区块链与密码、数字签名、哈希函数等加密技术息息相关，对安全加密技术的要求较高。无论是加密技术，还是加密通信协议，攻击者一直在提高攻击手段，加密技术的安全性随着时间的流逝不断降低。即使最初区块链使用了安全加密技术，经过一段时间后，加密技术也会不堪一击，随时可能成为攻击的对象。
以比特币的签名方式为例，现有的ECDSA（密钥长度256位）和哈希函数SHA-256技术至少会使用到2030年以后，而比特币的新币发行至少持续到2140年，之后作为货币继续使用的可能性也很大。
NationalInstitute of Standards and Technology, SP 800-57 Part 1 Rev. 4, Recommendationfor Key Management, Part 1: General. , NIST, 2016.
区块链技术长期使用后，外界对签名方式、哈希函数的攻击也愈演愈烈。在威胁到来之前，我们需要及时更新签名方式和哈希函数。这两种技术应用在区块链的各个角落，需要逐一进行考量。本章以比特币模型为范例，介绍交易中的数字签名技术、哈希链使用的哈希函数技术，并具体介绍了两种技术的转移方法。
数字签名与哈希链的作用
如表10-1所示，数字签名与哈希链的作用各不相同，在安全受到威胁和技术转移时，它们的应对方法也有所不同。
表10-1 数字签名与哈希链的功能和威胁
更新数字签名技术是未来交易的保护伞，而升级哈希链技术是交易和区块记录的有力保障。下面我们将依次介绍数字签名、哈希链的转移问题。
数字签名转移面临的课题
在交易过程中，如果数字签名技术不堪一击，攻击者甚至不用窃取签名密钥也可以顺利猜出密码。一旦这种攻击成为现实，就算用户安全保管签名密钥，也将变得毫无意义。在这种事态发生前，我们必须及时改变签名方式，或者增加密钥长度。
区块链的系统软件、管理签名密钥的软硬件（如钱包等）需要与更新后的签名方式、密钥长度一一对应。不过，升级签名方式和密钥后，系统运行的负荷加大，交易增多，区块变大，可能会影响区块链的扩展性。
用户使用软件生成新的签名密钥后，需要重新将密钥与加密货币关联起来。很多用户可能会错过升级签名密钥，或者根本没有意识到事情的重要性，从而继续使用原密码，面临巨大风险。
为了帮助这些用户，区块链、钱包软件以及各种硬件和业界社区论坛应当提供适当指导。
《拷问区块链》
哈希链安全性降低的风险
下面我们来了解一下哈希函数转移对哈希链的影响。哈希链的升级将波及整个网络，所以一定要格外慎重。
区块链使用了数字签名生成（签名运算前的处理）技术、交易和签名密钥（匹配的验证密钥）ID和签名密钥的生成技术，交易的哈希树、区块的哈希链等都使用了哈希函数。
在原来数据的基础上，哈希函数生成新的数值（哈希值），一般来说，主要具有以下特征：
・同一数据得出同一哈希值，不同数据得出不同哈希值。
·无法从哈希值推导原始数据。
以比特币使用的SHA-256哈希函数为例，只要输入数据即可得到256位（32字节）的固定长度哈希值。人们无须比较数据大小，根据哈希值就可以判断数据的同一性，哈希值也是数据检索的关键。哈希函数具有安全性和高效性等特点，除了区块链技术外，其在多个领域都有广泛的应用。
工作量证明（POW）利用了哈希函数的上述特征，前提是为获得小于某个数值的哈希值，用户不得不进行大量计算。
哈希函数可以防止人们篡改数据，安全可靠。安全的哈希函数具有原像计算困难性、第二原像计算困难性、冲突困难性等诸多特性。对于每一个特性来说，当安全性降低时，系统面临的威胁各不相同，譬如可以从哈希值推测原数据，或者输入不同的数据却生成了同一哈希值等。如果出现不同数据生成统一哈希值的情况，作为确认数据一致性的重要手段，哈希函数就失去了可信性。
对区块链来说，其安全性降低后，攻击者可能都不用修改交易的哈希树和区块的哈希链，就可以直接篡改交易记录或区块（考察篡改交易数据时，如果交易之间存在关联，如数字签名的连锁等，需要将这种关系纳入考虑）。
如果这些假设成立，区块链历经时间锤炼、成功保持不变的优势就会大打折扣。在哈希函数变脆弱，以上威胁成为现实之前，我们需要先行升级原有的哈希函数。
哈希函数的转移线索——长期签名技术
以比特币为例，图10-1简要介绍了从交易开始到哈希链生成的过程。经过多重哈希函数处理，其实每个环节都有可能出现哈希值的冲突，产生威胁，过程较为复杂。
图10-1 区块链中的哈希链生成
为了简洁地概括重点，我们首先来了解一下长期签名技术，一起思考一下区块链面临的难题。
长期签名技术以“欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute，以下简称ETSI）”为中心，是标准化PKI数字签名领域的重要技术 ，可以保障数字签名附带电子数据（电子签名格式）长期有效。举例来说，如果将税务文件、合同、医疗信息等视作需要处理的数字签名数据，数据种类不同，法律规定的保存时间也各不相同，作为日后出现纠纷时的重要证据，这些信息往往需要长期保存。
