比特币:网络的密钥交换与公钥分发的方法

一、背景

在当前的网络环境中，ETH网络要想保证两个节点间通信中的数据是安全的，通常需要混合使用公开密钥算法来进行密钥交换，然后使用对称加密算法将数据加密，使用单向散列函数生成数据指纹，使用签名算法生成数据签名，然后一起将加密数据，数据指纹，数据签名一起发送给对方。

这是目前通用的密钥交换的方式，但也有一个无法避免的问题，就是需要第三方来保证公钥的正确性，同时在双方通信之前，都需要可信的第三方提供对方的公钥。

本文介绍一种不使用公开密钥算法而是采用工作量证明来进行密钥交换的方法，整个过程不需要第三方的参与。

PayPal前总裁旗下创业公司公布其基于比特币网络的产品套件:4月12日消息，前PayPal总裁David Marcus的新创业公司Lightspark今日凌晨公布了其产品套件，它建立在比特币网络之上，特别是一种称为闪电网络的第2层协议。Lightspark将该平台称为“闪电网络的第一个企业级入口点”。Marcus认为，由于比特币的相对规模和更安全的监管基础，构建必要的工具可使闪电网络更易于使用，这是一条比依赖替代区块链更好的途径。

据一位不愿透露姓名的知情人士透露，Lightspark去年以近10亿美元的估值完成约1.73亿美元融资。此前去年5月消息，Lightspark完成由a16z和Paradigm领投的融资，但当时未披露具体金额。（The Block）[2023/4/12 13:58:21]

二、方案

Everstake在内的七家基础设施公司在Solana上添加对Pyth oracle网络的支持:3月29日消息，据官方声明，包括Everstake、P2P、Syndica、Figment、Triton、Coinbase Cloud 和 Blockdaemon在内的七家区块链基础设施公司增加了对Solana上预言机服务Pyth Network的支持，这些公司将支持Pyth的数据提供商并协助他们维护其节点基础设施。

据悉，Pyth Network的预言机解决方案聚合了去中心化金融领域的应用程序所需的链下数据。[2023/3/30 13:33:54]

假设通信双方为A和B，方法中x为随机数，y为需要交换的n位加密密钥，n是固定值。过程描述如下：

报告：比特币挖矿网络的排放量占全球二氧化碳排放量的 0.08%:金色财经报道，去年比特币因PoW来处理交易和保护协议的加密货币网络对环境的影响受到了很多批评。尽管有许多的批评者，但多份报告显示，比特币的能源消耗远远低于其他金融系统。加密货币公司Coinshares报告显示，比特币的采矿基础设施占当今世界二氧化碳（CO2）产量的0.08%。2021年5月，Galaxy Digital发表了一份关于比特币开采的能源消耗的研究报告，它发现BTC挖矿远远低于黄金或银行业的能源消耗。Galaxy Digital还描述了甲烷排放是如何被Great American Mining、Upstream Data和Crusoe Energy Systems等公司利用的，将浪费的气体变成可消耗的能源。（news.bitcoin）[2022/2/3 9:28:30]

1、A使用随机数算法，生成x，生成n位密钥y，使用y对x进行对称加密生成密文Sx。

声音 | Bitfinex CTO：比特币闪电网络的用户体验必须改善:Bitfinex和Tether首席技术官Paolo Ardoino在采访时表示对闪电网络持乐观态度，但他指出必须改进支付协议的UX 。他补充说，交易所本身必须在闪电网络充值和提款的可用性方面进行改进，以使其更加无缝。（AMBCrypto）[2020/1/7]

2、A重复步骤1执行m次，生成m个Sx。因为x是随机生成的，所以m个x,y,Sx都是不一样的。

3、A将m个x，Sx发送给B。

4、B从m个x，Sx中随机选择一对，然后进行穷举破解，破解出y。穷举破解的过程即为工作量证明。

5、B将选中的x发送给A。此时A与B都知道了密钥y。之后使用y加密数据进行通信即可。

此方法的可行性主要在单次穷举破解的复杂性以及消息的数量m。破解的复杂度太高会导致工作量证明花费的时间太多，消息的数量m太少也不行，太少会降低破解的难度。

当然，上述方法还存在其他问题，比如如果在第3步，第5步数据被截获，虽然通过第3步暂时无法破解具体的x,y,但是第5步是可以破解x,y的。如果在后续的通信中，仅使用y对数据加密，也存在数据完整性和防抵赖方面的问题。有一种情况是非常适合使用此方式的。就是双方在不知道对方公钥的情况下，同时又不想依赖第三方的时候，可以依赖此方式进行安全的密钥交换和公钥分发以及安全通信。因此我们继续完善方案：

三、优化方案

上述方案的前提条件不变，同时A，B各自生成自己的公私钥对。

1、上述步骤1,2不变。

2、A将m个x,Sx，Pxa发送给B，其中Pxa为使用y加密Pa的结果，Pa为A的公钥。

3、B随机选择一个暴力破解出y，然后根据y解密Pxa，此时也知道了Pa。

4、B使用Pa加密x，使用y加密Pb发送给A。

5、A收到使用私钥解开x,则知道了y,使用y可以知道Pb。至此，A，B都知道y,以及对方的公钥。

从安全性上，即使第2步，第4步中，即使数据包被截获，攻击者也无法从m个x,Sx中破解出来需要的y,也无法知道双方的公钥。

该优化方案还解决了另一个问题，就是公钥的分发问题。现在常用的公钥分发都是先将公钥存储在集中的数据库中，然后到数据库中获取对应的公钥，但是由于事前用户并不知道需要跟谁通信，因此就必须保证用户计算机与数据库服务器是连通的。而此方法并不需要中心化的数据库来支持分发，只需要通信双方能够知道对方存在即可。

作者：感谢HPB蓝莲花团队整理供稿。

注：如有问题请在下方留言联系我们技术社群。

汪晓明博客：http://wangxiaoming.com/

汪晓明：HPB芯链创始人，巴比特专栏作家。十余年金融大数据、区块链技术开发经验，曾参与创建银联大数据。主创区块链教学视频节目《明说》30多期，编写了《以太坊官网文档中文版》，并作为主要作者编写了《区块链开发指南》，在中国区块链社区以ID“蓝莲花”知名。

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