密碼學基礎——偽隨機數生成器_區塊鏈:NIA

如果想要深入了解區塊鏈和區塊鏈項目，不可避免的需要了解密碼學。區塊鏈是對密碼學的一次整合運用，理解了密碼學，才能真正理解區塊鏈。獵豹區塊鏈中心在密碼學起源的科普文章中，給大家介紹了經典的加密方法，從凱撒密碼到多表密碼，以及一次一密，在本篇文章中，我們將會和大家分享最早實現一次一密的加密機以及偽隨機數生成器。Enigma加密機

第二次大戰初期，法西斯的整體戰爭實力其實是遠遠不如同盟國的，但是，德國、日本采取了大量的的突襲戰術，在二戰初期先發制人，取得了一定的戰爭優勢。要想有效的實施突襲戰術，情報是非常關鍵的，那么如何保證情報的安全性，就是二戰期間加密學的主要目標。在上一篇文章中我們提到，要想保證信息都絕對安全，就需要用一次一密都方式對信息進行加密，也就是對每個字母進行隨機位移的加密，理想的情況是，這個機器將每一個輸入的字母，都對其進行隨機位移，然后輸出加密過的字母。當時最先進的機器，被稱為轉子加密機，它很好的實現了一次一密。而其中的原理其實和我們熟知的里程表很像。我們都很清楚里程表的機器，它需要很長時間才會重復一周。想象一下，我們把里程計輪子上的數字打亂，當沒嘀嗒向前一次時，都把轉子上的每一個數字相加，來得到了位移數字，然后把我們要加密的字母進行位移加密，這就是轉子加密機的大致原理。加密者和接受者可以根據下面的方法生成相同的位移序列：首先，他們需要共享相同的機器，然后就初始狀態達成一致。這被定義為機碼設置，然后他們把各自的機器調整到相同的位置，最后，不斷進行相同的操作，來得到相同的序列。對于三個轉子、每個轉子有26個數字而言，每個序列經過轉子26的三次方次的轉動的位移序列才會重復。而每一個轉子的位置，都等同于序列里的對應位置，最初的機器狀態被稱為機碼設置，而所有的機碼設置的集合，則被稱為機碼空間，如果最初設置機器的方法增加了的話，機碼空間也就增加了。當我們選擇一個機碼設置，我們就選擇了這個空間里的一個起始點，如果把機碼設置給暴露了，就泄露了整個加密序列。所以，這種轉子加密機的安全性取決于機碼空間的大小，與機碼設置的隨機性這兩方面。在第二次世界大戰期間，德國納粹使用的最重要的加密技術之一，就是被稱為Enigma的加密機。在臨近戰爭結束時，Enigma可以被設置成超過150百萬百萬百萬種方式。這讓德國人相信，盟軍獲得了Enigma機，也無法驗證所有可能的機碼設置。對于使用Enigma進行通信的雙方，他們需要首先共享每天的機碼設置，這使他們可以將各自的機器調整到同一位置，這個協議在戰爭期間一再改變，但通常都會在分配密鑰表上分發給所有操作者，每一天，操作者都會剪下當日的設定，而這會告訴他們，機器當天需要的配置，例如，使用哪個轉子，以及轉子的順序，然后在使用之后，機碼設置就會被銷毀。然而，對于操作者而言，仍剩下一個至關重要的步驟，在通信之前，他們將要選擇，每一個轉子的初始位置，而一些懶惰的操作者，犯下一個很簡單的錯誤，這和我們鎖自行車機械鎖犯下的錯誤一樣，我們傾向于把轉子從初始位置移動很少幾下，或者重復使用一個常見的密碼，這破壞了初始轉子位置的均勻分布，在重復觀測后，使得盟軍可以完全可以反向還原轉子的線路分布。這種人為的低級失誤導致了Enigma機的最終破解，間接影響了戰爭的走勢。我們可以看到，一次一密最大的問題是，我們不得不提前共享這么長的密鑰。為了解決這個問題，我們需要引入偽隨機數。偽隨機數生成器

V神發推預測21世紀20年代密碼學大趨勢:金色財經報道，V神今日在推特上表示：2010年代密碼學的大趨勢是橢圓曲線、配對和通用ZKPs/SNARK；預測21世紀20年代的大趨勢將是（除了廣泛采用上述技術外）格（lattices）、LWE、多線性映射、同態加密、MPC和模糊處理。[2020/4/11]

