Neo中hash算法,加密算法使用介绍

区块链是基于加密算法,共识算法,p2p网络和经济激励的一个系统,加密算法在里面起到了非常关键的作用,总结一下Neo使用到的加密算法吧。
关于区块链中密码学的介绍,yeasy大牛的文章已经介绍的非常好,下文主要通过和Neo结合,加上一些自己的理解,去讲述一下加密算法的使用方法。

Hash 算法

Hash (哈希或散列)算法是信息技术领域非常基础也非常重要的技术。它能任意长度的二进制值(明文)映射为较短的固定长度的二进制值(Hash 值),并且不同的明文很难映射为相同的 Hash 值。

hash函数的作用

注意上一篇文章说明了如何将hash后的字符串保存到Neo的UInt256类型,其中一个前提就是结果集合在[0-15]之间。

哈希完全不等于加密,很多时候开发人员都对用户表中的密码进行哈希后保存,实际上不叫做加密,只是相当于把密码的“特征指纹”保存下来,而对非法攻击者来说,在不知道真实的“密码”的情况下,得到有相同指纹的密码是极为困难的。

一个优秀的 hash 算法,将能实现:

  • 正向快速:给定明文和 hash 算法,在有限时间和有限资源内能计算出 hash 值。
  • 逆向困难:给定(若干) hash 值,在有限时间内很难(基本不可能)逆推出明文。
  • 输入敏感:原始输入信息修改一点信息,产生的 hash 值看起来应该都有很大不同。
  • 冲突避免:很难找到两段内容不同的明文,使得它们的 hash 值一致(发生冲突)。

目前,一般认为 MD5 和 SHA1 已经不够安全,推荐至少使用 SHA2-256 算法。

一般的,Hash 算法都是算力敏感型,意味着计算资源是瓶颈,主频越高的 CPU 进行 Hash 的速度也越快。

也有一些 Hash 算法不是算力敏感的,例如 scrypt,需要大量的内存资源,节点不能通过简单的增加更多 CPU 来获得 hash 性能的提升。

Neo中的hash算法

scrypt

scrpyt算法是由著名的FreeBSD黑客 Colin Percival为他的备份服务 Tarsnap开发的,当初的设计是为了降低CPU负荷,尽量少的依赖cpu计算,利用CPU闲置时间进行计算,因此scrypt不仅计算所需时间长,而且占用的内存也多,使得并行计算多个摘要异常困难,因此利用rainbow table进行暴力攻击更加困难。scrypt没有在生产环境中大规模应用,并且缺乏仔细的审察和广泛的函数库支持。所以scrpyt一直没有推广开,但是由于其内存依赖的设计特别符合当时对抗专业矿机的设计,成为数字货币算法发展的一个主要应用方向。

scrypt的参数

https://stackoverflow.com/questions/11126315/what-are-optimal-scrypt-work-factors

Cpercival mentioned in his slides from 2009 something around

  • (N = 2^14, r = 8, p = 1) for < 100ms (interactive use), and
  • (N = 2^20, r = 8, p = 1) for < 5s (sensitive storage).

Also, those values (mostly) mean:
N: General work factor, iteration count.
r: blocksize in use for underlying hash; fine-tunes the relative memory-cost.
p: parallelization factor; fine-tunes the relative cpu-cost.

scrypt特点

scrpyt的出名主要是因为莱特币为了抵抗比特币矿机采用的一个算法,可以指定内存和cpu的使用量,可以用参数确定hash的时间。

Neo中如何使用scrypt

// in NEP6Account
   public NEP6Account(NEP6Wallet wallet, 
              UInt160 scriptHash, KeyPair key, string password)
            : this(wallet, 
              scriptHash, 
              key.Export(password, wallet.Scrypt.N, wallet.Scrypt.R, wallet.Scrypt.P))
        {
            this.key = key;
        }

