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区块链密码算法是怎样的比特币的四大弊端你知道吗比特币算法原理高中生如何理解比特币加密算法区块链密码算法是怎样的区块链作为新兴技术受到越来越广泛的关注，是一种传统技术在互联网时代下的新的应用，这其中包括分布式数据存储技术、共识机制和密码学等。随着各种区块链研究联盟的创建，相关研究得到了越来越多的资金和人员支持。区块链使用的Hash算法、零知识证明、环签名等密码算法:

Hash算法

哈希算法作为区块链基础技术，Hash函数的本质是将任意长度（有限）的一组数据映射到一组已定义长度的数据流中。若此函数同时满足：

（1）对任意输入的一组数据Hash值的计算都特别简单；

（2）想要找到2个不同的拥有相同Hash值的数据是计算困难的。

满足上述两条性质的Hash函数也被称为加密Hash函数，不引起矛盾的情况下，Hash函数通常指的是加密Hash函数。对于Hash函数，找到使得被称为一次碰撞。当前流行的Hash函数有MD5,SHA1,SHA2,SHA3。

比特币使用的是SHA256，大多区块链系统使用的都是SHA256算法。所以这里先介绍一下SHA256。

1、SHA256算法步骤

STEP1：附加填充比特。对报文进行填充使报文长度与448模512同余（长度=448mod512），填充的比特数范围是1到512，填充比特串的最高位为1，其余位为0。

STEP2：附加长度值。将用64-bit表示的初始报文（填充前）的位长度附加在步骤1的结果后（低位字节优先）。

STEP3：初始化缓存。使用一个256-bit的缓存来存放该散列函数的中间及最终结果。

STEP4：处理512-bit（16个字）报文分组序列。该算法使用了六种基本逻辑函数，由64步迭代运算组成。每步都以256-bit缓存值为输入，然后更新缓存内容。每步使用一个32-bit常数值Kt和一个32-bitWt。其中Wt是分组之后的报文，t=1,2,...,16。

STEP5：所有的512-bit分组处理完毕后，对于SHA256算法最后一个分组产生的输出便是256-bit的报文。

作为加密及签名体系的核心算法，哈希函数的安全性事关整个区块链体系的底层安全性。所以关注哈希函数的研究现状是很有必要的。

2、Hash函的研究现状

2004年我国密码学家王小云在国际密码讨论年会（CRYPTO）上展示了MD5算法的碰撞并给出了第一个实例（CollisionsforhashfunctionsMD4,MD5,HAVAL-128andRIPEMD，rumpsessionofCRYPTO2004，HowtoBreakMD5andOtherHashFunctions，EuroCrypt2005）。该攻击复杂度很低，在普通计算机上只需要几秒钟的时间。2005年王小云教授与其同事又提出了对SHA-1算法的碰撞算法，不过计算复杂度为2的63次方，在实际情况下难以实现。

2017年2月23日谷歌安全博客上发布了世界上第一例公开的SHA-1哈希碰撞实例，在经过两年的联合研究和花费了巨大的计算机时间之后，研究人员在他们的研究网站SHAttered上给出了两个内容不同，但是具有相同SHA-1消息摘要的PDF文件，这就意味着在理论研究长期以来警示SHA-1算法存在风险之后，SHA-1算法的实际攻击案例也浮出水面，同时也标志着SHA-1算法终于走向了生命的末期。

NIST于2007年正式宣布在全球范围内征集新的下一代密码Hash算法，举行SHA-3竞赛。新的Hash算法将被称为SHA-3，并且作为新的安全Hash标准，增强现有的FIPS180-2标准。算法提交已于2008年10月结束，NIST分别于2009年和2010年举行2轮会议，通过2轮的筛选选出进入最终轮的算法，最后将在2012年公布获胜算法。公开竞赛的整个进程仿照高级加密标准AES的征集过程。2012年10月2日，Keccak被选为NIST竞赛的胜利者，成为SHA-3。

Keccak算法是SHA-3的候选人在2008年10月提交。Keccak采用了创新的的“海绵引擎”散列消息文本。它设计简单，方便硬件实现。Keccak已可以抵御最小的复杂度为2n的攻击，其中N为散列的大小。它具有广泛的安全边际。目前为止，第三方密码分析已经显示出Keccak没有严重的弱点。

