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发布于 4周前 阅读数 6936

比特币前传系列(一):70年代-密码学三剑客传奇

第一部分 前言

如果您问人们比特币或加密货币从何而来?您会得到很多答案,如果答案正确,他们很可能会对事实含糊不清。许多人不知道的是,比特币是一种由密码朋克运动诞生的创造。它起源于70年代,但始于90年代,它与美国政府围绕数字自由的不公正现象作斗争,并开创了现代的个人隐私权。

虽然你可以通过谷歌等搜索引擎很容易找到关于密码朋克的资料,但你可能很难深刻地理解全貌,除非你了解这个运动本身的历史背景和意义。您必须了解谁发动了密码朋克的运动?这些想法从何而来?

其实,早在比特币问世之前,就有一系列加密货币技术和哲学的观点充斥在各种技术圈。

为此,我将撰写一系列文章来重点介绍密码学,所有加密货币的基本机制以及随着时间的推移形成的隐私保护哲学观点。我们将在以十年为阶段的70年代,80年代,90年代和千禧年代进行探索。

本系列将分一下部分进行阐述:

  • 第一部分-70年代:如何通过公开密钥密码学的发布使密码学知识民主化
  • 第二部分-80年代:去中心化服务,匿名通信网络和数字现金的起源
  • 第三部分-90年代:密码朋克的兴起
  • 第四部分-千禧年代:因密码朋克运动而产生的新技术与新应用
  • 第五部分-比特币:比特币和早期数字货币的设计

本系列将是一本长篇读物。它既不是写给市场人员的知识普及小册子,也不是中篇小说,更不是普通的简短而有意思的小品文。要真正了解这些内容,历史背景很重要,花时间去学习并了解这些知识将是一项重要的投资,将为您在数字货币投资领域驰骋具有重要的参考价值。

介绍

要想了解加密货币及其历史,我们要从哪里开始呢?

首先,我想谈一谈70年代和公钥密码技术的创建。尽管您可能像我第一次研究密码学时那样,对70年代尘土飞扬的黑白图像嗤之以鼻,但您必须意识到这十年对密码学近四十年的发展有多么的重要。

直到70年代,主要是军方在使用加密技术来保护军事通信。密码学的研究主要是由情报机构(如GCHQ,NSA等)或由IBM等获得政府或军方许可的研究实验室进行。尽管有小部分的密码技术用于商业领域,但公众很少知晓该知识。这时,Hellman,Diffie和Merkle三位密码学家发行的公共密码学打破了现代密码学的这种局面。他们的研究工作引起了人们对密码学的第一次广泛关注。

什么是公钥密码技术?

密码学是一种保护信息免遭“敌人”或无权获取信息的人窃取信息的做法。它是确保信息真实性和完整性的基本机制,也是最终使区块链和加密货币成为可能的技术。

公钥密码术是使用密码术的一种转变,现在可以保护大多数加密货币协议。

公钥的工作原理?

本质上,公钥加密技术使人们可以通过不安全的通道将加密的信息发送到公共地址。而且只有拥有公用地址的相应私钥的人才有权访问并解密信息。私钥还用于签名和验证发送出去的信息,以验证其来源的合法性,如现已非常普及的CA证书。

就加密货币而言,虽然人们可以将比特币发送到公共地址并查看某账号持有多少比特币,但只有拥有相应私钥的所有者才能使用(如发送)比特币。

三位早期密码学家的故事

在70年代,有三位重要的密码学家,分别是Martin Hellman,Whitfield Diffie和Ralph Merkle,他们对打破军方和政府对密码学知识的掌控,做出了非常卓越的贡献:

马丁·海尔曼(Martin Hellman)的故事。

Hellman从小就受到作为高中物理老师的父亲的熏陶。他记得:

“父亲在书架上放着一些书,我会取下来阅读一些东西。其中包括一本《Ganot的物理学》,这是他购买的一本1890年代出版的古老的物理课本。显然,这本书对他来说,也是一件古董。而我七年级做的科学实践项目就是从这本书中受到启发而做的。因此,我从小就对科学产生了浓厚的兴趣,但对密码学并不特别感冒,我喜欢数学。”