这种情况下，使用数字签名时，我们需要注意两个问题：一是证明谁在什么时间生成了数字签名；二是确保长期保存后，数字签名也具有法律效力。
第1点，关于“谁”的问题， PKI认证机构根据签名本人和签名密钥之间的关联（官方密钥证明）进行授权。而关于“什么时间生成”的问题，如图10-2所示，第三方机构——时间戳记部门逐一标注时间戳（关联数字签名和时间信息）。
图10-2 长期签名的存在证明（时间戳）
尽管区块链的实际处理和模型有所不同，但对比图10-1（区块链模型）和图10-2可以理解为：“电子数据”相当于“交易”，“存在证明（时间戳Token）”相当于“区块的哈希值”，为生成存在证明而输入的“时刻信息”相当于“前一个区块的哈希值”（区块链中，哈希链的意义与时间戳提供严格的时刻证明不同，是保障数据顺序的有力证明）。
长期有效的保障
长期签名的另一个重要特征就是“长期有效性的保障”，这是区块链哈希函数转移的关键。随着时间的流逝，数字签名和哈希函数（生成存在证明）的安全性逐渐下降，很有可能出现伪造数字签名和存在证明的情况。面对这些威胁，通过有效性延长的结构，使用长期签名技术后，即使长时间之后签名方式和哈希函数可能面临风险，仍然可以验证其有效性（PKI的情况下，不仅涉及哈希函数和署名方式的安全问题，还需要考虑官方密钥证书的有效期等，当然长期签名已经包括相应对策）。
面对风险，最基本的思路如下：在数字签名、数字签名对象的电子数据、数字签名的存在证明面临威胁前，用更安全的哈希函数重新建立关联（图10-3）。而对于新关联来说，只要不产生威胁，过去的数字签名、存在证明（过去得到的部分）依然有效。而一旦出现原有的电子数据、数字签名、时间戳Token被伪造的情况，也都可以通过新函数生成的哈希值进行检测。
综上所述，因为签名数据的存在证明离不开第三方机构的时间戳Token，相对单一，所以很容易解决；但是对区块链来说，为了保障存在证明真实可靠，需要各节点生成数据，组成系列哈希链条。必须充分考虑到两者的不同，对症下药，寻找适合的转移方法，下面我们就来了解一下区块链技术的要点。
图10-3 长期签名的有效性延长
区块链哈希函数转移的注意要点
正如分析长期签名概念时提到的那样，转移的重点是用新的哈希函数强化哈希链，而哈希链是过去交易和数字签名的存在证明。图10-3中，首先向哈希函数输入电子数据和签名信息，将区块链中的全部交易数据（包括数字签名）、时刻信息看作一个整体。换句话说，只要将区块链全部原封不动地转移到新的哈希函数上，就可以建立一个新链。
不过这一方法可能并不现实。结合比特币的实际情况来说，2017年11月，区块链的容量约为140G字节。假设2030年左右进行哈希函数转移，那时的容量预计将达到800G字节（单调递增的情况下）。按照常规的区块验证方法，相当于每个节点需要完成800G字节的哈希计算，这是一种低效验证。而如果委托特定的节点或机构进行验证，又破坏了去中心化的意义。
此外，选择哪个阶段的区块链作为输入对象也很有讲究，需要确定某一时刻的区块链状态（哈希转移前的状态），需要超出软件的范畴，由用户社区投票决定。
所以，整合哈希链、进行转移的方法看起来简单，却包括了多种问题。
有人说，可不可以不一次性完成转移，分别将单独的交易信息、特定的区块内容输入新函数之中，接下来再分批转移。如果采用这一方法，随着新块（基于新的哈希函数）的产生，过去的交易和区块生成的哈希值会逐渐融合（如图10-4）。新区块产生的同时，逐渐使用新的哈希函数去强化过去的交易和区块，最终完成全部交易和区块转移。这种方法的优点是，可以避免一次性转移时的投票问题。
不过，在逐渐转移的过程中，需要预估哪个时刻之前的交易和区块、大约可在什么时间前完成转移，储存在新区块内的过去交易和区块的单位等。此外，如何在转移过程中保持区块顺序、顺利完成转移，也是需要考虑的重要问题。从旧区块中读取信息，输入新的哈希函数，这一过程中，如果排除特定交易和区块，或者改变排列顺序，就会损坏过去存在证明的功能。如果有兴趣，各位读者可以参考“Long-term public blockchain:Resilience against Compromise ofUnderlying Cryptography”，文中详细介绍了区块转移的方法。
Masashi Satoand Shin’ichiroMatsuo,“Long-termpublic blockchain: Resilience against Compromise of Underlying Cryptography”, ICCCN 2017 Workshop on Privacy,Security and Trust in Blockchain Technologies, 2017.
