文章《密码学 101：初学者区块链开发的关键》首次出现在 Coinpedia Fintech News 上
介绍
密码学概述
密码学是我们数字世界中的一道盾牌，在这个世界中威胁无处不在。密码学是保护通信安全的做法，以确保只有授权人员才能访问信息。密码学就是将消息转换为不可读的文本，然后在另一端重新转换为可读的形式。
如今，现代密码学更加先进，融合了计算机科学和数学。这些算法旨在解决复杂问题，因此很难破解。尽管这些算法在理论上可以解决，但实际上在合理的时间内是牢不可破的。这使得密码学对于确保数据安全、保护隐私和确认身份至关重要。
区块链技术中的密码学
在区块链技术中，加密技术是基础。区块链依靠加密技术来维护安全性。没有它，区块链的发展就不可能实现。它的工作原理如下：
安全交易：加密技术确保交易的安全。
加密：消息和重要的交易信息被唯一地编码，并且只有预期的接收者才能解码。
哈希区块：区块链中的区块使用唯一但随机的哈希函数进行哈希处理，这有助于验证和保护它们。加密技术可确保网络节点之间的交易安全，保护用户的隐私和数据完整性。从本质上讲，加密技术是区块链安全的支柱。
历史背景与演变
一个简短的历史
我们大多数人都熟悉 Alice、Bob 和 Eve 之间的经典场景，即 Alice 和 Bob 交流，而 Eve 试图窃听。这个场景凸显了传统密码学的根源，它最初侧重于保持消息的机密性。早期的密码学是关于加密消息以防止窃听并在收到后解密。在古代，密码学依赖于语言学和语言模式。如今，它借鉴了计算机科学的各个分支，包括计算复杂性、信息论、数论和组合学。
对区块链的影响
区块链是高度依赖安全性和隐私性的去中心化系统。密码学是区块链技术的核心。哈希函数、公钥密码学、数字签名和工作量证明等关键的密码学进步是密码学方法的重要改进。这些进步确保了区块链系统的安全性和完整性。
开发人员必备的加密概念
加密和解密
加密是将纯文本转换为不可读的格式（称为密文）。解密是相反的过程，即将密文转换回纯文本。这两个过程是密码学的基础。从历史上看，这种来回机制因其可靠性而被军事和其他组织广泛使用。
对称加密与非对称加密
对称：此方法使用相同的密钥进行加密和解密。这种方法称为密钥加密，通常通过数据加密标准 (DES) 等系统实现。只有有权访问密钥的个人才能解密数据。对称加密对于加密大量数据非常有效，并且通常用于网站安全。它传输数据很快，需要的计算能力也较少。
非对称：也称为公钥加密，此方法使用两个不同的密钥 - 公钥和私钥。公钥用于与他人共享信息，而私钥用于解密消息和验证数字签名。此方法速度较慢且需要更多处理能力，但对于 Web 服务器身份验证和安全通信至关重要。与对称密钥不同，您可以从私钥派生出公钥，但不能反之亦然。示例包括椭圆曲线加密 (ECC) 和数字签名标准 (DSS)。
加密哈希函数
哈希函数是计算机科学中一种流行的技术，它不使用密钥但仍能确保数据完整性。哈希函数会根据输入数据创建固定大小的输出，而输入数据通常是一串看似随机的字符串。哈希函数在区块链中至关重要，它可以链接区块并确保其中包含的数据的安全性和完整性。
哈希函数的关键属性：
确定性：特定的唯一输入始终具有相同的唯一哈希值。
抗碰撞性：从同一个哈希值中找出两个不同的输入是件很困难的事。
雪崩效应：输入消息或序列的任何微小变化都可能彻底改变哈希函数。
区块链特定功能：
区块链中使用的常见哈希函数包括 SHA-256 和 MD5。例如，比特币使用 SHA-256 来确保交易的安全性和完整性。哈希函数在区块链中至关重要，因为它们可以防止未经授权的数据修改、减少带宽需求并简化数据验证。
数字签名及其重要性
数字签名为交易提供真实性和完整性的证明，确保交易合法且未被篡改。要创建数字签名，发送者使用其私钥和交易数据，通过特定算法生成唯一签名。接收者可以使用发送者的公钥验证此签名，以确认其真实性。
在区块链中，每笔交易都使用发送者的私钥进行签名，并使用相应的公钥进行验证，然后才能添加到区块链中。
公钥和私钥：区块链安全的支柱
密钥对生成
公钥和私钥是使用加密算法生成的，通常采用非对称加密方法。常用算法包括椭圆曲线加密 (ECC)、数字签名算法 (DSA) 和 Rivest-Shamir-Adleman (RSA)。ECC 通常更受青睐，因为它的密钥较小。私钥必须保密且安全，而公钥可以共享。硬件安全模块 (HSM) 有助于保护私钥，备份对于防止丢失至关重要。
交易中的角色
公钥和私钥对于确保交易的安全性和验证至关重要。私钥用于创建签名，而公钥用于验证签名，以确保交易真实且未被篡改。
钱包管理
密钥存储在区块链钱包中，钱包可以是基于软件的，也可以是基于硬件的。钱包有两种类型：
热钱包：这些是连接到互联网的在线钱包，例如移动钱包或网络钱包，方便频繁交易。
冷钱包是一种离线存储解决方案，类似于硬件或纸钱包，可以为长期持有提供增强的安全性。
使用强加密、密码和口令来保护您的区块链钱包。实施多重签名实践，要求使用多个私钥来授权交易，并使用双因素身份验证 (2FA) 来增加安全性。始终在离线位置备份您的种子短语和私钥，并选择具有强大安全功能的信誉良好的钱包。切勿共享您的私钥；使用强密码来保护您的钱包。
利用加密技术的共识算法
工作量证明（PoW）：
