密碼學，支持區塊鏈和比特幣的上層建筑_比特幣

如果要預測2018年最熱門的事件，區塊鏈和比特幣無疑可以算得上是其中之一，就連比特幣的發明人——神秘地消失在互聯網世界的中本聰，甚至都成為2018年《時代》周刊年度人物的有力競爭者。在剛剛結束的達沃斯世界經濟論壇上，各國首腦和商界領袖探討最多的還是區塊鏈。

但是對于普羅大眾來說，他們還沒有分清楚比特幣和區塊鏈就被沖昏了頭腦，要么一股腦殺進幣圈，高價搶購各種虛擬數字貨幣；要么沖進資本市場，看到區塊鏈概念的股票就買；要么就在各種論壇峰會上，一頭霧水地聽臺上一群自己也沒怎么搞清楚的嘉賓在大談特談區塊鏈……

那么區塊鏈究竟是什么呢？關于區塊鏈的概念到處都有，比如下面這個：所謂區塊鏈，簡而言之就是一種數據結構，能夠以數字方式識別和跟蹤交易，并通過計算機的分布式網絡共享這些信息，在某種意義上創建分布式信任網絡。區塊鏈提供的分布式賬本技術為追蹤資產的所有權和轉移提供了透明和安全的手段。

是不是有一種“每個字我都認識，湊到一起就不知道在說什么”的感覺？這樣讓人感到不明覺厲的名詞解釋，顯然不能滿足我們對區塊鏈的好奇。想要對區塊鏈有更深入的了解，應該怎么辦呢？

所謂區塊鏈，就是密碼學加上當時的最先進科技。

我們都很容易理解，區塊鏈的關鍵是信任和安全，它最核心、最底層的技術就是密碼學。區塊鏈之所以受到追捧，被大家認為神乎其神，最關鍵的原因就是今天數字科技讓古老神秘的密碼學煥發生機，兩者的結合，造就了今天的區塊鏈和比特幣的神話。

縱觀人類數千年的文明史，不難發現，在每個時代，密碼學都可以借助那個時代的先進科技，產生新的加密方式，制造出那個時代的區塊鏈技術，來保證信息傳輸的安全和可靠。而且，率先把密碼學和先進科技結合起來的一方，能夠占據那個時代的領先位置，對歷史和文明產生重大的影響。

凱撒大帝的“區塊鏈”

凱撒是第一個把替換密碼用于軍事用途、并且記錄下來的人。在他的那本歌頌自己豐功偉績的《高盧記》里，凱撒描述了他把密信送到正處于圍困之中、瀕臨投降的西塞羅手中。凱撒非常喜歡使用密文，后世的《凱撒傳》詳細地記錄了凱撒使用的一種密文。而這種加密方法，甚至沿用到今天。

Nervos研究員論文被國際密碼學頂會歐密會收錄:近日，Nervos基金會密碼學研究員Alan Szepieniec的論文《Transparent SNARKs from DARK Compilers》被國際密碼學頂會歐密會收錄，同時，Alan也受邀在該會議上發表了主題演講。這項基礎性的工作為零知識證明領域貢獻了一種全新的無需Trusted Setup的通用工具，標志著 Nervos在2020年的研究工作又向前邁進了堅實的一步。

歐密會（Eurocrypt）是密碼學中最著名的學術會議國際密碼學協會所主辦的三大旗艦會之一，在CCF推薦列表和 CACR列表中均為A類會議，密碼學中最重要的文章一般都會在這三個會議中發布。Eurocrypt 2020是第39屆密碼技術理論與應用國際會議，首次在線上舉行。[2020/5/18]

凱撒的做法是：將每個字母，用字母表中這個字母之后三位的那個字母替代。也就是字母A用字母D替代，字母B用字母E替代。比如Abroad，凱撒在用密文寫信的時候，就被替換為Deurdg。這種移動字母產生密碼的方式，后來也被稱為凱撒密碼。

