密碼學技術在區塊鏈系統中的應用

密碼學技術是區塊鏈數據核心技術（P2P網絡協議、共識機制、密碼學技術、賬戶與存儲模型）中核心的技術點，區塊鏈主要用到的密碼算法有哈希算法和加密算法，加密又包括對稱性加密和非對稱性加密兩個概念，區塊鏈系統裏面一般常用到的是非對稱加密。

本文首先把密碼學相關的知識說明一下，並附有部分JAVA代碼，然後用比特幣作爲例子說明一下在區塊鏈系統中的使用。

【算法說明】

（一）哈希算法

哈希算法是區塊鏈中用的最多的一種算法，它被廣泛的使用在構建區塊和確認交易的完整性上。

它是一類數學函數算法，又被稱爲散列算法，需具備三個基本特性：

1、其輸入可爲任意大小的字符串
2、它產生固定大小的輸出
3、它能進行有效計算，也就是能在合理的時間內就能算出輸出值
如果要求哈希算法達到密碼學安全的話，我們還要求它具備以下三個附加特性：

1、碰撞阻力：
是指對於兩個不同的輸入，必須產生兩個不同的輸出。如果對於兩個不同的輸入產生了相同的輸出，那麼就說明不具備碰撞阻力，或是弱碰撞阻力。
2、隱祕性：
也被稱爲不可逆性，是指 y = HASH（x）中，通過輸入值x，可以計算出輸出值y，但是無法通過y值去反推計算出x值。爲了保證不可逆，就得讓x的取值來自一個非常廣泛的集合，使之很難通過計算反推出x值。
3、謎題友好：
這個特性可以理解爲，謎題是公平友好的，例如算法中 y = HASH（x），如果已知y值，想去得到x值，那就必須暴力枚舉，不斷的嘗試才能做到，並且沒有比這更好的辦法，沒有捷徑。
哈希算法有很多，比特幣主要使用的哈希算法是 SHA-256 算法。

除此之外，還有其他一些哈希算法也很流行，例如 MD5、SHA-1、SHA-2（SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512）、SHA-3 等，其中 MD5、SHA-1 已被證明了不具備 強碰撞阻力，安全性不夠高，因此市場上不再推薦使用。

Java 代碼（略）

（二）對稱加密（Symmetric Cryptography）

對稱加密是最快速、最簡單的一種加密方式，加密（encryption）與解密（decryption）用的是同樣的密鑰（secret key）。對稱加密有很多種算法，由於它效率很高，所以被廣泛使用在很多加密協議的核心當中。

對稱加密通常使用的是相對較小的密鑰，一般小於256 bit。因爲密鑰越大，加密越強，但加密與解密的過程越慢。如果你只用1 bit來做這個密鑰，那們可以先試着用0來解密，不行的話就再用1解；但如果你的密鑰有1 MB大，們可能永遠也無法破解，但加密和解密的過程要花費很長的時間。密鑰的大小既要照顧到安全性，也要照顧到效率，是一個trade-off。

所謂對稱加密算法即：加密和解密使用相同密鑰的算法。常見的有DES、3DES、AES、PBE等加密算法，這幾種算法安全性依次是逐漸增強的。

DES加密

DES是一種對稱加密算法，是一種非常簡便的加密算法，但是密鑰長度比較短。DES加密算法出自IBM的研究，後來被美國政府正式採用，之後開始廣泛流傳，但是近些年使用越來越少，因爲DES使用56位密鑰，以現代計算能力，24小時內即可被破解。

雖然如此，在某些簡單應用中，我們還是可以使用DES加密算法.

簡單的DES加密算法JAVA實現：

public class DESUtil {

private static final String KEY_ALGORITHM = "DES";
private static final String DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM = "DES/ECB/PKCS5Padding";//默認的加密算法

/**
 * DES 加密操作
 *
 * @param content 待加密內容
 * @param key 加密密鑰
 * @return 返回Base64轉碼後的加密數據
 */
public static String encrypt(String content, String key) {
    try {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);// 創建密碼器

        byte[] byteContent = content.getBytes("utf-8");

        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, getSecretKey(key));// 初始化爲加密模式的密碼器

        byte[] result = cipher.doFinal(byteContent);// 加密

        return Base64.encodeBase64String(result);//通過Base64轉碼返回
    } catch (Exception ex) {
        Logger.getLogger(DESUtil.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);
    }

    return null;
}

/**
 * DES 解密操作
 *
 * @param content
 * @param key
 * @return
 */
public static String decrypt(String content, String key) {

    try {
        //實例化
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);