工作量证明（通常称为挖矿）是一种去中心化系统，其中网络成员或矿工竞争解决加密难题。第一个解决难题的矿工将下一个区块添加到区块链并获得奖励。此过程使用哈希来保护区块链。PoW 难题的难度确保区块链保持安全并控制添加新区块的速度。
权益证明（PoS）：
权益证明根据验证者持有的代币数量和作为抵押品的股份来选择新区块的验证者。但是，这种选择不仅仅基于代币数量，还考虑代币年龄和随机性等因素。验证者是根据最低哈希值和最高股份金额来选择的。PoS 比 PoW 更节能。
其他共识机制包括委托权益证明（DPoS），使用选举代表和声誉进行交易验证，以及实用拜占庭容错（PBFT），用于在区块链系统中达成共识。
密码学在区块链开发中的实际应用
确保交易安全
加密技术对于通过各种方法确保交易安全至关重要：
数字签名：确保交易的真实性、完整性和不可否认性。
加密：维护交易的机密性。
哈希函数：验证数据是否保持不变；交易细节的任何更改都会破坏哈希函数。
智能合约
密码学原理保证智能合约安全可靠：
授权：通过数字签名进行管理。
完整性：通过散列确保，可防止篡改。
可预测性：确定性的执行确保可靠的合同履行。
机密性：通过加密维护，仅限授权方访问。
开发 DApp
加密对于开发安全的去中心化应用程序（DApps）至关重要：
用户身份验证：使用公钥加密代替传统的用户 ID 实现无缝登录。
数据安全：通过加密和散列技术确保。
交易安全：通过数字签名进行管理。
例子包括 DeFi 平台和供应链管理 DApps。
常见的加密攻击和缓解策略
攻击类型
暴力攻击：攻击者尝试所有可能的组合来破解加密。弱密码或短密码尤其容易受到攻击。
中间人 (MitM) 攻击：攻击者拦截发送者和接收者之间的通信，可能更改数据并破坏安全。
重放攻击：欺诈交易使用以前交易的有效数据来未经授权重新传输或重复交易。
缓解技术
使用强加密：使用长密钥并定期轮换。
安全密钥存储：使用硬件安全模块 (HSM) 并限制访问。
启用双因素身份验证 (2FA)：增加额外的安全层。
使用数字证书：防止中间人攻击。
使用复杂的密钥：确保密钥不可预测且复杂。
实施端到端加密：在整个传输过程中确保数据的安全。
使用时间戳：通过跟踪交易发生的时间防止重放攻击。
区块链密码学的未来趋势
后量子密码学
随着量子计算机的发展，它们对当前的加密算法构成了极大威胁。量子计算使用量子比特和高级机制，可以破解椭圆曲线密码术 (ECC) 和 RSA 等加密方法。为了应对这一威胁，研究人员正在开发后量子密码术——旨在抵御量子攻击的新算法。这些抗量子算法的示例包括基于格、基于哈希和多元多项式的密码术。
不断发展的加密标准
加密标准不断发展，以应对新的安全威胁。开发人员必须及时了解最新进展，以确保其区块链安全措施保持稳健。持续学习、实施最佳实践以及与加密社区互动对于开发安全解决方案至关重要。
实用实施指南
工具和库
以下是一些广泛使用的用于实现加密的工具和库：
OpenSSL：常用于 SSL/TLS 实现的开源工具包。
Bouncy Castle：提供轻量级加密功能和 Java 加密扩展 (JCE) 提供程序的 API 集合。
Libsodium：一个流行的加密库，以易用性和强大的安全功能而闻名。
PyCryptodome：一个用于低级加密操作的 Python 包。
web3.js 和 ether.js：JavaScript 库用于与以太坊区块链交互。
示例代码片段：
此代码片段显示：
使用 OpenSSL 生成密钥对：
# 生成私钥
openssl genpkey -算法 RSA -out private_key.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048
# 提取公钥
openssl rsa -pubout -in 私钥.pem -out 公钥.pem
哈希：
# 使用 SHA-256 对文件进行哈希处理
openssl dgst -sha256 文件.txt
签署交易：
从 Crypto.Signature 导入 pkcs1_15
从 Crypto.Hash 导入 SHA256
消息 = b’区块链交易’
hash_obj = SHA256.new（消息）
签名 = pkcs1_15.new(private_key).sign(hash_obj)
结论
总而言之，密码学在区块链中起着至关重要的作用，为应用程序提供信任、完整性和安全性，使其强大而可靠。开发人员需要掌握该领域的最新进展和所有趋势，才能开发安全的去中心化应用程序。利用最佳实践并注意潜在的漏洞和代码以确保安全！
常见问题解答
区块链中的加密技术是什么？
区块链中的密码学是安全体系的基础，保证传输的安全、私密。
加密在区块链开发中如何发挥作用？
加密是一种将消息或数据转换为只有授权方才能解密的密码的技术。
什么是数字签名？其在区块链中的用例是什么？
真实性的衡量标准是用于身份验证和完整性的数字签名。
区块链中的对称加密和非对称加密有什么区别？
对称使用相同的密钥进行加密和描述，而非对称使用不同的密钥。
区块链开发中公钥和私钥如何管理？
公钥是公开分发的，而私钥则是秘密保存的。
密码学在区块链共识算法中扮演什么角色？
加密原理被运用在Pow、PoS等共识机制中。
开发人员如何防范加密攻击？
开发人员可以使用强加密并进行高效的密钥管理。
后量子密码学对于区块链的重要性是什么？
这使得区块链做好了应对未来潜在威胁的准备。