千萬不要小看這個加密方式，它算是歷史上最早使用加密密鑰的案例了：由發件人和收件人共享加密密鑰，標志著現代密碼學的發端。可以說，從凱撒密碼，到20世紀公共密鑰被發明之前的這幾千年時間里，密碼學的原理都是一樣的。比特幣和區塊鏈的加密方式，跟凱撒密碼的原理區別，也就是多了公鑰而已。直到今天，我們在看很多諜戰片的時候，會發現不少特工和間諜還是采取這種方式傳輸情報。

這里有幾個術語，需要特別指出。密碼學家通常講用來書寫原始信息的字母表，也就是正常的字母表，稱為明碼表；而用來替換明碼字母的稱為密碼表。這也是密碼這個詞的來歷。那么往后移動三位，這個“三”則被稱為密鑰。當然，學過數學的人都明白，這里有26個字母，僅僅按照順序移動，每個字母就有25個不同的替代方式，即25種密鑰，要是把字母順序打亂，密鑰就更多了。算法則是通過各種嘗試，破譯密碼的過程。

可以想象，在公元前100年左右，也就是相當于中國的西漢時期，要想破譯凱撒的密碼，那可能性幾乎為零。

雖然不能說凱撒是依靠密碼情報在軍事上獲勝的，但是一流的情報工作和保密工作，是在戰場上獲勝的前提條件之一。后來隨著技術的不斷進步，戰爭的復雜程度和調配兵力的數量越來越多，戰場范圍更加幅員遼闊，情報工作就越加重要。尤其是在第一次世界大戰和第二次世界大戰中表現得尤為突出，后面將會詳細地講到。

動態 | 央視《東方時空》欄目普及密碼學和區塊鏈知識:在10月27日晚20：32分央視13套播出的《東方時空》欄目中，欄目以技術案例大幅講解了區塊鏈和密碼學的基礎知識。欄目介紹了目前區塊鏈的應用范圍，如：金融服務，供應鏈管理，公共服務，智能制造，教育就業，文化娛樂等領域。欄目還強調了區塊鏈解決了證明你媽是你媽的難題。并且解決了數字身份，版權保護，嚴把質量關，更便捷交易，旅行消費，衛生保健等領域的難題。對此，國家金融與發展實驗室特聘研究員董希淼還在欄目中表示，區塊鏈技術已開始逐步應用。有些應用已經逐步走向成熟，例如在醫療方面的應用，醫療數據應用區塊鏈，實現病歷共享。[2019/10/28]

阿拉伯人的“區塊鏈”

替換密碼在長達一千年的時間里，被認為是無法破解的，因為存在著數量龐大的密鑰，依靠手工是根本計算不過來的。但是隨著社會的發展和技術的進步，來自東方的阿拉伯人，找到了更新的技術，從而找到了一條捷徑來破獲這個被認為是無解的密碼，這次勝利是由阿拉伯世界的語言學家、統計學家和宗教學家三者共同完成的。

這還要間接感謝中國的造紙術的發明，伊斯蘭文明得以快速傳播。因為書籍需求量大增，那么就需要有人來校對，最能勝任這個工作的自然是神學家。他們在校對的同時，還在統計默罕默德啟示錄的用詞頻率，如果這個啟示錄出現了新詞，那么它出現的年份肯定就更往后等等。在梳理的過程中，他們也順道發現了一些字母出現的頻率就是比其他的字母要高得多。

學習過英語的我們都知道，字母E應該是最常見的，其次是字母T和A。如果是按照凱撒密碼的辦法進行加密，一個密碼字母對應明碼字母，那么密碼字母中出現次數最多的很有可能就應該對應明碼字母E，以此類推，很容易就可以排除掉大量的密鑰，從而快速地找到正確的破譯方法。

