加密货币背后的密码学解析

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你能猜出照片中的这些女人在做什么吗?这是一个谜。自从发现这份15世纪的手稿以来,人们一直试图破解它。即使是专业的密码专家和历史学家也无法解读。尽管如此,一些假设被提出,但都被证明是错误的或没有根据的。最有根据的猜测要么基于对其他中世纪手稿中熟悉模式的识别,要么基于计算最常见字母的顺序。后一种方法被称为频率分析,它是一种用于解码替代密码(如凯撒密码)的强大搜索方法,通过改变原始消息中字母的位置来形成密文。

假设照片中的两个女人,我们称她们为艾格尼丝和伊莎贝尔,想要在别人听不见的情况下分享一个秘密。单字母替换密码是一种简单的替代密码,可以通过将每个字母沿字母表向下移动固定数量的位置来加密。由于它改变了相同字母表中的字母,因此可以通过计算每个字母的频率并找到最常见的字母来破译字母序列。在英语中,最常见的字母很可能是”e”,这是英语字母分布的典型情况。一旦知道了代码中字母”e”的替换字母,就可以轻松计算出其他字母的位置。

更复杂一些的替代加密方法是多字母密码,它使用混合字母来替代单个字母。例如,维吉尼亚密码是多字母密码的一个特例,三百年来一直无法破译。它使用一个关键词和一个表格(tabula recta)来加密和解密单词。

关键词,也称为移位字,与要加密的文本并排。假设艾格尼丝和伊莎贝尔选择了”彩虹”作为关键词。艾格尼丝想告诉伊莎贝尔她把所有的钱都藏在马桶水箱后面。她多次写下关键词”彩虹”,因为她的消息很长:

现在,要用关键词加密这个句子,她需要将表格中的字母替换为原始字母。行由关键词决定,列由句子中的字母决定。例如,要替换字母”a”,她在”a”列下查找”r”行。下一个字母是”l”,然后是”t”,以此类推。

然而,如果他们的朋友伊娃截获了一封带有”替换”字的信件,这条信息就很容易破译。艾格尼丝和伊莎贝尔显然需要更可靠的方法。

在19世纪,一次性密码本为加密技术迈出了新的一步。一次性密码本使用的原理与之前的密码相似,但不是使用移位字,而是使用与原始信息长度相同的完全随机的字母序列。一次性密码本是密码学的突破,因为它们包含了信息论之父克劳德·香农所称的完全保密的伪随机性概念。

对一次性密码本的暴力攻击是无效的,因为对人类来说,处理如此多的选项是不可行的。例如,对于一个包含371个字母的消息,有一个371个字母的密钥,每个字符可以有26个值。因此,可能的密钥数量是26^371,即10^525。

上个世纪的战争推动了密码学的发展,不仅导致了著名的恩尼格玛机的诞生,也激发了新一代的数学加密技术,即非对称密码学。

首先是恩尼格玛机。这些机器的设计是绝对的艺术成就,但操作中的人为因素是它们被破解的原因之一。另一个重要原因是一个字母不能加密为它自己,而必须是另一个字母。

如今,对称加密的破解方法如此之多,以至于可以在网上找到破解工具。因此,这些方法不适用于保护加密货币钱包。它们受到更强大的非对称加密系统的保护,该系统涉及一对用于加密和解密的公钥和私钥。

简单来说,如果一个神秘的女人想要以非对称加密的方式向另一个女人发送消息,她会使用公钥来加密信息。为了解密消息,她的朋友会使用与她收到的公钥相对应的私钥。然而,这个过程更加复杂。

Diffie-Hellman算法解决了恩尼格玛机的问题,现在密钥不需要以物理形式传输(例如在纸上的列表)。

为了使用Diffie-Hellman交换密钥,艾格尼丝和伊莎贝尔首先需要在一个基本模数和一个生成器上达成一致。他们同意使用17和3。然后,艾格尼丝选择她的私人数字,并计算生成器(3)的15次方。她可以公开发送计算结果给伊莎贝尔。当伊莎贝尔收到结果时,她选择自己的随机私人数字。她使用模数17计算生成器(3)的13次方,并将结果(12)公开发送给艾格尼丝。

这是巧妙之处。艾格尼丝拿着她收到的结果,将其提升到她的私人数字的幂,以获得秘密信息(10)。伊莎贝尔得到了艾格尼丝的公开结果,并将其提升到她的私人数字的幂,得到了相同的秘密信息,即10。

他们以不同的顺序进行了相同的指数计算(都计算了3的私人数字的幂)。如果交换指数的位置,结果不会改变。

RSA使用公钥和私钥对,其中公钥用于加密,私钥用于解密。这就是为什么它被称为非对称算法。它使用一个门函数,这是一个单向函数,很容易执行但很难逆转。换句话说,它是一个数学锁,需要第二个单向函数(或称为陷阱门的特殊信息)来解密消息。

首先,艾格尼丝和伊莎贝尔在两个质数p和q上达成一致。然后,根据公式计算得到公共模数,并选择指数:

与Diffie-Hellman算法类似,RSA使用模幂运算来加密。公钥使用用于加密的模数(n)和指数(e)生成,私钥使用用于解密的模数(n)和私人指数(d)生成。

在计算中使用的整数是素数,这使得解密成为一项耗时的任务,因为对大素数进行因式分解很困难,这就是所谓的因式分解问题。

这些是密码算法的基本技术。当然,艾格尼丝和伊莎贝尔需要使用非对称算法的计算机,因为解决质数分解问题需要强大的计算能力。尽管看起来15世纪的神秘女性能够很好地保护她们的秘密,以至于今天的密码专家仍在试图破解她们的秘密,但对她们来说,非对称加密技术同样是一种可靠的解决方案。这也是为什么加密货币钱包选择这种方法来确保资金安全的原因。

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