March 26, 2020

重新创造比特币3:舍弃账户模型

作者：何岩，由 recreating.org发行。

0.前言 #

Bitcoin的第一个版本已经上线，它的意义在于，展现了系统的使用场景。

1.舍弃账户模型 #

自从Bitcoin第一个版本（v0.0.1）上线，咖啡店的生意越来越好，老板Bob显然做了一个明智的决策。

中本聪却越来越烦恼：“这么多人来找我注册账号和兑换Bitcoin，都没时间编程了，我得想想办法。把兑换工作交给老板Bob吧。”

中本聪说：“我说，老板，现在越来越多的人来找我兑换Bitcoin，我都成了人肉交易所啦，没时间升级系统了，要不兑换的工作你来做吧。”

Bob说：“好啊，正合我意，不过我可以调整汇率吗？”

中本聪说：“当然可以。”

Bob高兴的答应了，中本聪将自己的账号密码告诉了Bob，咖啡馆就正式成为了Bitcoin的线下交易所。

中本聪感到轻松了很多：“那么，就还剩下用户注册的功能。”

中本聪一边思考着，一遍拿出笔记本准备开始编码。

忽然，有个大胆的想法在中本聪的脑子里闪过：“能不能彻底的去掉用户注册呢？”

之所以要有用户注册功能，是因为每个用户都要在user.txt中创建一条账号记录。

每个用户的账号信息只包括三个字段：用户名、密码、余额。

如果能用其他的方式来替代这三个字段，那么就可以舍弃“账户模型”了。

首先是用户名，可以用账本替代。

因为每笔交易记录都包含着付款方和收款方的用户名，所以账本(transaction.txt)可以代替账户(user.txt)定位出用户名。

其次是余额，账本也可以替代。

因为账本就是交易流水，累计交易流水可以得出用户的余额。所以账本(transaction.txt)可以替代账户(user.txt)实现余额。（具体获取余额的逻辑见下图）

获取余额的两种方式对比

解决了用户名和余额之后，最难的部分是如何去掉密码。

密码的作用是向服务端证明Alice是真正的Alice，而不是一个叫Calor的家伙的冒充，除非Calor知道了Alice的账号密码。

所以密码的本质是一把钥匙。

那么除了密码，有没有其他方式呢？

“用对称加密的方式可以吗？”中本聪思考着。

2.对称加密 #

对称加密是一种很常见的加密方式。

举个例子：赵四在网上发送了一段消息给谢大脚：“今天晚上11点小河边见”。但是这个消息在网上是明文，一旦被别人截获，他俩不可告人的秘密就暴露了。

对称加密就可以解决他们的担忧：赵四将消息用一种通用的加密算法加密后，明文会变成密文，密文长成这个样子：“U2FsdGVkX18tGXt20Jb/muCW7ipyKF5fTbNV9gUkJZxRIVNGk6ziokkrOXyZ8qkh”。即便被人截获，也看不懂是啥意思。

将明文和密钥作为参数，传入加密算法，计算后得到密文。

用伪公式表达为：Function加密算法(明文，密钥) = 密文

加密算法是公开的，但是密钥是保密的。赵四和谢大脚拥有内容相同的密钥，别人由于不知道密钥，就无法解密。(见下图)

加密的悄悄话

如果将赵四换成Alice，将谢大脚换成Bitcoin的服务端，Bitcoin就拥有了通信加密的能力。

密钥最初在服务端生成，在Alice第一次登陆时，将其分配给Alice，Alice收到密钥后将其存储在浏览器里。服务端还需要存储Alice和此密钥的对映关系。之后，Alice每次发送的消息，都是经过加密后的密文。服务端接受到Alice发送的密文消息，就可以用相同的密钥进行解密。（见下图）

对称加密

但是选择加密来替代密码，能解决我们的根本问题吗？

我们的最初的目的还记得是什么吗？

我们的根本目的不是舍弃密码字段，而是要舍弃账户模型，如果舍弃了密码，确引入了密钥，等于换汤不换药，账户模型还是必须存在，没有本质变化。只不过用户的“钥匙”由密码换成了密钥。

用户注册则可以看作是服务端预先给用户分配“钥匙”。（见下图）

用密钥替代密码

“可不可以让用户独立创建出‘钥匙’呢？”

中本聪再次陷入了思考之中……

“可以用非对称加密。”对面座位的‘大胡子’一字一顿的说道。

中本聪看着大胡子，他面前也放着一台笔记本：“你也是程序员吗？”

“是的”那人依旧面无表情。

中本聪热情的伸手过去：“哈，能在中途镇遇到开发者太不容易啦，你好，我叫Satoshi，你叫?“。

“Gilfoyle"，这次他眨了一下眼睛，还微微的点了一下头，估计那就是在示好吧。

这一历史性的时刻真应该被拍成照片，中途镇的两位天才程序员终于相遇了，Bitcoin在他俩的长期合作中，远远超出了同时代程序员的认知水平，最终达到了无法想象的完美高度。

3.非对称加密 #

中本聪：“你刚才说非对称加密可以解决我的问题？”

“是的”，Gifoyle微微点头，然后向中本聪解释起来：“你需要的并不是明文的加密，明文不怕见光，你需要的只是创建一个独特的标识来证明‘我是我’，非对称加密可以搞定。”

Gifoyle继续解释细节，中本聪听完兴奋的叫到：“就是它！”

非对称加密很神奇，它源自一个神奇的数学原理（椭圆曲线加密算法），它不像之前的对称加密，Alice和服务端需要使用同一把密钥。

这次，Alice可以靠自己，独自生成一对钥匙，一把是公开的，称为公钥（谁都可以知道）。另一把是私密的，称为私钥（只有自己知道，不能告诉别人）。（见下图）

公钥和私钥

非对称加密就好比一个神奇的箱子，手里拿着一把钥匙（私钥），可以上锁，但是却无法解锁。如果想要解锁，只能用另一把钥匙（公钥）。很反直觉吧，所以才叫“非对称”。（见下图）

对称加密VS非对称加密

正是由于这种“非对称”的特性，Alice可以用私钥将交易数据（“Alice to Bob 30"）加密，得到密文（"e2edeae7a01d226367ccb0220447d8f1dfcf14f6defb9bf"），然后将密文和公钥（明文）作为参数放入消息中，通过网络，发送给Bitcoin服务端。（消息＝密文＋公钥）

Bitcoin服务端收到消息，解析后得到两个部分数据：一部分为密文，另一部分为公钥（明文）。用公钥解密密文，得到明文“Alice to Bob 30”。

根据非对称加密的特性，公钥如果可以解开的密文，此密文一定是用对应的私钥加密，所以可以确定这段密文的生成者，一定就是拥有唯一私钥的Alice。

服务端将交易数据的明文写入到交易账本中，交易即刻生效！

另外，不只是Bitcoin服务端，任何人都可以用Alice发出的公钥来进行密文的解密，都可以得到相同的明文。

所以说，在Bitcoin的使用场景中，选择使用非对称加密技术，并不是为了保护明文不见光，而是为了证明“只有我可以生成这样的密文”，即，“证明我是我”。（见下图）

非对称加密在Bitcoin交易中的使用

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2.对称加密 #

3.非对称加密 #

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