現在無法考證究竟是誰把字母出現的頻率和破譯密碼聯系在了一起，但是可以肯定的是，公元九世紀的時候，阿拉伯人就已經非常擅長破譯凱撒密碼了。

更應該看到的是，阿拉伯人從公元7世紀到公元12世紀期間，建立了輝煌燦爛的文明，相比較而言，歐洲當時還是愚昧落后貧窮的地方。伊斯蘭文明的繁盛，不僅帶來了藝術、科學等文化的繁榮，社會的統治和管理也是非常有條理和高效的。當時的管理者，不僅在政府的關鍵事務上進行加密，而且記錄稅收的時候也采用了密碼術，他們在《大臣手冊》等管理文獻里還在探討與密碼術有關的技術性問題。正是因為有了巨大的需求，再加上科學技術的進步，阿拉伯人終于有機會破譯替換密碼這道千年難題。

聲音 | “公鑰密碼學之父”Diffie：區塊鏈是降低和改變網絡不安全性的一個主要方向:11月11日，2015年圖靈獎得主、有“公鑰密碼學之父”之稱的Whitfield Diffie在上海舉行的區塊鏈底層技術學術交流會上發表主題演講。Diffie認為，互聯網有三個主要性質：開放性、去中心化與支持社會變革，但它不可避免地存在一定不安全性，區塊鏈則是降低和改變網絡不安全性的一個主要方向。他稱，網絡安全涉及以下重要元素：一是安全計算，二是密碼學，三是從發現惡意軟件開始，防范它甚至回擊它。Diffie最后提出對網絡安全的幾點意見：開發抗量子的公鑰加密系統；重新審視未被解決的經典計算機安全問題，并用人工智能和其他新技術來解決；開發更多大規模的可信賴軟件系統。[2018/11/11]

這個“區塊鏈”技術，也助推阿拉伯人去打造一個高效清廉的政府、提供一個有效的管理制度、建立一個有秩序的富裕社會。

是不是有點眼熟？今天各國政府都紛紛表示要重視區塊鏈，以便提高政府工作的透明度和效率，這是不是跟千年以前阿拉伯人的做法異曲同工。

電報和無線電時代的“區塊鏈”

漫長的中世紀里，歐洲人對密碼術的興趣，僅限于煉金術和科學家。到了15世紀文藝復興的時候，密碼編輯術在歐洲成為了一項蒸蒸日上的行業。首先是科學、藝術為密碼術的進步提供了智力支持，再加上歐洲，尤其是意大利各城邦上的爾虞我詐，使得密碼術更有市場。如何能夠安全、快速地輸送情報，如何能夠破獲對手的情報，是各個城邦主人最為關注的事情之一。這個時候開始，破譯密碼的專員成為了西方政府機構中常設的職位。

不過真正引發密碼學突飛猛進的，則是電報這項新技術的發明。為了保護隱私，大眾也需要學習一些密碼學的知識，以便不至于讓自己的隱私在電報中輕易被泄漏。

與此同時，軍方也非常苦惱，對于新技術他們是既喜又怕。喜的是電報技術，尤其是后期出現的無線電技術優勢明顯，而怕的是這些信息可以方便快捷地送達接受者手中，也可以送達敵人的手中。

在電報和無線電的新技術面前，所有人都開始想如何設置更難以破解的密碼，來保護自己的信息安全，但是卻鮮有突破。即便是一戰時德軍采用的ADFGVX密碼，采取了替換和移位兩種加密方式，而且德國人相當有自信，這么復雜的密碼是不可能被破譯的，但是還是被法國人所破譯。

美國國家標準和技術研究所的研究人員宣布 密碼學中隨機數的方面出現突破:美國國家標準和技術研究所的研究人員最近宣布，在密碼學最重要的一個“隨機數的產生”方面取得了突破。這種實驗性的新技術可能會對網絡安全產生巨大影響。在以電子方式運行現代世界的“1”和“0”的數字面紗后面，隨機數字每天都要在加密過程中進行數千億次的排序，這些過程通過不斷擴大的互聯網為全球提供數據。[2018/4/19]