早期事业

在Hellman对科学产生兴趣之后,他选择去纽约大学学习了电气工程,并于1967年在斯坦福大学完成了电气工程的硕士学位。他非常适合学术界,他在学校里度过了一段愉快的时光。

也许他曾经在某个时候学习过密码学,但是直到后来他再也没有与计算机科学领域有太多联系。相反,他很早就受到事业的驱动,早就规划好了自己的生活:他设想将在35岁时结婚,在那之前,他将环游世界,从事大型企业的管理工作。

他在22岁时着手以某种神秘的思维方式(称为“决策逻辑”)完成了博士学位。

具有讽刺意味的是,在进修博士学位的第一年,他结婚了。这并没有让他放慢脚步,在他开始博士学位后的两年内,即24岁时,他取得了早期的突破。他发表了他的论文《学习有限记忆》。

之后,他继续着他设计的宏伟人生计划,前往IBM工作。

哈里·菲斯特(Harry Feistel)和彼得·埃里亚斯(Peter Elias)的早期影响

取得博士学位后,在企业任职工作并拥有更多金钱,和在环游世界之间,他决定:“不用了,我不想穷。”。因此,他去了纽约的Thomas J. Watson研究中心为IBM工作。Hellman在模式识别部门工作,负责通过机器识别技术从照片中识别数字(验证码)。

尽管Hellman的工作与密码学无关,但IBM拥有自己的部门,专门从事密码学研究。在该部门,他遇到了一位名为Horst Feistel的德国研究员,并建立了深厚的友谊,Feistel向Hellman介绍了密码学。他们经常共进午餐,讨论密码系统和那些看似无法解决的问题。Hellman将Feistel视他为最大的早期影响者之一,并为之后为政府设计数据加密标准(DES)打下了基础。

随着他心理上的成熟以及妻子的怀孕,他问自己:“我真的是想环游世界,还是和家人在一起,拥有更多的时间?”。 这是几乎所有人都必须面对的永恒难题:妻子、孩子与金钱。

在选择家庭后,他成为了麻省理工学院电子工程系的助理教授。在这里,他遇到了麻省理工学院电子工程系主任彼得·埃里亚斯(Peter Elias),后者与被誉为“信息论之父”的克劳德·香农(Claude Shannon)合作研究。事实上,他们发明了第二次世界大战中使用的现代加密技术。

与Peter见面后,Peter给了Hellman一份香农写的具有里程碑意义的论文:《通信数学理论》(1948年版)。这对Hellman的一生产生了重要影响,完成了他对密码学的数学理解。

他与Elias成为很好的朋友,加深了他对加密技术的迷恋程度。Hellman认为Elias是影响他的密码哲学思想的另一个关键部分。

比特币前传系列(一):70年代-密码学三剑客传奇

公钥

进一步研究

1971年,Hellman返回斯坦福大学,这次担任助理教授,并继续进行他的决策研究。1971年底,他开始从事密码学研究。

他在斯坦福大学的同事和朋友不支持他的决定。Hellman说:“他们告诉我我疯了”,但有趣的是,在一定程度上,他同意他的同僚的观点。

但是,由于他的知识专长和以前在IBM和MIT的工作所带来的经验,他相信加密技术在未来将具有重要的商业价值。

经过不懈研究,他于1973年发布了他的第一篇有关加密技术的研究报告。1973年,一位名为Whitfield Diffie的研究员与他联系。

惠特菲尔德·迪菲(Whitfield Diffie)的故事

与Hellman相反,Diffie早在10岁时,就首次接触了密码学,当时他的父亲是历史学教授,他从当地图书馆带回了家庭密码学书籍。他热爱数学,但讨厌上学。Diffie“从来没有像父亲希望的那样专注于自己”。