KangarooTwelve算法是最近提出的Keccak变种，其计算轮次已经减少到了12，但与原算法比起来，其功能没有调整。

零知识证明

在密码学中零知识证明（zero-knowledgeproof,ZKP）是一种一方用于向另一方证明自己知晓某个消息x，而不透露其他任何和x有关的内容的策略，其中前者称为证明者（Prover），后者称为验证者（Verifier）。设想一种场景，在一个系统中，所有用户都拥有各自全部文件的备份，并利用各自的私钥进行加密后在系统内公开。假设在某个时刻，用户Alice希望提供给用户Bob她的一部分文件，这时候出现的问题是Alice如何让Bob相信她确实发送了正确的文件。一个简单地处理办法是Alice将自己的私钥发给Bob，而这正是Alice不希望选择的策略，因为这样Bob可以轻易地获取到Alice的全部文件内容。零知识证明便是可以用于解决上述问题的一种方案。零知识证明主要基于复杂度理论，并且在密码学中有广泛的理论延伸。在复杂度理论中，我们主要讨论哪些语言可以进行零知识证明应用，而在密码学中，我们主要讨论如何构造各种类型的零知识证明方案，并使得其足够优秀和高效。

环签名群签名

1、群签名

在一个群签名方案中，一个群体中的任意一个成员可以以匿名的方式代表整个群体对消息进行签名。与其他数字签名一样，群签名是可以公开验证的，且可以只用单个群公钥来验证。群签名一般流程：

（1）初始化，群管理者建立群资源，生成对应的群公钥（GroupPublicKey）和群私钥（GroupPrivateKey）群公钥对整个系统中的所有用户公开，比如群成员、验证者等。

（2）成员加入，在用户加入群的时候，群管理者颁发群证书（GroupCertificate）给群成员。

（3）签名，群成员利用获得的群证书签署文件，生成群签名。

（4）验证，同时验证者利用群公钥仅可以验证所得群签名的正确性，但不能确定群中的正式签署者。

（5）公开，群管理者利用群私钥可以对群用户生成的群签名进行追踪，并暴露签署者身份。

2、环签名

2001年，Rivest,shamir和Tauman三位密码学家首次提出了环签名。是一种简化的群签名，只有环成员没有管理者，不需要环成员间的合作。环签名方案中签名者首先选定一个临时的签名者集合,集合中包括签名者。然后签名者利用自己的私钥和签名集合中其他人的公钥就可以独立的产生签名,而无需他人的帮助。签名者集合中的成员可能并不知道自己被包含在其中。

环签名方案由以下几部分构成：

（1）密钥生成。为环中每个成员产生一个密钥对(公钥PKi,私钥SKi)。

（2）签名。签名者用自己的私钥和任意n个环成员(包括自己)的公钥为消息m生成签名a。

（3）签名验证。验证者根据环签名和消息m,验证签名是否为环中成员所签,如果有效就接收,否则丢弃。

环签名满足的性质：

（1）无条件匿名性:攻击者无法确定签名是由环中哪个成员生成,即使在获得环成员私钥的情况下,概率也不超过1/n。

（2）正确性:签名必需能被所有其他人验证。

（3）不可伪造性:环中其他成员不能伪造真实签名者签名,外部攻击者即使在获得某个有效环签名的基础上,也不能为消息m伪造一个签名。

3、环签名和群签名的比较

（1）匿名性。都是一种个体代表群体签名的体制，验证者能验证签名为群体中某个成员所签，但并不能知道为哪个成员，以达到签名者匿名的作用。

（2）可追踪性。群签名中，群管理员的存在保证了签名的可追踪性。群管理员可以撤销签名，揭露真正的签名者。环签名本身无法揭示签名者,除非签名者本身想暴露或者在签名中添加额外的信息。提出了一个可验证的环签名方案,方案中真实签名者希望验证者知道自己的身份,此时真实签名者可以通过透露自己掌握的秘密信息来证实自己的身份。

（3）管理系统。群签名由群管理员管理，环签名不需要管理，签名者只有选择一个可能的签名者集合，获得其公钥，然后公布这个集合即可，所有成员平等。

链乔教育在线旗下学硕创新区块链技术工作站是中国教育部学校规划建设发展中心开展的“智慧学习工场2020-学硕创新工作站”唯一获准的“区块链技术专业”试点工作站。专业站立足为学生提供多样化成长路径，推进专业学位研究生产学研结合培养模式改革，构建应用型、复合型人才培养体系。