法國的情報人員更厲害的一點是，他們甚至學會了辨認德國無線電操作員的“手跡”。雖然發送電報都是一系列的點和橫波，但是每個無線電操作員的操作速度、停頓的點和橫波的長短等等都不一樣，可以辨別他的身份。此外，法國人還建立了六個不同方向的搜索站，可以檢測無線電波是發自哪里的。兩者結合，可以讓法國的情報部門確認軍營的身份和地點，在一定時間跟蹤這個軍營的移動方向，很大程度上能提前預判軍事目的，從而提前采取行動應對。

此外，英國和美國的情報工作對于破譯德軍的軍事密碼也做了很多的工作。甚至可以說，正是因為盟軍在情報破譯方面的優勢地位，以及德軍采用不合格的加密情報系統，兩者的疊加，才決定了第一次世界大戰的最終走勢。

希特勒的“區塊鏈”

吸取了第一次世界大戰的失敗經驗，希特勒領導的納粹德國采用了一個在當時看起來的殺手級武器——恩格瑪密碼機。這臺機器問世，在編制密碼方面毫無費力地碾壓了人類最優秀的編碼師，就像是AlphaGo無情地擊敗了人類最優秀的圍棋手柯潔一樣。可以體會一下，今天圍棋國手們面對AlphaGo的感覺，就像是當年密碼學家面對恩格瑪密碼機的感受是一樣的，完全無力招架、完全沒有還手之力。

借助恩格瑪密碼機強大的密碼編撰能力、以及更加強大的無線電傳輸能力，希特勒擁有了當時世界上最安全的通訊系統，他可以以更快、更精準、更安全的方式向遠在千里之外的將軍下達戰令；德軍的鐵騎也以各種“閃電戰”的速度攻城略地，肆無忌憚地在歐洲橫沖直闖，根本沒有人能攔得住。

相較于德國陸軍，德國海軍的情報系統更加厲害，他們采用的是加強版的恩格瑪密碼機。依靠安全、準確的情報通訊系統，德軍的潛艇在大西洋上四處游蕩，一旦發現英軍護航艦的蹤影，就開始跟蹤定位，并且通過情報系統，召集其他的潛艇前來圍剿。而英軍因為情報落后，沒辦法掌握德軍潛艇的位置和作戰策略，結果損失慘重。數據顯示，1940年6月到1941年6月之間，盟軍每月平均損失50艘船只。更慘的是，整個英國海軍部只能依靠自己艦艇被擊沉的位置，來追蹤德軍潛艇的位置。這時候，不僅是丘吉爾的至暗時刻，更是整個人類歷史的至暗時刻，如果英國海軍輸掉大西洋戰爭，那盟軍很有可能輸掉整場戰爭，全世界就會徹底淪陷在納粹的鐵騎之下。

紅燒肉在上海交大的密碼學及計算機安全實驗室發布了抗量子攻擊綱要:紅燒肉（HSR）在上海交大的密碼學及計算機安全實驗室發布了抗量子攻擊綱要 。[2017/12/19]

當然你會想起來，現代計算機之父阿蘭圖靈不是破譯了恩格瑪密碼么？準確的說他是其中之一。波蘭人首先為破譯密碼打下了基礎，他們開創性地把數學家和工程師引進到密碼破譯中來。在此之前，破譯密碼的基本都是語言學家、統計學家等等。然后，盟軍做出了巨大的犧牲，才繳獲了恩格瑪密碼機，使得密碼學家能夠了解這臺在當時看上去無比智能的機器的工作原理，包括圖靈在內的無數科學家經歷了嘔心瀝血的工作，最終研發出了另外一臺密碼破譯機。

“用機器打敗機器”，這句臺詞是廣受中國影迷喜愛的卷福在電影《模仿游戲》里扮演的圖靈所說，也道出了真理：人打敗不了機器，只能設計一臺打敗機器的機器。

中本聰的比特幣

隨著兩次世界大戰的結束，人類迎來了和平發展的時期。加密技術也從國家情報部門和軍隊走向了社會和商業。越來越多的公司采購計算機進行工作，公司內部、公司之間的交流也愈加頻繁，這也對密碼學和技術發展提出了新的要求。

