Neo中hash算法，加密算法使用介绍 - 区块链技术 - BitMere

区块链是基于加密算法，共识算法，p2p网络和经济激励的一个系统，加密算法在里面起到了非常关键的作用，总结一下Neo使用到的加密算法吧。
关于区块链中密码学的介绍，yeasy大牛的文章已经介绍的非常好，下文主要通过和Neo结合，加上一些自己的理解，去讲述一下加密算法的使用方法。
Hash 算法
Hash （哈希或散列）算法是信息技术领域非常基础也非常重要的技术。它能任意长度的二进制值（明文）映射为较短的固定长度的二进制值（Hash 值），并且不同的明文很难映射为相同的 Hash 值。

注意上一篇文章说明了如何将hash后的字符串保存到Neo的UInt256类型，其中一个前提就是结果集合在[0-15]之间。
哈希完全不等于加密，很多时候开发人员都对用户表中的密码进行哈希后保存，实际上不叫做加密，只是相当于把密码的“特征指纹”保存下来，而对非法攻击者来说，在不知道真实的“密码”的情况下，得到有相同指纹的密码是极为困难的。
一个优秀的 hash 算法，将能实现：
正向快速：给定明文和 hash 算法，在有限时间和有限资源内能计算出 hash 值。逆向困难：给定（若干） hash 值，在有限时间内很难（基本不可能）逆推出明文。输入敏感：原始输入信息修改一点信息，产生的 hash 值看起来应该都有很大不同。冲突避免：很难找到两段内容不同的明文，使得它们的 hash 值一致（发生冲突）。

目前，一般认为 MD5 和 SHA1 已经不够安全，推荐至少使用 SHA2-256 算法。
一般的，Hash 算法都是算力敏感型，意味着计算资源是瓶颈，主频越高的 CPU 进行 Hash 的速度也越快。
也有一些 Hash 算法不是算力敏感的，例如 scrypt，需要大量的内存资源，节点不能通过简单的增加更多 CPU 来获得 hash 性能的提升。
Neo中的hash算法
scrypt
scrpyt算法是由著名的FreeBSD黑客 Colin Percival为他的备份服务 Tarsnap开发的，当初的设计是为了降低CPU负荷，尽量少的依赖cpu计算，利用CPU闲置时间进行计算，因此scrypt不仅计算所需时间长，而且占用的内存也多，使得并行计算多个摘要异常困难，因此利用rainbow table进行暴力攻击更加困难。scrypt没有在生产环境中大规模应用，并且缺乏仔细的审察和广泛的函数库支持。所以scrpyt一直没有推广开，但是由于其内存依赖的设计特别符合当时对抗专业矿机的设计，成为数字货币算法发展的一个主要应用方向。
scrypt的参数
https://stackoverflow.com/questions/11126315/what-are-optimal-scrypt-work-factors
Cpercival mentioned in his slides from 2009 something around
(N = 2^14, r = 8, p = 1) for
scrypt特点
scrpyt的出名主要是因为莱特币为了抵抗比特币矿机采用的一个算法，可以指定内存和cpu的使用量，可以用参数确定hash的时间。
Neo中如何使用scrypt
// in NEP6Account
public NEP6Account(NEP6Wallet wallet,
            UInt160 scriptHash, KeyPair key, string password)
         : this(wallet,
            scriptHash,
            key.Export(password, wallet.Scrypt.N, wallet.Scrypt.R, wallet.Scrypt.P))
      {
         this.key = key;
      }
// in class KeyPair
public string Export(string passphrase, int N = 16384, int r = 8, int p = 8)
{
using (Decrypt())
{
      UInt160 script_hash = Contract.
         CreateSignatureRedeemScript(PublicKey).ToScriptHash();

      string address = Wallet.ToAddress(script_hash);
      byte[] addresshash = Encoding.ASCII.GetBytes(address)
         .Sha256().Sha256().Take(4).ToArray();

      byte[] derivedkey = SCrypt.DeriveKey(
         Encoding.UTF8.GetBytes(passphrase), addresshash, N, r, p, 64);