// in class KeyPair
public string Export(string passphrase, int N = 16384, int r = 8, int p = 8)
{
    using (Decrypt())
    {
        UInt160 script_hash = Contract.
            CreateSignatureRedeemScript(PublicKey).ToScriptHash();
        
        string address = Wallet.ToAddress(script_hash);
        byte[] addresshash = Encoding.ASCII.GetBytes(address)
            .Sha256().Sha256().Take(4).ToArray();
        
        byte[] derivedkey = SCrypt.DeriveKey(
            Encoding.UTF8.GetBytes(passphrase), addresshash, N, r, p, 64);
        
        byte[] derivedhalf1 = derivedkey.Take(32).ToArray();
        byte[] derivedhalf2 = derivedkey.Skip(32).ToArray();
        
        byte[] encryptedkey = XOR(PrivateKey, derivedhalf1)
            .AES256Encrypt(derivedhalf2);
        
        byte[] buffer = new byte[39];
        buffer[0] = 0x01;
        buffer[1] = 0x42;
        buffer[2] = 0xe0;
        Buffer.BlockCopy(addresshash, 0, buffer, 3, addresshash.Length);
        Buffer.BlockCopy(encryptedkey, 0, buffer, 7, encryptedkey.Length);
        return buffer.Base58CheckEncode();
    }
}

可见SCrypt.DeriveKey方法参与了加密密钥的生成过程。后面解密也必然使用到了这个hash算法。所以该hash算法参与了加密过程,而加密密钥用AES256Encrypt生成。可以确定的是,使用该算法的逆过程,可以解密出密钥来,这个比WIF要安全。

Murmur3

MurmurHash 是一种非加密哈希函数,适用于一般的哈希检索操作。[1][2][3]由Austin Appleby在2008年发明,[4][5] 并出现了多个变种,[6] 都已经发布到了公有领域(public domain)。与其它流行的哈希函数相比,对于规律性较强的key,MurmurHash的随机分布特征表现更良好。[7]

Murmur3特点

1.碰撞率低
2.计算速度快
3.擅长大文件的hash

Neo中如何使用Murmur3

Neo中Murmur3


Murmur3的具体算法,以后再研究,现在大致知道,Neo用Murmur3生成key,也在BloomFilter中使用了。

RIPEMD-160

Neo中用这个算法来生成短一点的hash值,script hash就是用了这个算法。

// in neo-compiler/neo/neo/Core/Helper.cs
 public static UInt160 ToScriptHash(this byte[] script)
        {
            return new UInt160(Crypto.Default.Hash160(script));
        }

RIPEMD-160算法的特点

RIPEMD-160能表现出理想的 雪崩效应 (例如将 d 改成 c,即微小的变化就能产生一个完全不同的哈希值):


加密算法体系

现代加密算法的典型组件包括:加解密算法、加密密钥、解密密钥。其中,加解密算法自身是固定不变的,一般是公开可见的;密钥则往往每次不同,并且需要保护起来,一般来说,对同一种算法,密钥长度越长,则加密强度越大。

加密过程中,通过加密算法和加密密钥,对明文进行加密,获得密文。
解密过程中,通过解密算法和解密密钥,对密文进行解密,获得明文。

根据加解密的密钥是否相同,算法可以分为对称加密(symmetric cryptography,又称公共密钥加密,common-key cryptography)和非对称加密(asymmetric cryptography,又称公钥加密,public-key cryptography)。两种模式适用于不同的需求,恰好形成互补,很多时候也可以组合使用,形成混合加密机制。

并非所有加密算法的强度都可以从数学上进行证明。公认的高强度加密算法是在经过长时间各方面实践论证后,被大家所认可,不代表其不存在漏洞。但任何时候,自行发明加密算法都是一种不太明智的行为。

对称加密

顾名思义,加解密的密钥是相同的。

对称加密优缺点

  1. 优点是加解密效率高(速度快,空间占用小),加密强度高。
  2. 缺点是参与多方都需要持有密钥,一旦有人泄露则安全性被破坏;另外如何在不安全通道下分发密钥也是个问题。
  3. 适用于大量数据的加解密;不能用于签名场景;需要提前分发密钥。

对称加密实现

对称密码从实现原理上可以分为两种:分组密码和序列密码。前者将明文切分为定长数据块作为加密单位,应用最为广泛。后者则只对一个字节进行加密,且密码不断变化,只用在一些特定领域,如数字媒介的加密等。
代表算法包括 DES、3DES、AES、IDEA 等。

