白话区块链技术 第2讲｜非对称加密
Posted 币须说
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了白话区块链技术 第2讲｜非对称加密相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
欢迎来到《白话区块链技术》专栏第二讲。
具体的算法公式我们不多讲，我们这里只列出几种常用的算法，了解其中的基本原理。在学习初期，大家没必要知道算法的具体公式，但是一定要了解算法的基本原理，这样才能在区块开发中灵活运用。
一、对称加密
1.1.DES
数据加密算法（Data Encryption Standard）是一种对称加密算法，很可能是使用最广泛的密钥系统，特别是在保护金融数据的安全中，最初开发的DES是嵌入硬件中的。
输入：key(密钥)、data(加密数据 64位)、mode(加密方式 加密/解密)。
输出：des_data(加密后的数据)。
加密流程：对64位数据的各位进行重新排列组合，然后与密钥进行运算，循环迭代。
加密步骤：
1> 初始转换：把输入的64位明文换一定的规则打乱次序，分成左右各32位。
2> 循环加密：用子密钥对明文进行16轮加密运算，每轮用的子密钥都是不同的，但是各子密钥是有关联的，因为这些子密钥都是从原始密钥通过一定规则推导出来的。
3> 逆置换：对第二步得到的结果进行逆置换，即把结果再换一定顺序排列，这里的排序规则正好与第一步的排序规则互逆，因此叫逆置换。
4> 输出密文。
1.2. AES
高级加密标准（Advanced Encryption Standard），在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。
AES为分组密码，分组密码也就是把明文分成一组一组的，每组长度相等，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。在AES标准规范中，分组长度只能是128位，也就是说，每个分组为16个字节（每个字节8位）。密钥的长度可以使用128位、192位或256位。密钥的长度不同，推荐加密轮数也不同，如下表所示：
二、非对称加密
2.1. ECC
Elliptic Curves Cryptography, 椭圆曲线加密。比特币等大多数区块链系统都使用ECC算法生成公钥与私钥，比特币选择的是secp256k1曲线。
ECC算法就是一个高度复杂的数学公式，并且其是一个单向计算过程。椭圆的通式为 y^2 = x^3 + a*x + b mod p，以及一个无穷大的数，当然最正宗的定义还有限定条件，该曲线是在有限域上的，并且a，b和q之间也存在关系。
ECC是建立在基于椭圆曲线的离散对数问题上的密码体制，给定椭圆曲线上的一个点P，一个整数k，求解Q=kP很容易；给定一个点P、Q，知道Q=kP，求整数k确是一个难题。
私钥，我们在上一节里已经讲过，是一串随机字符串，共256位，32个字节。公钥的生成就是用了ECC算法来得到。在这里Q就是我们的公钥，K就是私钥。
使用ECC算法能保证我们私钥到公钥的生成是单向的：根据私钥生成公钥容易，根据公钥生成私钥困难。
2.2. ECDH
elliptic curves Diffie-Hellman，是一种密钥协商算法，而不是加解密算法。还记得我们在上一节里说过的SSL协议中，在对称密码的协商阶段，我们使用的是非对称加密的方法，当时简单说明是用公钥加密。如果非对称加密采用的是ECC算法的话，那对称密码的协商，我们就不得不用到ECDH算法。
假设密钥交换双方为Alice、Bob，他们有共享曲线参数，即是通过同样的曲线来生成公、私钥。
1> Alice拥有公钥PA，私钥SA，Bob拥有公钥PB，私钥SB
2> Alice将自己的公钥PA传给Bob
3> Bob将自己的公钥PB传给Alice
4> Alice通过自己的私钥SA与Bob的公钥PB生生成一个密钥QA，QA=F（SA，PB）
5> Bob通过自己的私钥SB与Alice的公钥PA生生成一个密钥QB，QB=F（SB，PA）
根据算法，我们可以看到这样的结果：QA == QB
这时，Alice与Bob就得到了一个同样的密钥Q。这个密钥就可以对传输数据进行加密，解决了共同密码的协商问题，由于在协商的过程中只是暴露了各自的公钥，因此是安全的。
简单来说ECDH的精髓就在于：基于不同的公私钥对生成一样的密钥。
2.3. ECDSA
椭圆曲线数字签名算法，是使用椭圆曲线密码（ECC）对数字签名算法（DSA）的模拟。
这里需要注意的是：ECDSA签名算法的输入是数据的哈希值，而不是数据的本身，至于哈希算法选用哪一个就取决于自己了。为了使得ECDSA的输入值的bit数和子群的阶n的bit数一样，哈希值可能会被截断。
在这里，我们把ECDSA输入称之为Z。
经常用到的场景是这样的：Alice要用私钥签名一个数据，Bob想要使用Alice的公钥验证这个签名；
这里我们要明白：只有Alice能够进行计算然后得到签名，因为Alice掌握着私钥；而由于公钥是公开给所有人的，所以每个人都能验证签名值。
算法工作流程如下：
1> 取一个范围在[1, n - 1]的随机数k
2> 计算点P=kG
3> 计算r = xp mod n
4> 如果 r == 0，执行第一步
5> 计算s = k^-1 (z + r*da) mod n （da是Alice的公钥，k^-1 是 k 对n的逆元）
6> 如果s==0，执行第一步
7> 二元组(r, s)就是签名值
Bob使用Alice的公钥对(r, s)和Z进行验证，现在我们来看看Bob如何验证的：
1> 计算u1 = s^-1 * z mod n
2> 计算u2 = s^-1 * r mod n
3> 计算P = u1*G + u2*Ha
4> 如果r == xp mod n，则验证正确
2.4. RSA
RSA是1977年由罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的。当时他们三人都在麻省理工学院工作。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的, 在公开密钥加密和电子商业中RSA被广泛使用。
RSA的理论基础是这样的：在公开密钥密码体制中，加密密钥（即公开密钥）PK是公开信息，而解密密钥（即秘密密钥）SK是需要保密的。加密算法E和解密算法D也都是公开的。虽然解密密钥SK是由公开密钥PK决定的，由于无法计算出大数n的欧拉函数phi(N)，所以不能根据PK计算出SK。
注意： 在RSA里，是可以直接用公钥进行加密，私钥进行解密的，这里是与ECC中的ECDH是不同的，在ECDH里，是借用了已方私钥、对方公钥来生成一个共有密钥，而用这个协商好的密钥来进行加解密的。
在这们学习之初，要明白的是DES与AES属于对称加密，AES是DES的加强版本，因为A是Advanced；ECC与RSA是非对称加密，但是加密方式是不一样的。对于RSA来讲：公钥加密、私钥解密，私钥签名、公钥验签。对于ECC来讲，ECDH来协助加密与解密，ECDSA实现了私钥签名、公钥验签。
上面的几种算法的具体数学实现，有兴趣的读者可以自己查找，我们在这里只是了解概念，知道各个算法的侧重点与区别，有助于我们在以后的区块链学习不会出现概念上的混淆，尤其要区分RSA的加解密与ECDH。
好，我们下周二开始新的话题，下周见。
没看够？再来几篇
本期作者｜王 毅
本期编辑｜靳亚峰
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