比特币前世今生:密码学

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2008年11月1日,中本聪在网络上发布《比特币:一种点对点的电子现金系统》的论文,文中描述了一个全新的数字货币系统:比特币。

2009年1月3日根据中本聪的思路设计发布的开源软件以及建构其上的P2P网络正式诞生,一场波澜壮阔的社会实验开始了

比特币经过10多年的发展,已从密码极客圈向普通大众扩展,比特币的底层技术区块链技术更是在各行业进行应用探索。

当我们翻开比特币白皮书 ,会发现整个比特币的基础是加密技术,其比特中涉及许多密码学知识有非对称加密、椭圆双曲线算法、哈希算法等。比特币地址使用了非对称加密、哈希函数等密码学技术生成,在比特币转账用了非对称加密技术和数字签名。

为何比特币能成为“王者”?比特币是站在什么巨人的肩膀上,携带着什么力量,让它一步步走向神坛。

一、比特币生命之基“加密技术”

比特币是建立在密码学基础之上,为何加密技术成为比特币的基础呢?

密码学是一门将数学应用于加密数据和解密数据的科学。通过密码学我们可以确保只有信息接收者才能看到信息内容。

传统密码学中,发送方和接受方使用的加密算法和密钥是相同的,因此这类加密算法被称为“对称加密算法”。

历史上有名的对称加密算法是凯撒算法,据传说是凯撒大帝用来保护军事信息用的。假设收发双方约定密钥为 4,则发送方将明文中的每一个字母用字母表中与其相隔三位的字母替代,即 A 变为 E,B 变为 F,"HELLO" 变为 "LIPPS"。

下面回顾一下在人类历史长河中,密码学的发展。

1、密码学发展的三个阶段

第一阶段古典密码:1949年之前

这个时期的密码学尚未成为一门科学,更像是一种艺术。出现了一些密码算法和加密设备如下图;针对字符的密码算法出现,也出现了简单的密码分析手段。

典型的密码机

这是时期的密码主要特点:数据的安全基于算法的保密

第二阶段近代密码:1949~1975年密码开始成为科学的分支

计算机使得基于复杂计算的密码成为可能,相关技术的发展:

1949年的Shannon的“The Communication Theory of Secret Systems”1967年David Kahn的《The codebreakers》1971-73年IBM Watson实验室的Horst Feistel等几篇技术报告

这是时期的密码主要特点:数据的安全基于密钥的保密,而不是算法的保密。

第三阶段现代密码:1976年以后,密码学新的方向——公钥密码学

计算机技术、电子通信技术紧密相关,密码理论得到蓬勃发展,密码使用的范围也在不断扩张,出现了许多通用的加密标准,促进网络和技术的发展;出现了一些新的密码技术,如量子密码等。相关技术的发展:

1976年Diffie和Hellman提出不对称密钥算法1977年Rivest、Shamir、Adleman提出了RSA公钥算法90年逐步出现椭圆曲线等其他公钥算法

这是时期的密码主要特点:公钥密码使得发送端和接收端无密钥传输的保密通信成为可能。

2、密码学在历史中的应用

密码学在每个时代先进科技,从而产生新的加密方式,制造出那个时代的“区块链”技术,来保证信息传输的安全和可靠。例如:

1)凯撒大帝的“区块链”。凯撒是第一个把替换密码用于军事用途、并且记录下来的人。一流的情报工作和保密工作,是在战场上获胜的前提条件之一。

2)阿拉伯人的“区块链”。在政府的关键事务上进行加密,记录税收也采用了密码术,在《大臣手册》等管理文献里还在探讨与密码术有关的技术性问题。这助推阿拉伯人去打造一个高效清廉的政府、提供一个有效的管理制度、建立一个有秩序的富裕社会。

3)电报和无线电时代的“区块链”。15世纪文艺复兴的时候,各城邦政治上的尔虞我诈,密码编辑术在欧洲成为了一项蒸蒸日上的行业。如何能够安全、快速地输送情报,如何能够破获对手的情报,是各个城邦主人最为关注的事情之一。