其中公鑰的發明，堪稱是兩千年以來密碼學的最偉大成就，也是今天區塊鏈和比特幣的最重要基礎技術之一。

公鑰之所以至關重要，是因為僅靠密鑰已經滿足不了新的需求。在古代和戰爭年代，不同對象之間的保密、安全通訊，都需要點對點的密鑰，這就涉及到密鑰的分發。這很好理解，就相當于是千年以前，凱撒大帝向他的將軍用密文下達戰令的時候，接收到密令的將軍知道密鑰是“三”。

這就會帶來兩個問題：

第一，這個密鑰要改起來很困難。想想將軍遠在千里之外，凱撒想把密鑰從“三”變成“四”，那么他就必須派人把這個新密鑰送給將軍，但是這個過程本身是非常不安全而且不及時的。當然你可能會覺得這個在現代社會不是問題，打個電話、發個電報不就解決了嗎？雖然現代社會有各種通訊設備，但是最關鍵的核心信息依然不能通過電話、手機等沒有經過特別加密的渠道傳送。所以到了70年代，銀行還得經過嚴格選拔，培養那些最值得信任的員工拎著密碼箱滿世界去給客戶送密鑰。盡管如此，這種方式還是存在著很大的風險。第二，密鑰的分發成本越來越高。就是隨著計算機和數據化的普及，越來越多的企業和機構都在使用加密服務。70年代，美國政府每天分發的密鑰就可以達到一噸重。政府和軍隊可以承受這樣的開支，商業機構可是受不了的。尤其是隨著計算機向個人和家庭普及，越來越多的普通人也要用上數字化服務，如果還是采取傳統的加密方式，兩個陌生人之間發一份電子郵件，需要他們先互換密鑰才可以，否則兩人只能采取不加密的方式傳輸，就像是一封沒有經過加密的電報，所到之處一點隱私都沒有。

正在麻省理工學院實習的三個人是解決這個問題的關鍵。在羅納德李維斯特、阿迪薩莫爾和倫納德阿德曼三人的努力之下，一種被稱為“不對稱密鑰”的密鑰誕生了。在此之前，所有的加密方法都是“對稱加密”，也就是說解密過程就是加密過程的反向演化，加密和解密的密鑰是一樣的。那么在“不對稱加密”的過程中，加密密鑰和解密密鑰則是不一樣的。

舉個例子。采取“不對稱加密”技術之后，愛麗絲可以對外公布她的加密密碼，所有人可以通過這個加密密碼向她寫信、發送重要的信息，而只有愛麗絲可以通過只有她自己知道的解密密碼來獲取這個信息。那么，之前密鑰分發帶來的問題自然就能迎刃而解。

這三個麻省理工實習生的工作就是找到了一個數學函數，來完成這次“非對稱加密”。這個由三個人的名字首字母組成的RSA系統，成為當代密碼學中最有影響力的密碼系統。這也是比特幣的兩大最重要的算法之一。

這個數學函數簡單來說就是分解質因數。比如N=p×q，那么N就是公共密鑰，所有人都知道這個數字，可以通過N來給發出的信息加密，那么只有知道p和q的值的人，也就是擁有密鑰的人才能解密，讀到這段加密的信息。那么你可能會覺得，這個很好計算啊，計算機很快就能列出所有的可能一一來試試不就可以嗎？但是如果這個數字足夠大呢？銀行的轉賬加密都是10的300次方這個量級的數字，一億臺電腦一塊工作來分解這個數字最后找到答案，大約需要一千年的時間。這就相當于是無懈可擊的密碼。

公鑰和私鑰都是比特幣交易中非常重要的概念。在這個基礎上，就很好理解中本聰發明的比特幣了。比特幣的交易就像是在門口放了一個信箱，誰都可以把錢交到這個信箱來，只要知道這個信箱的地址，但是要真正拿到這筆錢，你必須有打開這個信息的鑰匙，也就是那把經過嚴格加密的密鑰。因為整個交易的過程被數字記錄下來了，所以每次交易都是不能被模仿、篡改和刪減，這樣就保證了交易的真實和可追溯。此外，在這樣的貨幣市場，也沒有中央銀行等權威機構存在的必要了，人人都是參與者、也是見證者，這也起到了去中心化的作用。

