莱特币背后的秘密 – Scrypt密码算法

算法

     与比特币相比,莱特币的不同之处关键在于,比特币采用了SHA-256哈希算法,而莱特币采用的是Scrypt哈希算法。

首先,比特币采用SHA-256、RIPEMD-160哈希算法生成密钥,使用SHA-256作nonce碰撞以挖矿。SHA-256与MD5类似,是一种将比特位洗牌、置换的算法,它的性能与内存空间没有关系,只与CPU处理速度有关;SHA-256算法简单,导致GPU矿机、FPGA矿机、ASIC矿机在比特币领域大行其道,矿厂、矿池完全垄断了比特币挖矿领域,个人用户想挖到比特币~嗯,想都别想。

      莱特币创始人李启威先生认为,比特币这种矿厂矿池集中挖矿的行为,对个人用户而言有失公平,这可能导致某些组织或机构利用廉价的硬件控制整个比特币网络,这违背了比特币的去中心化的初衷。于是,他在莱特币中引入了Scrypt算法,在挖矿中代替SHA-256算法,采用了Scrypt算法后,nonce碰撞对CPU性能消耗极大、也需要极大的内存空间,因此大大拉升了挖矿的成本,让矿厂矿池无法低成本挖到莱特币,从而让莱特币较比特币更为公平。

我们先来看看SHA256算法(如下右图),当然SHA-256算法对老宋来说也够复杂的了,所以还是先来看看MD5算法(如下左图)吧。

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MD5算法是由4轮运算组成,每轮运算16次,也就是说64次运算。可以理解成,用固定的手法洗牌,洗64次牌,运算量较小。而SHA-256如上右图,提高了复杂度和运算量,但是也没有太大的提高,因此CPU、GPU、FPGA、专用ASIC可以非常快速地计算出SHA-256的结果,这让矿厂矿池可以用极低地成本部署大量矿机并行挖取比特币。

而莱特币所使用的Scrypt算法,是程序员兼密码学家COLIN PERCIVAL先生在其2009年的论文《STRONGER KEY DERIVATION VIA SEQUENTIAL MEMORY-HARD FUNCTIONS》中提出的。COLIN PERCIVAL先生2005年牛津博士毕业,发明Scrypt算法时不过30多岁,厉害!

Scrypt是一种KDF算法,KDF是密钥导出功能的意思,主要适用于生成密钥,目的是为了避免黑客低成本地大量产生密钥去试探密码,而Scrypt的这个效果正好被用在莱特币nonce碰撞中,避免了矿厂矿池低成本挖矿。

Scrypt算法运行中会占用大量内存,而内存的硬件层本较高,使得矿厂矿池不可能低成本大量挖矿。请看RFC 7914《The scrypt Password-Based Key

Derivation Function》中关于算法的描述:

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Scrypt算法会产生一个p个块元素的数组,p的值大概比2^31(42亿)小几个数量级,实际使用中可能是十万~百万级别吧?对于每个块元素,都是进行一系列复杂运算生成的哈希值,最后对整个数组再进行PBKDF2-HMAC-SHA256运算得到最终结果。

Scrypt算法保证只有将每个元素都存放在内存中,最后才能算出正确的结果,从算法层面保证了对大量内存空间的硬需求,从而提高了运算成本。

2011年,李启威先生受到比特币启发创建莱特币,并将Scrypt算法应用于莱特币。

而Scrypt算法的发明人COLIN PERCIVAL先生,在2006年创建了一个Tarsnap网站,提供高度安全的在线文件备份服务,其安全性就是由Scrypt算法提供的。Scrypt算法可以很好的抵抗黑客大规模密钥生成试探密码。Tarsnap与百度网盘等其它在线备份服务不同之处在于,其网络中存储的内容是加密的,而只有用户本人才能解密看到,Tarsnap网站是看不到用户文件的内容的。感兴趣的读者可以访问 tarsnap.com/ 以进一步了解,注意Tarsnap是收费服务。

Reference:

1.Open source P2P digital currency

2.Online backups for the truly paranoid

3. barrysteyn/node-scrypt

4.Key derivation function

5.scrypt – Wikipedia

6.Litecoin – Wikipedia

7.The scrypt Password-Based Key Derivation Function

8.Not a IOTA: The Trouble With IOTA and How to Fix It – Cryptovest

9.tarsnap.com/scrypt/scry

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