        //使用密鑰初始化，設置爲解密模式
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, getSecretKey(key));

        //執行操作
        byte[] result = cipher.doFinal(Base64.decodeBase64(content));

        return new String(result, "utf-8");
    } catch (Exception ex) {
        Logger.getLogger(DESUtil.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);
    }

    return null;
}

/**
 * 生成加密祕鑰
 *
 * @return
 */
private static SecretKeySpec getSecretKey(final String key) {
    //返回生成指定算法密鑰生成器的 KeyGenerator 對象
    KeyGenerator kg = null;

    try {
        kg = KeyGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);

        //DES 要求密鑰長度爲 56
        kg.init(56, new SecureRandom(key.getBytes()));

        //生成一個密鑰
        SecretKey secretKey = kg.generateKey();

        return new SecretKeySpec(secretKey.getEncoded(), KEY_ALGORITHM);// 轉換爲DES專用密鑰
    } catch (NoSuchAlgorithmException ex) {
        Logger.getLogger(DESUtil.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);
    }

    return null;
}

public static void main(String[] args) {
    String content = "hello,您好";
    String key = "sde@5f98H*^hsff%dfs$r344&df8543*er";
    System.out.println("content:" + content);
    String s1 = DESUtil.encrypt(content, key);
    System.out.println("s1:" + s1);
    System.out.println("s2:"+ DESUtil.decrypt(s1, key));

}

}

3DES加密

3DES是一種對稱加密算法，在 DES 的基礎上，使用三重數據加密算法，對數據進行加密，它相當於是對每個數據塊應用三次 DES 加密算法。由於計算機運算能力的增強，原版 DES 密碼的密鑰長度變得容易被暴力破解；3DES 即是設計用來提供一種相對簡單的方法，即通過增加 DES 的密鑰長度來避免類似的***，而不是設計一種全新的塊密碼算法這樣來說，破解的概率就小了很多。缺點由於使用了三重數據加密算法，可能會比較耗性能。簡單的3DES加密算法實現：
（略）

（三）非對稱加密

非對稱加密算法需要兩個密鑰：公開密鑰（publickey）和私有密鑰（privatekey）。公開密鑰與私有密鑰是一對，如果用公開密鑰對數據進行加密，只有用對應的私有密鑰才能解密；如果用私有密鑰對數據進行加密，那麼只有用對應的公開密鑰才能解密。一般公鑰是公開的，私鑰是自己保存。因爲加密和解密使用的是兩個不同的密鑰，所以這種算法叫作非對稱加密算法。安全性相對對稱加密來說更高，是一種高級加密方式。

RSA加密

RSA是一種非對稱加密算法.RSA有兩個密鑰，一個是公開的，稱爲公開密鑰；一個是私密的，稱爲私密密鑰。公開密鑰是對大衆公開的，私密密鑰是服務器私有的，兩者不能互推得出。用公開密鑰對數據進行加密，私密密鑰可解密；私密密鑰對數據加密，公開密鑰可解密。速度較對稱加密慢。

簡單的RSA加密算法JAVA實現：

/**

• <p>
• RSA公鑰/私鑰/簽名工具包
• </p>
• <p>
• 字符串格式的密鑰在未在特殊說明情況下都爲BASE64編碼格式<br/>
• 由於非對稱加密速度極其緩慢，一般文件不使用它來加密而是使用對稱加密，<br/>
• 非對稱加密算法可以用來對對稱加密的密鑰加密，這樣保證密鑰的安全也就保證了數據的效率和安全
• </p>

• */
  public class RSAUtils {

  /**

  • 加密算法RSA
    */
    public static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";

  /**

  • 簽名算法
    */
    public static final String SIGNATURE_ALGORITHM = "MD5withRSA";

  /**

  • 獲取公鑰的key
    */
    private static final String PUBLIC_KEY = "RSAPublicKey";

  /**

  • 獲取私鑰的key
    */
    private static final String PRIVATE_KEY = "RSAPrivateKey";

  /**

  • RSA最大加密明文大小
    */
    private static final int MAX_ENCRYPT_BLOCK = 117;

  /**

  • RSA最大解密密文大小
    */
    private static final int MAX_DECRYPT_BLOCK = 128;

