2009年區(qū)塊鏈的出現(xiàn)，將密碼學(xué)的商業(yè)價(jià)值提升到了前所未有的高度。但在我們看來，這僅僅是一個(gè)新時(shí)代的開始。
未來更為激動(dòng)人心的故事仍在等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。本文是作者對(duì)這個(gè)主題的一點(diǎn)觀察與思考，歡迎大家一起討論。
Crypto 1.0：對(duì)稱加密，有事先共享密鑰的秘密通信
AB雙方事先共享一個(gè)密鑰k，A將需要傳遞的明文m，通過k加密為密文m*后，再傳遞給B。B收到密文m*后，通過密鑰k將其解密還原為m。第三方C即便截獲了密文m*，如果沒有獲得密鑰k的話，將無法還原出m。
從古代起直到1970年代，這都是密碼學(xué)的主要應(yīng)用模式。它的里程碑之一是，1970年代美國(guó)將DES算法作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確立。它標(biāo)志著經(jīng)過多年的發(fā)展，也經(jīng)過電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)用與檢驗(yàn)，對(duì)稱密碼學(xué)達(dá)到了某種高度的成熟性。破解密碼也變得非常困難。
但是這個(gè)體系也有一個(gè)較大的弱點(diǎn)，就是它永遠(yuǎn)要依賴于一個(gè)“事先共享的密鑰”。要做到事先共享的密鑰，可能需要一個(gè)成本較高的過程。例如AB雙方可能距離很遙遠(yuǎn)，要通過某種方式傳遞密鑰，同時(shí)保證傳遞的安全性（即不被第三方截獲），很可能不是一件容易的事。
Crypto 2.0：公鑰加密，無事先共享密鑰的秘密通信
1970年代初，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)開始在美國(guó)出現(xiàn)（雖然沒有大規(guī)模普及）。這使得秘密通信中的密鑰交換問題，開始成為一個(gè)更迫切真實(shí)的需求。假設(shè)AB雙方?jīng)]有事先共享密鑰，他們能否通過一段對(duì)話，產(chǎn)生出一個(gè)共享密鑰，同時(shí)讓截獲整個(gè)對(duì)話過程的第三方C無法猜出這個(gè)密鑰呢？這聽上去像是一個(gè)“不可能完成的任務(wù)”。但是在1974-1976之間，美國(guó)密碼學(xué)研究者Diffie與Hellman經(jīng)過兩年左右的艱苦探索，找到了這個(gè)問題的一個(gè)解決方案，發(fā)表了Whitfield Diffie and Martin Hellman,New Directions in Cryptography，1976。
上述論文同時(shí)提出了一個(gè)更強(qiáng)大的構(gòu)想，即公鑰密碼體系。它的想法是要有一對(duì)密鑰（k1,s2），其中一個(gè)用于加密，另一個(gè)用于解密。具體說，A方有一對(duì)密鑰，公鑰pk，私鑰sk。A可以將公鑰pk向全世界公開。這樣任何一個(gè)B方（可能此前與A方并不認(rèn)識(shí)）都可以把一個(gè)明文m通過公鑰pk加密為m*，然后發(fā)送給A。A獲得m*后，通過密鑰sk將其解密還原為m。第三方C即便截獲了密文m*，如果沒有獲得密鑰sk的話，將無法還原出m。只要A保管好自己的私鑰，就是安全的。
Diffie與Hellman提出了上述構(gòu)思，但是沒有找到具體的實(shí)現(xiàn)方案。1978年，Ronald L.Rivest,Adi Shamir,and Leonard M.Adleman,A Method for Obtaining Digital Signatures and Public Key Cryptosystems這篇論文提出了RSA算法，第一次具體實(shí)現(xiàn)了公鑰密碼體系。
公鑰密碼的發(fā)現(xiàn)，或許是密碼學(xué)自古代到1970年代以來最大的突破。它完全解決了共享密鑰的難題，而這也正是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代所需要的。20多年后，它成為新興的互聯(lián)網(wǎng)電子商務(wù)的核心技術(shù)基礎(chǔ)之一（SSL/TLS，https等等）。
Crypto 3.0：區(qū)塊鏈技術(shù)，無TTP互信社區(qū)，犧牲隱私
