區塊鏈中密碼技術的案例化教學設計

張艷碩 李澤昊 陳 穎

北京電子科技學院，北京市 100070

1 引言

區塊鏈［1］是建立在互聯網之上一個點對點的公共賬本，由區塊鏈網絡的參與者按照共識算法規則共同添加、核驗、認定賬本數據。 區塊鏈在當下信息技術高速發展的背景下，用于多個場景、領域具有廣闊的應用場景，能解決多行業、多領域痛點，進一步提升生產效率，具有很強的重要性和時代性。 區塊鏈的本質［2］是一種加密數據結構，是一種基于多種密碼技術的全新技術，涉及數學、密碼學、互聯網和計算機編程等很多科學技術問題。

密碼學是區塊鏈的核心技術。 區塊鏈中包含的哈希算法、數字簽名、密碼協議等，都是密碼學研究的核心內容。 研究對于區塊鏈中密碼技術的教學，有助于讓更多學生更好地學習區塊鏈與相關的密碼技術，對于培養區塊鏈和密碼學有關人才有著重要的作用。

當下，區塊鏈中密碼技術的相關教學在區塊鏈不斷取得應用和突破的背景下，具有越來越高的重要性，然而當前對于區塊鏈中密碼技術的相關教學方案卻相對不足，缺乏案例化的教學實踐方案。

因此，對區塊鏈中的密碼技術進行相對體系化的案例化教學設計能夠加強區塊鏈有關知識的教學，讓更多不同層次的學生（特別是信息安全和密碼領域）了解區塊鏈的核心密碼技術，有著重要的意義，也能為專業建設服務。 本文對現有區塊鏈中密碼技術給出案例化教學設計思路，隨后分別對區塊鏈中的哈希算法、數字簽名和密碼協議給出相關案例化教學方案。

2 區塊鏈中密碼技術的常見教學方法

區塊鏈中密碼技術當前的典型教學多采取非案例化或不完全案例化的方式，是目前最廣泛使用的教學形式，當下在各類課堂中被普遍采用。 當前區塊鏈中密碼技術的典型教學方法一般從區塊鏈本身的概念入手，對其中涉及的密碼算法進行簡要介紹，能夠一定程度上達到教學效果，但在教學過程中也一定程度上存在不夠細致、針對性不夠強的問題。 因此，可以通過漸進式案例化教學［3］的方式，改進當前的區塊鏈密碼技術教學方法，提升教學質量。

2.1 常見方法

區塊鏈中密碼技術的常見教學方法一般在涉及區塊鏈的相關課程中體現。 常見教學一般是從區塊鏈的定義和相關結構入手，先為學生介紹區塊鏈的相關知識，如區塊鏈的定義、結構、性質，然后對其中涉及較多的密碼技術進行介紹。

常見的教學案例一般是涉及區塊鏈內容的教學。 教學時，首先講解區塊鏈的基本知識，從區塊鏈的應用切入，引發學生學習興趣，然后開始圍繞區塊鏈本身進行講解。 在講解區塊鏈結構時，介紹時一般只談其性質和功能，對于其原理和過程則進行簡單講解或直接忽略。

2.2 存在問題

現有的常見教學方法一般著重以比特幣等虛擬貨幣為案例，主要講解區塊鏈相關知識，并簡要講解其涉及的密碼技術。 這種講解方式能夠一定程度上讓學生對區塊鏈的基礎概念有一定的了解，但是對于區塊鏈涉及的密碼算法、密碼技術的講解只是簡要帶過，并沒有深入講解，學生對其中所涉及的密碼技術的了解只停留在對其性質和應用層面的理解，缺乏對密碼算法的深入理解和掌握，基本不能理解相應技術的原理和過程。

因此，我們更加需要一種能夠讓學生對區塊鏈和其中的密碼技術較為深入了解，并且能有方法可循，成體系的教學方案。

2.3 引入案例化教學

在這樣的背景下，我們可以采取設計案例化教學方案的方式進行區塊鏈中的密碼技術教學。為完善區塊鏈中密碼技術的教學，我們可以借助案例化的方式來進行教學［4］。 通過案例化教學，我們能夠讓學生對區塊鏈中密碼技術的學習更加深入、具體、體系化，提升其理解水平，加深學習印象。