比特币的四大弊端你知道吗论述题：请回答比特币有哪四大弊端？并论述目前有哪些技术能弥补这些不足？

答：比特币的四大弊端分别是：交易确认时间长、需要大量算力投入、难以承载商用场景、社区治理过于片面。目前Bitterfly——蝴蝶矩阵熵权共识算法能弥补上述不足。

1.交易时间缩短至15秒，赋能商业应用新生态

比特币交易的生命周期始于交易的创建，目前比特币系统中一般取6个区块作为交易确认时间，即在交易被写入区块后再等待6个基于该区块生成（一般是60分钟），再实际进行该交易其他资产的交接，而这个过程所需的时间是非常漫长的。

针对这个问题，Bitterfly改进了工作量证明机制：首先，Bitterfly的共识达成发生在验证节点之间。参与投票节点的身份是事先知道的，每个验证节点都预先配置了一份可信任节点名单，在名单上的节点可对交易达成进行投票。其次，Bitterfly共识算法的拜占庭容错（BFT）能力为（n-1）/5，即可以容忍整个网络中20%的节点出现拜占庭错误而不影响正确的共识。因此，算法的效率比POW等匿名共识算法要高效，商用级的区块链确认速度（5000+TPS）将交易的确认时间缩短到了几秒钟，完全可以满足绝大多数的交易不受时间限制，实时进行。

2.Cloud-API云服务器挖矿，减少算力+电力投入

从2010年开始挖矿，随着越来越多的矿工加入比特币网络中，挖矿的难度急剧增大，全网每秒要进行几万亿次的哈希计算，挖矿对电脑的硬件和矿机的性能提出了更加苛刻的要求。随着被挖出的比特币数量逐渐减少，矿工们为了确保有利可图，成千上万台矿机每天24小时挖矿，用电量消耗十分庞大。据英国《每日电讯报》报道，开采这种加密货币所需电力激增至每年77.78太瓦时，相当于智利的总耗电量。

Bitterfly作为一条具有开放性和包容性的公链，改进了比特币的挖矿方式，首次提出云服务器挖矿Cloud-API的概念。Cloud-API支持多种类型计算设备，包括接入全球多个云服务器供应商，如亚马逊云、微软云、阿里云、谷歌云、IBM云等，通过高效聚合全球算力资源，实现挖矿裂变效应，不仅大幅度降低了挖矿门槛，还能有效避免资源浪费。从投资成本角度来说，在保证矿机高性能运作下，节约电力将使传统的专用矿机不再具有优势甚至面临被淘汰的境地。

3.POW+Bitterfly双层算法，承载商业应用之需

比特币由于系统吞度量（TPS）每秒处理的数量过低，很容易造成网络拥堵严重，难以满足用户交易的核心诉求。在落地应用方面，由于扩展性差、交易费用高、确认时间长等问题，导致比特币难以承载更大的商用场景。随着“区块链+”的概念不断深入推进，用户已从单纯的关注数字货币价格和交易，逐步转为更加重视其使用范围的大小。根据市场需求提高落地应用能力是比特币和其他数字货币的发展趋势。

Bitterfly开创性地提出了POW+Bitterfly双层算法，即改进型PBFT算法。Bitterfly通过POW算法确保底层区块足够安全的同时，以价值储存、去中心化数字资产兑换、支付与清算等技术，服务多种商业生态和应用。根据使用者（个人、企业、政府）、资产所有者、服务运营商、产业链上不同经营主体（设备供应商、在线电商、金融机构、物流企业等），以及区块链业务特点，对底层进行模块化拆分，达到应对多维度、多角色的安全防护、数据隐私保密、分布式数据存储、可信数据资产接入和交易。

4.21个创世节点，凝聚社区共识

比特币社区的上层管理就算是最低门槛也是大部分人的天花板，因为比特币的社区治理更侧重于技术的升级与维护，且治理体系非常复杂，需要极强的专业能力。虽然社区“人人可参与”，只要大体上认同比特币的核心价值并愿意参与其中相关活动，就可以被认为是社区成员，但相较于金字塔顶部而言这些人缺乏认同感，流动性较大。

所以，Bitterfly从机制上首要倡导的就是让每个节点主动推广Bitterfly的价值观，在理念上达成一致。其次，以“做贡献，得奖励”的方式促进社区共享共治，形成合力稳健发展。Bitterfly社区将不设准入门槛，不论是否拥有技术背景，均可竞争节点资格。Bitterfly总共诞生210个节点，节点会通过多种方式来帮助社区未来的发展。

