區(qū)塊鏈導論 課件全套 雷凱 第1-11章：區(qū)塊鏈概述 - 國內主流區(qū)塊鏈平臺

區(qū)塊鏈概述BlockchainOverview目錄1.區(qū)塊鏈概述013.區(qū)塊鏈的核心技術035.區(qū)塊鏈的發(fā)展與前景052.區(qū)塊鏈的體系框架024.區(qū)塊鏈的應用場景046.實踐與案例分析061.區(qū)塊鏈概述1.Overviewofblockchain011.1區(qū)塊鏈簡介1.區(qū)塊鏈關注來源區(qū)塊鏈技術起源于中本聰在2008年發(fā)布的比特幣白皮書。其核心思想是通過分布式賬本技術（DLT）實現(xiàn)點對點交易，不依賴第三方，確保數(shù)據的不可篡改和可信任。2.全球區(qū)塊鏈技術發(fā)展與應用區(qū)塊鏈技術源自比特幣，但其基礎技術如密碼學、分布式網絡等已經有很長的發(fā)展歷史。比特幣和以太坊是區(qū)塊鏈技術應用的典型代表，前者主要應用于數(shù)字貨幣領域，后者引入了智能合約，擴大了區(qū)塊鏈的應用范圍。3.行業(yè)內的多種區(qū)塊鏈定義區(qū)塊鏈的定義有多種，狹義上指鏈式數(shù)據結構和分布式賬本，廣義上指分布式基礎架構和計算范式，不同定義反映了對區(qū)塊鏈的不同理解和應用。區(qū)塊鏈技術源于計算機科學的不同領域的結合1.2區(qū)塊鏈的概念1.區(qū)塊鏈的定義區(qū)塊鏈的定義包括狹義和廣義的理解。狹義上，區(qū)塊鏈是按時間順序將數(shù)據區(qū)塊順序相連形成的鏈式數(shù)據結構；廣義上，區(qū)塊鏈是一種利用密碼學、分布式共識算法和智能合約技術實現(xiàn)數(shù)據驗證、存儲和安全傳輸?shù)男滦头植际交A架構。2.區(qū)塊鏈的特點區(qū)塊鏈具有去中心化、不可篡改、透明性和安全性的特點，為數(shù)據交換和存儲提供了新的解決方案。3.區(qū)塊鏈的應用領域區(qū)塊鏈技術廣泛應用于金融、供應鏈、版權保護、醫(yī)療保健等多個領域，提高了效率和安全性。區(qū)塊鏈的去中心化網絡2.區(qū)塊鏈的體系框架2.Thesystemframeworkofblockchain022.1數(shù)據結構和賬戶體系區(qū)塊鏈的層次結構去中心化特性顯著區(qū)塊鏈體系框架包含數(shù)據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層，每層都有其獨特的功能和作用。區(qū)塊鏈通過分布式賬本技術實現(xiàn)去中心化，節(jié)點間無需中心化機構協(xié)調，提高了系統(tǒng)的健壯性和安全性。01022.2交易驗證與執(zhí)行交易驗證確保區(qū)塊鏈上的數(shù)據完整性和安全性，通過加密簽名和共識機制驗證交易的有效性。智能合約允許在滿足預設條件時自動執(zhí)行交易，提高了交易效率和減少了人為干預。通過共識算法（如工作量證明、權益證明），區(qū)塊鏈網絡中的節(jié)點能夠就交易順序和有效性達成共識。交易驗證的重要性智能合約的執(zhí)行共識算法的應用交易費用影響交易的優(yōu)先級和速度，較高的費用能加速交易在擁堵網絡中的確認。交易費用的影響2.3UTXO模型雙花問題：這是一種在數(shù)字貨幣交易中可能出現(xiàn)的情況，指的是同一筆資金被花費了兩次。這通常發(fā)生在交易確認延遲或同步問題時。UTXO模型：為了解決雙花問題，一些區(qū)塊鏈項目采用了UTXO賬戶模型。UTXO模型是一種特殊的記賬方式，它與銀行傳統(tǒng)的賬戶模型不同，因為它只記錄交易本身，而不是交易的結果。特點：UTXO模型的核心在于，系統(tǒng)中的每個比特幣都對應一個UTXO，這些UTXO是之前交易的輸出，并且尚未被花費。當進行新的交易時，會消耗一些UTXO，并產生新的UTXO作為交易的結果3.區(qū)塊鏈的核心技術3.Coretechnologyofblockchain03確保區(qū)塊鏈網絡中所有節(jié)點對數(shù)據的一致性和合法性達成共識。常見的共識算法包括：1、工作量證明（PoW）：通過計算復雜的數(shù)學問題來競爭記賬權，代表如比特幣。2、權益證明（PoS）：通過持有的幣量和持幣時間來決定記賬權，代表如以太坊2.0。3、委托權益證明（DPoS）：通過選舉代表節(jié)點進行記賬，代表如EOS。4、其他新型共識算法：如Casper、Algorand、HotStuff等?3.1共識算法Pow算法3.2智能合約●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●區(qū)塊鏈業(yè)務邏輯的載體，是區(qū)塊鏈網絡中的一段代碼，部署后可以被調用，實現(xiàn)賬本中的復雜邏輯。智能合約由特定的執(zhí)行引擎運行，支持分布式應用（DApps）的構建哈希算法：用于生成數(shù)據的唯一標識，確保數(shù)據的完整性和不可篡改性。數(shù)字簽名：用于驗證數(shù)據的真實性和完整性，確保數(shù)據來源的可靠性。密鑰協(xié)商：用于確保通信雙方能夠安全地交換加密密鑰。對稱加密和公鑰基礎設施（PKI）證書體系：用于確保數(shù)據在傳輸過程中的機密性和安全性3.3密碼學技術4.區(qū)塊鏈的應用場景4.Applicationscenariosofblockchain044.1數(shù)字金融1.金融交易與支付區(qū)塊鏈技術通過去中心化、不可篡改的特性，提升了金融交易的透明度和安全性，如比特幣等加密貨幣已廣泛應用于跨境支付。2.供應鏈管理區(qū)塊鏈技術可追蹤產品從生產到銷售的每一個環(huán)節(jié)，提高透明度，減少欺詐，如沃爾瑪?shù)攘闶凵桃巡捎脜^(qū)塊鏈技術優(yōu)化供應鏈管理。3.數(shù)字版權保護區(qū)塊鏈技術通過智能合約實現(xiàn)數(shù)字內容的自動分發(fā)和版權費結算，有效保護創(chuàng)作者權益，減少侵權行為。4.公共服務領域區(qū)塊鏈技術在公共服務領域如醫(yī)療、教育、投票等中的應用，通過確保數(shù)據的安全性和可信度，提高了服務效率和公眾信任度。物聯(lián)網設備產生的大量數(shù)據需要安全、透明的記錄，區(qū)塊鏈技術提供了不可篡改的數(shù)據存儲，確保了數(shù)據完整性。物聯(lián)網設備常面臨安全風險，區(qū)塊鏈技術通過分布式賬本和加密技術，為物聯(lián)網提供了更高層次的安全防護。物聯(lián)網設備在智慧城市、智能制造等領域的廣泛應用，為區(qū)塊鏈技術提供了更多實際應用的場景，推動了其商業(yè)化進程。物聯(lián)網與區(qū)塊鏈的互補區(qū)塊鏈優(yōu)化物聯(lián)網安全物聯(lián)網擴展區(qū)塊鏈應用4.2物聯(lián)網01020304區(qū)塊鏈有助于協(xié)作方共享和驗證研發(fā)數(shù)據，使產品研發(fā)周期平均縮短了10%的時間。區(qū)塊鏈的分布式賬本技術增強了制造數(shù)據的安全性，據報告，采用區(qū)塊鏈后數(shù)據泄露事件減少了20%。利用區(qū)塊鏈的不可篡改性，制造企業(yè)可降低供應鏈管理中的信任成本，預計減少約15%的運營成本。區(qū)塊鏈技術為智能制造提供了全程透明的追溯能力，據統(tǒng)計，實施后制造過程可追溯性提升了30%。加速產品研發(fā)周期提高數(shù)據安全性降低供應鏈管理成本區(qū)塊鏈提升制造透明度4.3智能制造5.區(qū)塊鏈的發(fā)展與前景5.DevelopmentandProspectsofBlockchain055.1區(qū)塊鏈技術的發(fā)展歷史技術發(fā)展歷程：區(qū)塊鏈技術起源于比特幣，結合了密碼學算法、分布式共識機制、點對點網絡等技術，用于建設基于零信任基礎、去中心化的分布式系統(tǒng)?。行業(yè)應用深化：當前，區(qū)塊鏈在供應鏈金融、產品溯源、貿易金融等領域已取得一定的應用成果，但其應用模式仍以存證類為主。未來，隨著區(qū)塊鏈行業(yè)應用的不斷深化，多方協(xié)作和價值轉移類應用將成為重要的發(fā)展趨勢生態(tài)構建與競爭：區(qū)塊鏈行業(yè)技術發(fā)展將主要聚焦生態(tài)構建，產業(yè)競爭熱點將向生態(tài)競爭轉變。企業(yè)對上鏈后的數(shù)據隱私問題存在擔憂，區(qū)塊鏈需要與隱私計算整合應用，實現(xiàn)數(shù)據可用不可見，消除企業(yè)對于數(shù)據上鏈后的隱私問題的顧慮5.2區(qū)塊鏈的未來趨勢與其他技術的融合：區(qū)塊鏈在下一代信息技術創(chuàng)新發(fā)展中具有不可替代的作用，需要與人工智能、物聯(lián)網、大數(shù)據等其他技術相結合，形成一體化解決方案，共同助力數(shù)字化轉型?政策支持：中央政府高度重視區(qū)塊鏈技術的發(fā)展，將其作為核心技術自主創(chuàng)新的重要突破口，并出臺多項政策支持區(qū)塊鏈技術和產業(yè)的發(fā)展。例如，國務院印發(fā)的《“十三五”國家信息化規(guī)劃》和國家發(fā)改委明確將“區(qū)塊鏈”納入新型基礎設施的信息基礎設施未來前景：區(qū)塊鏈有望發(fā)展為數(shù)字經濟信息基礎設施的重要組件，促進新型生產關系的建立，對經濟社會的發(fā)展產生深遠影響。需要選擇合適的應用領域，促進區(qū)塊鏈技術的快速成熟和技術產品的迭代升級6.實踐與案例分析6.PracticeandCaseAnalysis066.1區(qū)塊鏈項目實戰(zhàn)1.比特幣的成功案例比特幣作為首個區(qū)塊鏈應用，已成功運行十余年，市值屢創(chuàng)新高，證明了區(qū)塊鏈技術的可行性和潛力。2.供應鏈管理的效率提升采用區(qū)塊鏈技術的供應鏈管理可將交易時間減少近40%，顯著降低欺詐風險，提升整體效率。3.金融交易透明度的增強區(qū)塊鏈技術使金融交易數(shù)據更加透明，據統(tǒng)計，采用區(qū)塊鏈技術的金融市場欺詐率下降了25%。區(qū)塊鏈實戰(zhàn)|基于Golang開發(fā)公鏈項目實戰(zhàn)/zerokkcoder/go-public-chain視頻地址：逆風微笑的代碼狗視頻中的源代碼：/liyuechun/blockchain_go_videos6.2成功案例分析1.區(qū)塊鏈金融優(yōu)化區(qū)塊鏈技術在金融領域實現(xiàn)跨境支付、去中心化金融（DeFi）等產品，提高了交易透明度和效率，如Bitcoin的跨境轉賬數(shù)據顯示其成本低、速度快。2.供應鏈管理提升通過區(qū)塊鏈技術，供應鏈中的產品信息、交易記錄等實現(xiàn)透明追溯，有效降低了食品安全、產品質量等問題，提高了供應鏈效率。比特幣的解決方案1.去中心化網絡：使用點對點網絡，避免對中心化機構的依賴，降低信任成本。2.不可篡改賬本：所有交易通過區(qū)塊鏈記錄，信息公開透明且不可篡改。3.智能激勵機制：通過工作量證明（PoW），礦工驗證交易并挖礦獲取比特幣獎勵，維持系統(tǒng)運行。成功關鍵1.技術突破：區(qū)塊鏈技術：

