簡介

區(qū)塊鏈?zhǔn)褂玫幕久艽a學(xué)技術(shù)包括哈希算法益老、對稱加密、非對稱加密和數(shù)字簽名寸莫。

本文將簡單介紹各密碼學(xué)的基本原理捺萌，僅限于概念性的內(nèi)容，具體的原理膘茎、推導(dǎo)均未涵蓋桃纯。希望能夠帶領(lǐng)大家了解密碼學(xué)的基礎(chǔ)要點。
目錄
簡介
一披坏、哈希算法
二态坦、對稱加密
三、非對稱加密
四棒拂、數(shù)字簽名
參考

一伞梯、哈希算法

基本概念

哈希（Hash）算法是通過一個哈希函數(shù)(H)，把任意長度的輸入映射為固定長度的輸出的一種壓縮算法帚屉，也稱為“消息摘要”谜诫。
哈希常用于檢驗信息是否相同，身份驗證攻旦，數(shù)字簽名喻旷。我們可以通過哈希算法，將一個電腦文件的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為一小段定長的代碼牢屋，這樣我們想要驗證文件是否一致且预，只需要比對哈希值是否一致即可，而不需要比對所有的文件內(nèi)容了烙无。

哈希是一種單向密碼體制锋谐。你可以把一段明文通過哈希算法轉(zhuǎn)換為一段密文，但是無法將這段密文轉(zhuǎn)換回原來的明文皱炉。一段密文可能存在多種明文相對應(yīng)怀估，無法逆向破解。

一個優(yōu)秀的哈希算法合搅，有以下幾個特點

• 正向快速： 給定一個明文多搀，可以快速計算出哈希值。
• 逆向困難： 給定多段密文灾部，難以逆推出明文康铭。
• 輸入敏感： 明文的微小變化會導(dǎo)致哈希值的較大變化。
• 沖突避免： 很難找到兩個明文會得到同樣的哈希值赌髓。

原理

從概念可知一個哈希算法需要有兩大要素：

1. 用于映射的函數(shù)H
2. 用于處理沖突的方法

哈希函數(shù)和哈希表

假設(shè)我們想要存儲很多個元素从藤，并且希望以后能夠快速查找某個想要的元素的位置催跪。怎么辦呢？

最基本的思路夷野，就是我們隨便存儲這些元素懊蒸，然后在查找時從頭到尾遍歷查找即可。這樣的方式簡單悯搔，但是十分費時費力骑丸，我們想要有更快的速度，哪怕犧牲一點存儲空間也可以接受妒貌。

而哈希函數(shù)和哈希表可以加快查找的速度通危。

哈希函數(shù)是一個映射關(guān)系H， 可以將元素和一個唯一的存儲位置相對應(yīng)灌曙。在存儲一個元素k時菊碟，就把k存放在H(k)的位置上。查找時同理在刺，只要將元素放進(jìn)映射關(guān)系中運算逆害，就可以查找到元素字的位置。

幾種構(gòu)造函數(shù)的方法：

1. 直接定址法
2. 數(shù)字分析法
3. 平方取中法
4. 折疊法
5. 隨機(jī)數(shù)法
6. 除留余數(shù)法

通過哈希函數(shù)映射元素得到的表就是哈希表增炭，又稱散列表忍燥。之所以成為散列表，是因為在表中隙姿，數(shù)據(jù)不是緊密排列的梅垄。因為通過函數(shù)映射得到的值不一定是連續(xù)值。

沖突處理

但哈希函數(shù)可能引起的問題就是沖突输玷。哈希函數(shù)一個特點就是隨機(jī)队丝，它盡量模擬隨即平均分布的結(jié)果來為每個元素安排地址，但這樣的結(jié)果可能造成沖突欲鹏，也就是兩個元素得到的地址相同（又稱“同義詞”）机久。所以，如何解決沖突赔嚎，就是哈希算法中的一個重要的設(shè)計膘盖。