3 區塊鏈中密碼技術的案例化教學

3.1 案例化教學簡介

案例教學，是一種開放式、互動式的新型教學方式。 通常，案例教學要經過事先周密的策劃和準備，要使用特定的案例并指導學生，案例教學一般要結合一定理論，通過各種信息、知識、經驗、觀點的碰撞來達到啟示理論和啟迪思維的目的。 在案例教學中，通過使用編寫的案例來完成教學，它在用于課堂討論和分析之后會使學生有所收獲，從而提高學生分析問題和解決問題的能力。 教學中可以通過分析、比較，提高學生的學習效果，也可以讓學生通過自己的思考或者他人的思考來拓寬自己的視野，從而豐富自己的知識。

本文的教學對象主要是已經學過密碼學、有一定基礎的學生。 對于此類學生，通過本文的案例化教學，讓其更加深入地理解密碼學在區塊鏈中應用的方法和密碼技術在區塊鏈中發揮作用的原理，可以加深有關學生對密碼學和區塊鏈技術之間聯系的認識和對有關技術的整體把握。本文也兼顧從未接觸密碼學的學生。 通過區塊鏈和有關應用進行引入，并簡要講述有關密碼學原理和技術，能夠起到科普，激發學習興趣的作用，從而為其深入學習密碼學及區塊鏈技術奠定基礎。

3.2 案例化教學的目的

案例化教學通過案例講解和學生實踐交流來實現教學，在區塊鏈的主題下，案例化教學能夠鼓勵學員獨立思考，能引導學員變注重知識為注重能力，同時加深學生的學習印象，結合案例提升教學水平。 通過使用案例進行教學［5］，能夠讓教學的過程變得簡單、有趣、生動，激發學生的學習興趣。

此外，案例化教學能夠通過案例的講解，讓教學的理論與具體實踐過程實現結合，完善教學過程中的理論與實踐。 缺乏案例的教學就失去了對實踐過程的分析和教學，脫離實踐的教學也是不完備的，而案例化的教學恰恰可以彌補這一點。

因此，案例化教學具有非常重要的教學意義，應該深入研究并做適當推廣。

3.3 區塊鏈中密碼技術的案例化教學設計思路

區塊鏈是一個復雜的系統，其中涉及多個領域的理論和技術，其中密碼技術是區塊鏈的關鍵技術。 對區塊鏈中密碼技術進行案例化教學時，可以每次側重于不同的內容進行，如不同的密碼算法、密碼協議以及密碼應用。 一次教學側重一種內容的教學，讓這種技術的教學更為深入和具體，提升學生的掌握程度。

在進行案例化教學設計時，需要結合案例進行講解，因此需要結合有關技術編寫相應的案例作為教學內容。 而對應的案例應該生動形象并能夠更好地解釋和反映相關技術中的關鍵內容，從而實現更好的教學效果。 在編寫案例時，應該注意其與要講解的技術之間的緊密結合，其次，應該注意其生動性并使其適用于教學。

區塊鏈中的密碼技術多種多樣，對于區塊鏈中的密碼技術而言，案例化教學應該圍繞其中的核心，以及容易理解的部分進行分別設計。 區塊鏈中的核心密碼技術包括哈希算法、普通數字簽名和功能型簽名、密碼協議等多個部分組成。 下面分別是結合區塊鏈中的哈希算法、數字簽名技術和密碼協議及其中的幾類具體內容的一些可行案例化教學方案。

4 區塊鏈中哈希算法的案例化教學

哈希算法是區塊鏈中常用且重要的密碼學技術，在區塊鏈中密碼技術的案例化教學中具有重要地位。 可以先簡單介紹哈希算法的基本定義和性質，然后簡單講解幾種常用哈希算法作為案例，最后講解哈希算法在區塊鏈中的應用案例。

