密码学因区块链更“值钱” 区块链因密码学更“完善”





作者：上海交大教授、密码学家 来学嘉



与密码算法密不可分的区块链

首先，区块链是密码算法搭起来的，所以说它和密码算法是不可分割的。另一方面，反过来区块链又对密码学有贡献，它对密码学的发展提供了一些新的思路或者新的方向。最后捎带提一些我们常用的术语，应该怎么样建立正确的认识。



区块链本质是什么呢，是全局分布而且同步的账本，大家都有一个一样的东西。这套东西能验证账本内容，而这些内容是每个人都可以验证的。同时还能保证账本中放的是交易，你又能验证交易是不是合法。



说到区块链不得不提到比特币，因为区块链是从比特币来的。比特币是分布式电子系统，利用网络在没有事先信任情况下实现交易支付。



比特币的交易通过数字签名链来实现，然后把这些交易记录放到一个数据库，一个共同验证的数据库，就是区块链。密码里有几个基本的密码函数，数字签名、Hash函数还是最常用的，其中最古老的叫做加密，但比特币没有加密。



比特币是什么东西，其实就是我们常说的地址。谁知道私钥谁就拥有比特币，因为我有私钥，可以对它做操作，做支付，这就是交易。



支付就是很简单，因为我有私钥，可以选一个想给的人，把他的地址拿过来，把我的签名和地址、钱绑到一起，就表明转到他那儿。因为他有他的私钥，可以用他的私钥接着往下做交易。



持有者对前期交易和收款人的地址做签名，就是交易。这个过程是可以公开验证的，因为数字签名的一个特性就是只有知道私钥的人，才能够生成签名，而其他人都可以验证，而且只能验证，这样的话就有一种抗抵赖的功能。



数字货币有一个很大的问题，就是copy的问题，因为一个文件和它的拷贝件是不可区分的，这样的话，电子货币原则上完全可以重复使用。这样的货币系统就失去了它的意义，所以需要一个方法防止双花问题。



传统解决方案是靠一个第三方，必须经过银行检查这个钱是否用过。比特币想了一个更好的办法，为了防止重复花费，就把所有用过记录全部公开，这样的话就无法重复使用了。公开记录的数据库就叫做账本，或者Blockchain，区块链就是这样来的。也就是说，区块链是比特币为了防止双花，而提出的一种系统。



这个记账的过程我们把它叫做挖矿，其实挖矿这个东西比较有意思在于，它做了好几件事：



一，挖矿要验证新出现的交易是合法的；



二，要把这些验证过的交易记录下来，放到账本里面进行记账，产生一个新的区块链。



在产生新区块的同时，实际上又生成新的货币。挖矿从密码学角度讲，它是很有意思的一个过程。最后，它又运用一个密码函数，Hash函数单向性控制挖矿的速度。用代码控制了挖矿的难度，实际上是控制Hash函数，函数码0的个数，因为Hash是单向函数，计算的过程实际上是破译的过程。破译的难度可以控制，每10分钟生成一个新的区块。



密码学——因为区块链而更加“值钱”

看下来就知道了，区块链就是用密码算法搭起来的。经过数字签名的链保证交易正确，然后Hash函数保证完整性和不可篡改，保证数据可以验证及其可信性。Hash函数单向性可以用来控制货币的生成速度，这是一方面。另一方面，区块链的形成对密码学又产生新的贡献，做出我们一些过去做不到的事情。



有了区块链以后，密码学“值钱”了，过去密码学是赔钱的，密码是保护数据用的，成本比较高。但有了区块链后，密码学就变成值钱的东西。因为我们通过生成符合某些条件的Hash码，经过一些密码函数计算结果变成了钱。同时，有了区块链，有了比特币这类应用后，这些做密码的人突然好像吃得开了，所以说密码学“值钱”了。密码函数还有勒索软件，勒索软件是什么东西，就是把密码函数算一下，把你的文件变成一个密文，问你要比特币。