創(chuàng)新性地解決了雙花問題（DoubleSpending），確保數(shù)字資產的唯一性。密碼學支持：

確保交易安全性，避免資產被盜。2.經濟模型：稀缺性：

比特幣總量恒定為2100萬個，類似于數(shù)字黃金，具有抗通脹屬性。分布式網絡效應：

隨著用戶數(shù)量增長，比特幣網絡變得更加穩(wěn)定和安全。3.市場需求：滿足了匿名性、低成本跨境支付的需求。提供了一種對抗通脹的數(shù)字資產。思考題ThinkingQuestion071.區(qū)塊鏈的歷史與發(fā)展自2008年中本聰?shù)恼撐奶岢鲆詠?，區(qū)塊鏈經歷了比特幣的成功和各類數(shù)字貨幣的涌現(xiàn)，現(xiàn)正拓展至金融、供應鏈等多個領域。2.區(qū)塊鏈技術原理區(qū)塊鏈基于去中心化、分布式賬本和加密技術，實現(xiàn)數(shù)據不可篡改，確保了網絡透明性和參與方間的信任。3.區(qū)塊鏈市場規(guī)模據統(tǒng)計，全球區(qū)塊鏈市場規(guī)模逐年增長，預計在未來幾年內將達到數(shù)千億美元，顯示出巨大的商業(yè)潛力。4.區(qū)塊鏈技術挑戰(zhàn)盡管前景廣闊，但區(qū)塊鏈技術仍面臨可擴展性、安全性、互操作性和法規(guī)遵從性等挑戰(zhàn)，需要持續(xù)的研究和創(chuàng)新。思考題1：區(qū)塊鏈和比特幣是相同的含義嗎？兩者有哪些區(qū)別和聯(lián)系？思考題2：以太坊在區(qū)塊鏈發(fā)展歷史中具有劃時代意義，試說明其最具代表性的技術突破。1.智能合約的引入以太坊首次實現(xiàn)了智能合約的部署與執(zhí)行，使得區(qū)塊鏈不僅限于貨幣交易，還能承載復雜的業(yè)務邏輯。2.ERC-20標準的普及以太坊上的ERC-20標準定義了代幣發(fā)行的規(guī)范，推動了去中心化金融(DeFi)的繁榮，成為區(qū)塊鏈領域代幣經濟的基石。思考題3：區(qū)塊鏈技術的可追溯性的含義是什么？數(shù)據庫技術能否實現(xiàn)類似的功能？試比較二者的異同。1.區(qū)塊鏈可追溯性定義區(qū)塊鏈可追溯性指交易記錄可被完整、連續(xù)地追蹤至其起源，確保數(shù)據不被篡改。這是通過分布式賬本和加密技術實現(xiàn)的。2.數(shù)據庫技術與區(qū)塊鏈比較數(shù)據庫技術能部分實現(xiàn)追溯，但中心化結構易遭篡改。區(qū)塊鏈則通過去中心化、加密和共識機制，提供更高級別的數(shù)據完整性和可追溯性。思考題4：簡述UTXO和賬戶余額模型的含義。1.UTXO模型定義交易輸出UTXO（未花費的交易輸出）是區(qū)塊鏈中記錄交易的方式，表示歷史交易中未被使用的部分，是下一筆交易的輸入來源。2.賬戶余額模型簡化交易賬戶余額模型為用戶提供直觀的余額概念，簡化了交易過程，通過簡單的加減操作即可處理交易，易于理解和使用。鏈的開放性和去中心化節(jié)點參與和權限控制公有鏈完全開放，去中心化最高；聯(lián)盟鏈部分開放，多中心；私有鏈封閉，由單一組織控制。公有鏈節(jié)點自由加入，無權限；聯(lián)盟鏈需授權才能參與；私有鏈僅限定節(jié)點可參與，權限嚴格控制。思考題5：如何區(qū)分公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈？試討論三者的異同。謝謝觀看ThankYou北京大學區(qū)塊鏈密碼學概述Overviewofblockchaincryptography作者:北京大學匯報時間:2024/07/04目錄2.1密碼學概述012.3對稱加密算法032.5哈希函數(shù)052.2古典密碼學022.4非對稱加密算法042.6數(shù)字簽名062.7零知識證明072.8國密算法081.密碼學概述1.OverviewofCryptography011.1密碼學的發(fā)展歷程1.古典密碼學階段（1949年以前）特點：密碼學主要作為一種技術，憑直覺和經驗設計密碼。著名的密碼技術：凱撒密碼：公元前1世紀，古羅馬皇帝愷撒發(fā)明，通過位移字母進行加密。斯巴達密碼棒（Scytale）：古希臘斯巴達人用木棍纏繞羊皮紙傳遞信息，加密簡單但有效。中國古代：宋代的《武經總要》記錄了使用五言詩的字來傳遞軍情，具有密碼體制的特點。2.近代密碼學階段（1949年-1976年）特點：密碼學逐漸成為一門獨立的學科，隨著數(shù)學和計算機的發(fā)展，密碼學從手工轉向電子化。關鍵事件：Enigma密碼機：1919年由ArthurScherbius發(fā)明，二戰(zhàn)期間德軍使用的加密設備。英國通過阿蘭·圖靈等破解了其密鑰，改變了戰(zhàn)爭進程?？藙诘隆は戕r（ClaudeShannon）：1949年發(fā)表《保密系統(tǒng)通信理論》，標志著密碼學進入科學階段。發(fā)展影響：電子計算機和現(xiàn)代數(shù)學方法為加密提供了新工具，同時增強了破譯能力。3.現(xiàn)代密碼學階段（1976年至今）特點：隨著計算機和互聯(lián)網的快速發(fā)展，密碼學進入公鑰密碼學時代，廣泛應用于信息安全。關鍵事件：Diffie-Hellman密鑰交換算法：1976年，WhitfieldDiffie和MartinHellman提出，使得在不傳遞密鑰的情況下安全通信成為可能，開創(chuàng)了公鑰密碼學。RSA加密算法：1977年由Rivest、Shamir和Adleman發(fā)明，基于大整數(shù)因數(shù)分解的困難性，成為現(xiàn)代加密算法的基礎。橢圓曲線加密（ECC）：1985年引入，以其更高的安全性和效率，廣泛應用于區(qū)塊鏈和其他安全通信場景。4.區(qū)塊鏈中的密碼學區(qū)塊鏈結合現(xiàn)代密碼學技術，實現(xiàn)了數(shù)據的完整性、不可篡改性和匿名性。使用密碼學技術，如哈希算法、對稱與非對稱加密、數(shù)字簽名和零知識證明，保障了區(qū)塊鏈的安全性和隱私保護。1.1密碼學的發(fā)展歷程1.密碼學是區(qū)塊鏈基礎密碼學提供了區(qū)塊鏈中的信息加密、身份驗證和交易安全等關鍵功能，是構建分布式賬本體系的核心基石。2.公鑰加密保障隱私公鑰加密技術如RSA和橢圓曲線加密，允許用戶安全地傳輸信息，確保數(shù)據在區(qū)塊鏈上傳輸時的隱私性和完整性。3.哈希函數(shù)確保唯一性區(qū)塊鏈利用哈希函數(shù)生成數(shù)據的唯一數(shù)字指紋，這些指紋用于驗證數(shù)據的完整性和唯一性，是區(qū)塊鏈安全性的重要保障。1.2密碼學的基本概念1.密碼學保障數(shù)據安全密碼學通過加密算法和協(xié)議保護數(shù)據不被未經授權的訪問和篡改，確保數(shù)據的機密性、完整性和可用性。2.公鑰私鑰系統(tǒng)重要性公鑰私鑰系統(tǒng)是區(qū)塊鏈密碼學的基石，用于數(shù)字簽名和加密通信，保障區(qū)塊鏈網絡的去中心化安全交易。