软件安全性测试（连载19）

2.14 加密与认证

1. 区块链及其加密技术

      在现在非常火爆的区块链技术关键部分就是加密技术，这节通过区块链来了解一下密码学。

1）对称加密与非对称加密

      对称加密是指加密密钥与解密密钥相同，非对称加密是指加密密钥与解密密钥不同。区块链中使用的加密算法都是非对称加密。在此给大家简单介绍一下对称加密与非对称加密。36是一个典型的加解密过程。

36 加解密过程

      如果加密密钥与解密密钥相同则为对称加密，否则为非对称加密。37是一个对称加密过程。

37 对称加密过程

      这里明文为数字，加密算法与解密算法互为逆运算（×和÷），加解密密钥均为3。一般而言加密密钥为私有的，而解密密钥为共有的，由于对称加密加解密密钥相同，所以安全性是比较差的。38是一个非对称加密过程。

38 非对称加密过程

      这里明文为小于1000的整数，加密算法与解密算法均为×，机密密钥为91，解密密钥为11。小学生都可知道一个形如ABC三位整数，乘以1001（1001=91×11），得到的结果为ABCABC。（二位整数：AB可以标记为0AB，乘以1001，得到的结果为：0AB0AB->AB0AB；一位整数：A可以标记为00A，乘以1001，得到的结果为：00A00->A00A）。如39所示。从来可知一个小于1000的整数乘以1001的结果是包含原元素和0的组合。

39 小于1000的整数乘以100过程图

      当然，在现实工作中，没有使用上述的非对称密钥的，这里仅仅作为开场，让大家便于大家理解。真正的非对称解决方案后续会进行详细介绍。

2）区块链的私钥、公钥和地址

      区块链是通过私钥生成公钥，然后通过公钥来生成地址的。并且要保证逆向是不可行的，即不可通过地址获得公钥，然后通过公钥获得私钥。如40所示。

40 区块链的私钥、公钥与地址

      区块链的私钥是一个随机字符串进行SHA-256运算后生成的具有256位数的随机支付串。比如：1100010101000110101110000100101100101010101010010100000000011011010101010010101111010101010101000101010100110101010000111110001100011110011010100100001100011000100011001000101000101001010000110010100010000100011000001100101000001000101001001010001010010001010000101101011101010101001000001001010111001001010010010100010100101010010011001101001001101001001010010001000100100010，转换成16进制为：c546b84b2aa9401b552bd554553543e31e6a43188c8a2943288460ca08a4a29142d7552095c949452a4cd269291122。

区块链是通过一种叫做ECDSA椭圆曲线来进行公钥何私钥换算的，下面节点介绍一下ECDSA椭圆曲线。

ECDSA椭圆曲线指的是满足表达式y²=x³+ax+b，且这里-16(4a3+27b2)≠0。假设a=-1,b=+1,这是表达式y²=x³+ax+b变为y²=x³-x+1。在[-1.32,3.75]上的曲线如41所示。

41 y2=x3-x+1曲线图

      现在定义曲线上两个点A、B，A+B如下定义。

•  连接A与B，并延伸与曲线相接与C。
•  C对应于X轴为C’。

C’点即为A+B，如42所示。A+A如下定义。

•  在A处找到切线延长与曲线交于B点。
•  B对应于X轴为B’。

B’点即为A+A，如43所示。

区块链根据给定的G点，假设G的坐标为（x,y）,那么公钥P即为Kx，Ky的一种组合，标记为P=GK（K为私钥，P为公钥）。Kx表示x+x+x+…+x(k次相加)，Ky表示y+y+y+…+y(k次相加)。

             

42 C’=A+B                                                      

                       43B’=A+A

在实际区块链中椭圆函数不是连续的，而是有一组符合ECDSA椭圆曲线的点组成的集合点组合的，并且限制在一个很大的质数区间之内，由于比较复杂在这里不进行展开。

区块链以Secp256k1标准定义，即：

•  a=0
•  b=7
•  相加的基点G坐标为(79BE667EF9DCBBAC55A06295CE870B07029BFCDB2DCE28D959F2815B16F81798，483ADA7726A3C4655DA4FBFC0E1108A8FD17B448A68554199C47D08FFB10D4B8)

因此区块链的椭圆函数为y²=x³+7，如44所示。

44 区块链椭圆曲线函数图

下面介绍一下私钥与公钥在密码学中的应用。Alice有一篇重要文章，明文为f，要向Bob发送，传输需要加密，由于文章只能让Bob阅读，所以需要Bob的公钥Pb，加密后的文章为Pb(f)。Bob收到这篇密文后，由于Pb=KbG，所以密文为KbG(f)。所以Bob可以通过自己的私钥Kb和常量G进行解密得到明文f。同样，Bob有一篇重要文章，明文为g，要向Alice发送，传输仍旧需要加密，由于文章只能让Alice阅读，所以需要Alice的公钥Pa，加密后的文章为Pa(g)。Alice收到这篇密文后，由于Pa=KaG，所以密文为KaG(g)。所以Alice可以通过自己的私钥Ka和常量G进行解密得到明文g。

利用私钥与公钥除了可以处理加解密以外还可以进行数字签名。比如Tom写的一段文字M，他可以通过M与自己的私钥进行加密，即MK对外公布。大众可以用他的内容M与公钥P得到MP，由于MP=MGK=GMK。由于G是固定的值。所以很容易验证内容是不是篡改过。