那么區塊鏈的技術也可以由此引申開來，但千萬不要把區塊鏈技術想得特別高深，其實我們已經有很多的場景都已經開始使用區塊鏈技術了。比如螞蟻金服通過區塊鏈技術來對公益捐助的善款進行追溯；又比如保險行業對受保人進行追蹤等。此外，如果你開過電子增值稅發票的話，那就是區塊鏈的經典運用，相較于紙質發票而言，電子增值稅發票做到了分布式記賬、消除了重復開票、開假票等問題，尤其是發票信息全流程管理等等。

當然，各國政府也在加大對區塊鏈技術的研發和運用，相信未來會在更多的地方會運用到區塊鏈的技術。但就像是TCP/IP協議這樣底層的互聯網技術，或者是4G和5G這樣的通信信號，我們這些普通老百姓一般都搞不清楚是怎么回事，但并不影響我們上網、發微信、收紅包。區塊鏈這樣冷門的技術，密碼學這樣深奧的學問，都是拜比特幣的熱炒所致，成為了家喻戶曉的名詞。

量子計算機：比特幣的天敵？

就像是一個新的時代，隨著技術的進步，過去的加密技術就會落后，過去的信息傳輸方式就會失效，那么對于比特幣和區塊鏈而言也是如此。今天的區塊鏈和比特幣，都是建立在此時此刻計算機水平的基礎之上的。但是未來如果發明了更快、剛高效的計算機，那么我們今天認為堅不可摧的比特幣密鑰是不是就不再安全呢？

之前提到，銀行的轉賬加密都是10的300次方這個量級的數字，一億臺電腦一塊工作來分解這個數字最后找到答案，大約需要一千年的時間，那么按照今天的破譯水平，你可以說它是無法破解的。

但是縱觀人類歷史，任何一個號稱無法破解的密碼，最終都會被破解。不論是統治了世界一千年的凱撒密碼、還是讓全世界都陷入納粹威脅的“恩格瑪密碼機”等等，這些例子還不夠深刻嗎？

其實今天的加密系統并非沒有天敵，只是這個天敵目前還只是存在于理論之中，那就是量子計算機。以量子計算機的運算水平，剛才需要花一千年才能運行得到的結果，量子計算機大約10分鐘就可能找到答案。在這樣強大的技術面前，今天的所有加密系統是不是都會黯然失色，我們的個人隱私、銀行的巨額金融交易信息、國家安全的關鍵信息等等，都會被暴露無遺。

當然，未來還會有更多的技術問世，當然加密的技術也會不斷地提高。未來不論是量子計算機，或者是其他什么先進的技術，肯定會顛覆今天的信息安全系統，這一點是毋庸置疑的。所以，我們關注區塊鏈和比特幣，并不是因為比特幣的價值真的有那么高，而是我們要關注這個新技術將可能會引發的變革。就像是凱撒當年注意到了替換密碼，并把它運用到了軍事中；就像是阿拉伯人把加密系統運用到了國家官員的管理、稅收等等方面，推動了國家的繁榮；就像是希特勒和納粹注意到了恩格瑪機，并大量使用，在二戰中占得先機；就像是中本聰，他看到了全球去中心化的需求浪潮......

所以，沒有任何一項技術是永恒不變的偉大。區塊鏈和比特幣雖然現在是熱門詞匯，任何跟區塊鏈沾邊的概念都被渲染得玄乎其玄，但要估算它的真正價值，要把它放到歷史長河里去，看看它經不經得起更長時間的考驗，歷史總是重復上演的。

看到這里，你覺得區塊鏈究竟是改變歷史的巨浪還只是一朵濺起了一點水花的小浪花呢？

最后要強烈推薦一本書：西蒙辛格的《密碼故事》，他引人入勝地講述了密碼學的歷史，也許看完你會對今天的區塊鏈熱潮有一個新的認識和理解。

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