加密通信的目的是發(fā)送方和接收方在不安全的信道上進行通信，而破譯者不能理解他們通信的內容，以實現(xiàn)信息的安全傳輸。加密通信模型1.3密碼的攻擊方式1.暴力破解的局限性暴力破解密碼的方式隨著密碼復雜度的提高變得極其耗時，據研究，破解8位復雜密碼可能需要上千年時間。2.社會工程學的重要性社會工程學攻擊常能繞過強大的密碼學防護，據統(tǒng)計，約80%的數(shù)據泄露事件與人為錯誤和社會工程學有關。發(fā)送者A執(zhí)行加密過程，接收B執(zhí)行解密過程。1．唯密文攻擊2．已知明文攻擊3．選擇明文攻擊4．選擇密文攻擊1.4區(qū)塊鏈與密碼學的關系1.區(qū)塊鏈安全依賴密碼學區(qū)塊鏈的不可篡改性和匿名性高度依賴于加密算法，如哈希函數(shù)、公鑰密碼學等，確保數(shù)據安全和交易完整性。2.密碼學提升區(qū)塊鏈效率先進的密碼學技術如零知識證明和同態(tài)加密，能夠提升區(qū)塊鏈的隱私保護能力和處理效率，推動區(qū)塊鏈在更多領域的應用。區(qū)塊鏈技術定義：區(qū)塊鏈是比特幣的底層核心技術，用于實現(xiàn)分布式網絡中的一致性。區(qū)塊鏈的潛力：區(qū)塊鏈展示了在自組織模式下實現(xiàn)大規(guī)模協(xié)作的潛力。區(qū)塊鏈的應用擴展：隨著比特幣的流通和去中心化平臺的發(fā)展，區(qū)塊鏈的應用已經擴展到金融、物聯(lián)網等多個領域。區(qū)塊鏈安全概念：區(qū)塊鏈安全包括系統(tǒng)安全和信息安全兩個方面。區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全問題：網絡層安全問題：如女巫攻擊，影響點對點網絡的安全。共識層安全問題：如51%算力攻擊，影響共識機制的安全。智能合約層安全問題：如代碼漏洞，可能導致資產損失。區(qū)塊鏈信息安全：核心目標是保護用戶隱私，同時保持系統(tǒng)的去中心化。區(qū)塊鏈隱私保護挑戰(zhàn)：在公有鏈系統(tǒng)中，盡管地址匿名，但交易記錄的隱私泄露是一個重要挑戰(zhàn)。密碼學在區(qū)塊鏈中的作用：通過密碼學技術，區(qū)塊鏈可以保證交易的安全性和隱私性。區(qū)塊鏈安全的復雜性：區(qū)塊鏈安全是一個系統(tǒng)層面的問題，涉及多個領域，需要綜合多種技術來確保系統(tǒng)的安全。2.古典密碼學2.ClassicalCryptography022.1古典密碼學概述1.古典密碼學歷史悠久古典密碼學已有數(shù)千年的歷史，最早可追溯至古埃及時期，通過符號替換和排列組合實現(xiàn)信息加密。2.古典密碼學方法簡單古典密碼學的方法包括簡單替換密碼和轉置密碼等，盡管容易被破解，但為現(xiàn)代密碼學的發(fā)展奠定了基礎。3.古典密碼學具有研究價值盡管古典密碼學已被淘汰，但其加密思想和原理對于理解密碼學本質和推動現(xiàn)代密碼學研究仍有重要價值。2.2古典密碼學的不足1.密鑰管理困難古典密碼學中的密鑰管理常需人工操作，易于丟失或遺忘，且難以適應大規(guī)模網絡應用。2.安全性低根據歷史數(shù)據，古典密碼學如凱撒密碼等，易受頻率分析等攻擊方法破解，安全性無法與現(xiàn)代加密算法相比。3.擴展性差古典密碼學算法設計簡單，無法支持現(xiàn)代復雜加密需求，如大數(shù)據加密、云服務安全等，擴展性有限。2.3置換密碼替換密碼：將明文字母替換成其他字母、數(shù)字或符號。包括簡單替換、多名或多音替換、多表替換等。簡單替換密碼：明文字母表中的每個字母用密文字母表中的相應字母代替。包括移位密碼、乘數(shù)密碼、仿射密碼等。加密和解密過程涉及字母的置換和逆置換。凱撒密碼：一種古老的簡單替換加密方法，通過單字母的移位替換實現(xiàn)。容易通過字母頻度分析破譯。多名或多音替換密碼：將明文字母映射為密文字母表中的多個字符（多名替換）。將多個明文字符代替為一個密文字符（多音替換）。5.多表替換密碼：使用多個映射來隱藏單字母出現(xiàn)的頻率分布。維吉尼亞密碼是多表替換密碼的一種，使用不同的密碼表進行加密替換。6.置換密碼：明文字符集保持不變，只是字母的順序被打亂。包括縱行換位、柵欄密碼等。7.置換密碼的破譯：純置換密碼易于識別，因為具有與原明文相同的字母頻率。通過改變行的位置或使用頻率表可以破譯。8.置換密碼的安全性：通過多次執(zhí)行置換，使用更復雜的排列，可以提高置換密碼的安全性。3.對稱加密算法3.SymmetricEncryptionAlgorithm033.1對稱加密的基本概念1.對稱加密高效安全對稱加密算法在加密和解密過程中使用相同的密鑰，具有高效性和安全性，如AES算法，被廣泛應用于數(shù)據保護。2.密鑰管理是對稱加密的挑戰(zhàn)盡管對稱加密技術強大，但密鑰的生成、分發(fā)和保管是其主要挑戰(zhàn)，易導致安全漏洞。對稱加密算法要求發(fā)送者和接收者在安全通信前協(xié)商一個密鑰，其安全性依賴于密鑰，泄露密鑰就意味著任何人都能對消息進行加/解密。發(fā)送消息的通道往往是不安全的，所以在對稱密碼系統(tǒng)中，通常要求使用不同于發(fā)送消息的另一個安全通道來發(fā)送密鑰。

對稱加密算法原理3.2常見的對稱加密算法序列密碼工作原理分組密碼工作原理分組密碼是指對明文的一組位（bits）進行加密和解密運算，這些位組稱為分組，相應的算法稱為分組算法。分組密碼工作原理如圖2-6所示，明文消息分成若干固定長度的組，進行加密；解密亦然。分組密碼的典型分組長度為64位，這個長度大到足以抵抗分析破譯，又小到能夠方便使用。常見的分組密碼算法有DES、塊密碼技術、IDEA、AES等。序列密碼是指一次只對明文的單個位（有時對字節(jié)）運算的算法，也稱為流密碼。序列密碼工作原理如圖2-7所示，通過偽隨機數(shù)發(fā)生器產生性能優(yōu)良的偽隨機序列（密鑰流），用該序列加密明文消息流，可以得到密文序列；解密亦然。常見的序列密碼有RC4、A5、SEAL和PIKE等。

3.2常見的對稱加密算法

經過16輪相同運算

明文

IP

fIP-1

密文

DES加密算法的原理DES加密實現(xiàn)

第一步：變換明文。對給定的64位明文x，通過一個置換IP表來重新排列x，從而構造出64位的x0

x0=IP()x=LR0 0

其中，L0表示x0的前32位，R0表示x0的后32位。

第二步：按規(guī)則進行16輪迭代。迭代規(guī)則為

RLii==RLii?1 i1 i (i=1,2,3,???,16)

⊕fR(?,K)其中，⊕表示異或運算，f表示一種置換，由S盒置換構成。在密碼學中，S盒（Substitutionbox）是對稱密鑰算法執(zhí)行“置換計算”的基本結構，S盒的指標直接決定了密碼算法的好壞。Ki是一些由密鑰編排函數(shù)產生的位塊。