最后来介绍下区块链地址。区块链地址在充值、提现都需要的地址，可看作银行账号。它由公钥经过一次SHA-256哈希运算后然后再进行一次RIPEND160运算（RIPEND160也是一种HASH函数。），最后进行Base58编码得到的，即区块链地址= Base58(RIPEND160(SHA-256(P)))。

HASH，一般翻译为散列、杂凑，或音译为哈希，是把任意长度的输入通过散列算法变换成固定长度的输出，该输出就是散列值。常见的HASH函数有MD4、MD5、SHA-1和SHA-256。由于HASH函数对于任意的输入产生一个固定长度的字符串，所以必定存在两个不同的输入得到相同的HASH值，这个叫做HASH碰撞。现在发现MD4、MD5、SHA-1都存在高概率的HASH碰撞，而SHA-256概率很低，所以目前为止使用最安全的散列函数为SHA-256，这也就是为什么区块链采用SHA-256的原因。

总结一下，私钥K= SHA-256(大的随机字符串)，公钥P= KG（K为私钥，G为常量），区块链地址=Base58(RIPEND160(SHA-256(P)))（P为公钥）。

3）区块链的组成

现在简单介绍区块链，区块链是由多个区块组成的一个链表，每个区块分为块头（BlockHead）与块体（Block Body）。块头包含以下内容。

•  Version：当前版本号。
•  Pre_hash：前一个表头的HASH值。
•  Time：时间戳。
•  Mekle_root：Mekle树的Root信息。
•  难度系数：决定算法的难度
•  Nonce：一个随机数。

块体记录记账信息，长度为1M。当发生交易后记账信息放入交易池中，由挖矿矿工找到满足条件的区块后加入区块链中。

      首先对块头中的Pre_hash、Mekle_root、难度系数、Nonce做个介绍。

① Pre_hash

为前一个区块头的HASH值，Pre_hash=SHA_256(SHA_256(Pre_Head))。也就是对前一区块的头信息进行两次SHA_256运算的值。由Pre_hash使各个离散的区块形成一个链式结构，即区块链，如45所示。

45 区块链的链式结构

② Mekle_root

在介绍Mekle_root前必须介绍Mekle_Tree，什么叫做Mekle_Tree呢，假设现在区块内存入8个交易，每个交易的信息用SHA_256处理后得到的结果分别为：H₁、H₂、H₃、H₄、H₅、H₆、H₇和H₈。H₁₂=SHA-256(H₁+H₂)，H₃₄=SHA-256 (H₃+H₄)，H₅₆=SHA-256 (H₅₆+H₄)，H₇₈=SHA-256 (H₇+H₈)，然后H₁₂₃₄=SHA-256 (H₁₂+H₃₄)，H₅₆₇₈=SHA-256 (H₅₆+H₇₈)，最后H_12345678= SHA-256 (H₁₂₃₄+H₅₆₇₈)。可见这是一个树状的结构，这个树叫Mekle_Tree，根H_12345678叫Mekle_root，如46所示。

46 Mekle_Tree

③Nonce

是一个随机数。对于一个256位数，比如：c546b84b2aa9401b552bd554553543e31e6a43188c8a2943288460ca08a4a29142d7552095c949452a4cd269291122，要求头第1位为0的概率为1/16，要求头第2位为0的概率为1/16²…要求头第n位为0的概率为1/16ⁿ。由于区块链的个数是有限的，要求平均产生一个区块的时间大约为10分钟，所以通过要求调整Nonce值，使当前区块HASH值（即SHA_256(SHA_256(Head其他部分+ Nonce))）为前面几位为0（也可以认为这个随机数小于100..0）的要求的过程即为挖矿。

④难度系数。

要求当前区块前几位为0决定了当前区块的难度，这个标记了难度系数。难度系数通过某个函数控制，维持产生一个区块的时间控制在10分钟之内。

由于区块链的HASH值是存储在下一区块头部的，如果本区块的内容作了篡改，毕竟会引起后面一连串的连锁反应，所以区块链的结构决定了内容的不可篡改性。

4）区块链的测试

2018年10月11日，中国区块链的评测标准出台，内容包括以下14项内容。

•  数据处理的基本功能。
•  节点管理功能。
•  身份认证功能。
•  查询历史数据功能。
•  共识机制的有效性。
•  数据私密性。
•  核心技术自主可控性。
•  数据可审计性。
•  故障恢复能力。
•  最小硬件要求。
•  密码技术合规性。
•  吞吐率要求。
•  应用层稳定性。
•  妥善的私钥管理措施。

以下是区块链测试的重点。

•  转账，向单/多签名地址转账，向脚本转账。
•  如果对币的机制有修改，需要进行双花攻击测试。（双花攻击又称51%攻击，因某个矿工或者矿池将一个加密货币多次支付而得名。通常，其目的并不仅是为了重复使用加密货币，而是为了攻击某个区块链网路，破坏它安全性，让它失去人们的信任。）
•  智能合约功能及安全测试。
•  打包及交易确认效率。

对于区块链性能测试的考虑点。

•  延迟：P2P系统中都是虚拟链接，实际路由可能每次都不一样。
•  共识率：在系统中设置一些节点，故意篡改释放假数据，观察是否成功。
•  吞吐率：查看矿工的效率，即整个系统每秒的有效交易的次数。
•  脱离网络规模和区块大小而言的每秒交易数（TPS）。