在理解偽隨機數之前，我們先來看看真正的隨機數，我們的物理世界，其實到處都存在著隨機波動，通過測量被稱為噪音的隨機波動，我們可以生成真正的隨機數，測量噪音的過程被稱為取樣，我們可以通過取樣得到某個隨機數字。但是，相對來說，機器其實是確定的，他們的操作是可預測并且可重復的。在1946年，馮諾依曼參與了軍方的氫彈的設計，應用了一個名為ENIAC的計算機，他打算重復地計算核聚變過程的模擬，然而這需要隨機生成數進行快速存取，并且保證這些數是可重復的，然而，ENIAC的內存相當有限，存儲長的隨機序列是不可能的。于是，馮諾依曼設計了一個算法，來機械的模仿隨機性，該算法如下：首先，選擇一個被成為種子的真正隨機數，這個數可以來自于對噪音的測量，如當前時間的毫秒數，這被稱為種子。然后，把這個種子作為輸入，進行一個簡單的計算——將種子乘以它自身，然后輸出這個結果的中間部分，接下來，使用這個輸出，作為下一個種子，并按照需要多次重復這個過程。這被稱為評分取中法，這是大量偽隨機數發生器其中的一個。那么，隨機生成的數列和偽隨機生成的數列之間的差別是什么呢？核心區別就在于，偽隨機數如果達到一定數量，序列最終一定會重復，當算法中出現了之前已經使用過的種子數字時，循環就開始了，在偽隨機數序列重復之前的長度，被稱為周期，周期嚴格地由最初種子的長度所限制。例如，如果我們使用一個兩位的種子，那么算法在重復循環之前，最多能生成100個數，一個3位的種子在重復循環之前，可以生成1000個數，而4位種子在重復之前，可以生成10000個數，然而，如果我們使用一個足夠大的種子，在重復之前，序列中的數字將會到擴大到萬億個。還有一個關鍵區別非常重要，那就是當你偽隨機地生成數字時，將會有一些無法產生的序列。例如，如果加密者Alice生成一個含有20個位移的真正隨機序列，這將等價于從所有可能的位移序列的堆棧中，隨機選擇一個序列，這個堆棧中包含了26的20次方種可能，這是一個天文數字。但如果加密者使用一個4位的隨機種子生成一個20位的偽隨機數序列的話，他只能在10000種可能的結果中，做出等概論的選擇，也就是說她只能生成10000種不同的序列。當我們從隨機位移轉向偽隨機位移時，相當于把密鑰空間縮小成了一個相對較小的種子空間。偽隨機數概念的提出使得加密者與接收者不需要再事先共享整個隨機位移序列，而只需要共享相對較短的隨機種子，然后再需要時把它擴展成相同的看起來很隨機的序列就可以。但是如果他們始終無法見面來共享這個種子，該怎么解決呢？這就是現代加密技術最重要的內容，也是區塊鏈中加密的核心，我們將下一篇文章中重點介紹。

動態 | 央視《東方時空》欄目普及密碼學和區塊鏈知識:在10月27日晚20：32分央視13套播出的《東方時空》欄目中，欄目以技術案例大幅講解了區塊鏈和密碼學的基礎知識。欄目介紹了目前區塊鏈的應用范圍，如：金融服務，供應鏈管理，公共服務，智能制造，教育就業，文化娛樂等領域。欄目還強調了區塊鏈解決了證明你媽是你媽的難題。并且解決了數字身份，版權保護，嚴把質量關，更便捷交易，旅行消費，衛生保健等領域的難題。對此，國家金融與發展實驗室特聘研究員董希淼還在欄目中表示，區塊鏈技術已開始逐步應用。有些應用已經逐步走向成熟，例如在醫療方面的應用，醫療數據應用區塊鏈，實現病歷共享。[2019/10/28]

聲音 | 密碼學博士高承實：公鏈、聯盟鏈、私有鏈都還存在諸多問題:今日在一個討論沙龍上，密碼學博士高承實經過多方面對比分析提出其特有的通證概念與通證經濟模型，他認為公鏈、聯盟鏈、私有鏈都還存在諸多問題，真正的區塊鏈底層基礎設施應該可以滿足以上三者的接入。[2019/3/14]

現場 | 密碼學專家楊光：實現高TPS需要解決兩個問題 可驗證計算是有效途徑:金色財經現場報道，全球區塊鏈開發者大會 GBDC 2018于香港正式召開。密碼學專家楊光表示，今年“雙十一”淘寶運算的峰值256000筆, 區塊鏈如果要達到10000萬TPS，實現比淘寶4倍的TPS是需要具備諸多條件的。理想條件下帶寬無限、傳輸沒有延遲，可以非常快的達成共識。而這種即使如此如果實現百萬TPS，還有解決兩個問題：一是單個節點的處理能力、二是區塊鏈數據增長較快。密碼學專家楊光介紹了可驗證計算的方式以解決實現TPS的問題，著重介紹非交互是的可驗證計算。[2018/12/16]

現場 | 姜海：密碼學將隨著黎曼猜想等理論研究的深入迎來大發展:金色財經現場報道，今日，2018可信區塊鏈峰會在北京召開。在主題為“區塊鏈安全焦點關注”的區塊鏈安全論壇上，丁牛科技有限公司CEO姜海結合最近黎曼猜想被證明引起了密碼學界的高度關注，分析了黎曼猜想與區塊鏈密碼安全。他提出，盡管黎曼猜想的證明對于傳統密碼安全有極大的沖擊，但是區塊鏈技術的安全建立在SHA-256、橢圓曲線、算法校驗等基礎之上，在使用過程中能夠極大地抵抗密碼攻擊。盡管最近有很多的安全事件發生，而其根本原因在于程序的違規操作。未來隨著隨機發生器、量子計算機以及黎曼幾個等基礎理論的研究，密碼學將會有更大的發展空間。[2018/10/10]

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