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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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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。

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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编译者/作者：BlockMania

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