1.2 密碼學(xué)及安全技術(shù)

i區(qū)塊鏈中的密碼學(xué)與安全技術(shù)

1.2.1 密碼學(xué)知識

1.2.1.1 Hash函數(shù)

• Hash(哈希)
  哈希函數(shù)是一類數(shù)學(xué)函數(shù)，可以在有限合理的時(shí)間內(nèi)，將任意長度的消息壓縮為
  固定長度的輸出值，并且是不可逆的。其輸出值稱為哈希值昌屉，也稱為散列值。

  
  
  hash算法

• 哈希算法的應(yīng)用：
  消息認(rèn)證：確保收到的消息和發(fā)送的消息都是未被篡改的茵瀑。
  數(shù)字簽名：對消息摘要進(jìn)行數(shù)字簽名與對消息本身進(jìn)行數(shù)字簽名等效间驮。
  口令的安全性：僅將口令的哈希值進(jìn)行保存，進(jìn)行口令檢驗(yàn)時(shí)僅需對比哈希值即可马昨，即使攻擊者獲取了口令的哈希值竞帽，也無法計(jì)算出口令。
  數(shù)據(jù)完整性：具有抗數(shù)據(jù)篡改的能力鸿捧。

• Hash函數(shù)在區(qū)塊鏈中的應(yīng)用
  在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中屹篓，哈希算法得到了廣泛的使用。
  在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中匙奴，區(qū)塊之間的鏈接就是通過區(qū)塊的哈希值串聯(lián)起來的堆巧。除此以外，還有梅克爾樹的生成計(jì)算泼菌，交易事務(wù)的哈希值計(jì)算等谍肤。
  區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)使用哈希指針構(gòu)建的鏈表

  
  
  區(qū)塊鏈

• Merkle tree
  Merkle（默克爾）樹，又叫哈希樹哗伯，是一種典型的二叉樹結(jié)構(gòu)荒揣，由一個(gè)根節(jié)點(diǎn)、一組中間節(jié)點(diǎn)和一組葉節(jié)點(diǎn)組成
  應(yīng)用場景：
  快速比較大量數(shù)據(jù)
  快速定位修改

  
  
  Merkle tree

1.2.1.2橢圓曲線加密算法

即：Elliptic Curve Cryptography焊刹，簡稱ECC系任，是基于橢圓曲線數(shù)學(xué)理論實(shí)現(xiàn)的一種非對稱加密算法恳蹲。 相比RSA，ECC優(yōu)勢是可以使用更短的密鑰俩滥，來實(shí)現(xiàn)與RSA相當(dāng)或更高的安全嘉蕾。據(jù)研究，160位ECC加密安全性相當(dāng)于1024位RSA加密霜旧，210位ECC加密安全性相當(dāng)于2048位RSA加密荆针。

1.2.2 安全技術(shù)

1.2.2.1 數(shù)字簽名

用于防止消息篡改和抵賴的場景
數(shù)字簽名基于非對稱加密，既可以用于證實(shí)內(nèi)容的完整性颁糟，又同時(shí)可以確 認(rèn)來源（或不可抵賴航背，Non-Repudiation）。
數(shù)字簽名的全過程分兩大部分棱貌，即簽名與驗(yàn)證玖媚。一側(cè)為簽名，一側(cè)為驗(yàn)證 過程婚脱。

1.2.2.2 數(shù)字證書

數(shù)字證書

1.2.2.3 PKI體系

PKI體系

1.2.2.4 同態(tài)加密

本質(zhì)上今魔，同態(tài)加密是指這樣一種加密函數(shù)，對明文進(jìn)行環(huán)上的加法和乘法運(yùn)算再加密障贸，與加密后對密文進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算错森，結(jié)果是等價(jià)的。由于這個(gè)良好的性質(zhì)篮洁，人們可以委托第三方對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而不泄露信息涩维。具有同態(tài)性質(zhì)的加密函數(shù)是指兩個(gè)明文a、b滿足Dec(En(a)⊙En(b))=a⊕b的加密函數(shù)袁波，其中En是加密運(yùn)算瓦阐，Dec是解密運(yùn)算，⊙篷牌、⊕分別對應(yīng)明文和密文域上的運(yùn)算睡蟋。當(dāng)⊕代表加法時(shí)，稱該加密為加同態(tài)加密：當(dāng)⊕代表乘法時(shí)枷颊，稱該加密為乘同態(tài)加密戳杀。

全同態(tài)加密是指同時(shí)滿足加同態(tài)和乘同態(tài)性質(zhì)，可以進(jìn)行任意多次加和乘運(yùn)算的加密函數(shù)夭苗。用數(shù)學(xué)公式來表達(dá)信卡，即Dec(f(En(m1)，En(m2)听诸，…坐求，En(mk)))=f(m1蚕泽，m2晌梨，…桥嗤，mk)，或?qū)懗桑篺(En(m1)仔蝌，En(m2)泛领，…，En(mk))=En(f(m1敛惊，m2渊鞋，…，mk))瞧挤，如果f是任意函數(shù)锡宋，稱為全同態(tài)加密。

1.2.2.5 布隆過濾器

class BloomHash {

    /**
     * Hash工具類返回的hashcode的最大長度<br>
     * maxLength為2的n次方特恬，返回的hashcode為[0,2^n-1]
     */
    public int maxLength;

