擒龙区块链学习训练营—第八课（附：图文解释）

区块链基础第八课

汇报人：擒龙@daoone

汇报主题：区块链加密算法

区块链加密算法

都说通信和计算机是不分家的，为什么？我们先看一下通信信道的模型，

一、加密算法

加密算法根据内容是否可以还原分为可逆加密和非可逆加密。

可逆加密根据其加密解密是否使用的同一个密钥而可以分为对称加密和非对称加密。

数据加密的基本过程就是对原来为明文的文件或数据按某种算法进行处理，使其成为不可读的一段代码，通常称为“密文”，使其只能在输入相应的密钥之后才能显示出本来内容，通过这样的途径来达到保护数据不被非法人窃取、阅读的目的。该过程的逆过程为解密，即将该编码信息转化为其原来数据的过程。数据的加密算法主要包括对称加密算法和非对称加密算法。

对称加密算法又叫单秘钥算法，文件加密和解密使用相同的密钥，即加密密

钥也可以用作解密密钥，这种方法在密码学中叫做对称加密算法，对称加密算法使用起来简单快捷，密钥较短，且破译困难。主要有 DES  算法[7] 、3-DES  算法、

TDEA 算法、Blowfish 算法、RC5 算法、IDEA 算法和AES [8,9] 算法等；

表1  对称加密算法的比较

非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥和私有密钥。公开密钥与私有密钥

是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。因为加密和解密使用的是两个不同的密钥，所以这种算法叫作非对称加密算法。主要有

RSA 算法[10] 、Elgamal 算法、背包算法、Rabin 算法、D-H 算法和ECC 算法（椭圆曲线加密算法[11] ）等。

表2  非对称加密算法的比较

二、签名算法

数字签名，就是只有信息的发送者才能产生的别人无法伪造的一段数字串，这段数字串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。按照数字签名的性质和功能划分，可以分为以下几种：普通签名、代理签名、盲签名、群签名和环签名。

普通签名就是用私钥对消息直接进行签名，用公钥来验证有效性。普通签名主要有Hash 签名[12] 、DSS 签名[13] 、RSA 签名[14] 、Rabin 签名、EIGamal 签名，国密SM2 数字签名[15] （基于椭圆曲线签名）等。

表3  普通算法的比较

代理签名[16] 是将签名权委托给其他人替自己使用签名权，主要应用场景是签名人因为公务或者身体健康原因不能行使签名权。后来学者的又提出了前向安全的代理签名[17] 、可撤销匿名性的忙代理签名方案[18] 等。

盲签名[19] 是指签名者在不知道签名消息具体内容的情况下对消息进行签名。具有很好的匿名性，主要应用场景是电子商务、电子政务等。后来学者的又提出了各种机制的盲签名，如RSA 盲签名[20] 、EIGmaal 盲签名[21] 、Schnorr 盲签名[22]等。

群签名[23]  是一种具有可撤销匿名性的数字签名，主要应用场景是公司的管

理中隐藏公司内部管理层的结构。后来学者的又提出了分级多群签名[24]  、群盲

签名[25] 、多群签名[26] 、子群签名[26] 等。

环签名[27] 可以看做是一种简化类群签名，验证者可以验证签名是由环中某个成员所签，确不能知道真正签名者的身份，环签名具有自发性和匿名性，主要应用场景是匿名的电子选举、电子政务、电子货币系统、密钥分配以及多方安全计算等。后来学者的又提出了基于身份和双线性对的代理环签名[28]、基于RSA 的环签名[29] 等。

目前，在区块链当中使用的加密签名算法是RSA 算法，通过对比发现在数字签名和加密过程SM2 算法的安全性和效率都比 RSA 更好。因此从工程的角度，使用国密SM2 算法替换原有的 RSA 算法。

用国密SM2 算法替换原有的 RSA 算法。

三、RSA 算法

RSA 公钥加密算法是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。1987 年7月首次在美国公布，当时他们三人都在麻省理工学院工作实习。RSA    就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。

RSA 是目前最有影响力和最常用的公钥加密算法，它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击，已被ISO 推荐为公钥数据加密标准。

今天只有短的RSA 钥匙才可能被强力方式解破，RSA 算法基于一个十分简单的数论事实:将两个大质数相乘十分容易，但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。

RSA 算法是第一个能同时用于加密和数字签名的算法，也易于理解和操作。

RSA    是被研究得最广泛的公钥算法，从提出到现今的三十多年里，经历了各种攻击的考验，逐渐为人们接受，普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。

