“哈希函数、数字签名算法、加密算法是密码学三类基础算法，其中哈希函数是起源性技术。”

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火星财经APP（微信：hxcj24h）一线报道，12月7日，由中国科学院学部主办、中国信息通信研究院等单位联合支持的“区块链技术与应用”科学与技术前沿论坛在深圳开幕。中国科学院信息技术科学部郑志明院士、数学物理学部王小云院士等四位院士发表主题演讲，同时还有300余名来自政府和企业界的代表出席会议，围绕区块链与数字身份、监管科技、金融应用等话题展开讨论。

论坛现场，王小云院士从密码技术的角度介绍了区块链技术，阐述了密码学的重要性以及密码学的发展现状。她表示，密码是保障网络与信息安全的核心技术和基础支撑，区块链技术并不神秘，哈希函数、数字签名算法、加密算法是密码学三类基础算法，其中哈希函数是起源性技术。

她进一步解释称，哈希函数可以抵抗基于数据篡改的所有攻击，比如原像攻击、第二原像攻击等，可用于多类信息系统，数字证书、网上银行、电子支付、网络安全协议、数字货币、比特币、区块链、可证明安全密码等，“blockchain”其实是从哈希函数中提取的一个专业概念。

王小云现任清华大学高等研究院杨振宁讲座教授，2017年当选中国科学院院士，2019年当选国际密码协会会士(IACR Fellow)，同年获得未来科学大奖，该奖项被誉为“中国诺贝尔奖”，王小云为首位获奖的女科学家。

公开报道显示，MD5和SHA-1曾是最先进的国际通用密码，被专家认为需要运算100万年才有可能破解。2004年和2005年，这两大“固若金汤”的算法被王小云先后破解，在国际密码学界引发强烈“地震”。

以下为演讲全文：

密码技术为什么重要？

尊敬的王市长、各位来宾，我今天的报告是从密码技术的角度来介绍一下区块链技术，这个报告我最近作了很多次，可能有一点点变化，但我还是想从底层技术层面介绍一下区块链的密码含义是在哪里。

首先我介绍一下密码学的重要性，对区块链技术发表一点个人感想，区块链技术出来以后，从我们个人的观望到投资者的热情，到今天我们考虑它的技术创新，推动我们产业发展，我想这个过程有几年的时间。最近密码法已经出台了，密码是保障网络与信息安全的核心技术和基础支撑，所有的关键问题都是数学问题，这是毫无疑问的。密码领域比较特别，我对密码领域的理解就是基础数学、应用数学和技术应用是三个合并一体的，分不开的。

我们每一个技术的突破用了大量的基础数据的研究方法和工具，我们突破了以后，基本上行业遍地都用。计算机通信系统，互联网系统的主体系统的安全性都是用密码系统保证的，所以密码技术是通信系统和基础设施融合在一起的，是分不开的技术。

美国的微软和IBM在80年代初期，它的密码团队是非常杰出的融合发展模式，我们国家我非常高兴，今天我们也到了融合发展的阶段。

今天我们所有的网络，包含计算机、手机、卫星、物联网，特别是物联网，应该是一个国家能够发展好新一代信息技术非常重要的环节，也使密码技术提到更高的环节。另外还有大数据，云计算等，现在我们的数据都上云了，但安全是怎样的，我想大家都比较清楚。

密码技术为什么这么重要？就是因为整个互联网和各种网络，我们的信息从产生到处理到传输，需要四个安全属性：机密性，就是加密算法，这个很简单。

可认证性和不可抵赖性，这是数字签名算法；完整性，就是防数据篡改的Hash函数，Hash函数是区块链的起源性技术，也是密码学的基本工具。为什么说是一个基本工具？我举个例子，我们的电子签名对一个数据库进行签名，花100个小时签名才结束，它一个是慢，100个小时，还不安全。大家就问：我们的数字签名有什么用呢？这么慢、又不安全，怎么办呢？Hash函数，Hash函数对一个文件提炼出指纹就行了，它就可以把一百个小时变成一个小时，大家知道一百倍的提速，并且还是安全的，这就是区块链技术，大家不要把区块链技术想象得非常神秘。

Hash函数的电子签名技术就是标准的区块链技术，它是高效而安全的。

密码学的两大发展方向

密码学的发展有两大方向：第一个方向就是ENIGMA。1932年是数学方法，1939年是破译机，破译机的出现导致二战西欧战场提前两到三年结束，1949年香农（Shannon）提出是数码学的图像。