近来在国外科研社交服务网站Researchgate上，一篇由哈佛大学学生发表的文章：“Bitterfly：蝴蝶熵权共识算法”引起了广泛关注。文章在肯定比特币价值的同时，也指出了POW共识算法的弊端，并表明在技术方面比特币对区块链的未来难以为继。

在比特币问世11年后，它能否继续支撑整个区块链行业被再一次放在话题桌上讨论，

而该名学生在提出问题的同时，也同样给出了解决方案，那就是蝴蝶熵权共识算法。蝴蝶振翅，飓风将起。Bitterfly变革世界的力量从每一次全力以赴的展翅而始。

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比特币算法原理比特币算法主要有两种，分别是椭圆曲线数字签名算法和SHA256哈希算法。

椭圆曲线数字签名算法主要运用在比特币公钥和私钥的生成过程中，该算法是构成比特币系统的基石。SHA-256哈希算法主要是运用在比特币的工作量证明机制中。

比特币产生的原理是经过复杂的运算法产生的特解，挖矿就是寻找特解的过程。不过比特币的总数量只有2100万个，而且随着比特币不断被挖掘，越往后产生比特币的难度会增加，可能获得比特币的成本要比比特币本身的价格高。

比特币的区块由区块头及该区块所包含的交易列表组成，区块头的大小为80字节，由4字节的版本号、32字节的上一个区块的散列值、32字节的MerkleRootHash、4字节的时间戳（当前时间）、4字节的当前难度值、4字节的随机数组成。拥有80字节固定长度的区块头，就是用于比特币工作量证明的输入字符串。不停的变更区块头中的随机数即nonce的数值，并对每次变更后的的区块头做双重SHA256运算，将结果值与当前网络的目标值做对比，如果小于目标值，则解题成功，工作量证明完成。

比特币的本质其实是一堆复杂算法所生成的一组方程组的特解（该解具有唯一性）。比特币是世界上第一种分布式的虚拟货币，其没有特定的发行中心，比特币的网络由所有用户构成，因为没有中心的存在能够保证了数据的安全性。

高中生如何理解比特币加密算法加密算法是数字货币的基石，比特币的公钥体系采用椭圆曲线算法来保证交易的安全性。这是因为要攻破椭圆曲线加密就要面对离散对数难题，目前为止还没有找到在多项式时间内解决的办法，在算法所用的空间足够大的情况下，被认为是安全的。本文不涉及高深的数学理论，希望高中生都能看懂。

密码学具有久远的历史，几乎人人都可以构造出加解密的方法，比如说简单地循环移位。古老或简单的方法需要保密加密算法和秘钥。但是从历史上长期的攻防斗争来看，基于加密方式的保密并不可靠，同时，长期以来，秘钥的传递也是一个很大的问题，往往面临秘钥泄漏或遭遇中间人攻击的风险。

上世纪70年代，密码学迎来了突破。RalphC.Merkle在1974年首先提出非对称加密的思想，两年以后，WhitfieldDiffie和WhitfieldDiffie两位学者以单向函数和单向暗门函数为基础提出了具体的思路。随后，大量的研究和算法涌现，其中最为著名的就是RSA算法和一系列的椭圆曲线算法。

无论哪一种算法，都是站在前人的肩膀之上，主要以素数为研究对象的数论的发展，群论和有限域理论为基础。内容加密的秘钥不再需要传递，而是通过运算产生，这样，即使在不安全的网络中进行通信也是安全的。密文的破解依赖于秘钥的破解，但秘钥的破解面临难题，对于RSA算法，这个难题是大数因式分解，对于椭圆曲线算法，这个难题是类离散对数求解。两者在目前都没有多项式时间内的解决办法，也就是说，当位数增多时，难度差不多时指数级上升的。

那么加解密如何在公私钥体系中进行的呢？一句话，通过在一个有限域内的运算进行，这是因为加解密都必须是精确的。一个有限域就是一个具有有限个元素的集合。加密就是在把其中一个元素映射到另一个元素，而解密就是再做一次映射。而有限域的构成与素数的性质有关。

前段时间，黎曼猜想（与素数定理关系密切）被热炒的时候，有一位区块链项目的技术总监说椭圆曲线算法与素数无关，不受黎曼猜想证明的影响，就完全是瞎说了。可见区块链项目内鱼龙混杂，确实需要好好洗洗。