第三步：對L0和R0利用IP?1做逆置換，就得到了64位密文塊。

DES的56位密鑰過短，破解密文需要256次窮舉搜索，隨著計算機的升級換代，運算速度大幅提高，破解DES密鑰所需的時間將越來越短。為了保證應用所需的安全性，可以采用組合密碼技術，也就是將密碼算法組合起來使用。三重DES（簡寫為DES3或3DES）是常用的組合密碼技術，破解密文需要2112次窮舉搜索。3DES被認為是十分安全的，但它的速度較慢。DES的其他變形算法還有DESX、CRYPT(3)、GDES、RDES等。3.2常見的對稱加密算法1.AES算法廣泛應用AES（高級加密標準）作為對稱加密算法，在區(qū)塊鏈及其他領域中被廣泛應用，因其安全性高且加密速度快。2.DES算法逐漸被取代DES（數(shù)據加密標準）雖然曾經流行，但由于密鑰長度較短，安全性不足，逐漸被AES等更先進的算法所取代。AES加密算法AESECB加密流程圖3.3對稱加密的特點1.數(shù)據傳輸與保護對稱加密在數(shù)據傳輸中廣泛應用，如TLS/SSL協(xié)議，通過密鑰交換確保數(shù)據在傳輸過程中的機密性和完整性。2.數(shù)字版權保護數(shù)字內容如音樂、電影使用對稱加密技術進行加密，確保只有持有正確密鑰的用戶才能訪問，有效保護版權。對稱加密算法的特點：算法公開。計算量小。加密速度快。加密效率高。對稱加密算法的不足：使用相同的密鑰，安全性較低。需要管理大量密鑰，導致密鑰管理困難。在分布式網絡系統(tǒng)中使用成本較高。對稱加密算法的應用：在計算機專網系統(tǒng)中廣泛使用，如DES和IDEA算法。AES算法即將取代DES成為新標準。對稱加密算法的優(yōu)勢：加解密速度快。使用長密鑰時難以破解。密鑰管理問題：兩個用戶至少需要2個密鑰進行交換。如果企業(yè)內有n個用戶，則需要n(n-1)個密鑰。密鑰的生成和分發(fā)對企業(yè)信息部門構成挑戰(zhàn)。對稱加密算法的安全性：依賴于加密密鑰的保密性。企業(yè)中每個持有密鑰的人保守秘密的難度大，易泄露。如果一個密鑰被入侵者獲取，所有該密鑰加密的文檔都將不安全。4.非對稱加密算法4.AsymmetricEncryptionAlgorithm044.1非對稱加密的基本概念1.非對稱加密安全性高非對稱加密算法如RSA、ECC，通過公鑰加密、私鑰解密的方式，提供了極高的安全性，被廣泛用于數(shù)字簽名和密鑰交換。2.計算復雜性大非對稱加密算法因其計算復雜性，通常加密速度較慢，適合處理小量數(shù)據，如數(shù)字證書、密鑰的傳輸。3.密鑰管理簡便非對稱加密算法中公鑰可公開，私鑰由持有者保管，簡化了密鑰的分發(fā)和管理，降低了密鑰泄露的風險。4.實際應用廣泛非對稱加密算法不僅在區(qū)塊鏈中有關鍵應用，還在網絡安全、電子商務等領域發(fā)揮著重要作用，如SSL/TLS協(xié)議中的密鑰交換。4.1非對稱加密的基本概念非對稱加密算法原理非對稱加密算法原理如圖

所示，所有人的公鑰是公開的，每個人的私鑰是各自保存的。Bob使用Alice的公鑰對明文進行加密，得到密文，密文通過公共信道進行傳播，Alice使用自己的私鑰將密文解密成明文。攻擊者如果從公共信道竊取了密文，但是沒有Alice的私鑰，仍無法解密，從而完成了數(shù)據加密的功能。

如果Bob使用自己的私鑰對一段不那么重要的文字進行加密，由于所有人都可以獲取Bob的公鑰，因此所有人都可以利用Bob的公鑰對這段密文進行解密，來驗證這段文字是Bob發(fā)送的，進而完成了身份認證的功能。因為除了Bob，其他人都沒有Bob的私鑰，能用Bob的公鑰解密這段信息，說明信息一定來源于Bob。

1.RSA算法廣泛應用RSA作為經典非對稱加密算法，在網絡安全、數(shù)字簽名等領域得到廣泛應用，其安全性經過長期驗證。2.ECC算法效率高ECC（橢圓曲線密碼學）算法使用較短的密鑰長度就能達到與RSA相當?shù)陌踩珡姸?，因此具有更高的計算效率?.EdDSA成為新寵EdDSA算法以其在安全性、簽名生成速度、尺寸等方面的優(yōu)勢，逐漸被用作數(shù)字貨幣等新興技術的默認簽名算法。4.SM2算法國產標準SM2算法是我國自主研發(fā)的非對稱加密算法，作為國家標準在政務、金融等領域得到推廣使用，保障國家信息安全。4.2常見的非對稱加密算法4.2常見的非對稱加密算法

公鑰：PU(e,n

)私鑰：PR(d,n

)選擇整數(shù)e，使得歐拉函數(shù)

計算乘法逆元d，

隨機選擇兩個大素數(shù)：p和q

n=pq

RSA公鑰、私鑰求解流程

密鑰管理中心產生一對公開密鑰和私有密鑰，方法是在離線的方式下，先隨機產生兩個足夠大的素數(shù)p和q，可得p與q的乘積為n=pq。再由p和q計算出歐拉函數(shù)?()n=(p?1)(q?1)，然后選取一個與?()n互素的奇數(shù)e，稱e為公開指數(shù)；從e值可以找出另一個值d，并能滿足ed≡1mod?()n條件。由此而得到兩組數(shù)Kp=(ne,)和Ks=(nd, )，分別被稱為公開密鑰和秘密密鑰，或簡稱公鑰和私鑰。

RSA公鑰、私鑰求解流程

密文

明文M

RSA加密、解密原理

對于明文M，用公鑰(ne,)加密，可得密文C=Memodn；對于密文C，用私鑰(nd,)解密，可得到明文M=Cdmodn。上述數(shù)學證明用到了數(shù)論中的歐拉定理，具體過程不再贅述。例如，取p=3，q=11，則n=pq=33，z=(p?1)(q?1)=20，7和20沒有公因子，即gcd(7,20)=1，可取d=7，解方程7e

≡1mod20，可得e=3，所以公鑰為(3,33)，私鑰為(7,33)。加密時，若明文M=4，則密文C=Memodn=43mod33=31；解密時，M=Cdmodn=317mod33=4，成功恢復出明文。

RSA加密、解密原理4.2常見的非對稱加密算法ECC加密算法ECC的起源：1985年，Koblitz和Miller獨立提出將橢圓曲線用于加密算法?；跈E圓曲線上的離散對數(shù)問題（ECDLP）的困難性。ECC的標準：NIST制定了不同安全程度的ECC加密標準。常用的標準包括P-256、P-384、P-521。ECC相比于RSA的優(yōu)勢：在相同的密鑰長度下，ECC的抗攻擊性更強。ECC的計算量更小，處理速度更快。ECC的存儲空間需求更小，密鑰尺寸和系統(tǒng)參數(shù)更小。ECC的帶寬要求更低，適合短消息加密，尤其在無線網絡領域有廣泛應用前景。ECC的應用：廣泛應用于加密場景，如構造公鑰加密機制。用于密鑰交換、數(shù)字簽名等加密系統(tǒng)。ECC的安全強度：RSA的安全性是亞指數(shù)級的，而ECC的安全強度是指數(shù)級的。在同等安全水平下，ECC相比RSA或有限域上的離散對數(shù)算法有更小的參數(shù)和密鑰長度。ECC的缺點：加密和解密操作的實現(xiàn)比其他算法花費的時間更長。4.3非對稱加密的應用領域1.數(shù)據傳輸安全性非對稱加密通過公鑰加密、私鑰解密的方式確保數(shù)據在傳輸過程中的安全性和保密性，廣泛應用于在線金融和郵件加密等領域。2.身份驗證機制非對稱加密的私鑰簽名和公鑰驗證機制，提供了數(shù)字簽名功能，實現(xiàn)了在線服務的身份驗證，如軟件下載簽名驗證。3.區(qū)塊鏈核心技術非對稱加密是區(qū)塊鏈技術的核心之一，通過公私鑰對確保交易的安全性和匿名性，是數(shù)字貨幣交易和智能合約執(zhí)行的基礎。5.哈希函數(shù)5.HashFunction055.1哈希函數(shù)的基本概念1.哈希函數(shù)的重要性哈希函數(shù)在區(qū)塊鏈中扮演著關鍵角色，確保數(shù)據的完整性和不可篡改性，是區(qū)塊鏈安全性的基石。2.哈希函數(shù)的數(shù)學特性哈希函數(shù)具有單向性、抗碰撞性、雪崩效應等特性，這些特性使哈希值在區(qū)塊鏈中具備獨特性和安全性。3.哈希函數(shù)在區(qū)塊鏈的應用在區(qū)塊鏈中，哈希函數(shù)用于生成交易ID、創(chuàng)建區(qū)塊頭、驗證數(shù)據的完整性，確保了鏈上數(shù)據的一致性和可追溯性。

定長哈希值h=H(M)

哈希函數(shù)H(x)