常用的沖突處理方法：

1. 開放定址法
2. 再哈希法
3. 鏈地址法
4. 公共溢出區(qū)

常用哈希算法

1. MD4：
　MD4（RFC 1320）是 MIT 的 Ronald L. Rivest 在 1990 年設(shè)計的，MD 是 Message Digest 的縮寫尤误。它適用在32位字長的處理器上用高速軟件實現(xiàn)--它是基于 32 位操作數(shù)的位操作來實現(xiàn)的侠畔。

2. MD5
　　MD5（RFC 1321）是 Rivest 于1991年對MD4的改進(jìn)版本。它對輸入仍以512位分組损晤，其輸出是4個32位字的級聯(lián)软棺，與 MD4 相同。MD5比MD4來得復(fù)雜尤勋，并且速度較之要慢一點喘落，但更安全茵宪，在抗分析和抗差分方面表現(xiàn)更好

3. SHA-1
　　SHA1是由NIST NSA設(shè)計為同DSA一起使用的，它對長度小于264的輸入瘦棋，產(chǎn)生長度為160bit的散列值稀火，因此抗窮舉（brute-force）性更好。SHA-1 設(shè)計時基于和MD4相同原理兽狭，并且模仿了該算法憾股。

哈希算法在區(qū)塊鏈中的應(yīng)用

1. 工作量證明PoW

工作量證明實際就是常說的“挖礦”鹿蜀。礦工的目的就是不斷進(jìn)行哈希計算求解某個難度值的SHA256算法箕慧。這個難度值會根據(jù)加入全網(wǎng)的總計算力而不斷改變，以保持大約10分鐘生成一個比特幣區(qū)塊的速度茴恰。

挖礦就是重復(fù)計算區(qū)塊頭的哈希值颠焦，不斷修改參數(shù)，直到找到與難度目標(biāo)值匹配的隨機(jī)數(shù)的過程往枣，這有些類似深度學(xué)習(xí)里的調(diào)參伐庭。這些計算參數(shù)中能改變的只有梅克爾根（Merkle Root）、區(qū)塊時間戳（Timestamp）和隨機(jī)數(shù)（Nonce）分冈。要通過像這樣的參數(shù)來計算出符合條件的值圾另，基本上也就只能靠暴力計算了。這種不斷執(zhí)行SHA256計算的過程很消耗算力雕沉，因此被形象地稱為挖礦集乔。在挖礦這個典型應(yīng)用中實際上用到了哈希算法速度快和特征化這兩個特點。
—— 玩轉(zhuǎn)瑞士軍刀——哈希算法在區(qū)塊鏈中的應(yīng)用

2. 從公鑰生成比特幣地址

生成比特幣地址包括：隨機(jī)數(shù) --> 私鑰 --> 公鑰 --> 比特幣地址
其中坡椒，從公鑰到比特幣地址的過程使用了哈希算法扰路。

公鑰到比特幣地址

3. 形成區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈之所以為一個鏈，就是每個區(qū)塊都包含了上一個區(qū)塊的信息倔叼。每個人只要知道一個區(qū)塊汗唱，就能容易找到上一個區(qū)塊在哪里。在指示上一個區(qū)塊鏈的時候丈攒，就運用了哈希值哩罪。

節(jié)點拿到前一個區(qū)塊數(shù)據(jù)，使用哈希函數(shù)計算前一個區(qū)塊哈希值巡验，與存儲哈希值進(jìn)行校驗际插，這樣就可以檢測前一個區(qū)塊的信息完整性。這是應(yīng)用了哈希值輸入敏感的特點深碱。如果上一個區(qū)塊收到篡改腹鹉，那么節(jié)點就會發(fā)現(xiàn)哈希值有很大的不同，因此便會拒絕這個錯誤的區(qū)塊敷硅。這也讓區(qū)塊鏈上的內(nèi)容無法受到篡改功咒。

