文章《密碼學 101：初學者區塊鏈開發的關鍵》首次出現在 Coinpedia Fintech News 上
介紹
密碼學概述
密碼學是我們數字世界中的一道盾牌，在這個世界中威脅無處不在。密碼學是保護通信安全的做法，以確保只有授權人員才能訪問信息。密碼學就是將消息轉換爲不可讀的文本，然後在另一端重新轉換爲可讀的形式。
如今，現代密碼學更加先進，融合了計算機科學和數學。這些算法旨在解決複雜問題，因此很難破解。儘管這些算法在理論上可以解決，但實際上在合理的時間內是牢不可破的。這使得密碼學對於確保數據安全、保護隱私和確認身份至關重要。
區塊鏈技術中的密碼學
在區塊鏈技術中，加密技術是基礎。區塊鏈依靠加密技術來維護安全性。沒有它，區塊鏈的發展就不可能實現。它的工作原理如下：
安全交易：加密技術確保交易的安全。
加密：消息和重要的交易信息被唯一地編碼，並且只有預期的接收者才能解碼。
哈希區塊：區塊鏈中的區塊使用唯一但隨機的哈希函數進行哈希處理，這有助於驗證和保護它們。加密技術可確保網絡節點之間的交易安全，保護用戶的隱私和數據完整性。從本質上講，加密技術是區塊鏈安全的支柱。
歷史背景與演變
一個簡短的歷史
我們大多數人都熟悉 Alice、Bob 和 Eve 之間的經典場景，即 Alice 和 Bob 交流，而 Eve 試圖竊聽。這個場景凸顯了傳統密碼學的根源，它最初側重於保持消息的機密性。早期的密碼學是關於加密消息以防止竊聽並在收到後解密。在古代，密碼學依賴於語言學和語言模式。如今，它借鑑了計算機科學的各個分支，包括計算複雜性、信息論、數論和組合學。
對區塊鏈的影響
區塊鏈是高度依賴安全性和隱私性的去中心化系統。密碼學是區塊鏈技術的核心。哈希函數、公鑰密碼學、數字簽名和工作量證明等關鍵的密碼學進步是密碼學方法的重要改進。這些進步確保了區塊鏈系統的安全性和完整性。
開發人員必備的加密概念
加密和解密
加密是將純文本轉換爲不可讀的格式（稱爲密文）。解密是相反的過程，即將密文轉換回純文本。這兩個過程是密碼學的基礎。從歷史上看，這種來回機制因其可靠性而被軍事和其他組織廣泛使用。
對稱加密與非對稱加密
對稱：此方法使用相同的密鑰進行加密和解密。這種方法稱爲密鑰加密，通常通過數據加密標準 (DES) 等系統實現。只有有權訪問密鑰的個人才能解密數據。對稱加密對於加密大量數據非常有效，並且通常用於網站安全。它傳輸數據很快，需要的計算能力也較少。
非對稱：也稱爲公鑰加密，此方法使用兩個不同的密鑰 - 公鑰和私鑰。公鑰用於與他人共享信息，而私鑰用於解密消息和驗證數字簽名。此方法速度較慢且需要更多處理能力，但對於 Web 服務器身份驗證和安全通信至關重要。與對稱密鑰不同，您可以從私鑰派生出公鑰，但不能反之亦然。示例包括橢圓曲線加密 (ECC) 和數字簽名標準 (DSS)。
加密哈希函數
哈希函數是計算機科學中一種流行的技術，它不使用密鑰但仍能確保數據完整性。哈希函數會根據輸入數據創建固定大小的輸出，而輸入數據通常是一串看似隨機的字符串。哈希函數在區塊鏈中至關重要，它可以鏈接區塊並確保其中包含的數據的安全性和完整性。
哈希函數的關鍵屬性：
確定性：特定的唯一輸入始終具有相同的唯一哈希值。
抗碰撞性：從同一個哈希值中找出兩個不同的輸入是件很困難的事。
雪崩效應：輸入消息或序列的任何微小變化都可能徹底改變哈希函數。
區塊鏈特定功能：
區塊鏈中使用的常見哈希函數包括 SHA-256 和 MD5。例如，比特幣使用 SHA-256 來確保交易的安全性和完整性。哈希函數在區塊鏈中至關重要，因爲它們可以防止未經授權的數據修改、減少帶寬需求並簡化數據驗證。