密碼學(xué)應(yīng)用的下一個(gè)里程碑是區(qū)塊鏈的出現(xiàn)。中本聰?shù)拈_創(chuàng)性論文，Satoshi Nakamoto et al.,Bitcoin:A peer-to-peer electronic cash system(2008)，并不包含密碼學(xué)上的新成果。但它通過對(duì)密碼學(xué)的巧妙運(yùn)用，得到了一個(gè)革命性的工程設(shè)計(jì)方案。它著眼于人類組織管理上的重要問題，并給出了一個(gè)創(chuàng)新的解決辦法，從而為構(gòu)建未來新型社會(huì)組織形態(tài)，打開了巨大的想象空間。
基本的問題是：有一個(gè)人群，相互之間不能完全信任，但是又需要在一起合作，該怎么辦？在人類社會(huì)中，除了家庭和極個(gè)別理想的關(guān)系外，幾乎所有其它人類關(guān)系形態(tài)，特別是各種商業(yè)性的合作關(guān)系，都存在“信任”這個(gè)重要問題。由此自然產(chǎn)生了對(duì)“可信第三方”（TTP）的需要。比如在古代，兩個(gè)人要相互借錢，就可能需要找一個(gè)有地位有威望的第三方來做保。在當(dāng)今社會(huì)中，TTP的具體形態(tài)可以是：政府部門、中介機(jī)構(gòu)、交易所、增信/擔(dān)保機(jī)構(gòu)、公證機(jī)構(gòu)、批發(fā)商/零售商，等等。
TTP的具體運(yùn)作形態(tài)很多，包括：
●普通個(gè)人的信用貸款，抵押貸款；
●專業(yè)金融運(yùn)作中錯(cuò)綜復(fù)雜，多層嵌套的信用關(guān)系；
●國(guó)際貿(mào)易體系中的信用證體系，石油美元體系，SWIFT支付體系；
●二手房、二手車市場(chǎng)的中介服務(wù)，等等。不能難看出，構(gòu)建TTP是一個(gè)社會(huì)成本極高的過程。“人”的道德風(fēng)險(xiǎn)無處不在，難以杜絕，因此不得不層層設(shè)防，構(gòu)建復(fù)雜繁瑣的監(jiān)督機(jī)制，相互制衡，從而保證基本的合作秩序。
中本聰關(guān)于比特幣的構(gòu)想，試圖在互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)一個(gè)完全不依賴于TTP的互信社區(qū)，而且相當(dāng)于發(fā)行了一種無人管理的貨幣。對(duì)比一下美元這個(gè)國(guó)際貨幣體系，它要依賴于多少政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化、外交等等復(fù)雜社會(huì)結(jié)構(gòu)加以支撐。而中本聰試圖要用純粹的計(jì)算機(jī)程序代替所有這些“社會(huì)要素”，不能不說是一個(gè)石破天驚的大膽設(shè)想。誰會(huì)相信它能成功呢？
但是，比特幣初步成功了。自2009年上線以來至今，它基本有序地運(yùn)行了10年，參與者人數(shù)以千萬計(jì)。它沒有一個(gè)人類管理者，完全靠計(jì)算機(jī)程序來維持秩序。而且這個(gè)計(jì)算機(jī)程序本身，也沒有事先設(shè)定的權(quán)威管理者。原則上說，任何人都可以自愿參加這個(gè)集體，成為集體管理的一份子，而且所有成員貌似也是平等的（由于各位玩家財(cái)富數(shù)量不同，而導(dǎo)致的實(shí)際影響力的差異，是個(gè)復(fù)雜而有爭(zhēng)議的話題，我們這里暫時(shí)忽略）。這樣一個(gè)群體能夠穩(wěn)定運(yùn)行十年，這本身已經(jīng)是一個(gè)奇跡。而支撐這個(gè)社會(huì)學(xué)奇跡的核心技術(shù)基礎(chǔ)正是密碼學(xué)。
區(qū)塊鏈出現(xiàn)以前，密碼學(xué)的主要應(yīng)用是構(gòu)建秘密通信體系。區(qū)塊鏈的出現(xiàn)將密碼學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域大大拓展了，使之成為構(gòu)建新型人類互信社區(qū)的核心技術(shù)力量。
Crypto 4.0：高等密碼學(xué)，無TTP互信社區(qū)，完全隱私