      byte[] derivedhalf1 = derivedkey.Take(32).ToArray();
      byte[] derivedhalf2 = derivedkey.Skip(32).ToArray();

      byte[] encryptedkey = XOR(PrivateKey, derivedhalf1)
         .AES256Encrypt(derivedhalf2);

      byte[] buffer = new byte[39];
      buffer[0] = 0x01;
      buffer[1] = 0x42;
      buffer[2] = 0xe0;
      Buffer.BlockCopy(addresshash, 0, buffer, 3, addresshash.Length);
      Buffer.BlockCopy(encryptedkey, 0, buffer, 7, encryptedkey.Length);
      return buffer.Base58CheckEncode();
}
}
可见SCrypt.DeriveKey方法参与了加密密钥的生成过程。后面解密也必然使用到了这个hash算法。所以该hash算法参与了加密过程，而加密密钥用AES256Encrypt生成。可以确定的是，使用该算法的逆过程，可以解密出密钥来，这个比WIF要安全。
Murmur3
MurmurHash 是一种非加密型哈希函数，适用于一般的哈希检索操作。[1][2][3]由Austin Appleby在2008年发明，[4][5] 并出现了多个变种，[6] 都已经发布到了公有领域(public domain)。与其它流行的哈希函数相比，对于规律性较强的key，MurmurHash的随机分布特征表现更良好。[7]
Murmur3特点
1.碰撞率低
2.计算速度快
3.擅长大文件的hash
Neo中如何使用Murmur3

Neo中Murmur3
Murmur3的具体算法，以后再研究，现在大致知道，Neo用Murmur3生成key，也在BloomFilter中使用了。
RIPEMD-160
Neo中用这个算法来生成短一点的hash值，script hash就是用了这个算法。
// in neo-compiler/neo/neo/Core/Helper.cs
public static UInt160 ToScriptHash(this byte[] script)
      {
         return new UInt160(Crypto.Default.Hash160(script));
      }
RIPEMD-160算法的特点
RIPEMD-160能表现出理想的雪崩效应 (例如将 d 改成 c，即微小的变化就能产生一个完全不同的哈希值):
加密算法体系
现代加密算法的典型组件包括：加解密算法、加密密钥、解密密钥。其中，加解密算法自身是固定不变的，一般是公开可见的；密钥则往往每次不同，并且需要保护起来，一般来说，对同一种算法，密钥长度越长，则加密强度越大。
加密过程中，通过加密算法和加密密钥，对明文进行加密，获得密文。
解密过程中，通过解密算法和解密密钥，对密文进行解密，获得明文。
根据加解密的密钥是否相同，算法可以分为对称加密（symmetric cryptography，又称公共密钥加密，common-key cryptography）和非对称加密(asymmetric cryptography，又称公钥加密，public-key cryptography)。两种模式适用于不同的需求，恰好形成互补，很多时候也可以组合使用，形成混合加密机制。
并非所有加密算法的强度都可以从数学上进行证明。公认的高强度加密算法是在经过长时间各方面实践论证后，被大家所认可，不代表其不存在漏洞。但任何时候，自行发明加密算法都是一种不太明智的行为。
对称加密
顾名思义，加解密的密钥是相同的。
对称加密优缺点
优点是加解密效率高（速度快，空间占用小），加密强度高。
缺点是参与多方都需要持有密钥，一旦有人泄露则安全性被破坏；另外如何在不安全通道下分发密钥也是个问题。
适用于大量数据的加解密；不能用于签名场景；需要提前分发密钥。
对称加密实现
对称密码从实现原理上可以分为两种：分组密码和序列密码。前者将明文切分为定长数据块作为加密单位，应用最为广泛。后者则只对一个字节进行加密，且密码不断变化，只用在一些特定领域，如数字媒介的加密等。
代表算法包括 DES、3DES、AES、IDEA 等。
DES（Data Encryption Standard）：经典的分组加密算法，1977 年由美国联邦信息处理标准（FIPS）所采用 FIPS-46-3，将 64 位明文加密为 64 位的密文，其密钥长度为 56 位 + 8 位校验。现在已经很容易被暴力破解。
3DES：三重 DES 操作：加密 –> 解密 –> 加密，处理过程和加密强度优于 DES，但现在也被认为不够安全。
AES（Advanced Encryption Standard）：美国国家标准研究所（NIST）采用取代 DES 成为对称加密实现的标准，1997~2000 年 NIST 从 15 个候选算法中评选 Rijndael 算法（由比利时密码学家 Joan Daemon 和 Vincent Rijmen 发明）作为 AES，标准为 FIPS-197。AES 也是分组算法，分组长度为 128、192、256 位三种。AES 的优势在于处理速度快，整个过程可以数学化描述，目前尚未有有效的破解手段。
注：分组加密每次只能处理固定长度的明文，因此过长的内容需要采用一定模式进行加密，《实用密码学》中推荐使用密文分组链接（Cipher Block Chain，CBC）、计数器（Counter，CTR）模式。
Neo中的AES
在钱包的加解密中，使用了该算法。
下图的代码在/neo/Wallets/Wallet.cs中，NEP是neo enhancement proposal的意思。参数nep2就是符合这个格式的一个Neo钱包文件。