4.1 哈希算法的基本定義和性質

哈希函數是一公開函數，用于將任意長的消息M 映射為較短的、固定長度的一個值H（M），又稱為散列函數、雜湊函數.我們稱函數值H（M）為哈希值、雜湊值、雜湊碼、或消息摘要。 哈希算法具有等長性、單向性、抗碰撞性等性質。當前應用較為廣泛且較為安全的哈希算法有SHA-256、SM3 等。

4.2 哈希算法在區塊鏈中的應用

哈希算法在區塊鏈中的應用場景豐富，大致包含用戶地址的生成、Merkle 樹、挖礦難度設置、數字簽名和軟件發布等方面［6］［7］。 這些案例有趣而具有廣泛應用，可以作為案例化教學的主要案例來源和教學內容。

（1） 用戶地址生成

在以太坊等區塊鏈系統中，通常使用用戶地址來唯一區別所有的用戶。 而用戶地址在生成的過程中就使用了哈希算法。 以以太坊［8］為例，以太坊首先產生的256 比特隨機數做為用戶的私鑰，然后利用將私鑰和橢圓曲線ECDSAsecp256k1 計算公鑰。 計算得到公鑰后，就利用利用Keccak-256 哈希算法計算公鑰的哈希值。將得到的哈希值的后20byte 截出，就得到了用戶地址。

通過哈希算法得到用戶地址簡單快捷，同時可以起到驗證公鑰是否正確的作用。

（2） Merkle 樹

比特幣區塊包含了區塊頭部和一些比特幣交易。 一個區塊上所有交易的哈希值構成了該區塊Merkle 樹的葉子結點，Merkle 哈希樹的根節點保存在區塊頭里面，因此所有交易與區塊頭部綁定在了一起［9］。

通過Merkle 樹，就得到了每個交易區塊的哈希值，并得到每個交易區塊唯一的Top Hash。這樣的結構實現了區塊的不可篡改，保障了區塊鏈上數據的完整性。

（3） 挖礦難度設置

比特幣難度是對挖礦困難程度的度量［10］，即指計算符合給定目標的一個哈希值的困難程度。 difficulty ＝difficulty_1_target／current_target，difficulty_1_target 的長度為256 比特，前32 位為0，后面全部為1，current_target 是當前塊的目標哈希，先經過壓縮然后存儲在區塊中，區塊的哈希值必須小于給定的目標哈希值，表示挖礦成功。

寓言是一種具有悠久歷史的文體，大多形制簡短卻極具內涵，因此中國語言學家嚴文井把寓言比作魔袋，而“一花一世界”“一葉一乾坤”是佛教對其的褒獎。寓言是我國燦爛文化遺產的重要組成部分，流傳廣泛而飽含智慧。由著名的文學翻譯家夫婦楊憲益和戴乃迭先生共同翻譯的《中國古代寓言選》中共選錄寓言120篇，主要來自《列子》《莊子》《戰國策》《新序》《漢書》《淮南子》和《雪濤小說》。120篇寓言的題目，其中46個通過直譯基本達到原語與目的語的完全對應的效果，而對于另外74個題目的翻譯，譯者為了克服種種語際障礙而采取了若干變通的譯法。

通過設置目標哈希值來確定挖礦難度，在工作量證明中起到了重要的作用［11］。 在使用工作量證明的比特幣系統中，就是使用這種方式來確定挖礦的難度。 礦工們使用高性能計算機不斷調整數值并計算哈希值，直到得到的哈希值前面的0 位滿足要求便挖礦成功，得到相應的獎勵。

4.3 區塊鏈中哈希算法的教學案例

為了讓學生更好地理解和掌握哈希算法在區塊鏈中的原理和作用，本節提出了一個案例化教學方案，主要包括以下幾個步驟：

（1） 介紹哈希算法的基本概念和特征，以及常見的哈希函數如SHA256、MD5 的基本知識，以及哈希函數的歷史、基本設計和結構等基礎知識。

（2） 演示如何使用在線工具或編程語言實現哈希函數的計算，并觀察不同輸入對應的輸出結果。 在這一步中，可以借助圖1，讓學生明白，哈希函數存在單向性，即任意長度的比特串可以生成一個固定長度的比特串，而根據這一固定長度的比特串反推任意長度的原內容幾乎是不可能的。