比特币及多数区块链项目采用的公钥体系都是椭圆曲线算法，而非RSA。而介绍椭圆曲线算法之前，了解一下离散对数问题对其安全性的理解很有帮助。

先来看一下费马小定理：

原根定义：

设（a,p)=1（a与p互素），满足

的最下正整数l，叫作a模p的阶，模p阶为（最大值）p-1的整数a叫作模p的原根。

两个定理：

基于此，我们可以看到，{1,2,3,…p-1}就是一个有限域，而且定义运算gi(modp),落在这个有限域内，同时，当i取0～p-2的不同数时，运算结果不同。这和我们在高中学到的求幂基本上是一样的，只不过加了一层求模运算而已。

另一点需要说明的是，g的指数可以不限于0~p-2,其实可以是所有自然数，但是由于

所以，所有的函数值都是在有限域内，而且是连续循环的。

离散对数定义：

设g为模p的原根，（a,p)=1，

我们称i为a（对于模p的原根g）的指数，表示成：

这里ind就是index的前3个字母。

这个定义是不是和log的定义很像？其实这也就是我们高中学到的对数定义的扩展，只不过现在应用到一个有限域上。

但是，这与实数域上的对数计算不同，实数域是一个连续空间，其上的对数计算有公式和规律可循，但往往很难做到精确。我们的加密体系里需要精确，但是在一个有限域上的运算极为困难，当你知道幂值a和对数底g，求其离散对数值i非常困难。

当选择的素数P足够大时，求i在时间上和运算量上变得不可能。因此我们可以说i是不能被计算出来的，也就是说是安全的，不能被破解的。

比特币的椭圆曲线算法具体而言采用的是secp256k1算法。网上关于椭圆曲线算法的介绍很多，这里不做详细阐述，大家只要知道其实它是一个三次曲线（不是一个椭圆函数），定义如下：

那么这里有参数a,b；取值不同，椭圆曲线也就不同，当然x,y这里定义在实数域上，在密码体系里是行不通的，真正采用的时候，x,y要定义在一个有限域上，都是自然数，而且小于一个素数P。那么当这个椭圆曲线定义好后，它反应在坐标系中就是一些离散的点，一点也不像曲线。但是，在设定的有限域上，其各种运算是完备的。也就是说，能够通过加密运算找到对应的点，通过解密运算得到加密前的点。

同时，与前面讲到的离散对数问题一样，我们希望在这个椭圆曲线的离散点阵中找到一个有限的子群，其具有我们前面提到的遍历和循环性质。而我们的所有计算将使用这个子群。这样就建立好了我们需要的一个有限域。那么这里就需要子群的阶（一个素数n）和在子群中的基点G（一个坐标，它通过加法运算可以遍历n阶子群）。

根据上面的描述，我们知道椭圆曲线的定义包含一个五元祖（P,a,b,G,n,h)；具体的定义和概念如下：

P:一个大素数，用来定义椭圆曲线的有限域（群）

a,b:椭圆曲线的参数，定义椭圆曲线函数

G:循环子群中的基点，运算的基础

n:循环子群的阶（另一个大素数，<P）

h：子群的相关因子，也即群的阶除以子群的阶的整数部分。

好了，是时候来看一下比特币的椭圆曲线算法是一个怎样的椭圆曲线了。简单地说，就是上述参数取以下值的椭圆曲线：

椭圆曲线定义了加法，其定义是两个点相连，交与图像的第三点的关于x轴的对称点为两个点的和。网上这部分内容已经有很多，这里不就其细节进行阐述。

但细心的同学可能有个疑问，离散对数问题的难题表现在求幂容易，但求其指数非常难，然而，椭圆曲线算法中，没有求幂，只有求乘积。这怎么体现的是离散对数问题呢？

其实，这是一个定义问题，最初椭圆曲线算法定义的时候把这种运算定义为求和，但是，你只要把这种运算定义为求积，整个体系也是没有问题的。而且如果定义为求积，你会发现所有的操作形式上和离散对数问题一致，在有限域的选择的原则上也是一致的。所以，本质上这还是一个离散对数问题。但又不完全是简单的离散对数问题，实际上比一般的离散对数问题要难，因为这里不是简单地求数的离散对数，而是在一个自定义的计算上求类似于离散对数的值。这也是为什么椭圆曲线算法采用比RSA所需要的（一般2048位）少得多的私钥位数（256位）就非常安全了。

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