一个密码系统把密钥破解了就完全破解了，求解密钥的难度，就是一个攻击者攻击这些明文密文，它没有任何的数学关系不要紧，对破解密钥没有任何影响。传统密码里面，如ENIGMA密码，算法公开了，就意味着这个算法破解了。最早的密码破解就是情报人员拿到了图纸。

到了1973年1976年，美国国家安全局形成了较为系统的对称密码理论体系，宣布算法公开。对称加密AES，DES算法涉及56次计算（即秘钥长度为56位，下同）。    

比特币10分钟出一个块，奖励12.5个比特币，涉及270次计算，远比单次破解的难度难。

对数学发展的研究最终发展到了密码分析的自动化，再进一步就是人工智能的介入，所以这个领域，所有的密码分析都可以转化为商用密码的特征。

还有一个领域是公钥密码学的发展，我们的计算机网络是一到多的，互联网时代一天一万个人进行安全通信，密钥通信，全是情报人员分布密钥。现在要对一万个人进行安全通信，一万个人的密钥是要生成的，现在密码学一秒钟可以同时跟很多人建立安全频道，跟每个人都可以修出一个安全的密钥通道，攻击者可以加入安全通信，但它拿不到我们的密钥，我给对方可以生成共同的加密密钥，这就是一到多的安全通信。

网络安全通信涉及对数问题，计算速率，算法速率，代数几何，关系到到很多领域的数学难题。我们在分析算法安全性的时候，我们就要跟其它的数学领域结合，所以密码学是一个多学科交叉的领域，研究的一个是数学难题，尤其是交叉的是多个领域，不仅是在这个领域，在更多的领域。

SM3是我们国家的标准加密算法，也是RS的标准。密码算法设计了以后，保证每个算法是安全可以做到，但不可以用单一的算法保证一个系统——所有的计算机网络通信系统要涵盖多算法，要实现四大功能，大多数都有四个安全属性，也就是需要三种密码算法。

我们要建立一个传输层的安全通信协议，就是SSL、TLS协议，TLS是SSL的升级版，它是达到安全可控的。出现信息泄露事件，大家一定不要认为是SSL出问题了，这个协议是非常安全的，原因在于，在实现过程中出现了问题。算法安全、协议安全、实现安全是保证整个系统是安全运营的，“实现不安全”永远是会导致非常可怕的攻击。

整个密码领域，从算法的研究到协议的设计，到协议的运营是需要培养高水平的科技人才。网络层是保证路由器安全的IPsec协议，无线局域网是WEP协议，它是行业标准，不是密码学设计的，它出来以后很快被破解了，图灵奖获得者被破解了，现在的安全协议是安全的。手机通信是行业标准，是二级，不管是算法还是协议，很多漏洞，是各种攻击方法都出现了，用了相当于没用，看起来什么都有，但都是不安全的。所以说到了3GPP（3rd,Generation Partnership Project），就是支持3G、4G、5G安全通信，不管是3G、4G、5G，只有公开拿出来让大家研究的才是安全的，藏着的，到目前为止，事实证明没有一个是安全的。所以大家一定要注意，如果你认为你的协议是安全的，你不妨拿出来让大家公开分析，有漏洞不要紧，因为现在密码设计的能力非常强，很短的时间就可以把漏洞补上，逐渐变成安全，所以怕的就是大家说安全，又不公开，那问题比较严重，如果内部的人知道，内部的人可以做一定的攻击。

国家层面急需制定密码协议标准与规范

目前我们国家急需抢先制订物联网、车联网、区块链、国产操作系统等密码协议标准与技术规范，这些领域实事求是地讲，我们跟任何一个国家是站在同一个起跑线上，我不认为其它国家比我们国家更先进，但是如果谁抢先，在这些领域制定出密码算法的标准与协议，就是协议的标准，肯定相对来讲还是比较领先的。

在密码领域，算法协议设计出来以后，要兼顾软件实现和硬件实现。硬件实现就是芯片实现。做好抗攻击的芯片实现，这个领域说实话比较难，我们国家这方面的优秀人才不多。

为什么要抗特性的攻击？所有的密码算法和协议都基于数学难题，假定我们的软件实现有一个bug，数学难题是非常容易破解的数学问题，如果我们注入了一个错误，数学难题变成简单的数学问题，它需要抗特性的攻击密码芯片。十几年前我有一个观点，说有的密码芯片是最高级的，因为其它的芯片不需要研究抗特性攻击的能力，但是密码芯片不行，因为它就是要依靠各种各样的攻击，包含物理手段的攻击。

