作者：Trust Machines 编译：Cointime.com 237

密码学是每种加密货币和区块链网络的核心。从加密货币交易中发送和接收加密货币的能力到支持区块链协议的共识机制，技术是一切的核心。

作为第一个加密货币和点对点电子现金系统，比特币也是第一个使用密码学方法设计的区块链，这些方法是在中本聪创建比特币系统之前几十年开发的。

密码学和加密的历史

密码学的历史跨越数千年，可以追溯到古代文明。有一些简单的加密方法的例子，早在公元前 1500 年就开始使用，并经历了几个世纪的演变。

但我们所知的现代密码学大部分始于 20 世纪中叶，并在第二次世界大战期间出现了关键发展。当时，恩尼格玛（Enigma）密码机是德国在二战期间用于安全通信的复杂机电设备。Enigma 采用基于转子的加密技术，最初被认为是牢不可破的，直到包括艾伦·图灵和他在布莱切利公园的团队在内的密码破译者的努力，破译了 Enigma 加密的信息，极大地影响了战争的结果。在布莱奇利公园期间，图灵还发明了图灵机，该机将成为现代计算的基础（以及信任机器的名称）。

Diffie-Hellman的贡献

20 世纪 70 年代，计算机和数字时代的出现激发了密码学家的热情。其中最重要的是惠特菲尔德·迪菲 (Whitfield Diffie) 和马丁·赫尔曼 (Martin Hellman)。他们是著名的密码学家，在现代密码学领域取得了突破性的发现，即公钥密码学。他们于 1976 年发表的作品彻底改变了安全通信和密钥交换的执行方式。

在迪菲和赫尔曼取得突破之前，传统密码系统依赖于对称加密，即使用相同的密钥进行加密和解密。面临的挑战是在通信双方之间安全地共享密钥而不被对手拦截。

Diffie 和 Hellman 通过引入非对称加密（也称为公钥加密）的概念提出了一种创新的解决方案。在该系统中，不使用共享密钥，而是使用两个数学上相关的密钥：公钥和私钥。

公钥是自由分发的，任何人都可以知道，而私钥则保持秘密，只有其所有者知道。密钥之间的数学关系是，用公钥加密的数据只能用相应的私钥解密，反之亦然。此属性在计算上无法进行逆向工程，从而确保安全通信和数据机密性。

Diffie 和 Hellman 的主要贡献是公钥密码系统中密钥交换的概念。他们引入了 Diffie-Hellman 密钥交换协议，该协议允许两方通过不安全的通信通道安全地建立共享密钥。

该协议的工作原理如下：

1、每一方生成自己的密钥对，由私钥和相应的公钥组成。

2、各方公开交换公钥，而不会影响安全性。

3、使用自己的私钥和接收到的公钥，各方独立计算共享密钥。

4、双方共享的密钥是相同的，然后用于后续的对称加密以安全通信。

Diffie-Hellman 密钥交换协议的优点是，即使对手在传输过程中截获公钥，他们也无法在没有相应私钥（仍然保密）的情况下计算共享密钥。

Diffie 和 Hellman 的发现为各种加密应用奠定了基础，例如安全通信协议（例如 SSL/TLS）、数字签名和安全密钥交换机制。他们的工作开辟了安全通信的新途径，无需事先分发密钥即可执行加密和密钥交换，解决了密码学领域的重大挑战。

他们的发现将构成区块链技术和加密货币的基础，从 2009 年的比特币开始。

定义加密和解密：非对称和对称加密

在我们深入研究密码学如何在加密货币和区块链中使用之前，我们需要了解两个基本过程：加密和解密。

加密是使用加密算法和密钥将明文转换为密文的过程。加密的目的是使未经授权的个人无法读取加密的消息和数据，以提高安全性。加密算法将明文和密钥作为输入，并生成密码作为输出。

加密过程通常涉及数学运算、替换、排列或其他扰乱原始数据的变换。加密的强度在于加密算法的复杂性和所使用的密钥的保密性。

解密是加密的逆过程。它涉及使用解密算法和相应的密钥将密文转换回明文。解密允许授权接收者从加密形式恢复原始数据。解密算法旨在反转加密过程中执行的操作并检索原始明文。它将密文和密钥作为输入，并生成明文作为输出。

为了安全通信，只有拥有正确密钥的预期接收者才能解密密文并检索原始消息。在不知道密钥的情况下，未经授权的实体在计算上不可能解密密文并获得明文。

加密和解密是各种密码应用的核心，包括安全通信协议、数据存储、密码保护、数字签名等。它们有助于维护当今数字世界中敏感信息的机密性、完整性和隐私性。

进一步细分，我们还将探讨用于加密数据的两种常见方法：非对称加密和对称加密。

1、非对称加密

非对称加密也称为公钥加密。这种加密技术使用一对数学上相关的密钥进行加密和解密。在这种情况下，各方生成由公钥和私钥组成的密钥对。公钥是自由分发的，任何人都可以知道，但私钥仅由密钥所有者保存。