數字簽名及其重要性
數字簽名爲交易提供真實性和完整性的證明，確保交易合法且未被篡改。要創建數字簽名，發送者使用其私鑰和交易數據，通過特定算法生成唯一簽名。接收者可以使用發送者的公鑰驗證此簽名，以確認其真實性。
在區塊鏈中，每筆交易都使用發送者的私鑰進行簽名，並使用相應的公鑰進行驗證，然後才能添加到區塊鏈中。
公鑰和私鑰：區塊鏈安全的支柱
密鑰對生成
公鑰和私鑰是使用加密算法生成的，通常採用非對稱加密方法。常用算法包括橢圓曲線加密 (ECC)、數字簽名算法 (DSA) 和 Rivest-Shamir-Adleman (RSA)。ECC 通常更受青睞，因爲它的密鑰較小。私鑰必須保密且安全，而公鑰可以共享。硬件安全模塊 (HSM) 有助於保護私鑰，備份對於防止丟失至關重要。
交易中的角色
公鑰和私鑰對於確保交易的安全性和驗證至關重要。私鑰用於創建簽名，而公鑰用於驗證簽名，以確保交易真實且未被篡改。
錢包管理
密鑰存儲在區塊鏈錢包中，錢包可以是基於軟件的，也可以是基於硬件的。錢包有兩種類型：
熱錢包：這些是連接到互聯網的在線錢包，例如移動錢包或網絡錢包，方便頻繁交易。
冷錢包是一種離線存儲解決方案，類似於硬件或紙錢包，可以爲長期持有提供增強的安全性。
使用強加密、密碼和口令來保護您的區塊鏈錢包。實施多重簽名實踐，要求使用多個私鑰來授權交易，並使用雙因素身份驗證 (2FA) 來增加安全性。始終在離線位置備份您的種子短語和私鑰，並選擇具有強大安全功能的信譽良好的錢包。切勿共享您的私鑰；使用強密碼來保護您的錢包。
利用加密技術的共識算法
工作量證明（PoW）：
工作量證明（通常稱爲挖礦）是一種去中心化系統，其中網絡成員或礦工競爭解決加密難題。第一個解決難題的礦工將下一個區塊添加到區塊鏈並獲得獎勵。此過程使用哈希來保護區塊鏈。PoW 難題的難度確保區塊鏈保持安全並控制添加新區塊的速度。
權益證明（PoS）：
權益證明根據驗證者持有的代幣數量和作爲抵押品的股份來選擇新區塊的驗證者。但是，這種選擇不僅僅基於代幣數量，還考慮代幣年齡和隨機性等因素。驗證者是根據最低哈希值和最高股份金額來選擇的。PoS 比 PoW 更節能。
其他共識機制包括委託權益證明（DPoS），使用選舉代表和聲譽進行交易驗證，以及實用拜占庭容錯（PBFT），用於在區塊鏈系統中達成共識。
密碼學在區塊鏈開發中的實際應用
確保交易安全
加密技術對於通過各種方法確保交易安全至關重要：
數字簽名：確保交易的真實性、完整性和不可否認性。
加密：維護交易的機密性。
哈希函數：驗證數據是否保持不變；交易細節的任何更改都會破壞哈希函數。
智能合約
密碼學原理保證智能合約安全可靠：
授權：通過數字簽名進行管理。
完整性：通過散列確保，可防止篡改。
可預測性：確定性的執行確保可靠的合同履行。
機密性：通過加密維護，僅限授權方訪問。
開發 DApp
加密對於開發安全的去中心化應用程序（DApps）至關重要：
用戶身份驗證：使用公鑰加密代替傳統的用戶 ID 實現無縫登錄。
數據安全：通過加密和散列技術確保。
交易安全：通過數字簽名進行管理。
例子包括 DeFi 平臺和供應鏈管理 DApps。
常見的加密攻擊和緩解策略
攻擊類型
暴力攻擊：攻擊者嘗試所有可能的組合來破解加密。弱密碼或短密碼尤其容易受到攻擊。
中間人 (MitM) 攻擊：攻擊者攔截髮送者和接收者之間的通信，可能更改數據並破壞安全。
重放攻擊：欺詐交易使用以前交易的有效數據來未經授權重新傳輸或重複交易。
緩解技術
使用強加密：使用長密鑰並定期輪換。