    // Hash函數(shù)生成哈希碼的關(guān)鍵字
    public int seed;

    public BloomHash(int maxLength, int seed) {
        this.maxLength = maxLength;
        this.seed = seed;
    }

    /**
     * 返回字符串string的hashcode执俩，大小為[0,maxLength-1]
     * 
     * @param string
     * @return
     */
    public int hashCode(String string) {
        int result = 0;
        // 這個(gè)構(gòu)建hashcode的方式類似于java的string的hashcode方法
        // 只是我這里是可以設(shè)置的seed，它那里是31
        for (int i = 0; i < string.length(); i++) {
            char a = string.charAt(i);
            int b = seed * a; // 隱式的把字符轉(zhuǎn)換為整數(shù)（ASSIC碼）
            result = result + b;
        }
        /**
         * public static int indexFor(int m, int n){ return m & (n - 1); } public static
         * void main(String[] args) { System.out.println("19 與 16 求余 = "+ indexFor(19,
         * 16) ); System.out.println("19 與 16 求余 = "+ 19 % 16 ); }
         * 此方法中n為2的指數(shù)值癌刽，則其二進(jìn)制形式的表示中只存在一個(gè)1役首，其余位都為0， 例如: 0000 1000显拜、0100 0000衡奥、0010
         * 0000等等。則n-1的二進(jìn)制形式就為1的位數(shù)變?yōu)?远荠， 其右邊位全變?yōu)?矮固，例如16的二進(jìn)制  0001 0000 -1 = 0000
         * 1111測試m為19的二進(jìn)制 0001 0011 & 0000 1111 = 0000 0011 = 3，地位保留的結(jié)果便是余數(shù)譬淳。此位運(yùn)算也是
         * HashMap中確定元素鍵(key)值所在哈希數(shù)組下標(biāo)位置的核心方法乏屯，此位運(yùn)算(hash & (length - 1)) 的效率極高于hash %
         * length的求余, 所以也解釋為什么HashMap的擴(kuò)容始終為2的倍數(shù)(2的指數(shù)值)。
         */
        // 保證結(jié)果在[0,maxLength-1]：equal to 'result % maxLength'
        return result & (maxLength - 1);
    }
}

public class BloomFilter {

    // 構(gòu)建hash函數(shù)的關(guān)鍵字瘦赫，總共7個(gè)
    private static final int[] HashSeeds = new int[] { 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19 };

    // Hash工具類的數(shù)組
    private static BloomHash[] HashList = new BloomHash[HashSeeds.length];

    // BloomFilter的長度辰晕，最好為插入數(shù)量的10倍，目前為2的20次方确虱，大約100萬個(gè)
    private static final int BloomLength = 1 << 20;

    // 對位的操作類含友，java自帶的BitSet，共BloomLength個(gè)bit
    private BitSet bitSet = new BitSet(BloomLength);

    public BloomFilter() {
        // 初始化Hash工具類的數(shù)組,每個(gè)hash工具類的hash函數(shù)都不同
        for (int i = 0; i < HashSeeds.length; i++) {
            HashList[i] = new BloomHash(BloomLength, HashSeeds[i]);
        }
    }

    /**
     * 在布隆過濾器中加入值value校辩，在多個(gè)hash函數(shù)生成的hashcode對應(yīng)的位置上窘问，置1
     * 
     * @param value字符串，如果為數(shù)字宜咒，可以自己轉(zhuǎn)化成string
     */
    public void addValue(String value) {
        for (int i = 0; i < HashSeeds.length; i++) {
            // 根據(jù)對應(yīng)的hash函數(shù)得到hashcode
            int hashcode = HashList[i].hashCode(value);
            // 在位圖中惠赫，將對應(yīng)的位，設(shè)置為1
            bitSet.set(hashcode);
        }
    }

    /**
     * 在布隆過濾器中,檢驗(yàn)是否可能有值value
     * 
     * @param value
     * @return 如果返回false故黑，則一定沒有<br>
     *         如果返回true儿咱，就代表有可能有
     */
    public boolean existsValue(String value) {
        boolean result = true;
        for (int i = 0; i < HashSeeds.length; i++) {
            // 根據(jù)對應(yīng)的hash函數(shù)得到hashcode
            int hashcode = HashList[i].hashCode(value);

            /**
             * 隱式把boolean轉(zhuǎn)換為整數(shù)進(jìn)行按位與運(yùn)算 “短路” 主要用于邏輯運(yùn)算符中庭砍，即 “ ! && || "這三種運(yùn)算符 短路 就是知如果左側(cè)的
             * 表達(dá)式能確定運(yùn)算后的結(jié)果，則不再計(jì)算右側(cè)的表達(dá)式混埠。 如（1>2)&&(2<3) 明明左側(cè)已經(jīng)為假 了 我 不用計(jì)算右側(cè)我一定知道 此表達(dá)是為假
             */
            // 將result與對應(yīng)位置上的0或1 做與運(yùn)算
            // 如果全為1怠缸，則result最后為1
            // 如果有一個(gè)位置上為0，則最后result為0
            result = result & bitSet.get(hashcode);
        }
        return result;
    }
}