網絡的密鑰交換與公鑰分發的方法_比特幣

一、背景

在當前的網絡環境中，ETH網絡要想保證兩個節點間通信中的數據是安全的，通常需要混合使用公開密鑰算法來進行密鑰交換，然后使用對稱加密算法將數據加密，使用單向散列函數生成數據指紋，使用簽名算法生成數據簽名，然后一起將加密數據，數據指紋，數據簽名一起發送給對方。

這是目前通用的密鑰交換的方式，但也有一個無法避免的問題，就是需要第三方來保證公鑰的正確性，同時在雙方通信之前，都需要可信的第三方提供對方的公鑰。

本文介紹一種不使用公開密鑰算法而是采用工作量證明來進行密鑰交換的方法，整個過程不需要第三方的參與。

數據：五月份比特幣網絡的礦工總收入達9.166億美元:6月2日消息，The Block數據顯示，五月份比特幣網絡的礦工總收入達到了9.166億美元，環比增長13.7%。值得一提的是，由Ordinals掀起的比特幣NFT熱潮推動了礦工交易費用收入的激增，五月礦工通過交易費用獲得的總收入超過1.2億美元。[2023/6/2 11:53:14]

二、方案

假設通信雙方為A和B，方法中x為隨機數，y為需要交換的n位加密密鑰，n是固定值。過程描述如下：

1、A使用隨機數算法，生成x，生成n位密鑰y，使用y對x進行對稱加密生成密文Sx。

分析師：比特幣本身足夠強大 閃電網絡的需求并不高:加密貨幣分析師Tone Vays表示：“比特幣交易非常便宜、非常迅速，因此，對閃電網絡的需求真的不高，但閃電網絡正變得越來越強大，慢慢地變得越來越受歡迎。當閃電網絡被采用時，可能在一兩年后，每個人都會對它感到滿意，因為它將提供更好的隱私。”（AMBCrypto）[2020/4/7]

2、A重復步驟1執行m次，生成m個Sx。因為x是隨機生成的，所以m個x,y,Sx都是不一樣的。

3、A將m個x，Sx發送給B。

4、B從m個x，Sx中隨機選擇一對，然后進行窮舉破解，破解出y。窮舉破解的過程即為工作量證明。

外媒：匿名礦工捕獲55％BSV網絡的哈希率:BSV網絡最近一直是人們談論的話題，因為在過去的七天里，匿名礦工目前掌握著超過55%的總哈希率。在BSV區塊鏈上發生了很多匿名的開采，沒有人能確定哈希率來自何處。截至發稿時，對BSV鏈進行哈希處理的匿名礦工在過去7天中占哈希總量的55％。大多數比特幣業者認為，如果一個實體控制了網絡的51%以上，那么就有可能執行雙重支出和鏈重組。（News.bitcoin）[2020/3/25]

5、B將選中的x發送給A。此時A與B都知道了密鑰y。之后使用y加密數據進行通信即可。

聲音 | Lane Rettig：分叉升級后將改善以太坊網絡的慢和貴:1月12日，在“以太坊的窘境與君士坦丁堡保衛戰”為主題的金色直播間內，以太坊核心技術成員、Ewasm團隊創始成員Lane Rettig闡述以太坊升級后的幾大變化。第一個升級為，引入位移操作；第二個升級為，EIP 1014，它將允許用戶與尚未創建的地址進行交互；第三和第四個升級為，EIP 1052 和EIP 1283，它們旨在讓以太合約執行起來更便宜，改善以太網絡的慢和貴。[2019/1/13]

此方法的可行性主要在單次窮舉破解的復雜性以及消息的數量m。破解的復雜度太高會導致工作量證明花費的時間太多，消息的數量m太少也不行，太少會降低破解的難度。

當然，上述方法還存在其他問題，比如如果在第3步，第5步數據被截獲，雖然通過第3步暫時無法破解具體的x,y,但是第5步是可以破解x,y的。如果在后續的通信中，僅使用y對數據加密，也存在數據完整性和防抵賴方面的問題。有一種情況是非常適合使用此方式的。就是雙方在不知道對方公鑰的情況下，同時又不想依賴第三方的時候，可以依賴此方式進行安全的密鑰交換和公鑰分發以及安全通信。因此我們繼續完善方案：

三、優化方案

上述方案的前提條件不變，同時A，B各自生成自己的公私鑰對。

1、上述步驟1,2不變。

2、A將m個x,Sx，Pxa發送給B，其中Pxa為使用y加密Pa的結果，Pa為A的公鑰。

3、B隨機選擇一個暴力破解出y，然后根據y解密Pxa，此時也知道了Pa。

4、B使用Pa加密x，使用y加密Pb發送給A。

5、A收到使用私鑰解開x,則知道了y,使用y可以知道Pb。至此，A，B都知道y,以及對方的公鑰。

從安全性上，即使第2步，第4步中，即使數據包被截獲，攻擊者也無法從m個x,Sx中破解出來需要的y,也無法知道雙方的公鑰。

該優化方案還解決了另一個問題，就是公鑰的分發問題。現在常用的公鑰分發都是先將公鑰存儲在集中的數據庫中，然后到數據庫中獲取對應的公鑰，但是由于事前用戶并不知道需要跟誰通信，因此就必須保證用戶計算機與數據庫服務器是連通的。而此方法并不需要中心化的數據庫來支持分發，只需要通信雙方能夠知道對方存在即可。

作者：感謝HPB藍蓮花團隊整理供稿。

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汪曉明博客：http://wangxiaoming.com/

汪曉明：HPB芯鏈創始人，巴比特專欄作家。十余年金融大數據、區塊鏈技術開發經驗，曾參與創建銀聯大數據。主創區塊鏈教學視頻節目《明說》30多期，編寫了《以太坊官網文檔中文版》，并作為主要作者編寫了《區塊鏈開發指南》，在中國區塊鏈社區以ID“藍蓮花”知名。

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