RSA 的算法涉及三个参数，n、e1、e2。

其中，n 是两个大质数p、q 的积，n 的二进制表示时所占用的位数，就是所谓的密钥长度。k=ϕ(n)=(p−1)(q−1)

e1和e2是一对相关的值，e1可以任意取，但要求e1与(p-1)*(q-1)互质；再选择e2，要求(e2*e1)mod((p-1)*(q-1))=1。

(n，e1)，(n，e2)就是密钥对。其中(n，e1)为公钥，(n，e2)为私钥。

RSA 加解密的算法完全相同，A 为明文，B 为密文，则：A=B^e2 mod n;B=A^e1 mod n；（公钥加密体制中，一般用公钥加密，私钥解密）

e1和e2可以互换使用，即: A=B^e1 mod n；B=A^e2 mod n；

RSA 加密的缺点

1）产生密钥很麻烦，受到素数产生技术的限制，因而难以做到一次一密。

2）安全性，RSA 的安全性依赖于大数的因子分解，但并没有从理论上证明破

译RSA 的难度与大数分解难度等价，而且密码学界多数人士倾向于因子分解不是NP 问题。

3）速度太慢，由于RSA 的分组长度太大，为保证安全性，n 至少也要600 bitx以上，使运算代价很高，尤其是速度较慢，较对称密码算法慢几个数量级；且随着大数分解技术的发展，这个长度还在增加，不利于数据格式的标准化。

使用私钥(n，e2)加密发送者的数据，发送给给接收者，接收者用公钥(n，

e1)对数据进行解密。因为 A=B^e1 mod n；B=A^e2 mod n；（A 是明文，B 是密文）。可以发现e1 和e2 可以互换使用，当接收者知道公钥(n，e1)，用自己的私钥(n，

e2)就可以破解出相应的密文。

RSA 公钥加密体制包含如下 3 个算法：KeyGen（密钥生成算法），Encrypt

（加密算法）以及Decrypt（解密算法）。

RSA 签名算法

签名算法同样包含3 个算法：KeyGen（密钥生成算法），Sign（签名算法），

Verify（验证算法）。

签名者首先使用sha-l  对数据进行杂凑，生成一个20  字节的摘要。然后使用签名者的私钥加密此摘要[5]。生成的 RSA 输出和原始文档一起被传送。接收者通过使用发送者的公钥对签名的摘要进行解密来验证签名。如果成功的话，使用sha-l  对原始文档进行杂凑，并将结果和加过密的摘要作比较。如果两个摘要相同，那么签名就是有效的。如果摘要出了问题或者签名摘要的解密出了问题，那么签名就会失败。图2 给出了数据签名的逻辑图。

RSA 签名从两个方面来提供否认和数据完整性。签名者是惟一能够产生签名的人，因为只有他有私钥。这就是说，签名者不能否认用他的私钥对消息的签名

（这叫做非否认），如果签名用密钥和实际的个人之间有精确的绑定的话，那么

非否认就可以提供签名者的真实身份。文档数据的完整性是通过组合使用RSA

算法和sha-l 杂凑函数来提供的。为sha-l 对输入文档中的1 bit 差异都很敏感，即便是1  bit  的不同也会导致签名的失败。而且，因为sha-l 是抗碰撞的，找到产生同样摘要的两个文档的概率太小。通常数字签名和加密是结合在一起的。封装一个签过名的和加过密的文档的一种方法是首先对文档签名，然后再将签名和原始文档封装在一起，最后对两者进行加密。整个封装过程解决了密钥分发问题、否认问题和数据完整性问题。

RSA 签名利用RSA 私钥操作来进行签名，利用RSA 公钥来进行验证[6]。也就是说，必须用一种填充方案来确保输入的数据与RSA 算法的数学约束是相一致的。RSA 签名使用PKCS#1 分组01 进行填充。此填充方案与PKCS#1 分组02 填充非常相似。在此要注意的一个重要问题是：分组01 填充用于签名，分组02 填充用于加密。图3(见196 页)给出了数字签名的验证逻辑图。

根据上面的逻辑图分析RSA 数字签名工作过程为：

（1）发送方使用杂凑函数对要发送的信息进行运算，生成信息摘要；

（2）发送方使用自己的私钥，利用非对称加密算法，对生成的信息摘要进行数字签名；

（3）发送方通过网络将信息本身和已签名的信息摘要发送该接收方；

（4）接收方使用与发送方相同的杂凑函数对收到的信息进行运算，重新生成信息摘要；

（5）接收方使用发送方的公钥对接收的信息摘要解密；

（6）将解密的信息摘要与重新生成的信息摘要进行比较，以判断信息在发送过程中是否被篡改过。