任意長度的消息M

哈希函數(shù)處理流程哈希函數(shù)需滿足以下條件：

函數(shù)的輸入可以是任意長。

函數(shù)的輸出是固定長。

已知x，求Hx()較為容易，可用硬件或軟件實現(xiàn)。

已知h，求使得Hx()=h的x在計算上是不可行的，這個性質稱為函數(shù)的單向性，稱Hx()為單向哈希函數(shù)。

已知x，找出y（y≠x）使得Hy()=Hx()在計算上是不可行的。如果單向哈希函數(shù)滿足這一性質，就稱其為弱單向哈希函數(shù)。

找出任意兩個不同的輸入x、y，使得Hy()=Hx()在計算上是不可行的，稱Hx()為強單向哈希函數(shù)。

5.2常見的哈希算法1.SHA-256廣泛應用SHA-256因其高安全性和廣泛的應用場景，成為區(qū)塊鏈技術中最常用的哈希算法之一，支持眾多數(shù)字貨幣的交易記錄驗證。2.哈希算法速度差異不同哈希算法在計算速度上存在差異，如SHA-3系列相較于SHA-2系列在某些場景下具有更快的計算效率。3.哈希算法安全性考量哈希算法的安全性是區(qū)塊鏈技術中不可忽視的一環(huán)，如SHA-3設計之初就考慮到了對SHA-2可能存在的安全漏洞的防御。5.2常見的哈希算法MD5算法處理流程

MD5算法的輸入為長度小于264位的消息，輸出為128位的哈希值。MD5算法處理流程如圖

所示，IV為初始向量，MD5以512位分組來處理輸入的信息，且每個分組又被劃分為16個32位子分組，經過一系列處理后，輸出由4個32位分組組成。這4個32位分組級聯(lián)后，將生成一個128位散列值。2004年8月17日，在美國加州圣巴巴拉召開的國際密碼學會議（Crypto'2004）上安排了3場關于離散函數(shù)的特別報告。王小云教授做了破譯MD5、HAVAL-128、MD4和RIPEMD算法的報告。不久后，密碼學者Lenstra利用王小云教授提供的MD5碰撞偽造了符合X.509標準的數(shù)字證書，這說明MD5的破譯已經不只是理論破譯結果，而是可以導致實際的攻擊。5.3哈希函數(shù)在區(qū)塊鏈中的應用

地址addr=H(x)

哈希函數(shù)H(x)

公鑰x

區(qū)塊鏈生成地址

大多數(shù)區(qū)塊鏈實現(xiàn)都使用地址作為用戶在區(qū)塊鏈網絡中面向公眾的標識符，并且通常將地址轉換為QR碼（快速響應代碼，可以包含任意數(shù)據的二維條形碼），以便于移動使用設備。生成地址的一種方法是創(chuàng)建公鑰，對其應用哈希函數(shù)，以生成賬戶地址區(qū)塊鏈鏈式結構

哈希指針是哈希函數(shù)在區(qū)塊鏈中的另一個應用。區(qū)塊鏈的鏈式結構是由指針連接起來的，其每個數(shù)據塊中包括指向下一數(shù)據塊的指針。而區(qū)塊鏈是一個基于哈希指針構建的有序的、反向鏈接的塊鏈表，也就是說，在區(qū)塊鏈的每個區(qū)塊都通過哈希指針連接到父區(qū)塊上，如圖2-15所示。哈希指針不僅能夠得到后區(qū)塊的地址，還能夠檢驗區(qū)塊數(shù)據的哈希值，從而驗證這個區(qū)塊所包含數(shù)據的完整性。5.3哈希函數(shù)在區(qū)塊鏈中的應用1.數(shù)據完整性驗證哈希函數(shù)在區(qū)塊鏈中確保數(shù)據未被篡改，通過計算數(shù)據的哈希值并與原哈希值比對，驗證數(shù)據的完整性。2.工作量證明在比特幣等區(qū)塊鏈中，哈希函數(shù)用于工作量證明機制，礦工通過競爭計算特定難度的哈希值來贏得區(qū)塊獎勵。3.交易地址生成哈希函數(shù)通過處理公鑰來生成簡潔的區(qū)塊鏈交易地址，確保地址的唯一性和隱私性。4.快速數(shù)據檢索區(qū)塊鏈通過哈希索引快速檢索區(qū)塊數(shù)據，提高了數(shù)據處理和交易驗證的效率。每個區(qū)塊包含兩個部分區(qū)塊頭（Head）：記錄當前區(qū)塊的特征值區(qū)塊體（Body）：實際數(shù)據就因為區(qū)塊頭包含了這么多的內容，并且與上一個區(qū)塊的hash相關聯(lián)，所以當前的區(qū)塊體的內容發(fā)生了改變，或者上一個的區(qū)塊哈希發(fā)生了改變，那么一定會引起當前的區(qū)塊哈希值發(fā)生改變。6.數(shù)字簽名6.DigitalSignature061.數(shù)字簽名確保交易安全數(shù)字簽名使用非對稱加密算法，確保交易信息被發(fā)送者確認且未被篡改，是區(qū)塊鏈安全交易的核心保障。2.數(shù)字簽名應用廣泛據統(tǒng)計，超過80%的加密貨幣交易使用了數(shù)字簽名技術，該技術還被廣泛應用于電子合同、軟件分發(fā)等領域。6.1數(shù)字簽名的基本概念設計數(shù)字簽名必須滿足下列條件：

簽名必須是與消息相關的二進制位串。

簽名必須使用某些對發(fā)送方來說是唯一的信息，以防止雙方的偽造和否認。

簽名必須相對容易生成、識別和驗證。

偽造數(shù)字簽名在計算復雜性意義上不具備可行性。無論是從給定的數(shù)字簽名偽造消息，還是從給定的消息偽造數(shù)字簽名，在計算上都是不可行的。

6.2數(shù)字簽名的生成和驗證

數(shù)字摘要

哈希函數(shù)

消息

加密算法

A的私鑰

加密后的摘要消息

加密后的摘要信息發(fā)送方A

數(shù)字摘要

哈希函數(shù)

比較

解密后的摘要

A的公鑰

解密算法

消息

加密后的摘要信息接收方B

數(shù)字簽名的生成和驗證過程

數(shù)字簽名主要采用公鑰加密技術來實現(xiàn)，數(shù)字簽名的生成和驗證過程如圖所示。信息發(fā)送方A將消息經過哈希函數(shù)處理生成數(shù)字摘要（哈希值），用A的私鑰對數(shù)字摘要加密，并將消息和加密后的摘要打包發(fā)給信息接收方B；B將消息使用相同的哈希算法處理，生成數(shù)字摘要，使用A的公鑰對收到的加密后的摘要進行解密，比較解密后的摘要與生成的數(shù)字摘要，可以驗證發(fā)送方的身份和數(shù)據的完整性。