（3） 說明哈希運算在區塊鏈中的數據加密作用，展示每個區塊包含上一個區塊的哈希值以及自身數據的哈希值，形成一個不可逆轉和不可篡改的鏈式結構。

（4） 說明哈希運算在區塊鏈中的交易地址生成作用，展示如何通過公鑰私鑰對以及多重哈希運算得到一個獨一無二且難以反推的交易地址。

（5） 說明哈希運算在區塊鏈中的Merkle 樹構建作用，嘗試分多個內容，分別結算哈希值，然后再將其中的兩個哈希值合并計算新的哈希，直到最后只有一個哈希值為止。 展示時可以結合圖2，展示如何通過并聯兩個子哈希來往樹上爬直到找到根哈希，從而快速定位每筆交易并核實交易數據是否被篡改。

圖2 Merkle 樹

（6） 說明哈希運算在區塊鏈中的工作量證明作用，展示如何通過不斷修改隨機數Nonce 值來尋找符合目標難度要求（即前導零個數）的有效哈希值，并獲得挖礦獎勵。 這一步可以通過程序進行展示，將每一次計算嘗試得到的哈希值進行顯示，通過改變前導零的個數，對比不同的尋找到合適的Nonce 值的時間，從而讓學生體會前導零的個數對挖礦難度的影響。

5 區塊鏈中數字簽名技術的案例化教學

數字簽名［11］使用非對稱算法中的私鑰對數據進行加密處理，驗簽者通過公鑰進行驗證的方式，保障了數據的完整性和不可否認性，與顯示中的簽名有相同的功能，在區塊鏈中具有非常重要且廣泛的應用。 在進行這一部分的案例化教學時，可以采用先講解概念，然后介紹數字簽名的過程作為案例化教學的方式進行教學。

5.1 數字簽名的定義與性質

數字簽名可以理解為附加在數據單元上的一些數據，或是對數據單元所做的密碼變換，這種數據或變換允許數據單元的接收者用以確認數據單元的來源和數據單元的完整性，并保護數據，防止被人偽造的一種技術。 數字簽名具有不可偽造、不可抵賴、不可復制、不可篡改的性質。

5.2 區塊鏈中數字簽名主要流程及其應用

數字簽名在其過程中使用到了哈希算法。在簽名前，簽名者擁有生成好的公、私鑰對。 簽名者需要將公鑰進行公開，保護私鑰只有自己擁有。 簽名時，首先對要簽名的消息做哈希運算然后用私鑰對哈希運算得到的結果進行加密（即簽名），隨后，將消息和簽名的內容一同發送給接收者。 接收者收到消息后，將消息做哈希處理，隨后將簽名內容使用發送者的公鑰解密，并與自己計算得到的消息哈希值對比。 若為相同，則可以驗證簽名的有效性。

如今，數字簽名廣泛應用在區塊鏈中以及各大網站的驗證、電子郵件、信息公告、軟件下載、公鑰證書、SSL／TLS 等場景。 在進行案例教學時，可以結合其中幾個場景，進行更為生動的教學，也可以讓學生利用空余時間，自行搜集有關資料，尋找數字簽名的應用，作為實踐和更為深入的案例教學。

5.3 區塊鏈中數字簽名的教學案例

在區塊鏈中，數字簽名是實現去中心化、安全交易和共識機制的重要基礎。 本節將通過一個簡單的案例，介紹區塊鏈中數字簽名技術的原理和應用。 在教學時，可以讓學生進行角色扮演，充分體會數字簽名的整個過程，進一步深入理解區塊鏈中的數字簽名技術。

假設有兩個用戶A 和B，他們想要在區塊鏈上進行一筆交易，即A 向B 轉賬10 個比特幣。為了保證交易的有效性和不可篡改性，他們需要使用數字簽名技術。 具體步驟如下：