聪明的Diffie顺利通过了MIT的入学考试。在MIT学习数学时,他尝试自学编程,但却将编程视为“非常低级的工作”,相反,他更乐意将大部分时间花在研究纯数学上。

在Diffie毕业时,美国政府开始征召年轻男子到越南打仗,Diffie对战争并不感兴趣,因此,他从事软件开发工作和其他所谓“低级工作”。同时,他还开始在麻省理工学院的MAC项目的人工智能实验室“兼职”,该实验室由两个非常聪明的人:Marvin Minsky和John McCarthy(发明了LISP语言)运营。

Diffie与John有着非常牢固的关系,并从他那里学到了很多东西。也许当时包括Diffie在内的许多人都不知道,后来的McCarthy被视为了人工智能之父。McCarthy认为:“原则上可以精确地描述学习的每个方面或智能的任何其他特征,从而可以制造出机器来对其进行仿真。”。McCarthy非常关注未来,相信这种智能的概念将在“五到五百年”中出现。在他的指导下,Diffie接触了他的计算哲学,并对网络,电子密钥和身份验证有了深刻的理解。Diffie随后跟随McCarthy到斯坦福大学,并加入到他负责的斯坦福大学人工智能实验室(SAIL)。

Diffie在斯坦福大学期间,读过大卫·卡恩(David Kahn)的书《密码破解者:秘密写作的故事》。它总结了从古埃及到当时的密码学历史,这些知识深刻地影响了Diffie对隐私的信仰。

Diffie于1973年离开了SAIL,第二年在全国各地到处与不同的专家见面并讨论密码学。

他回忆说:“我正在做我擅长的事情之一,就是在图书馆里挖掘稀有的手稿,并四处拜访大学的朋友们。”

1974年,作为研究的一部分,他访问了约克敦高地的IBM Thomas J. Watson实验室,与密码学研究团队会面。当时,该实验室是由Hellman进入密码学的引路人Horst Feistel领导的。

Diffie来访时,他所学的很多东西都没有被国家安全局(NSA)分类,而是被转给了斯坦福大学教授马丁·赫尔曼(Martin Hellman)从事密码学的研究。

“1974年秋天,我与Diffie相见,我永远不会忘记这一天,”,Hellman在2011年的一次采访中提到。

通过朋友推荐,Hellman在1974年与Diffie见面。

Diffie是下午来的,然后在晚上11点离开。会面经历了数小时的讨论。不久之后,Diffie到一个本地研究小组就职,就像他的第一份工作一样,很快他与Hellman一起在密码学方面所花的时间远远超过了在其他方面研究的时间。

数据加密标准(DES)

1975年初,政府发布了DES加密算法。它是第一个被批准用于公共和商业用途的密码算法。NSA推动了金融服务和其他需要高度加密的商业部门(如SIM卡,网络设备,路由器和调制解调器)采用DES。

在DES之前,军方和政府将密码技术与军火等具有军事性质的技术和物品归为一类。必须在非常严格的授权下才能使用,与加密有关的所有工作均由NSA进行分类。DES是加密技术首次被公开批准使用。

比特币前传系列(一):70年代-密码学三剑客传奇

公钥

(70年代来自国家安全局的库存图片)

DES的设计方式

国家标准局(现称为国家标准技术研究所,NIST)于1972年进行了一项研究,意识到了需要国家加密密码。他们于1973年和1974年向美国各地的研究中心征求了设计建议,1974年,IBM构思了一种名为Lucifer的密码算法。Lucifer的设计由IBM的Horst Feistel领导。

该密码是对以前开发的密码的改进,符合NSA的设计要求。Lucifer与美国国家安全局(NSA)进行了密切的合作,他们希望将密钥大小从64位减少到48位(从根本上讲,这意味着需要更少的处理能力来加密和解密)。他们最终决定将密钥大小减小到56位。

Hellman和Diffie的批评

Hellman和Diffie最初张开双臂拥抱DES,因为他们认为这是将加密技术引入公众视野的重要一步。但是当他们进一步研究后,发现缩短的密钥长度更容易受到暴力攻击。