  /**

  • <p>
  • 生成密鑰對(公鑰和私鑰)
  • </p>
  • @return
  • @throws Exception
    */
    public static Map<String, Object> genKeyPair() throws Exception {
    KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    keyPairGen.initialize(1024);
    KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
    RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
    RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
    Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>(2);
    keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
    keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
    return keyMap;
    }

  /**

  • <p>
  • 用私鑰對信息生成數字簽名
  • </p>
  • @param data 已加密數據
  • @param privateKey 私鑰(BASE64編碼)
  • @return
  • @throws Exception
    */
    public static String sign(byte[] data, String privateKey) throws Exception {
    byte[] keyBytes = Base64Utils.decode(privateKey);
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    PrivateKey privateK = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
    Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
    signature.initSign(privateK);
    signature.update(data);
    return Base64Utils.encode(signature.sign());
    }

  /**

  • <p>
  • 校驗數字簽名
  • </p>
  • @param data 已加密數據
  • @param publicKey 公鑰(BASE64編碼)
  • @param sign 數字簽名
  • @return
  • @throws Exception

  • */
    public static boolean verify(byte[] data, String publicKey, String sign)
    throws Exception {
    byte[] keyBytes = Base64Utils.decode(publicKey);
    X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    PublicKey publicK = keyFactory.generatePublic(keySpec);
    Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
    signature.initVerify(publicK);
    signature.update(data);
    return signature.verify(Base64Utils.decode(sign));
    }

  /**

  • <P>
  • 私鑰解密
  • </p>
  • @param encryptedData 已加密數據
  • @param privateKey 私鑰(BASE64編碼)
  • @return
  • @throws Exception
    /
    public static byte[] decryptByPrivateKey(byte[] encryptedData, String privateKey)
    throws Exception {
    byte[] keyBytes = Base64Utils.decode(privateKey);
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    Key privateK = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateK);
    int inputLen = encryptedData.length;
    ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
    int offSet = 0;
    byte[] cache;
    int i = 0;
    // 對數據分段解密
    while (inputLen - offSet > 0) {
    if (inputLen - offSet > MAX_DECRYPT_BLOCK) {
    cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, MAX_DECRYPT_BLOCK);
    } else {
    cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, inputLen - offSet);
    }
    out.write(cache, 0, cache.length);
    i++;
    offSet = i MAX_DECRYPT_BLOCK;
    }
    byte[] decryptedData = out.toByteArray();
    out.close();
    return decryptedData;
    }

  /**

  • <p>
  • 公鑰解密
  • </p>
  • @param encryptedData 已加密數據
  • @param publicKey 公鑰(BASE64編碼)
  • @return
  • @throws Exception
    /
    public static byte[] decryptByPublicKey(byte[] encryptedData, String publicKey)
    throws Exception {
    byte[] keyBytes = Base64Utils.decode(publicKey);
    X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    Key publicK = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicK);
    int inputLen = encryptedData.length;
    ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
    int offSet = 0;
    byte[] cache;
    int i = 0;
    // 對數據分段解密
    while (inputLen - offSet > 0) {
    if (inputLen - offSet > MAX_DECRYPT_BLOCK) {
    cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, MAX_DECRYPT_BLOCK);
    } else {
    cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, inputLen - offSet);
    }
    out.write(cache, 0, cache.length);
    i++;
    offSet = i MAX_DECRYPT_BLOCK;
    }
    byte[] decryptedData = out.toByteArray();
    out.close();
    return decryptedData;
    }

  /**

  • <p>
  • 公鑰加密
  • </p>
  • @param data 源數據
  • @param publicKey 公鑰(BASE64編碼)
  • @return
  • @throws Exception
    /
    public static byte[] encryptByPublicKey(byte[] data, String publicKey)
    throws Exception {
    byte[] keyBytes = Base64Utils.decode(publicKey);
    X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    Key publicK = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
    // 對數據加密
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicK);
    int inputLen = data.length;
    ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
    int offSet = 0;
    byte[] cache;
    int i = 0;
    // 對數據分段加密
    while (inputLen - offSet > 0) {
    if (inputLen - offSet > MAX_ENCRYPT_BLOCK) {
    cache = cipher.doFinal(data, offSet, MAX_ENCRYPT_BLOCK);
    } else {
    cache = cipher.doFinal(data, offSet, inputLen - offSet);
    }
    out.write(cache, 0, cache.length);
    i++;
    offSet = i MAX_ENCRYPT_BLOCK;
    }
    byte[] encryptedData = out.toByteArray();
    out.close();
    return encryptedData;
    }