（1） A 生成一對密鑰，即公鑰和私鑰。 公鑰是可以公開的，用于驗證A 的身份；私鑰是需要保密的，用于對信息進行加密。

（2） A 構造一個交易信息，包含交易雙方的地址、轉賬金額、時間戳等內容，并使用私鑰對這個信息進行加密，得到一個數字簽名。

（3） A 將交易信息和數字簽名一起廣播到區塊鏈網絡上。

（4） B 收到交易信息后，使用A 的公鑰對數字簽名進行解密，得到一個原始信息，并與收到的交易信息進行比較。 如果兩者相同，則說明這個交易確實是由A 發出，并且沒有被篡改。

（5） B 驗證通過后，就可以接受這筆交易，并將其記錄在自己的賬本上。

（6） 其他節點也可以通過同樣的方式驗證這筆交易，并將其寫入新生成的區塊中。

（7） 最后，結合圖3，詳細講解區塊鏈中的數字簽名作用。 并引導學生進行總結歸納。 區塊鏈中的數字簽名作用包括：①保證了信息發送者身份的真實性和不可抵賴性。 ②保證了信息內容的完整性和不可篡改性。 ③促進了去中心化、安全交易和共識機制。

圖3 數字簽名主要流程

在教學時，通過講解案例，讓學生體會每個步驟不同的作用，進一步理解數字簽名的思想和對應的功能。 通過這一案例化教學，能讓學生對數字簽名的基礎有一定了解，在此之上，學生能夠進一步對區塊鏈中數字簽名的具體應用和特點有較為深入的理解。

然而，區塊鏈對數字簽名的應用并不局限于這類普通的簽名，區塊鏈中還有對功能型簽名技術的應用。 對于現有水平較高的學生，可以結合區塊鏈中的功能型簽名技術，進行更深層次的案例化教學。

5.4 區塊鏈中的功能型簽名技術和教學案例

除普通簽名外，區塊鏈中還運用了一些特殊的帶有屬性的簽名技術［12］。 一些區塊鏈系統采用群簽名、環簽名或盲簽名的方式，保障區塊鏈中的某些功能和性質。 對于學有余力的學生，可以針對這些內容進行進一步升入教學，讓學生更加深入、多樣地理解區塊鏈中的簽名技術。 對于這一部分的教學，可以采用以簡單講解、概念理解為主的教學方式，旨在讓學生對于區塊鏈中特殊的簽名技術有一定的了解和把握。 可以圍繞下面的資料，對環簽名、盲簽名的知識進行簡要介紹。 介紹時可以結合當前現有的先進技術。

5.4.1 環簽名

環簽名［13］最初由Rivest 等人提出，環簽名中只有環成員沒有管理者，不需要環成員間的合作。

對于環簽名，有一個有趣的案例故事，可以作為背景教學的引入：我們可以假設Bob 是一個內閣成員，他想向記者揭露首相貪污的情況，他要使記者確信此消息來自一個內閣成員，同時又不想泄露自己的身份（保證匿名性），以免遭到首相報復。 對于這樣一個問題，顯然普通簽名和群簽名是無法解決的，那么該怎么做呢？

為解決這樣的問題，無管理者，無需成員合作的環簽名就誕生了。 其主要流程為生成、簽名、驗證。 具有正確性、無條件匿名性、不可偽造等性質。 在區塊鏈中，環簽名也具有很多場景也具有廣泛應用。 在區塊鏈的交易中，部分有不可追蹤性和不可鏈接性的要求。 不可追蹤性的意思是對每個交易輸入，所有可能的交易發起者都是等可能的，而對于不可鏈接性則表示對任意兩個交易輸出，不能證明他們是否發送給同一用戶。 為了解決這一問題，CryptoNote 采用了一次性公私鑰對的方式，發起者可以根據接受者的長期公鑰生成新的一次性公鑰，新公鑰只有接受者能計算出對應的私鑰，并且不能被其他用戶關聯到接受者的長期公鑰.這樣，在保證了同一接受者每次交易存在不同接受地址的同時，發送者不需要接受者告知新公鑰，可以獨立構造交易。

5.4.2 盲簽名

盲簽名的概念首先由David Chaum 于1982年提出，盲簽名實現了簽名者對發送者的消息進行簽名，卻不能知道簽名者消息的具體內容。 對于盲簽名的概念，可以用以下案例進行教學：寄件者將文件放入帶有復寫紙的信封，簽名者在信封上對文件進行簽名而不知道文件的具體內容，這就是盲簽名的思想。

