区块链中的密码学：非对称加密

Posted 2021-04-25 今朝浅谈

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在区块链世界中，我们都能经常看到一个词，叫非对称加密，究竟什么是非对称加密呢？

非对称加密，又称为公开密钥加密，是密码学的一种算法，它需要两个密钥，一个是公开密钥，另一个是私有密钥；一个用作加密的时候，另一个则用作解密；

由私钥可以推算出公钥，但是知道公钥，在实际情况中不可能推算出私钥，所以公钥是公开的，而私钥由用户自行秘密保管。

非对称加密类似于一个公开的邮箱，投递口是任何人都可以寄信进去的，这可视为公钥；而只有邮箱主人拥有钥匙可以打开邮箱，这就视为私钥。

在了解非对称加密前，我们需要了解什么是对称加密？

对称加密，也称为单密钥加密，是指采用单钥密码系统的加密方法，同一个密钥可以同时用作信息的加密和解密。

用一个现实世界上的例子是，一个传统保管箱，开门和关门都是使用同一条钥匙，这是对称加密；

但是对称加密在互联网中传输信息，就会产生两个问题：

1. 没有创建安全通道前，如何实现安全通讯？

这是一个先有鸡还是先有蛋的问题，如果在先发送加密数据，但是不知道解密密钥，无法正确解密数据；如果先明文发送密钥，这种加密又有什么意义呢？

2. 如何确保是由发送人发出的信息？

在这个虚拟的互联网中，就算把数据加密，但是如果黑客劫持了你的网络，发送加密信息，这种数据又有什么意义呢？

为了解决这两个问题，所以产生了非对称加密，这个加密思想是 1974 年由 Merkle 提出，1976 年由斯坦福大学的两位教授 Diffie 和 Hellman 完善。

我们先来看看第一个问题，如何实现安全通讯？

维基百科上举了一个爱丽丝与鲍伯的例子：

1. 爱丽丝与鲍伯事先互不认识，也没有可靠安全的沟通渠道，但爱丽丝现在却要通过不安全的互联网向鲍伯发送信息

2. 爱丽丝撰写好原文，原文在未加密的状态下称之为明文 x

3. 鲍伯使用密码学伪随机数产生一对密钥，其中一个作为公钥为 c，另一个作为私钥 d

4. 鲍伯可以用任何方法发送公钥 c 给爱丽丝，即使黑客在中间窃听到 c 也没问题

5. 爱丽丝用公钥 c 把明文 x 进行加密，得到密文 c(x)

6. 爱丽丝可以用任何方法传输密文 c(x) 给鲍伯，即使伊夫在中间窃听到密文 c(x) 也没问题

7. 鲍伯收到密文，用私钥 d 对密文进行解密 d(c(x))，得到爱丽丝撰写的明文 x

8. 由于黑客没有得到鲍伯的私钥 d，所以无法得知明文 x

这个过程简单来说就是公钥加密明文 c(x) 只有用私钥才能解密，即 d(c(x))，最终得出了明文 x。

我们再来看第二个问题，如何确保是由发送人发出的信息？

如果某一用户使用他的私钥加密明文，任何人都可以用该用户的公钥解密密文；由于私钥只由该用户自己持有，故可以肯定该文件必定出自于该用户。

这就引申了一个概念叫：数字签名，即只有信息的发送者才能产生的，别人无法伪造的数据，这段数据同时也是对信息的发送者，发送信息真实性的一个有效证明。

由此可见非对称加密的优点：

1. 创建了一个信息安全通道

2. 为信息发送者提供数字身份的认证

但是缺点也很明显，计算太复杂，性能欠佳。

常见的公钥加密算法有：RSA、椭圆曲线加密算法、ElGamal等等，使用最广泛的是RSA算法。

由公钥为什么不能推算出私钥呢？RSA 算法又究竟是怎么实现的呢？这个问题比较复杂，有兴趣可以去看一下，华南理工大学的计算机网络安全课程 公开密钥密码学。