  /**

  • <p>
  • 私鑰加密
  • </p>
  • @param data 源數據
  • @param privateKey 私鑰(BASE64編碼)
  • @return
  • @throws Exception
    /
    public static byte[] encryptByPrivateKey(byte[] data, String privateKey)
    throws Exception {
    byte[] keyBytes = Base64Utils.decode(privateKey);
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    Key privateK = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateK);
    int inputLen = data.length;
    ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
    int offSet = 0;
    byte[] cache;
    int i = 0;
    // 對數據分段加密
    while (inputLen - offSet > 0) {
    if (inputLen - offSet > MAX_ENCRYPT_BLOCK) {
    cache = cipher.doFinal(data, offSet, MAX_ENCRYPT_BLOCK);
    } else {
    cache = cipher.doFinal(data, offSet, inputLen - offSet);
    }
    out.write(cache, 0, cache.length);
    i++;
    offSet = i MAX_ENCRYPT_BLOCK;
    }
    byte[] encryptedData = out.toByteArray();
    out.close();
    return encryptedData;
    }

  /**

  • <p>
  • 獲取私鑰
  • </p>
  • @param keyMap 密鑰對
  • @return
  • @throws Exception
    */
    public static String getPrivateKey(Map<String, Object> keyMap)
    throws Exception {
    Key key = (Key) keyMap.get(PRIVATE_KEY);
    return Base64Utils.encode(key.getEncoded());
    }

  /**

  • <p>
  • 獲取公鑰
  • </p>
  • @param keyMap 密鑰對
  • @return
  • @throws Exception
    */
    public static String getPublicKey(Map<String, Object> keyMap)
    throws Exception {
    Key key = (Key) keyMap.get(PUBLIC_KEY);
    return Base64Utils.encode(key.getEncoded());
    }

}

/**

• <p>
• RSA公鑰/私鑰/簽名工具包
• </p>
• <p>
• 字符串格式的密鑰在未在特殊說明情況下都爲BASE64編碼格式<br/>
• 由於非對稱加密速度極其緩慢，一般文件不使用它來加密而是使用對稱加密，<br/>
• 非對稱加密算法可以用來對對稱加密的密鑰加密，這樣保證密鑰的安全也就保證了數據的安全
• </p>

• */
  public class RSAUtils {

  /**

  • 加密算法RSA
    */
    public static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";

  /**

  • 簽名算法
    */
    public static final String SIGNATURE_ALGORITHM = "MD5withRSA";

  /**

  • 獲取公鑰的key
    */
    private static final String PUBLIC_KEY = "RSAPublicKey";

  /**

  • 獲取私鑰的key
    */
    private static final String PRIVATE_KEY = "RSAPrivateKey";

  /**

  • RSA最大加密明文大小
    */
    private static final int MAX_ENCRYPT_BLOCK = 117;

  /**

  • RSA最大解密密文大小
    */
    private static final int MAX_DECRYPT_BLOCK = 128;

  /**

  • <p>
  • 生成密鑰對(公鑰和私鑰)
  • </p>
  • @return
  • @throws Exception
    */
    public static Map<String, Object> genKeyPair() throws Exception {
    KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    keyPairGen.initialize(1024);
    KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
    RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
    RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
    Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>(2);
    keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
    keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
    return keyMap;
    }

  /**

  • <p>
  • 用私鑰對信息生成數字簽名
  • </p>
  • @param data 已加密數據
  • @param privateKey 私鑰(BASE64編碼)
  • @return
  • @throws Exception
    */
    public static String sign(byte[] data, String privateKey) throws Exception {
    byte[] keyBytes = Base64Utils.decode(privateKey);
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    PrivateKey privateK = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
    Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
    signature.initSign(privateK);
    signature.update(data);
    return Base64Utils.encode(signature.sign());
    }

  /**

  • <p>
  • 校驗數字簽名
  • </p>
  • @param data 已加密數據
  • @param publicKey 公鑰(BASE64編碼)
  • @param sign 數字簽名
  • @return
  • @throws Exception

  • */
    public static boolean verify(byte[] data, String publicKey, String sign)
    throws Exception {
    byte[] keyBytes = Base64Utils.decode(publicKey);
    X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    PublicKey publicK = keyFactory.generatePublic(keySpec);
    Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
    signature.initVerify(publicK);
    signature.update(data);
    return signature.verify(Base64Utils.decode(sign));
    }

