样就形成一个链式结构。我们把数据竖起来看，就像是玩积木游戏，节点你一块我一块向上罗，每一块和前一块都有个钩子。如果这个时候有人试图篡改之前的一笔交易，势必会导致那个块的HASH变了，那为了使得改过的交易被大家认可，他可以以这个被改过的块为起点，重新计算后面所有的块，关键是还得比拼得过全世界其他的节点，目前还没人能够做到。

这里就突出了HASH算法的特点：

数据改变一点点，HASH改变非常大。
无法给不同的数据计算出相同的HASH(或者说非常难)。

比特币和以太坊的公私钥—ECC算法

RSA又慢又不安全，所以比特币和以太坊都不采用，而是使用了更安全的椭圆曲线算法 – ECC来做非对称加密基础算法。ECC的210位算法难度就相当于RSA 2048的难度，性能则是数量级的区别。那么椭圆算法又是何方神圣呢？前面讲过非对称算法无非是设计一个数学难题，使得单向计算很方便，而反向计算很难，如RSA使用因式分解的原理，两个大质数相乘很容易，但大数分解质因子很难。

椭圆算法ECC其实就是利用乘法容易，而除法难的特点，设计一个乘法：K = k * G，其中大K是公钥，小k是私钥，G是生成点。由私钥推导公钥很容易，只需要k个G相加即可。但是从公钥推导私钥很难，也就是无法计算公钥K除以G。当然这个加法不能用我们日常的整数加减法，而是利用函数所定义的一个特殊椭圆曲线上散列点的特性定义的加法。其中p是一个常数。不同p可以设计成不同的曲线，比特币使用的p = 2²⁵⁶ – 2³² – 2⁹ – 2⁸ – 2⁷ – 2⁶ – 2⁴ – 1，这个曲线的名称就叫secp256k1。这是一个非常大的数，曲线上的点是一个复杂散点，为了方便展示，这里用小很多的17阶曲线表示加法的定义：

加法定义就是曲线上任意两个点P1和P2，必有第三个点P3，是P1和P2连线的延长线与曲线相交点的x轴映射的点，定义P1+P2=P3。通过数学算法可以证明这种点满足加法乘法交换律：

A + B +C = A + (B + C)
A*(B+C) = A*B + A*C

暂且不进行证明赘述，需要说明的是这里为了完善计算还定义了无穷远点O(相当于0)，满足：P1 + O = P1。（思考一下：如果P1 + P2 = O，那么P1 = -P2了吗？）

ECC加密过程：

K = k * G，大K是公钥，小k是私钥；
把明文编码成曲线上的点M；
生成一个随机数r；
计算密文C1=M + r*K, C2 = r*G，其中大K是公钥；
对方收到密文后，可以计算C1 - kC2 = M，其中小k是私钥；
攻击者得到C1、 C2，公钥K以及基点G，没有私钥是无法计算出M的。

ECC算法用很短的密钥就能达到RSA2048的安全强度，而且计算速度有数量级的提高，所以目前应用很普遍，国密中的SM2就是基于ECC算法的。

实验班-如何使用算法

这些算法感觉还是挺复杂的，我们小白能用起来么？不要只说不练，我们就实际操刀体验一下。其实是别人把框架和算法都写好的啦，比如JAVA，在JDK里面就集成了Java密码学框架 (Java Cryptography Architecture - JCA)，直接拿来用就行了，其他如C#，C++甚至JavaScript都有类似的。

对称加密

把大象关进冰箱需要三步，把明文转成密文也只需要四步：

生成一个密钥（如果已经有密钥，这步也省了），如：

取一个加密器:

初始化成加密模式:

加密:

怎样把密文解密呢？初始化成解密模式就可以了。

SM4是国密4算法，初始化的时候斜杠后面的ECB、PKCS7…是什么？那是因为SM4是分组算法，在加密的时候会把明文先分成固定长度段，那就需要定义分组的模式和填充模式，只要加密解密用同样的模式就行了。当然不同的分组和填充模式各自有特点，那超出本文范围了，有兴趣的同学自学吧。

非对称加密

复习一下非对称加密和对称加密有什么区别啊？密钥分成公私钥对。所以和对称加密区别只是：

在生成密钥的时候是一对，叫KeyPair。
加密的时候用一个如公钥，解密用另一个。

摘要算法

和加密提供了Cipher帮助类一样，HASH算法Java提供了MessageDigest帮助类，只需要调用getInstance就可以获取一个实例：

其参数是HASH算法，如SHA-256, SM3, MD5等。调用update方法设置内容，然后调用digest就拿到HASH了。

数字签名

签名:

验签:

又比大象多一步。

内参必读

有几个要点在实际使用过程中必须要注意。

一、JDK自带的JCE实现算法不全

这里有两个原因：

(1)国家安全出口保护规定（美国）

根据美国安全出口规定，不能对某些国家出口RSA2048、AES256等以上安全算法。解决办法是到JDK的下载站上下载Java Cryptography Extension (JCE) Unlimited Strength Jurisdiction Policy，解压缩到JRE的lib/security下即可。

(2)国密和扩展算法缺失

免费提供的不能强求，不过还是有很多开源和商用的加密组件，这里推荐使用Bouncy Castle，虽然不是最快的，但是完全开源，支持C#, C++, Java多种语言。

把Bouncy Castle集成到JRE有两种方法，一种是修改JRE的java.security增加一个Provider，另一种直接在代码初始化的时候调用Security.addProvider加进去即可:

二、Android 使用Bouncy Castle注意

Bouncy Castle(BC)很强大，Google的android内核也集成了。但是，由于安全要求，这个加密包是阉割过的，自己再集成BC又导致包冲突。解决办法是换个包名，到https://rtyley.github.io/spongycastle/可以获取。

提高班-隐私保护

由于区块链是在非完全信任的一组参与人之间，通过算法解决信任问题，之前讲述的算法保证了数据不可篡改，只有自己才可以操作自己的数据，但是还欠缺一个很重要的课题 – 隐私。隐私和不可篡改其实有些相互矛盾，要实现不可篡改，就得让其他人来验证数据，比如公有链是全网用户都来验证；但是隐私又想只有授权的人才可以验证，甚至希望其他人能验证但是不知道数据，比如盲签名、同态算法等。本节讲述在非安全环境下处理安全数据的一些方法。

数字信封

用非对称算法可以把机密信息安全传给指定的接收人，通常我们会使用对方的公钥进行加密，同时使用自己的私钥对数据进行签名。数字信封提供了一个更方便强大的方法，使得信息只有特定的接收人才可以阅读。数字信封的功能类似于普通信封，内容被包起来，上面写了接收人，只有接收人才能拆信。

制作信封方法：

准备一个生成器

添加接收人:

接收人可以是公钥证书、普通公钥或者密码，可以有多个。

制作信封

拆信封时，只要凭自己的公钥找到自己的收件人信息，然后用持有的私钥抽取内容即可。

组签名和环签名

通常一个合同是以公司的名义进行签署的，例如公司A有三个合同经办人C1、C2、C3，均可以代表公司签署合同。

这里有几个要求：

所签署的合同使用公司的公钥可以验证确实是公司所签署；
能够进一步确定合同经办人的身份；
经办人如离职被吊销个人证书，不影响已有业务数据。

按照孙子定理，n个整数(公钥)的同余方程组是有唯一解的，那么理论上根据组员公钥集合{K1, K2, ..., Kn}选择一组模M，可以求解x做组因子, 实现组员使用自己的私钥ki和x可以对密文进行解密 D(ki, x, C) = P。

类似的原理可以应用到数字签名，实现：

群组签名：机构使用群组公钥做自己的公钥，可以通过验证签名确定签名属于指定的机构，而机构管理员可以进一步确定是那个成员签署的。
环签名：对于匿名要求，可以确定签名是来自于一个群组的成员，但是无法确定是具体哪个成员签署的。

同态加密

私密数据的处理通常是在组内进行，但是使用区块链技术后，私密数据的处理可能会需要在无中心的节点上，甚至是第三方的节点进行处理。这时就需要把要处理的数据在保密状态下进行。例如股东A有100股，卖出60股剩余40股，这是一个减法操作。如果这个过程在智能合约中，智能合约又运行在多个非完全信任的节点上，如果需要将真实股份数量加密，则需要实现一个减法同态：

C3 = C1 - C2, 其中C1,2,3均是密文，执行减法的节点无法知道实际余额和发生额，但是股东A可以使用自己的密钥解密 D(C3) = P = P1-P2, 其中P表示明文，D表示解密算法。

目前已实现的算法主要有：

Paillier方案

概率公钥加密，基于复合剩余类的困难问题。满足加法和数乘同态。

BGV和RLWE方案

BGV和RLWE都是基于LWE(Learning With Errors)难题的同态算法, 支持加法、乘法、减法和移位运算的同态。源码在github上开源- HElib。

基于其他数学难题的方案

如基于决断问题等。

全同态算法虽然实现已经取得很大进展，但其实现效率还远未达到实用要求。全同态算法是密码学的圣杯，等待您来夺取！

恒生研究院

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