4. 生成梅克爾樹

梅克爾樹的存在是為了實現(xiàn)部分區(qū)塊數(shù)據(jù)的哈希值驗證愉阎，在得知區(qū)塊被篡改的同時，還可以知道具體是哪一個交易的信息被篡改力奋。

梅克爾樹

梅克爾樹的原理是榜旦，先對每個交易進(jìn)行哈希計算，然后對哈希值再兩兩哈希計算景殷，以此類推直到樹的的頂部梅克爾根溅呢。
梅克爾根會被放在區(qū)塊頭里。當(dāng)一個節(jié)點下載了區(qū)塊數(shù)據(jù)之后猿挚，通過二叉樹查詢可以快速發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題的數(shù)據(jù)塊咐旧，將大塊的數(shù)據(jù)切分為小塊進(jìn)行，提高計算效率绩蜻。

二铣墨、對稱加密

基本概念

對稱加密中，發(fā)送方將明文和密鑰一起經(jīng)過加密處理之后發(fā)送給收信方办绝，收信方需要使用加密的密鑰和相同的算法進(jìn)行逆運算才可以進(jìn)行解密才可以恢復(fù)成明文伊约。

對稱加密

對稱加密的原理非常簡單，即使用同樣的密鑰加密和解密孕蝉，這使得對稱加密的效率高屡律，速度快。就算信息被截獲降淮，如果不知道密鑰也無法解密信息超埋。但是其安全性也相對不高，因為一旦密鑰泄露骤肛，則對稱加密會失去作用纳本。對稱加密存在兩大不足：

1. 密鑰傳輸問題：要保證在傳輸過程中密鑰不會遭到泄露。
2. 密鑰管理問題：為了防止過去的密鑰泄露造成將來數(shù)據(jù)的損失腋颠，以及對于不同的收信方需要提供不同的密鑰繁成，密鑰的數(shù)量成幾何指數(shù)上升。在將來淑玫，密鑰管理的成本也會不斷增加巾腕。

常用算法

有兩種常用的對稱加密算法：流加密和分組加密。流加密指將明文當(dāng)做一個序列絮蒿，利用加密算法對明文流和密鑰流加密尊搬。分組加密將明文分為多個組，每次加密一組數(shù)據(jù)直至加密完成土涝。

現(xiàn)在比較常用的是分組加密算法佛寿，包括DES, 3DES和AES等。

1. DES/3DES

DES是一種分組加密算法，全稱Data Encryption Standard冀泻，即數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)常侣，由IBM公司研究并發(fā)表。典型的DES是將數(shù)據(jù)以64位進(jìn)行分組后對每組數(shù)據(jù)加密弹渔。加密和解密用的是相同的算法胳施。但現(xiàn)在較少使用，因為可以被暴力破解肢专。

DES的算法非常簡單舞肆，經(jīng)過兩次置換運算將明文置換為最終的密文。首先是密鑰加密博杖，從初始密鑰中計算出16個子密鑰椿胯；之后是明文加密，在16次加密的同時將16個子密鑰嵌入其中欧募，最終就能完成密文的運算压状。

3DES和DES使用類似的原理，不過是使用了3個密鑰跟继，增強(qiáng)了加密的強(qiáng)度。但是問題就是速度太慢镣丑。

2. AES

AES也是一種分組加密算法舔糖，全稱Advanced Encryption Standard，高級加密標(biāo)準(zhǔn)莺匠。AES用于替代DES金吗，是目前公認(rèn)比較安全的加密方式。區(qū)塊鏈中使用的對稱加密技術(shù)也是AES趣竣。

AES分為三輪加密摇庙。在初始輪中，AES先加輪密鑰遥缕，然后在普通輪中進(jìn)行字節(jié)代替卫袒、行移位、列混淆和加輪密鑰四步单匣；在最終輪中夕凝，再進(jìn)行字節(jié)代替，行移位和加輪密鑰户秤。相比DES而言AES使用了更加復(fù)雜的運算方法码秉，在這里我們就不展開討論。

