【科技創新】區塊鏈必知的密碼學!一次搞懂對稱、非對稱加密與數碼簽署 - Technology - 2021-11-23
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【科技創新】區塊鏈必知的密碼學!一次搞懂對稱、非對稱加密與數碼簽署

23rd November, 2021| In Technology

想要購買比特幣,就要擁有比特幣錢包,而比特幣錢包究竟是如何形成有效的交易與安全機制?當中涉及了大量的區塊鏈技術與密碼學知識,而首要任務先搞懂什麼是對稱加密、非對稱加密與數碼簽署,才能進一步了解比特幣錢包中公匙與私匙間的關係與運作。

對稱加密:加、解密皆使用同一把密匙



基礎密碼學中有兩種加、解密方式,分別為:對稱式加密(Symmetric Encryption)與非對稱式加密(Asymmetric Encryption)。

「對稱式加密」簡單來說,就是傳送方與接收方在加密、解密的過程中都是使用同一把密匙。運作原理如下圖所示:



在密碼學中,傳送方要傳給接收方的可讀資訊稱為明文(Plain text),而明文經過加密後的資訊就稱為密文(Ciphertext),密文經過解密還原得來的資訊就是明文。

由上圖可得知,雙方都擁有這把鑰匙,當傳送方要傳送資訊時就使用這把鑰匙進行加密,而接收方在收到訊息後,用同一把鑰匙進行解密,就能解開訊息了,而其他的密匙則無法解密。常用的對稱加密算法有AES、ChaCha20、3DES、Salsa20、DES等。

然而,對稱加密的速度雖快,卻有個很大的問題,就是要如何安全地將這把密匙傳給對方?若是這把密匙在傳送過程中被攻擊者給攔截且複製了,那麼攻擊者便可以輕鬆地在雙方都不知情的情形下,查看、甚至竄改之後所有攔截到的加密訊息。

因此,就需要更進階的「非對稱式加密」算法去解決這部分的問題。

非對稱加密:加、解密分別使用兩把不同的密匙



「非對稱式加密」就是每個使用者都擁有兩把密匙,一把「私匙」(Private key),另一把為「公匙」(Public key)。公匙可以被廣泛地發佈與流傳至網路中,而私匙則必須由使用者自己保管、不與他人共享。

而由公匙加密的訊息,只有私匙才能解密,反之,由私匙加密的訊息,只有公匙才能解密;也就是說,當訊息由其中一把密匙加密後,就必須用另一把密匙來解密,加、解密的鑰匙必須是完整的一對。運作原理如下圖所示:



由上圖可得知,雙方在傳送訊息之前,先把彼此的公匙傳給對方,傳送方再用接收方的公匙將訊息加密,而接收方在收到加密訊息後,只有用接收方自己的私匙才能解密,而雙方之間不須擁有對方的私匙就能完成加、解密。

因此,即使有心人士拿到公匙,但只要沒有取得接收方的私匙,就無法完成解密。而常用的非對稱加密算法有RSA、Elgamal、Rabin等。

但此時還有個問題,接收方要如何才能確認該訊息是由傳送方傳送的?假設攻擊者設法取得接收方的公匙,假造一封有病毒的訊息,接著再用接收方的公匙進行加密並傳送出去,而接收方誤以為是傳送方所傳來的,用自己的私匙進行解密後就會遭受到攻擊。

為避免這種情況發生,就會需要數碼簽署(Digital Signature)來做二次驗證。

數位簽章:用私匙做簽名,用公匙確認私匙簽名的訊息


「數碼簽署」(Digital Signature)指的就是,傳送方將要傳送的訊息先用自己的私匙簽名,因為私匙只有本人才有,因此,若訊息有被私匙加密過,就能確認該訊息是由傳送方本人所傳的。運作原理如下圖所示:



由上圖可得知,雙方先取得彼此的公匙,傳送方要將訊息傳給接收方時,除了用接收方的公匙進行加密外,也用自己的私匙對該封訊息簽名,這個步驟就是傳送方所做的「數碼簽署」,以證明該訊息是由傳送方本人所發送。

這樣當接收方收到訊息時,可用傳送方的公匙來確認是對方的數碼簽署無誤後,接著使用接收方自己的私匙進行解密,以完成雙重保障。

如此一來,即使有攻擊者取得了雙方的公匙,且在傳送過程中攔截到該封加密訊息,但還必須同時擁有傳送方與接收方的私匙,才能成功查看、竄改訊息來完成攻擊。

*資訊參考來源:blockcast、zombit、Bitcoin Magazine、samsonhoi




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