真正从学术和技术上来讲，密码学真正贡献在哪里呢，就是Non-Repudiation（不可否认性）。图示这五个性质是ISO定义的安全服务要素。保密性就是加密，认证真实性就是数字签名，完整性就是Hash函数。Non-Repudiation是不可否认性、抗抵赖，数据函数只有一个性质，其他人只能验证。数字签名为抗抵赖提供一个证据。



密码学过去实现不了抗抵赖，区块链出来之后就有意思了，你就发现区块链本身提供了抗抵赖的平台，因为区块链就是我们现在可信第三方，大家都服从它。链上说什么就是什么，很自然就可以起到抗抵赖的作用，这也是比特币中的双花问题。



还有一种，我们过去做不到的事情是抗捏造。这件事情过去密码算法也做不到，因为密码学里用的是单向函数，必须已经有了数据之后才能实现某些功能。区块链就把你过去做的事情全部记下来，你想捏造，捏造不出来，大家只认账上的东西。总之来说，区块链就给密码学中或者安全中需要的抗抵赖、抗捏造，从这个角度讲提供了一套完整的解决方案。



安全服务里这一大块实际上是密码的东西，但有了区块链后密码学的作用又能更多一点，因为区块链是由密码函数构造，对密码学起了促进作用，在抗抵赖、抗捏造方面有了新的方法。



常用术语的正确理解

看了比特币构造之后，用了签名、Hash就是没有用加密，不管怎么说，首先基本的区块链、比特币没有加密，尽量避免用加密货币这个词。但是另一方面完全公开的内容又让区块链应用受到限制，很多人不愿意把他干的事情全部公开，让每个人知道。我们现在干的事情就是把加密功能放到区块链里，但这就麻烦了，区块链特性是公开可验证，参与人都可以验证这件事情，我接受记账才有效。



这时候用了保密，就是说验证人看不到内容，还要承认他，怎么办呢，密码学的方法就是零知识证明、环签名等等，过去我们认为高精尖技术都堆到这里来了，虽然比较困难，但它又解决了很多实际问题。



很多人都在说区块链的去中心化，仔细想想，区块链根本没有去中心，而是重新建立了一个中心，大家就认这个唯一的中心，更强的中心，就是链本身，大家只认数据。



或者说我们重新造一个上帝作为中心，所谓去中心，理解的角度是从比特币来讲。比特币去掉了发行货币的银行作为中心，也就是在交易时没有中心了。但真正用区块链实际上是创造出了一个中心。所以“去中心化”这个词用起来也要当心。



无论是POW还是POS，真正共识、唯一的共识，就是我们参与者只认可最长链的内容。POW、POS等等本质上是记账权，是在比特币中挖矿的结果，挖矿的目的是为了验证交易，同时因为验证交易的行为获取奖励，就是创造新的比特币。



什么叫公有链呢，公有链就是每个人都有记账权，全民投票。联盟链是只有大股东才有投票权、记账权。私有链是老板记账，回到中心化。有了这些东西后，再来看看公有、联盟、私有角度，看看区块链什么地方能用。从区块链角度讲，记账功能和交易功能是相对独立的两件事情，也就是这边记账，那边是账本里交易。如果是公有链，交易也是公开的，那就是比特币。



如果是私有链，交易也是私有，只有特定人才能干，其实就是数据库，没什么新鲜的。用得最多是联盟链，有权限限制的各种交易和有权限限制的记账功能。从应用角度讲，这句话很重要，即区块链真正意义是什么，它重建了信任机制。



上个月天津海关的一个区块链跨境贸易平台上线，用的就是平安壹账链，我刚好参与这个项目。这个项目干了什么事情呢，就是把境内境外买方卖方，还有银行、物流这些都放到一个链上。通过这个链，任何一方都可以看看相关的内容是否可信。比如卖方，从买方购买记录、物流记录、银行记录等看出是否相信他，银行也从记录里看出是否给他贷款。



总结一下，密码学搭建了区块链，区块链反过来给密码学增加了新功能，以及从这个角度理解，一些常用的词要如何正确使用。