  /**

  • <P>
  • 私鑰解密
  • </p>
  • @param encryptedData 已加密數據
  • @param privateKey 私鑰(BASE64編碼)
  • @return
  • @throws Exception
    /
    public static byte[] decryptByPrivateKey(byte[] encryptedData, String privateKey)
    throws Exception {
    byte[] keyBytes = Base64Utils.decode(privateKey);
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    Key privateK = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateK);
    int inputLen = encryptedData.length;
    ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
    int offSet = 0;
    byte[] cache;
    int i = 0;
    // 對數據分段解密
    while (inputLen - offSet > 0) {
    if (inputLen - offSet > MAX_DECRYPT_BLOCK) {
    cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, MAX_DECRYPT_BLOCK);
    } else {
    cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, inputLen - offSet);
    }
    out.write(cache, 0, cache.length);
    i++;
    offSet = i MAX_DECRYPT_BLOCK;
    }
    byte[] decryptedData = out.toByteArray();
    out.close();
    return decryptedData;
    }

  /**

  • <p>
  • 公鑰解密
  • </p>
  • @param encryptedData 已加密數據
  • @param publicKey 公鑰(BASE64編碼)
  • @return
  • @throws Exception
    /
    public static byte[] decryptByPublicKey(byte[] encryptedData, String publicKey)
    throws Exception {
    byte[] keyBytes = Base64Utils.decode(publicKey);
    X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    Key publicK = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicK);
    int inputLen = encryptedData.length;
    ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
    int offSet = 0;
    byte[] cache;
    int i = 0;
    // 對數據分段解密
    while (inputLen - offSet > 0) {
    if (inputLen - offSet > MAX_DECRYPT_BLOCK) {
    cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, MAX_DECRYPT_BLOCK);
    } else {
    cache = cipher.doFinal(encryptedData, offSet, inputLen - offSet);
    }
    out.write(cache, 0, cache.length);
    i++;
    offSet = i MAX_DECRYPT_BLOCK;
    }
    byte[] decryptedData = out.toByteArray();
    out.close();
    return decryptedData;
    }

  /**

  • <p>
  • 公鑰加密
  • </p>
  • @param data 源數據
  • @param publicKey 公鑰(BASE64編碼)
  • @return
  • @throws Exception
    /
    public static byte[] encryptByPublicKey(byte[] data, String publicKey)
    throws Exception {
    byte[] keyBytes = Base64Utils.decode(publicKey);
    X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    Key publicK = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
    // 對數據加密
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicK);
    int inputLen = data.length;
    ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
    int offSet = 0;
    byte[] cache;
    int i = 0;
    // 對數據分段加密
    while (inputLen - offSet > 0) {
    if (inputLen - offSet > MAX_ENCRYPT_BLOCK) {
    cache = cipher.doFinal(data, offSet, MAX_ENCRYPT_BLOCK);
    } else {
    cache = cipher.doFinal(data, offSet, inputLen - offSet);
    }
    out.write(cache, 0, cache.length);
    i++;
    offSet = i MAX_ENCRYPT_BLOCK;
    }
    byte[] encryptedData = out.toByteArray();
    out.close();
    return encryptedData;
    }

  /**

  • <p>
  • 私鑰加密
  • </p>
  • @param data 源數據
  • @param privateKey 私鑰(BASE64編碼)
  • @return
  • @throws Exception
    /
    public static byte[] encryptByPrivateKey(byte[] data, String privateKey)
    throws Exception {
    byte[] keyBytes = Base64Utils.decode(privateKey);
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
    Key privateK = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
    Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateK);
    int inputLen = data.length;
    ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
    int offSet = 0;
    byte[] cache;
    int i = 0;
    // 對數據分段加密
    while (inputLen - offSet > 0) {
    if (inputLen - offSet > MAX_ENCRYPT_BLOCK) {
    cache = cipher.doFinal(data, offSet, MAX_ENCRYPT_BLOCK);
    } else {
    cache = cipher.doFinal(data, offSet, inputLen - offSet);
    }
    out.write(cache, 0, cache.length);
    i++;
    offSet = i MAX_ENCRYPT_BLOCK;
    }
    byte[] encryptedData = out.toByteArray();
    out.close();
    return encryptedData;
    }