區(qū)塊鏈對(duì)商業(yè)社會(huì)的巨大魅力，本質(zhì)上在于它給人們以這樣的希望，即：在商業(yè)合作關(guān)系中，通過某些計(jì)算機(jī)程序，構(gòu)建出一個(gè)“虛擬可信第三方”（Virtual TTP），維護(hù)商業(yè)合作的有序運(yùn)行，并由此擺脫（或大大降低）對(duì)“人類TTP”的高度依賴。區(qū)塊鏈?zhǔn)欠裾婺茏龅竭@一點(diǎn)呢？
TTP的主要功能有兩個(gè)：
●保證各方行為合規(guī)；
●保護(hù)各方數(shù)據(jù)隱私。
要理解這一點(diǎn)，只需要稍微觀察幾個(gè)具體的案例，例如證券交易所，商業(yè)中介機(jī)構(gòu)，各類經(jīng)紀(jì)公司，等等。而區(qū)塊鏈技術(shù)（以中本聰?shù)脑及姹緛砝斫猓?shí)際上只提供了第一點(diǎn)，而沒有提供第二點(diǎn)。事實(shí)上，它正是通過數(shù)據(jù)的完全透明，來保障各方互信的。而且作為一般常識(shí)：數(shù)據(jù)透明與保護(hù)隱私這兩個(gè)要求，本來就是自相矛盾的。
如果大家都要求保護(hù)隱私，就意味著相互看不見對(duì)方的數(shù)據(jù)。此時(shí)，如果又沒有一個(gè)“第三方作保”，大家怎么可能建立互信呢？要同時(shí)兼顧這兩點(diǎn)，那肯定是天方夜譚了。
但是神奇的密碼學(xué)再一次挑戰(zhàn)了這個(gè)看似“不可能完成的任務(wù)”。自1980年代以來，密碼學(xué)家們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些有點(diǎn)“不可思議”的概念與方法。經(jīng)過近40年的深入研究與探索，發(fā)展出若干完整而強(qiáng)大的技術(shù)體系。只是由于沒有恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景，或者說商業(yè)社會(huì)的發(fā)展，還沒有提出這方面的迫切需求，這些密碼學(xué)尖端武器基本停留在論文或?qū)嶒?yàn)室階段，而沒有進(jìn)入實(shí)用。
區(qū)塊鏈的出現(xiàn)，以及由此引發(fā)的技術(shù)與商業(yè)創(chuàng)新浪潮，則完全改變了這個(gè)局面。那些在象牙塔里呆了30-40年的技術(shù)，正好成為解決“數(shù)據(jù)透明”與“隱私保護(hù)”這對(duì)矛盾的最佳工具。上述這些技術(shù)具體包括：零知識(shí)證明、同態(tài)加密、安全多方計(jì)算等等，有人稱之為高等密碼學(xué)，我們也姑且借用一下這個(gè)名稱。
簡(jiǎn)單總結(jié)：區(qū)塊鏈只能構(gòu)建半個(gè)“虛擬TTP”，高等密碼學(xué)可以構(gòu)建完整的“虛擬TTP”。
作為上述理念的第一個(gè)大規(guī)模案例，第一個(gè)完全隱私的加密貨幣Zcash于2016年上線運(yùn)行。Zcash可以理解為比特幣的“隱私版”。比特幣系統(tǒng)通過所有交易數(shù)據(jù)的完全透明化，實(shí)現(xiàn)了多方完全互信。而Zcash則要挑戰(zhàn)一個(gè)技術(shù)難度大得多的目標(biāo)：在所有交易數(shù)據(jù)完全相互保密的前提下，實(shí)現(xiàn)多方完全互信。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心技術(shù)，就是零知識(shí)證明。Zcash至今也已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行幾年了，初步驗(yàn)證了其所用技術(shù)的可行性，為高等密碼學(xué)技術(shù)的實(shí)用化，提供了一個(gè)重要參考案例。
高等密碼學(xué)的實(shí)際應(yīng)用，仍是一個(gè)處于起步階段的技術(shù)領(lǐng)域。作者近期在“清華大學(xué)丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心2020暑期線上公開課：Cryptography and Blockchain”（時(shí)間為2020.07.06-31）上將與大家一起共同學(xué)習(xí)探討相關(guān)課題。未來也希望有更多機(jī)會(huì)與大家共同探索，在這個(gè)富有潛力領(lǐng)域里，有更多的發(fā)現(xiàn)與收獲。
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