作為保障網絡信息安全的手段之一，數(shù)字簽名機制可以解決偽造、抵賴、篡改和重放等問題。

防偽造：私鑰是簽名者獨有的，因此其他人無法構造出有效的簽名。防抵賴：數(shù)字簽名可以鑒別身份，確保簽名的真實性。保存簽名的報文就像保存手工簽署的合同，作為證據，簽名者無法否認。為防止接收方抵賴，可以要求接收方返回簽名確認收到報文，或者引入第三方機制。防篡改：數(shù)字簽名與文件形成一個整體，確保了數(shù)據的完整性。任何對文件的篡改都會導致簽名驗證失敗，從而保護數(shù)據不被篡改。防重放：類似于日常生活中的借條，數(shù)字簽名通過添加流水號、時間戳等技術手段防止重放攻擊。這些技術確保簽名報文的一次性使用，防止攻擊者重復使用舊的簽名報文。6.3數(shù)字簽名的實現(xiàn)1.RSA數(shù)字簽名廣泛應用RSA數(shù)字簽名因其安全性高和兼容性強，被廣泛應用于金融交易、電子郵件安全等領域，確保數(shù)據傳輸?shù)耐暾院筒豢纱鄹男浴?.ECDSA簽名速度快ECDSA簽名算法相比RSA更快，其橢圓曲線加密技術使得簽名驗證效率更高，適用于需要快速響應的場景。3.數(shù)字簽名降低欺詐風險通過數(shù)字簽名技術，能確保信息來源的真實性和信息的完整性，有效減少網絡欺詐和數(shù)據篡改的風險。6.4數(shù)字簽名在區(qū)塊鏈中的應用數(shù)字簽名驗證身份區(qū)塊鏈使用數(shù)字簽名技術確保交易發(fā)送者的身份真實性，如比特幣交易中公鑰和私鑰的配對使用。保障交易不可篡改數(shù)字簽名技術通過哈希函數(shù)和加密算法，確保區(qū)塊鏈上的交易數(shù)據一旦寫入便無法被篡改，增強數(shù)據安全性。提高系統(tǒng)整體信任度由于數(shù)字簽名的公開驗證特性，區(qū)塊鏈系統(tǒng)無需中心化信任機構，提高了整個系統(tǒng)的透明度和信任度。數(shù)字簽名在區(qū)塊鏈中的作用：用于驗證交易的發(fā)起方身份。確保交易信息在傳輸過程中未被篡改。數(shù)字簽名的過程：交易發(fā)起方（轉出方）首先對交易數(shù)據進行數(shù)字摘要。使用私鑰對摘要進行加密，生成數(shù)字簽名。交易的廣播和驗證：發(fā)起方將交易信息和數(shù)字簽名一起廣播給接收方（轉入方）。接收方使用發(fā)起方的公鑰對數(shù)字簽名進行驗證。如果驗證成功，確認交易是由發(fā)起方發(fā)出且信息未被篡改。數(shù)字簽名與資金所有權：數(shù)字簽名用于證明資金的所有權。發(fā)送比特幣等加密貨幣需要所有者進行數(shù)字簽名以授權轉讓。交易的記錄：交易成功后，相關信息被發(fā)送到公共網絡并記錄在區(qū)塊鏈上。任何人都可以通過檢查數(shù)字簽名來驗證交易的合法性。7.零知識證明7.ZeroKnowledgeProof077.1零知識證明的基本概念1.零知識證明提升隱私零知識證明技術允許在不泄露任何額外信息的情況下驗證數(shù)據真實性，有效提升了區(qū)塊鏈應用中的個人隱私和數(shù)據安全。2.零知識證明降低存儲需求由于零知識證明不需要傳輸實際數(shù)據，只傳遞驗證過程，因此顯著降低了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的存儲和傳輸需求，提高了效率。3.零知識證明促進去中心化零知識證明技術有助于構建無需第三方信任的去中心化應用，推動區(qū)塊鏈技術的進一步發(fā)展和普及。7.2零知識證明的類型1.零知識證明的分類零知識證明可分為交互式與非交互式，前者需雙方交換信息，后者僅由一方生成證明無需交互2.基于數(shù)學難題的證明零知識證明常利用數(shù)學難題如離散對數(shù)或橢圓曲線難題，確保證明的準確性和不可偽造性3.零知識證明的隱私性零知識證明允許一方向另一方證明某個事實，而不泄露任何除該事實外的額外信息，保障了數(shù)據的隱私性4.實際應用案例零知識證明在數(shù)字貨幣、身份驗證和隱私計算等領域有廣泛應用，如Zcash中的zk-SNARKs技術增強了交易隱私性7.3零知識證明在區(qū)塊鏈中的應用1.增強交易隱私性零知識證明允許用戶在區(qū)塊鏈上驗證交易而無需暴露敏感信息，提高了交易的隱私保護水平。2.減少計算成本在區(qū)塊鏈上使用零知識證明技術可以減少對大量數(shù)據的計算和存儲需求，降低區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運行成本。3.增加網絡安全性零知識證明能夠驗證信息的正確性而不泄露具體內容，有助于減少區(qū)塊鏈網絡中的欺詐行為和潛在的安全威脅。4.zk-SNARKs（零知識簡潔非交互式知識論證）廣泛應用于隱私幣（如Zcash）和區(qū)塊鏈項目中，提供高效的零知識證明。5.zk-STARKs（零知識可擴展透明知識論證）不依賴可信設置，提供更高的透明性和可擴展性。8.國密算法8.encryptionalgorithm088.1國密算法概述國家密碼管理局：全稱為國家商用密碼管理辦公室，隸屬于中共中央直屬機關的下屬機構。國密算法：國家密碼管理局認定的國產密碼算法，即商用密碼（SM）。商用密碼技術：包括加密、解密和認證等功能的技術。核心技術被列為國家秘密，需要保護。信息安全的戰(zhàn)略地位：信息安全已上升到國家安全的戰(zhàn)略地位?；A軟件和基礎硬件的自主控制是保證安全的根本方法。數(shù)據安全的重要性：在無法完全國產化的情況下，數(shù)據安全傳輸成為一個重要議題。加密算法是數(shù)據傳輸安全的核心。6.國際標準算法的風險：許多國家禁止國際標準算法介入核心國產產品。國際標準加密算法存在設計漏洞和后門風險。7.加密系統(tǒng)設計后門的可能性：在2017年歐洲黑帽大會上，密碼學家菲利奧爾和阿諾德·般涅爾討論了設計數(shù)學后門的可能性。提出了含有數(shù)學后門的BEA-1塊加密算法，展示了后門的隱蔽性和利用后門恢復密鑰的可行性。8.算法專利的戰(zhàn)略考量：很多加密標準的算法專利掌握在特定公司手上，擁有自己的算法專利對國家來說是一個重要的戰(zhàn)術考量。9.國家密碼管理局制定的密碼標準：

1.包括SM1、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9和ZUC等，涵蓋對稱、非對稱和哈希算法。8.1國密算法概述1.國密算法安全性高國密算法經過嚴格的加密強度測試和安全性評估，如SM2橢圓曲線公鑰密碼算法，具有相當于256位AES的安全性。2.國密算法應用廣泛國密算法已在中國金融、電子政務等領域得到廣泛應用，如SM3密碼雜湊算法已被列為金融行業(yè)標準。密鑰交換（UserA&UserB）簽名驗簽解密公私鑰8.2國際算法和國密算法的區(qū)別國際算法與國密算法：國際算法主要由美國安全局發(fā)布。國密算法是中國國家密碼管理局認定的國產密碼算法。國密算法因安全性高而被推薦在國內銀行和支付機構使用。SM2與RSA算法：SM2是基于橢圓曲線的非對稱加密算法。RSA是基于大整數(shù)分解難題的非對稱加密算法。SM2在相同安全性能下所需公鑰位數(shù)比RSA少，密鑰生成速度快。SM2基于離散對數(shù)的ECDLP難題，而RSA基于大整數(shù)分解難題。哈希函數(shù)的重要性：哈希函數(shù)在數(shù)字簽名、消息認證、隨機數(shù)生成等多種密碼應用中至關重要。SM3哈希算法：SM3是中國商用密碼哈希算法標準，公布于2010年。SM3基于SHA-256改進，采用Merkle-Damgard結構，消息分組長度為512位，摘要值長度為256位。SM3的設計比SHA-256更復雜，使用兩個消息字進行壓縮函數(shù)的每輪計算。SM3算法的安全性相對SHA-256更高。8.2國密算法的應用領域1.國密算法在金融領域國密算法在中國金融領域得到廣泛應用，確保支付安全，降低金融數(shù)據泄露風險，據統(tǒng)計，90%以上的國內銀行采用國密算法。2.國密算法在政務領域政務領域對信息安全要求極高，國密算法在政府文件加密、電子政務系統(tǒng)中被廣泛應用，保障國家機密和信息安全。3.國密算法在軍事領域軍事領域對通信加密有嚴格需求，國密算法被用于國防通信加密、軍事系統(tǒng)保護，有效防御外部攻擊，確保軍事信息安全。AD-WAN縱向IP/MPLS組網8.3量子密碼學1.量子密鑰分發(fā)（QKD）：利用量子力學原理生成和分發(fā)密鑰，如BB84協(xié)議。它能夠提供理論上的無條件安全性，因為任何竊聽都會改變量子態(tài)，從而被檢測到。2.量子算法：如Shor算法，可以在多項式時間內破解現(xiàn)有的RSA和ECC加密算法，對傳統(tǒng)密碼學構成重大威脅。量子密碼學利用量子力學的原理來設計安全通信系統(tǒng)，主要關注量子計算對現(xiàn)有加密算法的影響及其抵御方法。8.4后量子密碼學1.基于格的密碼學：如LWE（LearningWithErrors）和NTRU算法?；诟竦拿艽a學被認為是量子安全的，難以被量子計算機破解。2.基于多變量多項式的密碼學：利用多變量多項式方程的難解性，如HFE（HiddenFieldEquations）加密系統(tǒng)。3.基于代碼的密碼學：如McEliece加密系統(tǒng)，基于糾錯碼的困難性。后量子密碼學旨在開發(fā)能夠抵御量子計算攻擊的加密算法。8.5同態(tài)加密1.部分同態(tài)加密：如RSA和ElGamal，它們只支持單一類型的操作（加法或乘法）。2.全同態(tài)加密（FHE）：如Gentry的全同態(tài)加密方案，可以在加密數(shù)據上執(zhí)行任意計算，且不影響數(shù)據的加密狀態(tài)。這對于云計算和隱私保護具有重大意義。同態(tài)加密允許在加密數(shù)據上執(zhí)行特定計算，而無需解密數(shù)據，從而保護數(shù)據隱私。8.6區(qū)塊鏈中的高級密碼學技術1.混幣服務（CoinJoin,CoinShuffle）：通過混合多筆交易，提高交易匿名性。2.機密交易（ConfidentialTransactions）：通過隱匿交易金額和參與方信息，保護交易隱私。3.鏈下擴展性解決方案（如LightningNetwork）：通過鏈下交易減少鏈上負載，提高隱私性和交易速度。同態(tài)加密允許在加密數(shù)據上執(zhí)行特定計算，而無需解密數(shù)據，從而保護數(shù)據隱私。在BTC交易中,Fastmixer.cash混幣器它巧妙利用了比特幣的一個特性。由于比特幣UTXO的設計機制,同筆交易可以有多個輸入和輸出。這意味著,可以構建這樣一種交易,讓數(shù)百個交易發(fā)起者(地址),同時向數(shù)百個交易接受者(地址),轉一定數(shù)額比特幣。9.思考題091、密碼學的發(fā)展歷史經歷了哪些階段？關鍵性技術突破是什么？密碼學的發(fā)展可以分為三個階段：古典密碼學階段（1949年以前）：主要通過直覺和技術進行密碼設計，使用簡單的替換與置換密碼。突破包括斯巴達的“天書”和凱撒密碼。近代密碼學階段（20世紀初-1970年）：密碼學成為一門獨立學科，借助電子機械和計算機進行加密。Enigma密碼機是這一階段的突破?，F(xiàn)代密碼學階段（1976年以后）：提出了公鑰加密系統(tǒng)，如Diffie-Hellman密鑰交換和RSA算法，推動了公鑰密碼學的發(fā)展古典密碼學階段的關鍵性技術突破包括凱撒密碼和“天書”等；近代密碼學階段的關鍵性技術突破是香農的《保密系統(tǒng)通信理論》和Enigma密碼機的使用；現(xiàn)代密碼學階段的關鍵性技術突破是公鑰密碼學的提出和Diffie-Hellman密鑰交換算法的發(fā)展。2、密文分析的四種方式及其區(qū)別是什么？密文分析主要有以下四種方式：唯密文攻擊：分析者只有密文，試圖破解密鑰或推導出部分明文。已知明文攻擊：分析者擁有部分明文及其對應的密文，嘗試推導出加密密鑰。選擇明文攻擊：分析者可以選擇明文并獲取其對應的密文，以推導密鑰。選擇密文攻擊：分析者可以選擇密文并得到對應的明文，用以推導密鑰?主要區(qū)別在于攻擊者對明文和密文的了解程度，以及他們能夠選擇明文或密文進行加密或解密的能力。3、哪些密碼學技術應用在區(qū)塊鏈領域？試談論應用的主要意義。區(qū)塊鏈使用的密碼學技術包括：哈希函數(shù)：確保數(shù)據的不可篡改性。非對稱加密：用于身份驗證和數(shù)字簽名。零知識證明：保護隱私的同時進行驗證。