  /**

  • <p>
  • 獲取私鑰
  • </p>
  • @param keyMap 密鑰對
  • @return
  • @throws Exception
    */
    public static String getPrivateKey(Map<String, Object> keyMap)
    throws Exception {
    Key key = (Key) keyMap.get(PRIVATE_KEY);
    return Base64Utils.encode(key.getEncoded());
    }

  /**

  • <p>
  • 獲取公鑰
  • </p>
  • @param keyMap 密鑰對
  • @return
  • @throws Exception
    */
    public static String getPublicKey(Map<String, Object> keyMap)
    throws Exception {
    Key key = (Key) keyMap.get(PUBLIC_KEY);
    return Base64Utils.encode(key.getEncoded());
    }

}

public class Base64Utils {

/**
 * 文件讀取緩衝區大小
 */
private static final int CACHE_SIZE = 1024;

/**
 * <p>
 * BASE64字符串解碼爲二進制數據
 * </p>
 *
 * @param base64
 * @return
 * @throws Exception
 */
public static byte[] decode(String base64) throws Exception {
    return Base64.decode(base64.getBytes());
}

/**
 * <p>
 * 二進制數據編碼爲BASE64字符串
 * </p>
 *
 * @param bytes
 * @return
 * @throws Exception
 */
public static String encode(byte[] bytes) throws Exception {
    return new String(Base64.encode(bytes));
}

/**
 * <p>
 * 將文件編碼爲BASE64字符串
 * </p>
 * <p>
 * 大文件慎用，可能會導致內存溢出
 * </p>
 *
 * @param filePath
 *            文件絕對路徑
 * @return
 * @throws Exception
 */
public static String encodeFile(String filePath) throws Exception {
    byte[] bytes = fileToByte(filePath);
    return encode(bytes);
}

/**
 * <p>
 * BASE64字符串轉回文件
 * </p>
 *
 * @param filePath
 *            文件絕對路徑
 * @param base64
 *            編碼字符串
 * @throws Exception
 */
public static void decodeToFile(String filePath, String base64) throws Exception {
    byte[] bytes = decode(base64);
    byteArrayToFile(bytes, filePath);
}

/**
 * <p>
 * 文件轉換爲二進制數組
 * </p>
 *
 * @param filePath
 *            文件路徑
 * @return
 * @throws Exception
 */
public static byte[] fileToByte(String filePath) throws Exception {
    byte[] data = new byte[0];
    File file = new File(filePath);
    if (file.exists()) {
        FileInputStream in = new FileInputStream(file);
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream(2048);
        byte[] cache = new byte[CACHE_SIZE];
        int nRead = 0;
        while ((nRead = in.read(cache)) != -1) {
            out.write(cache, 0, nRead);
            out.flush();
        }
        out.close();
        in.close();
        data = out.toByteArray();
    }
    return data;
}

/**
 * <p>
 * 二進制數據寫文件
 * </p>
 *
 * @param bytes
 *            二進制數據
 * @param filePath
 *            文件生成目錄
 */
public static void byteArrayToFile(byte[] bytes, String filePath) throws Exception {
    InputStream in = new ByteArrayInputStream(bytes);
    File destFile = new File(filePath);
    if (!destFile.getParentFile().exists()) {
        destFile.getParentFile().mkdirs();
    }
    destFile.createNewFile();
    OutputStream out = new FileOutputStream(destFile);
    byte[] cache = new byte[CACHE_SIZE];
    int nRead = 0;
    while ((nRead = in.read(cache)) != -1) {
        out.write(cache, 0, nRead);
        out.flush();
    }
    out.close();
    in.close();
}

}

【密碼技術在區塊鏈中的使用（比特幣爲例）】

一、區塊鏈中的哈希算法

我們以比特幣爲例，來看一下哈希算法的具體應用：
在比特幣中，使用哈希算法把交易生成數據摘要，當前區塊裏面包含上一個區塊的哈希值，後面一個區塊又包含當前區塊的哈希值，就這樣一個接一個的連接起來，形成一個哈希指針鏈表，如下圖：