拿到私钥
具体的过程，后面再仔细研究分享出来。
非对称加密
非对称加密是现代密码学历史上最为伟大的发明，可以很好的解决对称加密需要的提前分发密钥问题。顾名思义，加密密钥和解密密钥是不同的，分别称为公钥和私钥。公钥一般是公开的，人人可获取的，私钥一般是个人自己持有，不能被他人获取。
非对称加密优缺点
1.优点是公私钥分开，不安全通道也可使用。
2.缺点是加解密速度慢，一般比对称加解密算法慢两到三个数量级；同时加密强度相比对称加密要差。
非对称加密代表算法
非对称加密算法的安全性往往需要基于数学问题来保障，目前主要有基于大数质因子分解、离散对数、椭圆曲线等几种思路。
代表算法包括：RSA、ElGamal、椭圆曲线（Elliptic Curve Crytosystems，ECC）系列算法。
1.RSA：经典的公钥算法，1978 年由 Ron Rivest、Adi Shamir、Leonard Adleman 共同提出，三人于 2002 年获得图灵奖。算法利用了对大数进行质因子分解困难的特性，但目前还没有数学证明两者难度等价，或许存在未知算法在不进行大数分解的前提下解密。
2.Diffie-Hellman 密钥交换：基于离散对数无法快速求解，可以在不安全的通道上，双方协商一个公共密钥。
3.ElGamal：由 Taher ElGamal 设计，利用了模运算下求离散对数困难的特性。被应用在 PGP 等安全工具中。
4.椭圆曲线算法（Elliptic curve cryptography，ECC）：现代备受关注的算法系列，基于对椭圆曲线上特定点进行特殊乘法逆运算难以计算的特性。最早在 1985 年由 Neal Koblitz 和 Victor Miller 分别独立提出。ECC 系列算法一般被认为具备较高的安全性，但加解密计算过程往往比较费时。一般适用于签名场景或密钥协商，不适于大量数据的加解密。
RSA 算法等已被认为不够安全，一般推荐采用椭圆曲线系列算法。
Neo中的数字签名算法
在Neo中，也使用了非对称加密算法，我们通过代码来看看是如何使用的。
public virtual WalletAccount Import(X509Certificate2 cert)
      {
         byte[] privateKey;
         using (ECDsa ecdsa = cert.GetECDsaPrivateKey())
         {
            privateKey = ecdsa.ExportParameters(true).D;
         }
         WalletAccount account = CreateAccount(privateKey);
         Array.Clear(privateKey, 0, privateKey.Length);
         return account;
      }
X509Certificate2是数字证书，和我们在https里面使用的是一样的，从里面拿出私钥后，创建钱包。
总结
目前只是简单的介绍了一下Neo中加密算法的使用情况，这些加密算法的原理和实现也是很有意思的，后面看看怎么实现的，再分享出来。
参考资料
区块链技术指南
MurMurHash3, an ultra fast hash algorithm for C# / .NET
scrypt算法的前世今生（从零开始学区块链 192）
Wallet import format