更重要的是,在研究人员中,IBM团队指责NSA篡改密码。密码发送到华盛顿以供批准后,返回的是一个经过修改的S-box(密码的一部分,它将纯文本转换为密文)。

上世纪70年代,人们普遍对政府不信任。这种警惕源于第二次世界大战后的时期,公众对政府的侵犯公民隐私保持了高度的警惕。公众的恐惧反映在1984年的Orwell以及其他流行文件中,这些文件探讨了政府的监督,对社会的控制以及人身自由。这种情绪一直持续到60年代,在这一十年中,发生了肯尼迪被暗杀,古巴导弹危机和黑人权利和同性恋权利等社会政治运动。进入70年代后,1972年的水门事件使情况更加恶化,围绕尼克松总统授权的民主党全国委员会总部窃听事件引起了巨大争议。人们普遍认为,国家安全局已建立了一种可以破解用户隐私的密码系统。

默克尔(Merkle)的故事

DES发布后不久,海尔曼(Hellman)和迪菲(Diffie)发表了一篇名为《多用户密码技术》的技术论文,他们很快就认识了拉尔夫·梅克尔(Ralph Merkle),一个来自伯克利的23岁的计算机科学学生(海尔曼当时30岁,迪菲只比海尔曼大一岁)。

Merkle的谜题

在遇见Hellman和Diffie之前,Merkle已经在研究他自己的公钥加密问题,这后来被称为Merkle的谜题。他在计算机科学CS244课程上开始研究他的想法,在那里他偶然发现了一个谜题:当敌对的敌人已经知道一切时,如何重新建立安全的通信?他需要为课程完成一个项目,这似乎是他发展自己想法的最佳方式。

当我想到当窃听者知道所有信息,并且窃听者可以监听通信时,如何建立安全的通讯?

所以我的第一个想法是:看起来你不可能做到,所以我会试着证明这是不可能的。所以我试着证明你们无法建立安全,我试了又试,又试但都失败了。

然后我又想了想,我说:“好吧,如果我不能证明你做不到,那我就去找个方法来做。”当我试着想出一个方法来做这件事的时候,我试着证明你做不到的时候,我知道我的证明中哪里有漏洞,可以说,我知道我可以在哪里尝试。所以我在这些地方工作,你瞧,这是可能的。我可以利用我的证明中的裂缝来找到一个方法,当我弄明白怎么做的时候,就出现了一个传统的“顿悟时刻”,我对自己说:“哦,是的,这可行,我能做到。”

这发生得非常迅速。那是一整晚熬夜思考后意识到“哦,天哪,我能做这件事。这看起来很违反直觉,但我确实能找到钥匙。我可以在一个开放的通信线路上建立一个密码密钥,即使敌人,入侵者,窃听者知道一切。”

由于没有关于密码学的理论或历史知识,他不知道这个问题是如何被认为是无法解决的。

他把所有的东西都写在一张纸上,与大家一起分享。安全课程的班主任无法理解他的工作,让默克尔滚蛋。当他把他的研究提交给CACM,一个很受尊敬的计算机科学杂志时,他被拒绝了。但这一次,不是因为它毫无意义,而是因为编辑认为他的工作内容“……不是目前密码学的主流思想….”。

比特币前传系列(一):70年代-密码学三剑客传奇

公钥

20世纪70年代的CACM版封面

然而,他还与一位名叫彼得·布拉特曼(Peter Blatman)的计算机科学家分享了这份报告,后者立即注意到了他工作的价值。默克尔不知道的是,布拉特曼是迪菲(Diffie)的朋友,Diffie邀请他去斯坦福参加密码学会议。在一次乘车旅行中,布拉特曼简要地概述了默克尔正在解决的问题。

显然,迪菲多年来一直困扰着同一个问题,在听说某个年轻的计算机科学学生可能解决了这个问题后,他突然爆发了。但当迪菲再次平静下来后,他对这种解决方案的可能性感到兴奋。

