DSA:區塊鏈深度學習系列｜橢圓曲線數字簽名發展史

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本系列內容包含：基本概念及原理、密碼學、共識算法、錢包及節點原理、挖礦原理及實現。

密碼學有兩類：私鑰密碼學，公鑰密碼學。也可以稱之為：對稱密碼學，非對稱密碼學。

其中公鑰密碼里面有三個基本原理：公鑰加密、數字簽名、密鑰協商。

本文詳細闡述的內容是：現代密碼學里面，公鑰密碼學中數字簽名中的一種——橢圓曲線數字簽名。橢圓曲線數字簽名算法(ECDSA)是使用橢圓曲線對數字簽名算法(DSA)的模擬。

學科為什么這樣分類？數字簽名是如何出現的？為什么產生？我們一起來了解一下密碼學的發展歷史。

私鑰密碼學

說起密碼學，其實我們并不陌生，比如二戰期間德國使用的加密機，在戰爭期間起到了很重要的作用。從那個時候就已經展現展示出了密碼學的一些作用和用處。

在美上市區塊鏈中概股跌多漲少:今日美股收盤，在美上市區塊鏈中概股跌多漲少。嘉楠科技收跌1.5%，人人網收跌7.83%，中網載線收跌1.48%，寺庫收漲6.31，迅雷收漲1.87%，獵豹移動收跌0.51%，蘭亭集勢收跌2.04%。[2020/9/15]

當時二戰期間德國使用的密碼機是恩尼格瑪密碼機。這個密碼機放到當前密碼學學科里面，屬于經典密碼學。

經典密碼學經典密碼是一種密碼類型，過去歷史上常用，但現代大部分的已經不再使用了。經典密碼是基于一個拼音字母(像是A-Z)、動手操作或是簡單的設備，以使用了很多的技巧而著稱。

經典密碼學也可能是一種簡單的密碼法，以致于其效率和安全性并不值得信賴。而我們現在所了解的新密碼學被稱之為現代密碼學，也就是私鑰密碼學和公鑰密碼學。

既然現代密碼學中分私鑰密碼學和公鑰密碼學，那么什么是私鑰密碼學呢？

也就是當使用私鑰密碼學進行加密、解密的時候，使用的密鑰是同一把。

例如，張三和李四進行通信，張三將一段明文加密，之后通過網絡傳播給李四，李四需要解密這段密文才能看到明文。那么在這個過程當中，張三進行加密的密鑰和李四解密使用的密鑰是相同的。

政協委員駱沙鳴：可打造若干區塊鏈產業生態園區以營造更多應用場景:全國政協委員、臺盟中央常委、福建省泉州市政協副主席駱沙鳴表示，在加快推進區塊鏈和經濟社會融合發展的過程中，要助力完善公共服務，營造企業發展的國際化、法治化、現代化一流營商環境。區塊鏈要避免純粹地炒概念、貼標簽，要更多地注重區塊鏈企業集群、要素集中和創新集聚，注重區塊鏈技術的研發創新，走高端化發展路線。同時，要注重區塊鏈標準制定和技術準則制定的國際制高點，注重區塊鏈階段性研究成果的保護和運營，借助區塊鏈專利的布局、運營更好地推動產業轉型升級。此外，可以打造若干個區塊鏈產業生態園區，為區塊鏈技術的植入營造更多應用場景和更好的生態環境。（中國電子報）[2020/5/28]

這里面存在一個很大的弊端，在這個傳輸過程中，李四獲得密鑰的方式有以下兩種：

1.張三和李四私下見面，張三將密鑰當面給李四；

2.張三將密鑰直接在線發給李四。

第一種方式，由于只有兩個人見面，所以其他人不會知道，這種方式很安全，但是很不方便，尤其是成本太大。比如一個人在中國，一個人在美國。這還是點對點，如果成千上萬的人需要傳輸，那么這種方式根本不可行。

區塊鏈技術助力慈善透明化 人民數字捐贈溯源平臺上線:金色財經報道，人民數字捐贈溯源平臺日前已經上線。目前可在微信中搜索到該小程序。人民數字捐贈溯源平臺采用定向捐贈方式，有物資需求的醫院都會在列表中顯示，捐贈者可以選擇將物資捐贈給最需要的人。捐贈的進度、記錄等信息實時可查，并且項目的所有流程，都將采用區塊鏈技術存證，不可篡改不可偽造，從而保證全部過程公開透明，杜絕各種違規操作、暗箱操作。

據了解該平臺是由人民日報數字傳播（上海）有限公司發起，蘇州同濟區塊鏈研究院有限公司、深圳?特時代技術服務有限公司開發和提供技術支持的非營利公益性平臺。[2020/3/18]

第二種方式，通過網絡傳送很方便，但是嚴格來說是不安全的，因為直接傳送密鑰的話，那么相當于傳送的數據是明文，而其他人可以通過一些其他方法截獲這些數據，所以存在很大的安全隱患。

在一個碩大的網絡系統當中，如果使用私鑰密碼學，就會存在嚴重的問題，那就是密鑰的共享問題，因為私鑰密碼學里面加密使用的密鑰和解密使用的密鑰是同一把。要么協商成本太大，要么存在風險。

韓國區塊鏈協會：將會對進軍韓國的海外交易所進行嚴格的審核:最近海外交易所（如OkCoin，huobi.pro）進軍韓國虛擬貨幣市場，或將對于韓國國內的虛擬貨幣交易所造成競爭威脅。對此韓國區塊鏈協會發表稱：“對于海外交易所在國內的營業中所擔憂的問題是，當發生問題時這個責任由誰來承擔？因此將會對海外交易所進行嚴格的審核。”[2018/4/17]