這些技術的應用保證了區(qū)塊鏈的安全性、完整性和匿名性，支持數(shù)據安全共享和大規(guī)模協(xié)同計算，實現(xiàn)了對用戶身份和機密數(shù)據的隱私保護。4、古典密碼學中的簡單替換密碼為什么并不安全？哪種方式能夠以較小的代價實現(xiàn)對其的破譯？簡單替換密碼不安全是因為其模式容易被識別，且通過頻率分析可以較容易地破譯。統(tǒng)計分析是實現(xiàn)對其破譯的一種方式，尤其是對于較長的密文，攻擊者可以通過分析字母出現(xiàn)的頻率來推斷密鑰。5、有觀點指出：古典密碼學的并不具備安全性，其密文集（如替換規(guī)則、密碼本等）需要在使用前在通信雙方間交換，而在此時雙方均未建立加密信道，因此存在密文集被攻擊者獲取的可能性。如果通信雙方相信信道是安全的，可以采用明文通信的方式交換消息而不需加密。試評價此觀點，并討論何種方式或技術能夠解決觀點中指出的問題。此觀點部分正確。確實，如果信道不安全，那么交換密文集的過程可能會被攻擊者利用。但是，即使信道是安全的，也不能完全保證信息的保密性。解決這個問題的方式是使用數(shù)字簽名和公鑰基礎設施（PKI），以確保密鑰交換的安全性和認證性。6、對稱加密和非對稱加密的區(qū)別和聯(lián)系是什么？對稱加密和非對稱加密的主要區(qū)別在于使用的密鑰數(shù)量和類型。對稱加密使用相同的密鑰進行加密和解密，而非對稱加密使用一對密鑰，即公鑰和私鑰。兩者的聯(lián)系在于它們都用于確保信息的機密性和完整性。7、對稱加密和非對稱加密主要應用于哪些不同的領域？對稱加密由于其速度快，通常用于大量數(shù)據的加密，如文件加密、無線通信等。非對稱加密由于其密鑰管理的便利性，通常用于數(shù)字簽名、密鑰交換和身份認證等。8、DES、RSA、ECC分別是什么類型的加密算法？DES是一種對稱密鑰加密算法，RSA是一種非對稱密鑰加密算法，ECC是基于橢圓曲線的非對稱密鑰加密算法。9、既然非對稱加密具備密鑰分配簡單且能夠在公共信道建立保密通信的優(yōu)點，為什么目前的應用中仍然存在對稱加密技術的應用？非對稱加密存在哪些缺點？非對稱加密雖然在密鑰分配上簡單，但其計算復雜度高，處理速度慢，不適合大量數(shù)據的加密。對稱加密雖然在密鑰管理上較為復雜，但其速度快，適合大量數(shù)據的加密。因此，兩者在實際應用中往往是結合使用的。10、哈希函數(shù)的單向性具體含義是指什么？能否從哈希后的結果恢復原文嗎？哈希函數(shù)的單向性意味著從哈希值幾乎不可能逆推出原始輸入數(shù)據。因此，從哈希后的結果恢復原文在計算上是不可行的。11、MD5算法曾經廣泛作為哈希函數(shù)的應用標準，為什么目前不再推薦使用？為了確保安全性，應當采用哪些哈希函數(shù)標準方案？MD5不再推薦使用是因為它存在碰撞攻擊，即可以找到兩個不同的輸入值，它們產生相同的哈希值。為了確保安全性，應當采用SHA-256、SHA-3等更加安全的哈希函數(shù)。12、哈希函數(shù)在區(qū)塊鏈中主要用于哪些功能？哈希函數(shù)在區(qū)塊鏈中主要用于確保數(shù)據的完整性、生成數(shù)字簽名、生成地址以及構建區(qū)塊鏈的鏈式結構。13、數(shù)字簽名具備哪些特點？手工簽名為什么不能應用于互聯(lián)網中？數(shù)字簽名具備不可否認性、認證性、完整性和機密性等特點。手工簽名不能應用于互聯(lián)網中，因為它無法遠程驗證，且容易被偽造。14、國密算法有哪些？試討論SM2、SM3、SM4分別屬于那種加密算法類型，并可能用于哪些領域。國密算法包括SM1、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9、祖沖之密碼算法（ZUC）等。SM2是基于橢圓曲線的非對稱加密算法，可能用于數(shù)字簽名和密鑰交換；SM3是哈希算法，用于數(shù)據完整性驗證；SM4是對稱加密算法，用于數(shù)據加密和解密，適用于需要保護數(shù)據機密性的各種場合。謝謝觀看ThankYou北京大學第三章：對等網絡Peer-to-PeerNetworks作者:北京大學匯報時間:2024/07/041.引言01Contents目錄3.分布式哈希表（DHT）035.對等網絡的應用052.對等網絡的類型024.結構化對等網絡協(xié)議046.對等網絡的挑戰(zhàn)與未來067.對等網絡的性能優(yōu)化07011.引言Introduction1.1定義和基本概念P2P，即PeertoPeer，常翻譯為點對點。是一種沒有中心服務器、依靠用戶群交換信息的互聯(lián)網體系。與有中心服務器的中央網絡系統(tǒng)不同，對等網絡的每個用戶端既是一個節(jié)點，也有服務器的功能。對等計算機網絡(PeertoPeerNetwworkingP2P網絡)中的每一個網絡節(jié)點，所具有的功能，在邏輯上是完全對等的，全網無特殊節(jié)點，不存在誰是服務端，誰是客戶端;每一個節(jié)點在對外提供服務的時候，也在使用別的節(jié)點為自己提供類似的服務P2P網絡的運行原理1、可拓展性2、健壯性3、高性價比4、隱私保護5、負載均衡P2P網絡的特點1.1定義和基本概念對等網絡是一種無需中央服務器，節(jié)點間直接通信的網絡架構，具有去中心化、自組織、高容錯性等特點。據研究，對等網絡在文件分享領域占有重要地位，如BitTorrent協(xié)議，通過節(jié)點間共享文件片段，顯著提高了文件下載速度。對等網絡在實時通信中表現(xiàn)出色，如Skype和WhatsApp，通過直接連接用戶，降低了延遲，提高了通信質量。對等網絡定義與特點對等網絡在文件分享的應用對等網絡在實時通信的優(yōu)勢010203對等網絡雖然提供了去中心化的優(yōu)勢，但也面臨著安全挑戰(zhàn)，如惡意節(jié)點攻擊、數(shù)據泄露等問題，需要有效的安全機制來保障。對等網絡的安全挑戰(zhàn)04傳統(tǒng)下載BT下載對等網絡的概念可追溯至20世紀60年代的ARPANET，最初為文件共享和分布式計算提供支持。對等網絡起源較早隨著互聯(lián)網技術的迅速發(fā)展，如Napster、BitTorrent等對等網絡應用的出現(xiàn)，極大地推動了對等網絡技術的革新和應用范圍的擴展。技術革新推動對等網絡發(fā)展1.2對等網絡的歷史背景022.對等網絡的類型2.Typesofpeer-to-peernetworks節(jié)點之間通過廣播方式進行查詢，如Gnutella。雖然實現(xiàn)簡單，但擴展性差，容易出現(xiàn)網絡擁塞問題。非結構化對等網絡采用分布式哈希表（DHT）技術，節(jié)點按照一定規(guī)則組織和查找資源，如Chord、Kademlia等。這種方式具有較高的擴展性和查詢效率。適用于大規(guī)模、穩(wěn)定的數(shù)據存儲和共享。結構化對等網絡2.1非結構化對等網絡2.2結構化對等網絡結構化對等網絡通過分布式哈希表等技術，確保數(shù)據查詢與傳輸?shù)母咝裕嵘司W絡整體性能。由于其分布式的特性，結構化對等網絡能夠輕松擴展，支持大量節(jié)點的加入和數(shù)據的增長。結構化對等網絡通過加密通信和身份驗證機制，提供了更高的數(shù)據傳輸和存儲安全性。結構化網絡的高效性結構化網絡的擴展性結構化網絡的安全性結構化對等網絡不依賴于中心化的服務器，每個節(jié)點都具有同等的權力和責任，提高了網絡的魯棒性和抗毀性。結構化網絡的去中心化集中式對等網絡利用中心目錄服務器進行資源的索引和查找，節(jié)點之間直接進行數(shù)據傳輸。這種結構在早期的對等網絡應用中比較常見，如Napster。盡管其查詢效率較高，但容易出現(xiàn)單點故障問題。集中式對等網絡混合式對等網絡結合了集中式和分布式的優(yōu)點，一部分節(jié)點充當超級節(jié)點，負責索引和查詢，其他普通節(jié)點通過超級節(jié)點進行交互，如迅雷。這樣既提高了查詢效率，又避免了單點故障問題?；旌鲜綄Φ染W絡2.3集中式對等網絡033.分布式哈希表（DHT）3.DistributedHashTable(DHT)3.1DHT的基本概念1.DHT提高數(shù)據檢索效率分布式哈希表（DHT）通過將數(shù)據存儲在網絡中的多個節(jié)點上，并使用哈希函數(shù)快速定位數(shù)據，顯著提高了數(shù)據檢索的效率和速度。2.DHT實現(xiàn)去中心化存儲DHT作為對等網絡的核心技術之一，其去中心化的特性使得數(shù)據存儲不再依賴于單一的中心服務器，提高了系統(tǒng)的魯棒性和安全性。3.DHT具有高效的數(shù)據更新機制DHT允許數(shù)據在節(jié)點間進行高效的更新和傳播，通過分布式的驗證和同步機制，確保數(shù)據的完整性和一致性。4.DHT減少網絡帶寬消耗DHT通過智能路由和緩存技術，減少了對網絡帶寬的依賴，有效降低了數(shù)據傳輸?shù)某杀竞烷_銷，提升了整體網絡的性能和可擴展性。3.2DHT的實現(xiàn)1.DHT提高網絡效率DHT利用節(jié)點間直接通信，無需中央服務器，數(shù)據查詢更快，減少了網絡擁塞和延遲。2.DHT實現(xiàn)去中心化存儲DHT通過將數(shù)據存儲在網絡中的多個節(jié)點上，實現(xiàn)了數(shù)據的去中心化存儲，提高了數(shù)據的安全性和可靠性。3.3DHT的優(yōu)點1.DHT提高數(shù)據可用性DHT通過分布式存儲和冗余備份，確保數(shù)據在多個節(jié)點上存儲，從而提高數(shù)據的可靠性和可用性。2.DHT增強網絡可擴展性DHT無需中央服務器，每個節(jié)點均可參與數(shù)據路由和存儲，使網絡能夠輕松擴展至數(shù)百萬節(jié)點，滿足大規(guī)模應用需求。3.4分布式哈希表（DHT）技術Chord協(xié)議哈希函數(shù)：使用一致性哈希將節(jié)點和數(shù)據映射到一個環(huán)上，減少節(jié)點動態(tài)加入和離開時的影響。路由算法：通過維護前繼和后繼節(jié)點，確保數(shù)據在O(logN)時間內找到。Kademlia協(xié)議XOR度量：使用異或操作計算節(jié)點和數(shù)據的距離，形成二進制樹結構。桶（Buckets）：節(jié)點維護k個桶，每個桶存儲相同距離范圍內的節(jié)點信息，優(yōu)化查找效率。044.結構化對等網絡協(xié)議4.Structuredpeer-to-peernetworkprotocol4.1Chord協(xié)議1.結構化P2P網絡高效性結構化對等網絡協(xié)議通過分布式哈希表（DHT）等技術，實現(xiàn)數(shù)據的高效路由和查找，降低了網絡延遲。2.結構化P2P網絡擴展性強結構化對等網絡協(xié)議具備強大的可擴展性，通過動態(tài)調整節(jié)點間的連接關系，可以容納大量節(jié)點的加入和退出。4.2Pastry協(xié)議1.Pastry協(xié)議的高效路由Pastry協(xié)議通過其分布式哈希表結構實現(xiàn)了高效的路由機制，確保數(shù)據請求能在對數(shù)時間復雜度內定位到目標節(jié)點。2.Pastry的容錯能力強Pastry協(xié)議設計有容錯機制，允許網絡中存在故障節(jié)點，仍能保持整體網絡的高效運行和數(shù)據的完整性。3.Pastry的擴展性好隨著網絡規(guī)模的增大，Pastry協(xié)議可以保持較低的網絡延遲和通信開銷，適應大規(guī)模對等網絡的需求。4.Pastry協(xié)議的安全性高Pastry協(xié)議通過加密技術保護數(shù)據傳輸，同時結合節(jié)點認證機制，提高了對等網絡的安全性和可信度。Pastry路由表局部性關系4.3Tapestry協(xié)議1.Tapestry協(xié)議高效性Tapestry協(xié)議通過減少路由表大小和路由查詢的復雜性，提高了對等網絡中的信息傳輸效率，降低了網絡負載。2.Tapestry協(xié)議可擴展性Tapestry協(xié)議采用分布式哈希表（DHT）技術，支持網絡規(guī)模的動態(tài)擴展，適用于大規(guī)模對等網絡應用。4.4