安全密鑰存儲：使用硬件安全模塊 (HSM) 並限制訪問。
啓用雙因素身份驗證 (2FA)：增加額外的安全層。
使用數字證書：防止中間人攻擊。
使用複雜的密鑰：確保密鑰不可預測且複雜。
實施端到端加密：在整個傳輸過程中確保數據的安全。
使用時間戳：通過跟蹤交易發生的時間防止重放攻擊。
區塊鏈密碼學的未來趨勢
後量子密碼學
隨着量子計算機的發展，它們對當前的加密算法構成了極大威脅。量子計算使用量子比特和高級機制，可以破解橢圓曲線密碼術 (ECC) 和 RSA 等加密方法。爲了應對這一威脅，研究人員正在開發後量子密碼術——旨在抵禦量子攻擊的新算法。這些抗量子算法的示例包括基於格、基於哈希和多元多項式的密碼術。
不斷髮展的加密標準
加密標準不斷髮展，以應對新的安全威脅。開發人員必須及時瞭解最新進展，以確保其區塊鏈安全措施保持穩健。持續學習、實施最佳實踐以及與加密社區互動對於開發安全解決方案至關重要。
實用實施指南
工具和庫
以下是一些廣泛使用的用於實現加密的工具和庫：
OpenSSL：常用於 SSL/TLS 實現的開源工具包。
Bouncy Castle：提供輕量級加密功能和 Java 加密擴展 (JCE) 提供程序的 API 集合。
Libsodium：一個流行的加密庫，以易用性和強大的安全功能而聞名。
PyCryptodome：一個用於低級加密操作的 Python 包。
web3.js 和 ether.js：JavaScript 庫用於與以太坊區塊鏈交互。
示例代碼片段：
此代碼片段顯示：
使用 OpenSSL 生成密鑰對：
# 生成私鑰
openssl genpkey -算法 RSA -out private_key.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048
# 提取公鑰
openssl rsa -pubout -in 私鑰.pem -out 公鑰.pem
哈希：
# 使用 SHA-256 對文件進行哈希處理
openssl dgst -sha256 文件.txt
簽署交易：
從 Crypto.Signature 導入 pkcs1_15
從 Crypto.Hash 導入 SHA256
消息 = b’區塊鏈交易’
hash_obj = SHA256.new（消息）
簽名 = pkcs1_15.new(private_key).sign(hash_obj)
結論
總而言之，密碼學在區塊鏈中起着至關重要的作用，爲應用程序提供信任、完整性和安全性，使其強大而可靠。開發人員需要掌握該領域的最新進展和所有趨勢，才能開發安全的去中心化應用程序。利用最佳實踐並注意潛在的漏洞和代碼以確保安全！
常見問題解答
區塊鏈中的加密技術是什麼？
區塊鏈中的密碼學是安全體系的基礎，保證傳輸的安全、私密。
加密在區塊鏈開發中如何發揮作用？
加密是一種將消息或數據轉換爲只有授權方纔能解密的密碼的技術。
什麼是數字簽名？其在區塊鏈中的用例是什麼？
真實性的衡量標準是用於身份驗證和完整性的數字簽名。
區塊鏈中的對稱加密和非對稱加密有什麼區別？
對稱使用相同的密鑰進行加密和描述，而非對稱使用不同的密鑰。
區塊鏈開發中公鑰和私鑰如何管理？
公鑰是公開分發的，而私鑰則是祕密保存的。
密碼學在區塊鏈共識算法中扮演什麼角色？
加密原理被運用在Pow、PoS等共識機制中。
開發人員如何防範加密攻擊？
開發人員可以使用強加密並進行高效的密鑰管理。
後量子密碼學對於區塊鏈的重要性是什麼？
這使得區塊鏈做好了應對未來潛在威脅的準備。