要使用非对称加密来加密消息，发送者使用接收者的公钥。发送者获取明文并应用加密算法，该算法对公钥和消息进行操作，以产生密文。生成的密文只能使用相应的私钥进行解密。

为了解密消息，接收者使用他们的私钥。接收者应用解密算法，该算法对私钥和密文进行操作，以检索原始明文。

非对称加密的关键特性是公钥可以自由共享，而不会损害加密数据的安全性。只有相应的私钥（保持秘密）才能解密密文。

2、对称加密

对称加密是一种使用单个密钥来加密和解密数据的加密技术。在这种情况下，发送者和接收者共享一个密钥，该密钥必须对未经授权的各方保密。

当密钥由可信实体生成并通过预先安排的安全通道在发送者和接收者之间安全共享时，该过程开始。

发送方首先获取明文（原始的未加密数据），并应用加密算法和共享密钥来生成密文（加密数据）。加密算法对明文进行一系列数学运算、替换和变换，生成密文。

然后，接收者获取密文并应用解密算法以及相同的共享密钥来恢复原始明文。解密算法反转加密期间执行的操作并检索原始数据。

什么是哈希函数？

哈希函数是一种数学算法，它接受输入（也称为消息或数据）并产生固定大小的输出，称为哈希值或哈希码。

哈希函数有几个重要的属性，使它们在密码学中很有用：

1、确定性

对于相同的输入，哈希函数将始终产生相同的哈希值，以实现一致性和可预测性。

2、固定输出大小

无论输入大小如何，哈希函数都会生成固定长度的哈希值。例如，常见的哈希函数 SHA-256 始终生成 256 位哈希值。

3、不可逆性

哈希函数被设计为单向函数，这使得从哈希码重建原始消息变得极其困难。

4、“雪崩效应”

输入数据的微小修改将导致哈希值显着不同。这确保了即使输入发生微小变化也会产生截然不同的哈希码。

5、抗冲突性

良好的哈希函数可以最大限度地减少两个不同输入产生相同哈希值的概率。虽然理论上两个不同的输入有可能产生相同的哈希值，但强大的哈希函数使这种情况发生的可能性极小。

哈希函数广泛应用于密码学中的各种过程。在数据完整性、密码存储、数字签名和保护区块链网络方面，它们是一个有价值的工具。

密码学如何与区块链和加密货币一起工作？

那么密码学技术如何与区块链结合使用呢？

简而言之，区块链技术广泛使用密码学来维护其功能和安全性。密码学用于区块链技术的多个方面，包括：

1、保护交易

密码学用于保护区块链网络中的交易。每笔交易均使用非对称加密进行数字签名。发送者使用他们的私钥创建数字签名，该签名对于该交易是唯一的。然后，接收者可以使用发送者的公钥来验证签名并确保交易的完整性和真实性。这个过程确保交易不能被篡改或伪造。

2、维护数据完整性

区块链使用加密哈希函数来确保每个块中存储的数据的完整性。哈希函数接受输入数据并生成固定大小的输出，称为哈希。输入数据的任何变化都会导致完全不同的哈希值。区块链中的每个块都包含前一个块的哈希值，从而创建由哈希值链接的块链。这种结构使得在不修改所有后续块的情况下改变前一个块中的数据在计算上是不可行的，从而提供了防篡改能力。

3、共识机制

区块链中的共识机制，例如工作量证明（PoW）或权益证明（PoS），依靠密码学来验证并就区块链的状态达成一致。例如，在 PoW 中，矿工通过执行计算密集型计算来竞争解决密码难题。第一个解决难题的矿工向链中添加了一个新区块，其他参与者可以轻松验证解决方案。这种机制确保在将新块添加到网络时达成一致，并防止恶意行为者篡改区块链。

4、身份验证

密码学用于区块链网络中的身份验证。区块链系统的参与者拥有唯一的加密密钥对：公钥和私钥。公钥用作地址或标识符，而私钥保持秘密并用于数字签名和身份验证。加密技术可以在区块链网络内实现安全和假名的交互，提供隐私和安全性，同时保持透明度。

最终，通过利用密码学，区块链技术实现了无需信任的技术，消除了对中介机构的需求。

密码学如何在比特币上发挥作用？：钱包、哈希值等

比特币广泛使用加密技术来提供安全性、隐私性和功能性。例如，钱包本质上利用迪菲和赫尔曼提出的公私密钥配对的加密方法。其他用例包括：

1、区块链安全

比特币加密技术的最大用途之一是维护网络的安全。比特币网络中的交易使用通过非对称加密创建的数字签名来保护。私钥用于生成数字签名，以验证交易的真实性和完整性，只有私钥的所有者才能使用其比特币完成交易。

此外，加密密钥对用于生成比特币地址，这是用户公钥的哈希版本。它用作接收比特币付款的假名标识符。加密散列的使用通过不泄露用户的实际公钥来提供隐私。只有与比特币地址关联的私钥的所有者才能花费与该地址关联的比特币。

虽然交易记录在公共区块链中，但使用加密密钥对可以让用户保持假名。通过为每笔交易生成新地址，用户可以分离他们的交易历史记录，这使得将交易链接到特定个人或实体变得具有挑战性。此外，还开发了 CoinJoin 和零知识证明等技术来增强比特币交易的隐私性。

2、区块链运营

密码学在比特币区块链的运营中也发挥着重要作用。首先，加密技术实现了比特币区块链交易历史的不变性。区块链中的每个块都包含前一个块数据的加密哈希，从而创建块链。修改前一个块中的数据会更改其哈希值，从而使所有后续块无效。因此，一旦交易记录在区块链中，就很难更改或删除。

工作量证明是将新的比特币交易添加到区块链的过程，也依赖于加密计算。PoW 的加密性质确保向区块链添加新区块在计算上是困难的，从而使网络能够抵抗攻击并提供去中心化共识。

密码学：比特币的基础

不可否认，密码学是比特币安全、隐私和功能的基础。从比特币钱包中的公钥和私钥到比特币挖矿经济，一切都由加密算法和流程提供支持，这些算法和流程造就了今天的协议。

但即使超越比特币，比特币网络中密码学的集成也彻底改变了数字货币的概念，并为许多其他加密货币和基于区块链的应用程序的开发奠定了基础。较新的区块链和加密货币仍然采用许多相同的加密方法在网络上进行交易并维护区块链安全。