Hellman和Diffie最近提交了一篇论文,在假设公钥加密是可能的情况下探索了它的应用。迪菲给了布拉特曼一份副本并转交给默克尔。

“在斯坦福,有些人说话和你一模一样。”

看完他们的作品后,默克尔把他的论文寄了过来。当另外两位读了之后,他们的思维方式完全改变了。尽管默克尔很年轻,而且完全缺乏密码知识,但他的创造力已经解决了公开密钥分发的问题。这位23岁的年轻人成功地实现了学者们多年来努力的目标。

但海尔曼和迪菲发现他的解决方案效率低下。由于他们对密码的理解,他们找到了一个更紧凑的密钥分发问题的解决方案,并提出了一种新的公钥密码学。很快,他们的概念被写成了一篇论文,名为《密码学的新方向》。

在他们的合作之后,默克尔去了斯坦福,接受了海尔曼的邀请,成为他手下的一名博士生。

比特币前传系列(一):70年代-密码学三剑客传奇

公钥

上图左边是默克尔,中间是海尔曼,右边是迪菲(1977)

密码学新方向

1976年11月,一篇论文《密码学的新方向》发布了。它讨论了密码学、公钥密码学和促进认证通信的协议的基本问题。

默克尔因其独立的工作而受到赞誉,但最终通信协议被命名为:Diffie-Hellman密钥交换算法。尽管如此,在1977年,当公开密钥加密获得专利时,默克尔被认为是三个发明者之一。迪菲认为默克尔“可能是公开密钥传奇中最具创造力的人物。”

该系统后来被称为Diffie-Hellman密钥交换系统。虽然该系统最初是由Diffie和我在一篇论文中描述的,但它是一个公钥分发系统,这是由Merkle开发的概念,因此如果要与它相关联的话,应该被称为“Diffie – hellman – Merkle密钥交换”。我希望这个小讲坛能够帮助人们认识到默克尔对公钥加密技术的同样贡献。

——马丁·赫尔曼(2002)

比特币前传系列(一):70年代-密码学三剑客传奇

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本文中讨论的概念用于设计和保护我们今天使用的区块链。他们在最后指出,这份文件的目的之一是:

激励其他人在这个令人着迷的领域工作,在最近的过去,由于几乎完全的政府垄断,参与已经被劝阻-选自《密码学新方向》

这是第一次,公众可以接触到强大的加密技术。他们的工作打破了少数人对密码知识的控制。由于人们对政府的DES密码越来越不信任,论文中的技术引发了公众对密码学和加密技术的第一波兴趣。

后来有消息透露,海尔曼、迪菲和默克尔并不是公开密钥密码的第一个创始者。英国情报机构(GCHQ)的研究人员最初创建了一种这种算法,并将其应用到一种算法中。虽然国安局能看到这些信息,但这些信息都是保密的,而且无人知晓。

从现在来看,假设这三个人从未发布过公钥加密。我们的世界可能会非常不同。

海尔曼、迪菲和默克尔的出版物成功地激发了一波新的创新浪潮,这一浪潮持续了几十年,而政府机构却将他们的发现保密。这种对比非常突出了密码学和其他科学中开放协作工作的重要性。

在论文的第一行,它恰如其分地这样开头:

"我们今天正处在密码革命的边缘"

当海尔曼和迪菲继续研究密码学的时候,默克尔也继续着他的出类拔萃。在70年代的剩余时间里,默克尔作为海尔曼和迪菲的学生,继续在80年代影响密码学;后来又发明了密码散列(哈希)。

70年代的尾声

以上三位密码学家打破了密码学的障碍。进入上世纪80年代,另一位伟大的密码学家——大卫·乔姆(David Chaum)——基于这三位密码学家的伟大工作,将匿名通信、支付以及最终分散服务的需求进行了概念化。然而,如果没有赫尔曼、迪菲和默克尔的杰出贡献,乔姆也无法取得辉煌的成就。

(未完待续)

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