有一個很可愛的AES小漫畫《A Stick Figure Guide to the Advanced Encryption Standard(AES)》鸡号，請看這里

三转砖、非對稱加密

基本概念

非對稱加密技術(shù)可以說是區(qū)塊鏈中的核心加密技術(shù)，是區(qū)塊鏈構(gòu)造“共識機(jī)制”的重要一環(huán)鲸伴。

非對稱加密的核心在于有兩個密鑰——公鑰（Public Key）和私鑰（Private Key）府蔗。每一對公鑰和私鑰都是一一對應(yīng)的莉兰。這個公鑰加密的信息只有對應(yīng)私鑰可以解密，這個私鑰也只能解密對應(yīng)公鑰所加密的信息礁竞，其他的就不可以糖荒。

《RSA加密原理：非對稱加密鼻祖》這篇文章中有個形象的比喻：
我們用顏色為比喻進(jìn)行說明，Bob是如何發(fā)給Alice一個特定的顏色模捂，而不讓監(jiān)聽者截獲信息的捶朵。
每種顏色都具有互補色，同互補色疊加會得到白光狂男，這能去掉第一種顏色的作用综看，這里我們假設(shè)，混合顏色是一個單向函數(shù)岖食，混合顏色輸出第三種顏色很容易红碑，但反向過程就難了，Alice首先生成自己的私有密鑰泡垃，也就是可以隨便選擇一個顏色析珊，比如紅色，下面蔑穴，假設(shè)Alice有一種神秘的顏色機(jī)器忠寻，能夠找到這種紅色的互補色，沒有其他人能夠知道這個存和，這得到藍(lán)綠色奕剃，他將這發(fā)給Bob作為公開密鑰，假設(shè)Bob想發(fā)送一種神秘的黃色給Alice捐腿。

他將黃色同公開顏色混合然后得到的混合色發(fā)給Alice纵朋，此時，Alice能夠?qū)⒆约旱乃接猩B加到Bob的混合色茄袖，這將解除公開色的作用操软，剩下Bob的秘密顏色，而竊聽者無法簡單破譯Bob的黃色绞佩，除非他有Alice的紅色寺鸥。

Alice需要有私鑰“紅色”，才能解開公鑰“藍(lán)綠色”品山，看到Bob真正發(fā)來的顏色胆建。這種思想就是非對稱加密的思想。

常用算法

RSA

當(dāng)代密碼學(xué)起源于1977年肘交，Ron Rivest笆载，Adi Shamir和Leonard Adleman發(fā)明了非對稱式加密（又稱公開密鑰加密）算法RSA。
RSA的加密過程如下：

其中E和N的組合（E,N）就是公鑰。
RSA解密過程如下：

其中D和N的組合（D,N）就是私鑰凉驻。
密鑰對（E, D, N）的計算涉及一下幾個步驟：

可以說腻要，乍一看RSA非常簡單，但是其背后蘊含的數(shù)論原理涝登，又讓這個簡單的算法難以被破解雄家。

四、數(shù)字簽名

數(shù)字簽名其實不算是一個新的密碼學(xué)技術(shù)胀滚，而是前面提及的哈希算法趟济、對稱加密和非對稱加密的應(yīng)用。

有人寫了一篇文章《What is a Digital Signature?》來講解什么是數(shù)字簽名咽笼，我覺得已經(jīng)足夠有趣和通俗顷编。想要看中文版的同學(xué)可以移步這里

參考

區(qū)塊鏈技術(shù)指南
玩轉(zhuǎn)瑞士軍刀——哈希算法在區(qū)塊鏈中的應(yīng)用
數(shù)據(jù)加密算法--詳解DES算法原理與實現(xiàn)
AES 加密算法的原理詳解
帶你徹底理解RSA算法原理