上面只是示意圖，那麼在實際比特幣系統中，每個區塊包含哪些內容呢：

重點關注一下上圖中的：

Prev Block：記錄籤一個區塊的hash地址，32字節
Merkle Root：是一個記錄當前塊內的所有交易信息的數據摘要hash值，32字節
Nonce：一個隨機值，需要通過這個隨機值去找到滿足某個條件的hash值（挖礦），4字節
上面只是解釋了幾個重點的字段，其它字段通過字面應該容易理解就不一一解釋了。
這所有的字段一起就組成了 block header（區塊頭），然後需要對 block header 進行2次hash計算，計算完成的值就是當前比特幣區塊的hash值。因爲比特幣系統要求計算出來的這個hash值滿足一定的條件（小於某個數值），因此需要我們不斷的遍歷Nonce值去計算新的hash值以滿足要求，只有找到了滿足要求的hash值，那麼這就是一個合法區塊了（這一系列動作也叫作挖礦）

示例：
SHA-256(SHA-256 (Block Header)
我們再看一下上面的另一個重要字段： Merkle tree 字段。
Merkle tree 被稱爲 默克爾樹，它也是哈希算法的一個重要應用。
它其實是一個用哈希指針建立的二叉樹或多叉樹。

Merkle tree 如圖：

其樹的頂端叫做 默克爾根（Merkle Root），Merkle Root 也是一個hash值，它是怎麼計算出來的呢？

比特幣中對每一筆交易做一個hash計算，然後把每2個交易的hash再進行合併做hash，如圖中的 交易A的hash值是 H（A），交易B的hash值是H（B），再對這2個交易合併hash後就是H（hA|hb），就這樣一直往上合併計算，算到最後的根部就是 Merkle Root 了。

在比特幣和以太坊中都是使用的默克爾樹結構，但是以太坊爲了實現更多複雜的功能，所以有三個默克爾樹。

至此，區塊鏈中的哈希算法應用就介紹完了，接下來我們看一下非對稱加密算法。

二、區塊鏈中的非對稱加密算法

區塊鏈中有一個很關鍵的點就是賬戶問題，但比特幣中是沒有賬戶概念的，那大家是怎麼進行轉賬交易的呢？

這裏就得先介紹區塊鏈中的非對稱加密技術了。

非對稱加密技術有很多種，如：RSA、ECC、ECDSA 等，比特幣中是使用的 ECDSA 算法。
ECDSA 是美國政府的標準，是利用了橢圓曲線的升級版，這個算法經過了數年的細緻密碼分析，被廣泛認爲是安全可靠的。

所謂非對稱加密是指我們在對數據進行加密和解密的時候，需使用2個不同的密鑰。比如，我們可以用A密鑰將數據進行加密，然後用B密鑰來解密，相反，也可以用B來加密，然後使用A來解密。那麼如果我想給某個人傳遞信息，那我可以先用A加密後，將密文傳給她，她拿到密文之後，用手上的B密鑰去解開。這2個密鑰，一個被成爲公鑰、一個是私鑰。

在比特幣中，每個用戶都有一對密鑰（公鑰和私鑰），比特幣系統中是使用用戶的公鑰作爲交易賬戶的。
我們先看下圖：

在圖中可以看到，在第一筆交易記錄中，是 用戶U0 來發起的交易，要將代幣支付給 用戶U1，是怎麼實現的呢？

1、首先 用戶U0 寫好交易信息：data（明文，例如：用戶U0轉賬100元給用戶U1），並用U1的公鑰加密；

2、用戶U0 使用哈希算法將加密交易信息進行計算，得出 H = hash（data），然後再使用自己的私鑰對 H 進行簽名，即 S(H)，這一步其實是爲了防止交易信息網絡傳輸中被篡改用的；

3、然後基於區塊鏈網絡，將 簽名S(H) 和 加密交易信息data 傳遞給 用戶U1；

4、用戶U1 使用 用戶U0 的公鑰 來對 S(H) 解密，就得到了加密交易信息的哈希值 H，同時，用戶U1 還使用哈希算法對 加密交易信息data 進行計算，得出 H2 = hash（data）；

5、對比上面2個哈希值，如果 H1==H2，則數據未被篡改且交易合法。說明 用戶U0 在發起交易的時候確實擁有真實的私鑰，有權發起自己賬戶的交易；

6、網絡中每一個節點都可以參與上述的驗證步驟。

這個示例，就是比特幣中一次交易的簽名流程，即將 哈希算法與非對稱算法結合在一起用於了比特幣交易的數字簽名。 除此之外，比特幣中，公私鑰的生成、比特幣地址的生成也是由非對稱加密算法來保證的。

以上，就是區塊鏈體系中，核心技術之哈希算法與加密算法的應用情況。