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技术分享丨后比特币时代与量子霸权危机(二)

比特币DE选择 

在上文中,我们简要介绍了RSA算法和ECC算法。在搞清楚密码学的价值后,本文将围绕ECC与区块链结合的重要应用——比特币展开讨论,探讨ECC应用过程中有哪些值得关注的地方。

作为中本聪的一个「业余小发明」,比特币现在可以说是无人不知,无人不晓。只要你能连上互联网,几乎就一定听说过比特币。即便你对区块链应用或者密码学技术完全不感兴趣,也会从多如牛毛的报道中获取很多关于比特币的信息。

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一个公认的事实是,正是比特币开启区块链应用成功落地之先河。至今,比特币诞生已超过10年。这个时间足够漫长,足够去验证一件新生事物的生命力。

如今,微信现在已经成为我们人际交往的重要工具,从北上广深到十八线小镇农村,很少不用微信的人。一个难以相信的现实是,微信的年龄只有不到9岁。如今,微信之强大,不在于其功能强大,也不在于其合作伙伴众多,其强大来自于用户。目前,超过10亿中国人民大多都是其用户。

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而作为去中心化的代表,比特币的强大——不是掌握国家权力的各国政府,事实上,各国政府对比特币恨大于爱;也不是掌握算力、炒作、媒介的大咖们,事实上,不少投机客混迹其中,风声不对头一个跑;更不是什么虚无缥缈的自由主义信仰,信仰的又不是圣光,谁来赐予你力量?比特币真正的底气,是密码学。

作为目前知名度最高的区块链产品与市场总值最高的加密货币,比特币主要使用两个密码学算法保证自身的安全性:ECDSA与SHA256哈希算法。ECDSA是基于ECC的数字签名算法,它主要用来生成随机的秘钥对(公钥和私钥),而SHA256则用来实现工作量证明机制(PoW)以及通过公钥计算出地址。

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下面我们简单分析一下密码学是如何保证比特币系统安全的:

正所谓,密码学问题,基本都是数学问题,比特币系统自然也不例外。在比特币系统中,我们通过私钥来完成对比特币的控制,私钥必须始终保持机密,一旦私钥被泄露给第三方,就意味着失去对相应地址下比特币的控制。一言以蔽之,认钥不认人。

这是比特币跟银行账户一个显著的不同,银行账户主要是认人,密码丢失也可以通过提交有效身份证明来进行密码找回,这在比特币系统中是行不通的。

比特币系统中,私钥由符合Secp256k1.ECDSA 标准椭圆曲线生成(记住这个曲线的名字,后文中要讲)。产生私钥后,再由私钥生成相对应的公钥,进而根据公钥进行SHA256哈希算法生成比特币地址。注意,整个过程单向不可逆,这在密码学上被称为陷门函数。

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在进行比特币交易时,每笔交易都必须进行数字签名。数字签名,就好比政府单位批示文件中盖的合格印章,只有掌握私钥才能进行数字签名。签名之后,交易即被记录到链上,经过足够多的区块确认之后,便成为比特币总账簿的一部分。这意味着本记录永久有效,再也不能被撤回和修改。

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综上,以ECC为代表的密码学堪称比特币的基石,其重要性无论怎么形容都是不过分的。关于ECC中,秘钥对的创建方式,地址实现等流程等相对复杂,这里不做详述,期待大家自行研究。

SECP256K1与棱镜门 

关于用来产生秘钥对的Secp256k1曲线,还有一段值得载入史册的轶事,因为它帮助比特币躲过一支历史级的暗箭。

前文我们说到,在RSA等非对称加密算法的诞生,给各国情报部门的工作带来极大阻力。纵然特工们上穷碧落下黄泉,结果也是收效甚微,但各国情报部门对现有加密方式的破解行动从未停止过,他们在尝试各种方式来破解其他国家的加密文件。

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美军因破译了日本密电而在中途岛海战中占据先机

就拿ECC来说,尽管它功能强大,但毕竟不是完美无缺。ECC有一个特点,它需要通过椭圆曲线来获取大量的随机数。要选择出一条安全的椭圆曲线用以加密,并不是一件容易的事。学术界已经提出了很多不同的椭圆曲线选取标准,但遗憾的是,虽然理论上可行,但现实表明,目前人们研究出的通用标准并不足以完全保障ECC的安全。因此,如何选择更优质的曲线,成为了安全相关课题明面上的难题之一。

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为了攻破ECC,各国黑客和特工无不下了大功夫。密码学领域貌似平静的水面下,你不知道它背后藏着怎样的阴谋!早先,美国RSA公司开发了两条用以加密的椭圆曲线,SECP256r1和SECP256k1。前者广泛被实际应用中采用,后者在实际应用中不如前者,比特币系统的设计中采用了后者。

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2013年发生了震惊世界的棱镜门事件。这一年,前中情局(CIA)职员爱德华·斯诺登将两份绝密资料交给英国《卫报》和美国《华盛顿邮报》,世界舆论随之哗然,从此拉开棱镜门的帷幕。

棱镜计划(PRISM),代号“US-984XN”,是一项由美国国家安全局(NSA)和联邦调查局(FBI)自2007年小布什时期起开始实施的绝密电子监听计划,包括微软、雅虎、谷歌、苹果等在内的9家国际网络巨头皆参与其中。

该计划的一项重要内容,即NSA对SECP256r1曲线安置了后门陷阱。这使得特工在破解ECC加密时难度大幅降低。只要暴露过公钥,就有一定概率被NSA猜出私钥。

一言以蔽之,SECP256r1被证实是一条不安全的伪随机曲线,被美国情报人员破解可能性非常大。

幸运的是,比特币选择的椭圆曲线是没有被添加后门的SECP256k1,这件事至今仍让人感到不可思议。大家在佩服中本聪的密码学造诣的同时,一度有人怀疑中本聪是美国国家安全局的人,或者曾经为其效力过,但最终没有真凭实据。

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在北大软微-八分量协同实验室学术沙龙活动中,我们进行了许多前沿加密技术的分析和论文解读,从功能性、系统方案出发,结合新的实际场景进一步研究。在学术沙龙分析中,发现ECC在应用中特别需要注意的两个地方。

1 如何扩大ECC在使用过程中的优势

比如,现在ECC的实现方法都是串行的,关于如何能够用并行方式实现ECC是ECC在实际使用中非常值得研究的方向。如果能在这个领域有所突破,无论理论上还是实践中,都会是一件非常引人瞩目的事。或者,通过软硬件结合的方式来提高安全性,比如已经有项目通过SGX与区块链的结合来实现安全高效的方案。

2 如何选择更优质的曲线来保障安全

目前研究表明,曲线系数的选取必须满足判别式δ=4a3+27b2≠0,这是曲线选取的必要条件。另外,除了棱镜门爆出的SECP256r1曲线被证明是伪随机数曲线外,异常曲线和超奇异曲线已经被证明是不安全曲线,一定要避免使用。

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值得一提的是,未来学术沙龙将就如椭圆曲线的工程优化、数字签名的加速手段、多方安全计算需求、零知识证明需求等内容展开谈论。

此外,我们知道,这些年区块链项目在获得长足发展之时,也没少受到外界的各种攻击。头部项目如比特币、以太坊,更是各种黑客的优先攻击对象。现在已经有很多论文来分析复现这些比特币、以太坊上的攻击方法和漏洞,而八分量对这些攻击的抵御能力如何呢?软微实验室如果未来可以通过实际测试来确认八分量的抵御效果,实验结果不但对八分量自身的开发大有利处,也为未来发论文积累了宝贵的经验财富。

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