图10-4 区块链哈希函数依次转移图示
实际转移中的注意事项——PKI
转移哈希函数和数字签名时，即使有了强大技术支撑，转移工作可能也并不一定顺利。先于区块链，PKI领域已经开始尝试这种转移。在公开密钥证书、数字签名、时间戳等方面，由于传统的哈希函数（SHA-1）和签名密钥（RSA1024位）安全性不断降低，PKI开始向安全性更高的SHA-2函数和RSA2048位以上的密钥转移，目前还在进行之中。下面我们就来简单了解一下PKI转移带来的启示。
首先，要明确方针。比如考虑到政府的奖励标准，探讨原有方式的用途、使用寿命等。
其次，按照上述方针，具体开展转移。这一过程包括：认证机构重新发行证明（密钥的再发行），更新系统、应用程序和中间件，改变设置。如果使用了上述长期签名技术，还需要更新原有签名数据等。
转移工作会影响到很多系统和部门。为保持系统正常运转，顺利进行转移，政府机构、认证机构、时间戳的服务提供者、评价认定机构、系统和应用程序及中间件的供应商应当密切合作，献言献策，调整课题，妥善解决。
实际转移中的注意事项——区块链
区块链也面临着同样的问题。区块链技术的提供者、普通用户、交易所经营者、区块链智能合约的服务提供者……需要与利益关系方协调具体的转移方针，明确实际操作内容，进行适当调整。
尤其像比特币这样的公链，此前已经因为扩展性的问题闹得议论纷纷，实际转移过程中，调整方向肯定会面临诸多困难。
数字签名和哈希函数的转移是保护用户资产安全的必要措施。实际转移时，区块链系统可能会受到巨大冲击，为顺利完成转移，必须慎重地讨论方针和政策。
那么单以比特币等公链为例，为升级签名方式和哈希函数，究竟需要经过怎样的流程呢？下面我想通过两个例子，与大家共同了解一下具体流程。
例一，已经掌握不法攻击手法，必须尽早进行转移。为保证新签名方式和哈希函数一一对应，必须统一更新软件，替换掉不兼容的节点，也就是所谓的“硬分叉”方法。不兼容软件更新的节点将无法继续进行交易或生成区块。
比特币、以太坊已经有过先例，不管如何注意，“硬分叉”的转移方式始终存在着新旧系统并存的风险。由于没有成功更新软件，可能有用户将直接失去加密资产。
例二，攻击手段尚未知晓，还在犹豫是否转移的阶段。这种情况下，最好是保持与现有软件的兼容性，实现共通使用，也就是“软分叉”的方法。
不应该一刀切掉已有的数字签名和哈希链，直接换成新的哈希函数，应该像长期签名那样，利用新的哈希函数，保障数字签名和哈希链的有效性。
长期签名以第三方机构作为担保，转移起来比较简单。但在区块链体系中，问题的关键是谁来担保。希望学界可以解决这一问题，尽量避免硬分叉，采用软分叉的方法进行转移。
数字签名和哈希函数的转移是保护用户资产的必要措施，但是转移也会给区块链整个系统带来巨大冲击。为顺利完成转移工作，必须慎重地讨论方针和政策。