加密貨幣如何使用密碼學？
密碼學入門指南
當 Bitcoin 協議於 2009 年上線時，世界迎來了一種全新的貨幣系統，其安全性與發行方式與傳統貨幣完全不同。
美元或日圓等法幣，其安全性由對傳統銀行系統的信任所保障，並由各國的中央銀行發行。任何新貨幣的發行都基於各國政府決定的靈活貨幣政策。從某種意義上說，法幣的背後是個別國家金融實力以及保護這種實力的軍事力量。
另一方面，Bitcoin 以及其後所有因 Bitcoin 推出而產生的 加密貨幣，都是使用「密碼學」這項科學實踐來保障和發行的。
最終，Bitcoin 依循著一個預設的、由電腦控制的貨幣政策運作，任何個人、公司或政府都無法改變。Bitcoin 用戶不是信任政府或機構，而是信任密碼學和協議的透明規則集，這使得它無論市場價格或市場情緒如何，都能可靠地運作。
什麼是密碼學？
密碼學是研究資訊加密與解密的學問。簡而言之，它是一種改變訊息的實踐，使只有發送者和預期接收者才能理解該訊息。
如果加密訊息被非預期接收者攔截，密碼學將使其幾乎不可能理解其中包含的資訊。
密碼學最早的例子之一可以追溯到公元前 7 世紀，當時古希臘人將寫有秘密訊息的皮革條纏繞在木棍上 – 這是一種稱為 scytale 的加密方法。一旦解開，皮革條上會有一串文字，只有擁有相同直徑木棍的人才能解讀。
在戰爭時期，密碼學在保護分散部隊之間可能被攔截的通訊方面發揮了至關重要的作用。在第二次世界大戰中，使用密碼學解密來自 Enigma 密碼機的納粹加密無線電傳輸，對結束歐洲入侵至關重要。
快轉到今天，密碼學在 Bitcoin 等加密貨幣 的安全性與發行中扮演著基礎性的角色。
密碼學是加密貨幣的重要組成部分，用於：
- 創建加密錢包密鑰對
- 透過挖礦過程發行新的 Bitcoin
- 數位簽署交易訊息
Bitcoin 如何使用密碼學？
網路安全
用於挖礦 Bitcoin 的計算資源總和，有助於保護網路免受網路攻擊。這統稱為網路的「hash rate」。網路上礦工越多，hash rate 越高，以 51% 多數壓倒網路所需的計算能力就越大。
51% 攻擊是公共區塊鏈網路面臨的最大威脅之一。惡意行為者若能匯集足夠資源，控制區塊鏈至少 51% 的 hash rate，就能夠阻止入站交易、改變交易順序和雙重支付資金。然而，透過使這個過程在計算上變得困難，Bitcoin 網路可以防止惡意行為者控制網路。
不可篡改性
SHA-256 雜湊也負責讓基於區塊鏈的交易不可篡改。
一旦交易捆綁到新區塊中並由網絡中所有其他志願者驗證，每個交易訊息都會使用 SHA-256 加密演算法進行雜湊。
這些已被雜湊的交易會再有系統地成對雜湊在一起，以創建所謂的「Merkle 樹」。交易對會被雜湊，直到區塊內的所有交易最終都由單一雜湊值表示。這個單一值成為 Merkle Root 並儲存在區塊標頭中。
由於雜湊是確定性的，意思是相同的輸入總會創建相同的唯一輸出值，因此惡意行為者任何篡改交易區塊的嘗試都將導致一個全新的 Merkle Root 值。系統中的其他志願者將能夠看到被篡改的 Merkle Root 與有效區塊的比較，並拒絕它，從而一致地防止腐敗。
無需信任的操作
加密演算法的確定性允許網絡用戶無需信任的中介機構來驗證和處理支付，即可交易 bitcoin。
透過保持去中心化並消除人為干預，交易可以顯著加快處理速度，而且費用通常比傳統銀行解決方案便宜得多。
Bitcoin 使用什麼密碼學？
生成私鑰和公鑰
Bitcoin 使用橢圓曲線密碼學 (ECC) 和安全雜湊演算法 256 (SHA-256) 從各自的私鑰生成公鑰。
公鑰用於創建加密錢包地址以接收入站交易，而私鑰則用於簽署交易並證明資金所有權。
您可以將私鑰想像成您的銀行提款卡密碼，而公鑰則像您的銀行帳號。黑客需要兩者才能對您的財務做些不當之事。
私鑰是金鑰對的關鍵部分，並儲存在加密錢包中。從技術上講，加密錢包儲存了個人對其加密資金的存取權限，而不是加密貨幣本身。資金本身只是記錄在區塊鏈上的數據條目，並可以使用儲存在您錢包中的金鑰來識別和解鎖。
橢圓曲線密碼學
ECC 是利用一種水平對稱的特殊數學曲線。如果您在這條曲線中畫任何一條線，它最多會與形狀相交三次。ECC 是加密貨幣的重要組成部分，也是允許用戶生成公鑰的關鍵。
要生成 Bitcoin 金鑰對，您必須首先創建一個私鑰。
Bitcoin 私鑰是一個隨機生成的 256 位數字（介乎 1 和 2²⁵⁶ 之間，即 2 的 256 次方 — 一個難以置信的巨大數字！）。在 Kraken 等服務上，當設置新的加密錢包時，此數字會自動創建。
然後使用橢圓曲線乘法從這個數字生成公鑰。這涉及在橢圓曲線上取一個起點（稱為生成點），並將其乘以隨機私鑰數字，以在曲線上產生一個新點。