這是私鑰密碼學和其存在的問題。科技永遠是在不斷的革新，有問題就要去解決，所以公鑰密碼學登上了歷史舞臺。

公鑰密碼學

在1976年，迪菲和赫爾曼兩個人提出了一個具有劃時代意義的思想，他們指出，在通信雙方之間不直接傳輸加密密鑰的保密通信是可能的。

也就是把密鑰分為加密的公鑰和解密的私鑰，當使用這個密鑰對傳輸數據的時候，如果用公鑰加密數據就必須用私鑰解密，如果用私鑰加密也必須用公鑰解密，否則解密將不會成功。

改造印度國家研究院正在探索區塊鏈技術在教育醫療領域的應用:根據印媒《經濟時報》消息，改造印度國家研究院(NITI Aayog）正在探索在教育，醫療和農業領域應用區塊鏈的潛力。改造印度國家研究院成立于2015年，取代了此前的計劃委員會。有消息稱，改造印度國家研究院正在進行將區塊鏈技術引入關鍵領域的概念驗證。此前，改造印度國家研究院已經和哈佛大學區塊鏈初創公司Proffer組織了一次區塊鏈黑客馬拉松。[2018/1/4]

這是第一個實用的在非保護信道中建立共享密鑰方法，也可以簡單理解為將張三加密的密鑰和李四解密的密鑰分成兩把。

例如，張三和李四通過公鑰加密算法得到一個唯一的密鑰對(公鑰和私鑰)，兩人各持一把，比如張三持公鑰，李四持私鑰。張三要給李四傳輸秘密數據，那么張三通過公鑰進行加密，只有持有李四的私鑰才可以將信息進行解密。反之，李四通過私鑰進行加密，只有持有張三的公鑰才可以解密。

這樣即使信息在傳送過程中，即使被第三方截取，也不可能獲取其中的內容。

如果在一個碩大的網絡系統當中，所有人都將自己的公鑰公開，保留自己的私鑰。那么就解決了一個問題：通信雙方都有彼此公鑰，通信時只要使用對方公鑰進行加密并且傳輸數據，即便這些加密的密文是完全公開的，但是只有私鑰持有人才能解密數據內容。

密鑰協商

密鑰協商是將上文提出的思想進行實現的過程，兩人或多人即使沒有任何關系，也可以通過公開的、不安全的通信網絡進行交互，共同建立會話密鑰，任何一個參與者均對結果產生影響，不需要任何可信的第三方。

其中會話密鑰由每個協議參與者分別產生的參數通過一定的計算得出，這就是密鑰協商協議。

密鑰協商協會的生產方式可以分為兩種：證書型和證書型。

證書型，是指在會話密鑰的產生過程中，由一個可信的證書中心給參與密鑰協商的各方主體分別發放一個證書，此證書中含有各方的公鑰，ID及其他信息。優點是比較成熟，應用面廣泛，公私鑰均有利于統一管理。其缺點是強中心化，因此計算代價巨大，并且證書還需要維護。

無證書型，是指各方在進行會話密鑰的協商過程中不需要證書的參與，不需要可信證的書中心參與，這樣減少了計算量，同時安全性和證書型處于同一級別。其唯一缺點是設計起來比較復雜，因此現在無證書型是密鑰協商協議的主流種類。

數字簽名

數字簽名是只有信息的發送者才能產生的別人無法偽造的一段數字串，這段數字串同時也是對信息的發送者發送信息真實性的一個有效證明。其作用是用來做數據認證的，它能夠鑒定數據在網絡當中傳播是否被篡改。

每一種簽名體制其實都根植于一個數學問題，當使用公鑰加密完成之后，只有私鑰擁有者才能解密，而其他人不能解密，其原理是基于數學問題的困難性。

我們通過代表性的公鑰加密發展史來理解一下：

RSA_DSA，是基于整數分解問題設計的加密體制，這里的整數是很大的，比如是2^256長的比特串，此種加密體制沒有涉及到數字簽名。

ElGamal_DSA，是基于離散對數問題設計的加密體制。

EC_DSA，是基于有限運算的運算對數問題設計的加密體制。

Lattice_DSA，是基于最短象限的尋找問題設計的加密體制。

這四種加密體制出現的時間也是遵循從上到下的順序，前三者在量子攻擊面前是十分脆弱的，最后Lattice_DSA的出現就是為了抵御量子攻擊，當然現階段量子計算機從成熟到應用還有很長的一段時間。

數字簽名和公鑰的一些聯系：簽名者使用私鑰進行簽名，簽名的私鑰僅對自簽名者公開，公鑰是公開的，每個人都可以用公鑰對私鑰擁有者產生的簽名進行驗證，來驗證是否是有私鑰擁有者簽署的。

有些朋友會問，在區塊鏈系統系統當中，為什么主要使用的是橢圓曲線數字簽名算法，而不是其它的呢？

如上圖所示，在橢圓曲線密碼體制中，當私鑰長度為160位比特長度的時候，其安全級別是80位，當私鑰長度為256位比特長度的時候，其安全級別是128位。

這里可以對比一下其他密碼體制，比如Elgamal要想達到128位安全級別的話，其私鑰長度是3072位，是橢圓曲線私鑰長度的12倍。

而私鑰的長度對密碼體制的影響是：私鑰的長度越長，密碼系統里面的加解密、簽名、驗簽算法等，其效率越低。因此，在同樣的安全級別下，區塊鏈系統使用了私鑰更短、效率更高的橢圓曲線。

所以，之所以在區塊鏈系統中主要使用的是橢圓曲線數字簽名算法，主要是因為在數字簽名算法中，橢圓曲線數字簽名算法能夠以相對較短的密鑰長度達到更高的安全級別。

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