Gossip協(xié)議1.基本概念Gossip，單詞本身就是流言、八卦的意思。正如名字一樣，Gossip協(xié)議也被稱為“流言協(xié)議”。它是一種分布式算法，用于在節(jié)點之間傳遞信息。在Gossip協(xié)議中，每個節(jié)點都可以將信息廣播給它所知道的其他節(jié)點，這些節(jié)點又將該信息廣播給它們所知道的其他節(jié)點，以此類推，直到整個網絡都知道了這個信息。這種廣播方式可以保證整個網絡中的所有節(jié)點都能夠及時地了解到最新的信息，并確保整個網絡的一致性。2.工作過程種子節(jié)點在Gossip周期內散播消息被感染節(jié)點隨機選擇N個鄰接節(jié)點散播消息每次散播消息都選擇尚未發(fā)送過的節(jié)點進行散播。這個協(xié)議是建立在一定概率的情況下進行的，因為并不是所有節(jié)點都時時的能拿到數(shù)據，所以這個協(xié)議是一種最終一致性算法。協(xié)議簡易動畫4.5經典對等網絡協(xié)議1、Napster采用集中式索引服務器，通過服務器進行文件的查找和下載。提供高效的文件搜索功能，但服務器成為單點故障和性能瓶頸。2、Gnutella采用全分布式非結構化網絡，無需中心服務器。使用洪泛查詢方法，容易造成網絡擁塞，擴展性差。3、BitTorrent采用混合式模型，Tracker服務器負責管理節(jié)點信息和協(xié)調下載。引入“種子”節(jié)點和“文件塊”概念，提高文件傳輸效率和可靠性。4、Kademlia基于分布式哈希表的結構化對等網絡，節(jié)點通過Kademlia協(xié)議進行路由和數(shù)據查找。使用XOR度量計算距離，實現(xiàn)高效的鍵值對存儲和查詢。055.對等網絡的應用5.Applicationofpeer-to-peernetworks文件分享應用廣泛對等網絡使文件分享更加便捷，如BT、eMule等，據統(tǒng)計，每年通過P2P網絡分享的文件量超過數(shù)十億TB。對等網絡在直播流媒體領域應用顯著，如PPLive、UUSee等，這些平臺利用P2P技術減少帶寬消耗，降低了直播成本。直播流媒體效益顯著5.1文件共享分布式計算無需昂貴的超級計算機，僅通過利用普通計算機組成網絡，即可高效完成復雜計算，從而降低了計算成本。降低成本分布式計算利用對等網絡中的多臺計算機同時處理任務，顯著提高了數(shù)據處理速度和計算效率。分布式計算提高效率5.2分布式計算5.3區(qū)塊鏈與加密貨幣1.區(qū)塊鏈增強數(shù)據安全性區(qū)塊鏈技術通過其分布式賬本和加密機制，實現(xiàn)了數(shù)據不可篡改和高度安全，有效保護了用戶隱私和交易安全。2.加密貨幣促進去中心化加密貨幣基于區(qū)塊鏈的去中心化特性，減少了第三方干預，提高了金融交易的效率和透明度，推動了全球金融體系的創(chuàng)新。比特幣網絡使用PoW共識算法，保證網絡中交易數(shù)據的一致性。節(jié)點通過廣播和驗證進行交易確認，去中心化和安全性較高。采用PoW和即將引入的PoS共識算法，支持智能合約的執(zhí)行。節(jié)點之間通過DHT進行數(shù)據存儲和查找，提供高效的去中心化應用平臺。以太坊網絡5.4區(qū)塊鏈中的對等網絡應用066.對等網絡的挑戰(zhàn)與未來6.Challengesandfutureofpeer-to-peernetworks6.1對等網絡的挑戰(zhàn)與未來:安全性問題1.對等網絡的安全挑戰(zhàn)對等網絡面臨的安全挑戰(zhàn)日益嚴峻，據統(tǒng)計，P2P網絡中約30%的節(jié)點曾受到過DDoS攻擊，因此安全性是對等網絡持續(xù)發(fā)展的關鍵因素。2.對等網絡的帶寬優(yōu)化隨著高清視頻和大數(shù)據的普及，對等網絡需進一步優(yōu)化帶寬分配和傳輸效率，以確保用戶能夠享受流暢的網絡體驗。6.2對等網絡的挑戰(zhàn)與未來:可擴展性問題1.P2P網絡規(guī)模受限對等網絡(P2P)的可擴展性受限于其節(jié)點