這個新點成為具有特定 x 和 y 座標的公鑰。在知道公鑰的情況下找到私鑰幾乎是不可能的，因為要猜測一個隨機的 256 位數字是何等困難。正確猜測的機率約為 1.5 x 10 的 68 次方分之一。
從理論上講，一台擁有超過 13,000,000 個物理量子位元的量子電腦才能在一天內找到這個數字。迄今為止，世界上最先進的量子電腦之一，IBM Eagle 處理器，僅擁有 127 個量子位元（或所需量子位元數量的 0.00097%）。
換句話說，加密貨幣使用的系統，至少目前而言，是完全安全的。
SHA-256
為了創建比特幣錢包地址，x 和 y 座標會透過 SHA-256 演算法處理。
這項加密雜湊函數由美國國家安全局 (NSA) 於 2001 年開發並發布，其主要功能是將任何輸入（在本例中為公鑰座標）轉換為獨特的、固定長度的 256 位元代碼。
此代碼以 64 個字元的十六進制格式呈現，其中包含 0 到 9 的數字以及 A-F 的字母。
ECC 和 SHA-256 加密函數被稱為「單向」或「確定性」函數。這表示它們只能單向運作，無法逆轉以揭示原始輸入。
雖然可以從私鑰創建公鑰，但不可能逆轉此過程以揭示私鑰。同樣地，也無法嘗試找出用於創建比特幣錢包地址的公鑰。只有公鑰持有者擁有該資訊，並能用它來證明比特幣錢包地址的所有權。
需要更好的方式來理解這點嗎？想像一下，有人從多種不同顏色的顏料中混合，這些顏料來自我們之前提到過的 150,000 萬億萬億萬億萬億萬億萬億萬億萬億種選擇，以創造一種獨特的顏色。
如果您知道正確顏料的確切份量，您就能重現完全相同的顏色。但如果您不知道呢？嘗試逆轉這個過程幾乎是不可能的。
這本質上就是這些單向加密函數的運作方式，它們使得輸入在與輸出比較時無法辨認。
發行新比特幣
挖礦是比特幣區塊鏈採用的工作量證明共識機制的一部分，旨在選擇誠實的參與者來添加新的資料區塊。
它透過使用 SHA-256 雜湊來完成這項任務。數千名網絡志願者 – 被稱為挖礦節點 – 使用專為每秒生成數兆個雜湊而構建的電腦互相競爭。
礦工首先從鏈中最新的區塊中提取區塊標頭 – 該部分包含有關區塊的所有頂層資訊，包括其時間戳、礦工需要超越的目標值及其他關鍵組成部分 – 並調整稱為 nonce 的數字。
Nonce 是一個助記符號，代表一個只使用一次的數字。它是區塊標頭中可以更改以創建新雜湊值的部分。
基於加密技術的挖礦競爭的目標很簡單。礦工使用他們的機器自動調整區塊標頭中的 nonce 數字，並將其透過 SHA-256 雜湊演算法運行以產生一個值。
無論哪位礦工產生的值，其開頭的零數量與目標值相同或更多，該礦工就會贏得競爭。如果該值未能擊敗目標值，礦工會再次調整 nonce 數字，重新雜湊區塊標頭並產生一個新值。
此過程會重複進行，直到有人成功為止。
新鑄造的比特幣根據其創建者中本聰預先編程到比特幣原始碼中的固定發行時間表，獎勵給每一位成功的礦工。
密碼學在處理比特幣交易並透過挖礦過程確保網絡安全方面扮演著至關重要的角色。您可以查閱 Kraken Learn Center 的文章 什麼是比特幣挖礦？ 以了解更多資訊。
數碼簽章
數碼簽章對於寄件者證明他們擁有與特定公鑰相對應的私鑰至關重要，而 無需向任何人揭露其私鑰。
Bitcoin 使用橢圓曲線數碼簽章演算法 (ECDSA) 以加密方式批准並從加密錢包發送交易。
這涉及到寄件者獲取一個雜湊交易訊息 – 其中包含收件人的錢包地址、正在發送的 BTC 數量、任何相關費用以及 Bitcoin 的原始來源 – 將其私鑰添加進去，並使用另一種單向數學過程創建數碼簽章。
更具體地說，這涉及到一個類似於上述從私鑰創建公鑰的過程，並增加了一些額外步驟。
會創建一個隨機數（類似於私鑰），然後將其與用於創建錢包公鑰的相同生成點相乘，以在橢圓曲線上創建一個新點。我們將此稱為 A 點。
然後將 A 點的 X 坐標與寄件者的私鑰相乘，並添加到雜湊交易訊息中。所有這些隨後除以起始時生成的隨機數，以產生一個新值。此值用作數碼簽章。
為了驗證數碼簽章，收件者在橢圓曲線上推導出兩個點。首先，訊息除以數碼簽章值以獲得生成點。然後，生成點的 X 坐標除以數碼簽章值，以揭示曲線上的第二個點。
最後，通過這兩個點繪製一條線，會產生橢圓曲線上的第三個也是最終的點。這個最終點的 X 坐標應與 A 點完全相同，從而證明數碼簽章是使用正確的對應私鑰創建的。
值得慶幸的是，數碼加密錢包會自動執行所有這些驗證過程，無需用戶進行任何輸入。
密碼學為何重要？
密碼學在保護加密貨幣網絡免受損害方面發揮著至關重要的作用，同時也提供了一種無可辯駁的方式來證明資金所有權，而無需強迫用戶放棄其敏感的私鑰資訊。
沒有它，加密貨幣網絡可能被迫依賴受信任的中心化中介機構來保護其資訊和促進支付—這完全違背了公共區塊鏈加密貨幣的去中心化性質。
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