我再来说一下软件实现，软件实现就是白盒安全实现，现在一个领域发展起来了，它不可能做到理论安全，只能做到实践安全，比如别人研究的白盒实现三个月破了，我们做的五年破不了，五年以后升级就可以了，是这么一个概念，我们要达到实际安全。

密码芯片一定要抗各种各样的攻击，这里不多说了。

区块链与密码学

我想讲一下密码Hash函数，就是区块链的起源性技术。1953年，IBM的一次历史性讨论，对数据库的文件进行检索，每个文件带一个电子指纹，相当于人的指纹一样，搜索的时候搜索指纹就把文件搜索起来了，非常简单。1981年，为避免电子签名标准RSA等存在的伪造攻击，由Davis和Price提出密码Hash函数的概念，就是防止数据篡改，你的数据被篡改了，你的电子指纹一定要发生变化，就发现被篡改了，保证电子签名是安全的。我们对于一份文件进行签名，需要对它的指纹进行签名就行了。我们的指纹是多长呢？128、160、192、256、384或512比特。这是非常高效的，采用这种方式，对一个数据库签名一百小时，现在一个小时就签完了，还安全，何乐而不为。如果我们这个技术放在交易后台的管理，这么高效安全的技术，何乐而不为呢，所以是值得推广的一个技术。

大家知道，区块链主要是实现防数据篡改的功能，目前防数据篡改只有两三种方法，没有任何其它的数据篡改的技术，只有三种技术：第一种技术就是攻击者同时得到一个合同，100万或2000万的合同电子指纹是一样的，它的签名一定是一样的。而100万和2000万哪个是真的哪个是假的，你不知道，我说的是这种攻击。256比特的电子指纹，全球计算资源上千万亿年不可能找到两个文件电子指纹是相同的，这个大家不要担心。

第二种攻击是比特币，大家一定要注意，你在学比特币，你看这张片子就行了，其它的都不要看，比特币就来了，只要会原像攻击就会比特币了。原像攻击是怎样的呢，给出一个电子指纹外，你找到一个原像M，M的电子指纹就是p、y，口令就行了，如果我的计算机存放的是Y，也就是动态的，我的电子指纹Y，口令猜出来的概率是多少呢？假如这个口令是256比特电子指纹，上千万年是不可能成功实施原像攻击的。但是这个y如果只规定70比特，对一个70比特的Y，我找一个M，只有r的70次计算，这是比特币，也就是说我找一个Y，对应着70个比特的0，或者1都无所谓，Y是70比特，y的70次计算，全球是十分钟就可以找到这个原像，我相信不可能所有人都在找比特币，只有少数的在找比特币，十分钟就可以找到这个M，这个M就是比特币，比特币就产生了。

第二原像攻击，攻击者找到假的消息M2替换合法消息M1，但是替换的前提条件不是电子指纹，因为现在都是数据库，在替换的情况下，必须要跟电子指纹相同才能合法应用，所以不是想替换就能替换，这时候也是破不了的。

Hash函数我跟大家说，我们的密码算法如何能够证明有数学难题，必须有可证明安全的技术，就是知识证明，我用知识证明证明这个密码算法是安全的，在证明的过程中完成了加密和签名功能，需要交互128次256次，按照今天的安全长度，最后大家都不干了，那怎么办，很不有效。用Hash函数，使用了Hash函数以后就比较好了，一次性就可以完成证明，所以这是Hash函数的概念，知识证明。

既然我们有高效的证明方法，有的密码系统都要按照可证明安全，必须是用Hash函数，所有的密码技术都是区块链技术，因为必须是交互一百多次才能共，使用了Hash函数一次两次三次四次五次，一般不超过五六次就完成了。所以我们所有的密码系统都是区块链技术，当时区块链放在哪里呢？是Hash函数的一个变量叫Blockchain，后来就是我们现在的Blockchain，最早是Hash函数迭代过程中的一个专业术语，它的从Hash函数提出来就有的概念，大家记住这是一个老概念。