  1. DES(Data Encryption Standard):经典的分组加密算法,1977 年由美国联邦信息处理标准(FIPS)所采用 FIPS-46-3,将 64 位明文加密为 64 位的密文,其密钥长度为 56 位 + 8 位校验。现在已经很容易被暴力破解。
  2. 3DES:三重 DES 操作:加密 –> 解密 –> 加密,处理过程和加密强度优于 DES,但现在也被认为不够安全。
  3. AES(Advanced Encryption Standard):美国国家标准研究所(NIST)采用取代 DES 成为对称加密实现的标准,1997~2000 年 NIST 从 15 个候选算法中评选 Rijndael 算法(由比利时密码学家 Joan Daemon 和 Vincent Rijmen 发明)作为 AES,标准为 FIPS-197。AES 也是分组算法,分组长度为 128、192、256 位三种。AES 的优势在于处理速度快,整个过程可以数学化描述,目前尚未有有效的破解手段。

注:分组加密每次只能处理固定长度的明文,因此过长的内容需要采用一定模式进行加密,《实用密码学》中推荐使用 密文分组链接(Cipher Block Chain,CBC)、计数器(Counter,CTR)模式。

Neo中的AES

在钱包的加解密中,使用了该算法。
下图的代码在/neo/Wallets/Wallet.cs中,NEP是neo enhancement proposal的意思。参数nep2就是符合这个格式的一个Neo钱包文件。

拿到私钥

具体的过程,后面再仔细研究分享出来。

非对称加密

非对称加密是现代密码学历史上最为伟大的发明,可以很好的解决对称加密需要的提前分发密钥问题。顾名思义,加密密钥和解密密钥是不同的,分别称为公钥和私钥。公钥一般是公开的,人人可获取的,私钥一般是个人自己持有,不能被他人获取。

非对称加密优缺点

  1. 优点是公私钥分开,不安全通道也可使用。
  2. 缺点是加解密速度慢,一般比对称加解密算法慢两到三个数量级;同时加密强度相比对称加密要差。

非对称加密代表算法

非对称加密算法的安全性往往需要基于数学问题来保障,目前主要有基于大数质因子分解、离散对数、椭圆曲线等几种思路。
代表算法包括:RSA、ElGamal、椭圆曲线(Elliptic Curve Crytosystems,ECC)系列算法。

  1. RSA:经典的公钥算法,1978 年由 Ron Rivest、Adi Shamir、Leonard Adleman 共同提出,三人于 2002 年获得图灵奖。算法利用了对大数进行质因子分解困难的特性,但目前还没有数学证明两者难度等价,或许存在未知算法在不进行大数分解的前提下解密。
  2. Diffie-Hellman 密钥交换:基于离散对数无法快速求解,可以在不安全的通道上,双方协商一个公共密钥。
  3. ElGamal:由 Taher ElGamal 设计,利用了模运算下求离散对数困难的特性。被应用在 PGP 等安全工具中。
  4. 椭圆曲线算法(Elliptic curve cryptography,ECC):现代备受关注的算法系列,基于对椭圆曲线上特定点进行特殊乘法逆运算难以计算的特性。最早在 1985 年由 Neal Koblitz 和 Victor Miller 分别独立提出。ECC 系列算法一般被认为具备较高的安全性,但加解密计算过程往往比较费时。一般适用于签名场景或密钥协商,不适于大量数据的加解密。

RSA 算法等已被认为不够安全,一般推荐采用椭圆曲线系列算法。

Neo中的数字签名算法

在Neo中,也使用了非对称加密算法,我们通过代码来看看是如何使用的。

public virtual WalletAccount Import(X509Certificate2 cert)
        {
            byte[] privateKey;
            using (ECDsa ecdsa = cert.GetECDsaPrivateKey())
            {
                privateKey = ecdsa.ExportParameters(true).D;
            }
            WalletAccount account = CreateAccount(privateKey);
            Array.Clear(privateKey, 0, privateKey.Length);
            return account;
        }

X509Certificate2是数字证书,和我们在https里面使用的是一样的,从里面拿出私钥后,创建钱包。

总结

目前只是简单的介绍了一下Neo中加密算法的使用情况,这些加密算法的原理和实现也是很有意思的,后面看看怎么实现的,再分享出来。

参考资料

区块链技术指南
MurMurHash3, an ultra fast hash algorithm for C# / .NET
scrypt算法的前世今生(从零开始学区块链 192)
Wallet import format

作者:沈寅
链接:https://www.jianshu.com/p/3fef5d95bf9f
來源:简书
简书著作权归作者所有,任何形式的转载都请联系作者获得授权并注明出处。

Discord:https://discord.io/neo
Telegram英文群:https://t.me/NEO_EN
Telegram中文群:https://t.me/NEO_Chinese
开发者交流QQ群:795681763

发表评论

Top