4)希特勒的“区块链”。纳粹德国采用了一个在当时看起来的杀手级武器——恩格玛密码机。这台机器问世,在编制密码方面毫无费力地碾压了人类最优秀的编码师,就像是Alpha Go无情地击败了人类最优秀的围棋手柯洁一样。可以以更快、更精准、更安全的方式向远在千里之外的将军下达战令。

3、与比特币相关密码技术发展

比特币得以诞生,离不开密码技术的发展和积淀,比特币是现代密码学的集大成者,融合了现代密码学先进思想和技术。下面看一下与比特币相关密码学。

1976年,迪菲和赫尔曼提出,将原来的一个密钥一分为二成一对密钥,一个密钥用于加密,一个密钥用于解密。加密密钥公开,称为公钥。解密密钥不能公开,唯独本人秘密持有,不能给别人知道,称为私钥。

1978年,李维斯特萨莫尔和阿德曼提出RSA密码算法,首次实现了非对称密码算法。非对称密码算法除了解决开放系统中密钥大规模分发的问题,还带来原来对称密码体制不具备的功能,那就是非常独特的认证功能。

1982年,大卫乔姆提出不可追踪的密码学网络支付系统,发明乔姆盲签名,是密码货币的始祖。

1991年Stuart Haber和Scott Stornetta发表论文,提出用时间戳确保文件安全的协议。

1991年,菲尔.齐默尔曼基于RSA公钥加密体系开发出邮件加密系统PGP,能够保证邮件不被篡改。中本聪所有邮件都是通过PGP发出。

1993年,美国国家安全局设计并发布了SHA哈希算法,哈希算法是现代密码学的又一个飞跃,它又称信息摘要。哈希函数是一种快速收敛的算法,从输入到输出的计算非常快,迅速收敛数值,无须耗费巨大的计算资源,而从输出倒推输入又几乎不可行。

1997年,亚当.拜克发明了哈希现金算法机制,这被中本聪用来解决比特币中零信任基础的节点共识问题。

1998年,戴伟提出了匿名的,分布式的电子加密货币系统B-money,被认为是比特币的精神先导,中本聪与之交流甚多。

密码技术的发展为比特币的自由、匿名、去中心化特性提供技术可能。

4、密码朋克的发展

一个独立数字货币的创造,则始于1992年。以蒂莫西.梅为发起人,美国几个不安分的物理学家和数学家聚在一起,创建了一个“密码朋克”小组,由黑客、自由主义者、密码学家以及前卫人士组成。他们将密码与朋克一词结合,是希望用密码学创建一个自由、不受监控的世界。

他们在加密邮件系统中说道:如果期望拥有隐私,那么我们必须亲自捍卫之。我们使用密码学,匿名邮件转发系统,数字签名,以及电子货币来保障我们的隐私。

1993年《连线》报道了这些隐匿于世界各地、为人类隐私事业战斗的一群人:“密码朋克正在与FBI、NSA作战。他们的战争,将决定21世纪是否还会有隐私存在。”密码朋克得到壮大。

密码学在发展壮大的过程中,一直在探索保护隐私。在这几十年中,“密码朋克”运动几经起伏,为人类带来了无数的开源加密协议。其中一些协议,已经成为了互联网通信的基石。

密码朋克们在探索自由、匿名、去中心化数字货币的道路上,付出了巨大的努力,薪火相传,生生不息。

小结:密码学在结合时代的科学技术,创造出新的密码技术,让信息安全有效的流通,服务时代,服务社会,创造价值。在21世纪,在新时代和新科技发展的下,密码学与科技的结合诞生了区块链技术,可谓集大成者,更好地服务社会。同时,我们也看到密码学为比特币的自由、匿名、去中心化特性提供技术可能,而比特币又是密码朋克们在探索密码保护人类隐私和自由道路上的结晶,也是集大成者。