區塊鏈新手入門——密碼學|區塊鏈的基礎知識

【内容简介】

此文潛在面向群體是對區塊鏈或比特幣的運行原理完全不瞭解的人。 所以會從使用者需求的角度出發,一步一步發明區塊鏈(或者說比特幣,因為兩者互相依存),在此之後的內容有關比特幣與金融,ICO,競爭幣等,可選擇性閱讀。

密碼的來源

密碼一詞最早的出現可以追溯到古希臘時期,當時的密碼是以物理方式實現的,書信上用特殊紋路的印章或特殊的結繩法,以表示特定的意思。

在古代羅馬時期,凱撒密碼成為了一種廣泛使用的加密方式。這種加密方式是通過將明文中的每個字母都替換為其後的第三個字母來實現的。例如,字母A將被替換為D,字母B將被替換為E,以此類推。這種加密方式在當時非常流行,但現在已經不再被使用,因為它非常容易被破解。

在第二次世界大戰期間,密碼學成為了一個非常重要的領域,各國都在競相研究如何加密和破解密碼。納粹德國的恩尼格瑪機是當時最著名的加密設備之一,它使用了多個旋轉的轉盤和電路,可以在非常短的時間內生成非常複雜的密碼。但是,英國的阿蘭·圖靈和他的團隊成功地破解了恩尼格瑪機的密碼,為盟軍贏得了重要的戰略優勢。

區塊鏈的密碼學

哈希函數

區塊鏈中最常用的密碼學工具之一是哈希函數,它將任意長度的數據轉換為固定長度的數字(哈希值)。常見的哈希函數有SHA-256、SHA-3、MD5。

  • SHA-256是一種256位的哈希函數,它接收任意長度的輸入並產生一個256位的哈希值。它的安全性來自於其碰撞阻力,找到兩個不同的輸入產生相同的哈希值的難度非常大。
  • SHA-3是由美國國家標準技術研究所(NIST)於2015年正式發布的哈希函數標準,它比SHA-256更安全,同時也更加高效。

 

非對稱加密

區塊鏈中的非對稱加密是保護交易安全性的重要工具之一。它使用公鑰和私鑰進行加密和解密,而公鑰可以分享給任何人,而私鑰只能由擁有者持有。區塊鏈中最常用的非對稱加密算法是RSA和橢圓曲線加密(ECC)。

在區塊鏈中,每個參與者都有一對公鑰和私鑰。當一個參與者想要向另一個參與者發送一筆交易時,他會使用接收者的公鑰進行加密,然後將加密後的數據發送到區塊鏈上。只有接收者擁有相應的私鑰才能解密該數據。由於私鑰只有擁有者知道,所以只有他們才能解密該數據。

 

數字簽名

為了確保交易的真實性和完整性,區塊鏈使用數字簽名來驗證交易的有效性。數字簽名是一個數字碼,它是由私鑰產生的,可以證明數據的真實性和未被篡改。

  1. 產生公鑰和私鑰:每個區塊鏈參與者都有一對公鑰和私鑰。公鑰可以分享給其他人,而私鑰只能由擁有者持有。
  2. 加密:當一個參與者想要向另一個參與者發送一筆交易時,他會使用接收者的公鑰進行加密。具體地,他會將交易信息使用接收者的公鑰加密,得到加密後的數據。
  3. 發送:發送者將加密後的數據發送到區塊鏈上,供其他人使用。
  4. 解密:只有接收者擁有相應的私鑰才能解密該數據。當接收者接收到加密的數據後,他會使用自己的私鑰進行解密,以獲得原始數據。
  5. 數字簽名:區塊鏈中的非對稱加密還可以用來創建數字簽名,以確保交易的真實性和完整性。發送者使用自己的私鑰對交易進行數字簽名,然後將交易和數字簽名一起發送到區塊鏈上。接收者使用發送者的公鑰驗證數字簽名,以確定該交易的真實性和完整性

共識機制

區塊鏈的共識機制是確保所有節點都同意一個區塊鏈的狀態。共識機制有多種不同的實現方式,有工作量證明(PoW)、權益證明(PoS)、權益股份(DPoS)。

  1. 工作量證明(Proof of Work, PoW): PoW 是比特幣等區塊鏈使用的最早和最常見的共識機制。在 PoW 中,區塊鏈網路中的參與者(也稱為礦工)需要解決一個數學問題,這個問題很難求解,但可以很容易地驗證。礦工誰能率先求解這個問題,就有權力生成下一個區塊,並獲得一定量的加密貨幣獎勵。
  2. 權益證明(Proof of Stake, PoS): 在 PoS 中,參與者需要買入一定量的加密貨幣,並將其鎖定在區塊鏈上。參與者的權益(也就是貨幣數量)決定了他們被選中生成下一個區塊的概率。如果一個參與者被選中生成下一個區塊,他會獲得一定量的加密貨幣獎勵。
  3. 授權證明(Delegated Proof of Stake, DPoS): DPoS 是 PoS 的一種變體,它將參與者選舉出來的代表作為節點來進行共識。代表節點之間會選擇出一個主節點來生成下一個區塊,代表節點通過投票選擇主節點。如果一個代表節點被選中作為主節點,他會獲得一定量的加密貨幣獎勵。
  4. 混合共識(Hybrid Consensus):有些區塊鏈使用混合共識機制,結合了不同的共識機制。例如,EOS 使用 DPoS 作為主要共識機制,但也使用了 PoW 來防止垃圾交易和分散攻擊。


總結

區塊鏈密碼學是由哈希函數、非對稱加密數字簽名、共識機制相互結合形成的區塊鏈系統的安全基礎

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