现在我们好多密码都离不开Hash函数。这就是Hash函数，我在1995年到1996年开始做Hash函数，大家可以看出来，1995年之前主要的Hash函数算法除了160没有被破解以外，那五个都是我们首次给出碰撞攻击，破解以后，当时SHA是2005年提出来的，它是后补的，它只有60个比特的指纹，SHA补了265、384、512比特的指纹，SHA就是破解以后新设立的标准。

MD5破解以后，发生了一个事件，伪造了一个数字证书，通过了浏览器的认证，这是2009年十大黑客技术之一，攻击架构是我提出来的，毫无疑问，整个攻击架构是我提供的。2010年这个技术就到了一个火焰病毒，火焰病毒是目前为止认为最为复杂的一个网络病毒。

这是新一代的Hash函数ISO、IEC标准。美国设计的的SHA-2，SHA-3，我们国家的SM3，目前我们国家的区块链技术就是SM3了，国产化的区块链已经使用了SHA-3，因为这是唯一的标准，还没有其它的标准产生。

 区块链技术起源

最后说一下区块链技术起源，大家知道，Hash函数是任意的长度压缩成一个定长，我们没有想要的数学函数满足要求，所以密码学家Ralph Merkle在博士论文中首次描述Merkle-Damgard结构，第一次压缩M1、M2，把所有的数据分块压缩，这是比特币的结构，也是区块链的早期数据结构。

中本聪提出的比特币，找一个原像就是比特币，很容易。这就是比特币的区块链结构，这就是区块链结构，横着的就是这两条，只是M的长度有所变化，因为压缩的过程是自由组合的，可长可短，M一定长，把好多M组合在一起，就是比较大的M，所以可以灵活搭配，横的就是那个链，这里面就是Hash函数的压缩过程，这里面就是真正的Hash函数，F就是MD5，正向的运算过程。这就是区块链的数据结构。

比特币的系统运行就是交易，交易结构是怎样的，挖出12.5个比特币就是一个交易，求出一个原像就是一个交易，我拿比特币买了一件衣服是一个交易，我拿比特币买了一些食品是一个交易，我有这个交易以后要全球广播，广播以后要在平台上广播，广播完了以后，大家同步把我的交易信息放在M里面。大家一定要注意，这是交易信息进行压缩，最后一步才是我搜的，M2一块搜，前面都是全球一定时间内的交易信息，把交易信息都放在这里面，有了交易新的再放进来，再搜出一个电子指纹，等于70个0，这等于新的比特币就产生了，所以方法非常简洁。最后验证，研发合法性以后再进行挖矿，基本上这个过程。这个“？”就是比特币。

分布式系统得到了很好的利用，我们要进行共识协议，所有的数据达成一致，使用分布式环境下用户的数据达成一致，上世纪80年代有一个拜占庭共识协议，是分布式计算研究领域的重要方向，为什么区块链能解决这个技术，所有的密码算法，只有Hash函数有三个属性，其它的算法属性很少，并且想来就来，想走就走，非常灵活，所以为什么去中心化，它没有密钥，但有了密钥就可以去中心化。

它的一致性即所有的记录是一样的，就是分布式系统，我们的区块链增长速度要稳定，大家知道一个链，一个币同时三个人挖出来和六个人挖出来谁是合法的呢？你挖完以后再挖第二个链第三个链，谁先挖到第六个链谁是合法的，所以必须是先挖六个链。区块链要抵抗各种攻击，我们2018年有两篇区块链的论文，山东大学有一篇，就是在一个小时十分钟的延迟后，挖一个比特币的延迟是安全的，目前有三类区块链，一个是逆向的，正向的就是压缩的过程，一秒钟可以10G，谁的权重大，它就是建链的概率高。第二就是分布式系统的拜占廷协议，数字签名本身就是区块链技术。

目前我们国家有一个供应链金融，有一个供应商，有一个采购商，采购商要采购一批货物，要支付200万，但它没钱，从银行贷款，传统的就是银行要检测供应商的供应能力和信用能力，然后要检查采购方的支付能力，可能半年才能放贷。但是区块链链上一检查，大家知道，我们任何一个信息上千万年以上才能篡改，篡改不了。所以在链上一检查就可以放贷了，非常高效。

这是疫苗，打了疫苗以后出问题，你可以看零售商、中间商、原材料商、生产商，每个环节都很清楚，非常便捷。

我的报告结束了，谢谢大家！

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