比特币高级教学之:关于比特币共享私钥的设计

编者认为比特币最为迷人地方就是它的加密学设计,中本聪完美的使用了多种加密学方法构造了整个比特币模型。比如,SHA256对block头部信息的签名、ECDSA算法产生比特币公钥和私钥、Merkle树在block中的应用、ProofOfWork中的SHA256碰撞等等。
编者今天要和读者分享的是一种比特币私钥共享的模型。

引子

在电影中,我们经常会看到这样的场景,一份绝密的文件需要由7个人来保存。如果把这份文件复印七份交给每个人,那么如果7个人中有一人泄密,则整个绝密文件就会被暴露。如果把文件平均分成七份,每个人手里只拿七分之一,那么如果有一人出问题,那么也无法恢复整个文件。
我们既不想让完整的文件在每个人手中,又不愿意在某个人出问题时,无法还原整个文件。那么,在这个时候我们就需要一个方案,让这7个人中的大多数人在场时就能恢复文件。比如,如何让7个人中的任意4个人在场,就能恢复整个文件内容,而7人中的任意3人在场都不能还原文件。
比特币私钥共享
有5个创业者 A,B,C,D,E 组成了一个关于比特币的公司,他们有一个共同的比特币地址来记录公司所得到的比特币数量,如果这时候把该地址的私钥交给每个人,那么如果其中一个人跟其他人闹翻了,就有能力把地址上的比特币转走。如果,我们把私钥平均分为5份给每个人,那么如果其中一人忘记了他自己的私钥内容,则大家都无法还原完整的私钥地址。
所以在这种情况下,我们需要这5个人中只要有任意3个人在场就能还原私钥,而任意两个人在场不能还原私钥的方案。
这个方案就是编者今天要讲的比特币私钥共享方案。这种密钥共享的方式也被称为门限方案。
门限方案设计
一般来说,门限方案可以具体的表示为(K,N)门限方案,即N个人中有任意K个提供密钥便可以还原整个加密内容,而任意K-1个人都不能还原整个内容。
因此上面的比特币私钥共享问题可以看作是(3,5)门限方案问题。
门限方案的设计多种多样,中国剩余定理、多项式算法、椭圆曲线加密算法等等都可以解决门限方案问题。
用中国剩余定理解决上面的(3,5)门限方案为例,编者可以取 53 、 59 、 64 、 67 、 71 这 5 个数,前面 3 个数乘起来得 200128 ,而后面两个数相乘才得 4757 。我们把文件的密码设为一个 4757 和 200128 之间的整数,比如 123456 。分别算出 123456 除以上面那 5 个数的余数,得到 19 、 28 、 0 、 42 、 58 。然后,把 (53, 19) 、 (59, 28) 、 (64, 0) 、 (67, 42) 、 (71, 58) 分别告诉这5个人,也就是说A只知道密码除以 53 余 19 ,B只知道密码除以 59 余 28 ,等等。这样,根据中国剩余定理,任意 3 人碰头后就可以唯一地确定出 123456 ,但根据任意2人手中的信息只能得到成百上千个不定解。例如,假设我们知道了 x 除以 59 余 28 ,也知道了 x 除以 67 余 42 ,那么我们只能确定在 0 和 59 × 67 – 1 之间有一个解 913 ,在 913 的基础上加上 59 × 67 的整倍数,可以得到其他满足要求的 x ,而真正的 M 则可以是其中的任意一个数。(参考资料
什么是中国剩余定理
用多项式算法来解决(3,5)门限方案,在密码学中,我们有一些更精妙的方案。最巧妙的方法是,把私钥编码为三维空间中的一个点,然后生成5个过该点的平面,每个人持有其中一个平面方程。显然,任意两个人在一起是无法获得原文件的,因为两个平面的公共点有无穷多个;但三个平面的交点是唯一的,因此任意三个人在一起都能解开原文件。
用椭圆曲线加密算法来解决门限方案,专业人士请参见
比特币私钥共享方案设计
有了上面的门限方案后,比特币私钥共享方案设计就变得简单了。以上面的(3,5)私钥共享为例,我们采用第二种多项式的门限方案。

以16进制私钥为例:A90C28B2861B5D47F339599753A2387A86A79DBC88E7AAF0808D02B29C23F0BB

第一步、先把16进制私钥转化为10进制形式:1223397671331149484138190714211802661074685763175964491678362870066873941035952

第二步、再把10进制形式的私钥分解成三维空间的坐标点:
(12233976713311494841381,9071421180266107468576317596449167,8362870066873941035952)

第三步、将上面的值
x=12233976713311494841381
y=9071421180266107468576317596449167
z=8362870066873941035952
带入平面方程 Ax + By + Cz = D 中,并随机取五组(A,B,C)的值带入方程中,分别求出D。
例如,将A=2137897132,B=-321973913 ,C=-32139714434带入方程
则D=-2920760974123982275005673032587123377092347

第四步、将A,B,C,D的这组值告诉5人中的一人,并按照同样方法将计算出的值告诉其他4人。
这样,每个人手里面都有一个平面方程,任意三人都能算出交点的坐标,并重新组合成私钥。但是任意2人都求不出平面方程的交点(也就是x,y,z的值),这样也就保护了私钥的安全性。

人数增多怎么办呢?如果共享密钥的人数增加,那么我们将采用更加复杂的密钥共享方案。密码学设计是一门很深的学问,希望编者的例子能给大家带来启发。
作者:P2PBUCKS , 转载请注明出处并保持文章完整