盲簽名是為解決電子現金的匿名性問題而提出的。 當前的移動網絡支付工具，如微信、支付寶等，在支付時，對于支付的信息，并不能做到匿名，其中交易的提出者和接受者的信息是可查的。 而銀行通過使用盲簽名的方式發布電子現金，就可以做到這一點，上圖4 為銀行通過盲簽名發布電子現金的流程結構示意圖。

圖4 銀行通過盲簽名發布電子現金

在講解時，可以講解區塊鏈中采用盲簽名的典型技術。 在區塊鏈中，混幣技術就是采用盲簽名的典型技術。 區塊鏈系統中地址是由用戶自行生成，與用戶的身份信息無關，用戶創建和使用地址不需要第三方參與。 因此，相對于傳統的賬號（例如銀行卡號），區塊鏈地址具有較好的匿名性。 但是區塊鏈交易之間的關聯性可以被用于推測敏感信息，區塊鏈所有數據都存儲在公開的全局賬本中，用戶在使用區塊鏈地址參與區塊鏈業務時，有可能泄露一些敏感信息，例如區塊鏈交易在網絡層傳播軌跡。 而采用混幣技術的有關協議，如Blindcoin 協議，保證了沒有被動對手可以在特定的混合中鏈接輸入／輸出地址對。 因此，Blindcoin 在同時參與混合的所有非惡意用戶集合內實現k-匿名性。 除了混幣服務器的資源外，對可以同時參與混幣的用戶數沒有任何限制，因此參與者越多，匿名集就越大。 通過使用盲簽名方案隱藏參與者的輸入／輸出地址映射，實現了對混合服務的匿名性。

6 區塊鏈中密碼協議的案例化教學

密碼協議是指兩個或兩個以上的參與者為完成密碼通信中某項特定任務而約定的一系列步驟。 在區塊鏈技術涉及到眾多密碼協議和一些有關思想，如零知識證明、密鑰管理等。 本節以零知識證明和密鑰管理為例，對區塊鏈中的密碼協議進行案例化教學。

6.1 區塊鏈中的零知識證明

6.1.1 零知識證明簡介

零知識證明［14］是一種能夠在不透露任何有用信息的情況下，讓驗證者相信證明者擁有某個知識或滿足某個條件的協議。 零知識證明有三個基本特征：完整性，可靠性和零知識性。 零知識證明可以分為交互式和非交互式兩種類型，前者需要多輪通信，后者只需要一次通信。

6.1.2 區塊鏈中的零知識證明

區塊鏈是一種分布式的、不可篡改的、去中心化的數據存儲和交易技術，它可以實現公開透明、安全可信、無需第三方中介的價值傳輸。 然而，區塊鏈的公開性也帶來了隱私保護的挑戰，因為任何人都可以查看區塊鏈上的交易記錄和賬戶余額，這可能暴露用戶的身份信息、財務狀況、商業機密等敏感數據。 為了解決這個問題，零知識證明被引入到區塊鏈領域［15］。

在區塊鏈系統中，零知識證明可以用來實現隱私交易、隱私智能合約、隱私身份認證等功能［16］。 例如，在Zcash 這種基于零知識證明技術的加密貨幣中，用戶可以隱藏交易雙方和金額等細節，只向網絡公布一個簡潔非交互式零知識參數（zk-SNARKs）作為有效性和正確性的憑據。這樣既保護了用戶隱私，又保持了網絡安全和透明度。 除了Zcash 之外，還有許多其他項目也在探索和應用零知識證明技術，如Ethereum、Monero、Algorand 等。

6.1.3 區塊鏈中零知識證明的教學案例

在對于區塊鏈中零知識證明的教學中，可以通過先講解簡單案例，再結合區塊鏈中實際應用的方式進行。 下面是一個可行的教學設計。

（1） 首先介紹一個案例場景：有一個缺口環形的長廊，出口和入口距離非常近（在目距之內），但走廊中間某處有一道只能用鑰匙打開的門，A 要向B 證明自己擁有該門的鑰匙（如圖5）。

圖5 環形長廊

（2） 在此基礎上，向學生提出問題，即A 要如何向B 證明自己擁有該門的鑰匙？

（3） 介紹不采取零知識證明的方法。 如果不需要采用零知識證明，那么A 很容易向B 證明他確實擁有門的鑰匙。 即A 和B 一起走到C處，然后A 在B 的觀察下，打開位于C 和D 中間的門，走出環形長廊，這樣B 就完全可以相信A擁有打開門的鑰匙。

（4） 介紹采用零知識證明的方法。 B 看著A 從入口進入走廊，然后又從出口走出走廊，這時B 沒有得到任何關于這個鑰匙的信息，但是完全可以證明A 擁有鑰匙。 在這個案例中，A并沒有給B 看到鑰匙，或者透露關于鑰匙的任何信息，但是B 完全有理由相信A 的確擁有這把鑰匙，這樣就構成了一個零知識證明。 這就意味著A 對B 完成了零知識證明。

（5） 引導學生對上述兩種方法進行對比分析，總結零知識證明所具有的特點。

此示例簡單明了，很好地講述了零知識證明的原理和定義，作為一個零知識證明的案例化教學設計較為合適，學生能夠為區塊鏈中使用到的這種類型的密碼協議有一個深刻的初步理解。區塊鏈中的零知識證明也有一樣的原理和思想。對于有一定經驗的學生，還可以結合區塊鏈中Zcash 等零知識證明的應用案例進行講解。

6.2 區塊鏈中密鑰管理的教學案例

6.2.1 密鑰管理簡介

密鑰管理就是對加解密等所使用的密鑰進行管理的行為，涉及密鑰的全生命周期，即包括密鑰的產生、檢驗、分發、傳遞、保管、使用、銷毀的全部過程［17］［18］。 現代密碼體制要求加密算法是可以公開評估的，整個密碼系統的安全性并不取決于對密碼算法的保密或者是對加密設備等的保護。 在這種背景下，決定整個密碼體制安全性的因素將是密鑰的保密性。

6.2.2 區塊鏈中的密鑰管理

區塊鏈中的密鑰管理方法主要有兩種：一種是基于智能合約［19］或腳本的多重簽名方法，另一種是基于安全多方計算（MPC）的門限簽名方法。 多重簽名方法是指通過設計一個規則，比如說需要三個人同時簽名或者兩個人同時簽名，將這些簽名傳遞給一份智能合約或腳本，然后執行相應的操作。 門限簽名方法是指通過將一個私鑰分成多個碎片，并分發給不同的參與者，在不需要拼接私鑰的情況下，通過運行一個MPC 協議來產生一個合法的簽名。 區塊鏈中的密鑰管理方法各有優缺點，具體應用時需要根據不同場景和需求進行選擇。

6.2.3 區塊鏈中密鑰管理的教學案例

在這一部分的教學中，可以對密鑰管理的整個流程進行一個詳細的介紹。 區塊鏈中的密鑰管理是保證數據安全和身份認證的重要環節，它涉及到私鑰、公鑰、地址、簽名等概念。 為了讓學生更好地理解和掌握區塊鏈中的密鑰管理，本節提出了一種案例化教學方案，具體步驟如下：

（1） 介紹區塊鏈中的密鑰管理的基本原理和流程，包括私鑰和公鑰的生成、存儲和使用，以及地址和簽名的作用和方法。

（2） 選擇一個具體的區塊鏈平臺，如比特幣或以太坊，演示如何通過相關工具或軟件生成私鑰和公鑰，并將公鑰轉換為地址。 比如，在比特幣平臺上，可以使用比特幣核心客戶端或其他第三方軟件來創建一個新的比特幣賬戶，該賬戶會自動生成一個私鑰和一個公鑰，并將公鑰通過哈希算法轉換為一個比特幣地址。

（3） 模擬一個簡單的交易場景，如A 向B轉賬一定數量的數字貨幣，演示如何通過私鑰對交易進行簽名，并通過公網廣播交易。 比如，在比特幣平臺上，A 可以使用比特幣核心客戶端或其他第三方軟件來創建一個新的交易，輸入B的比特幣地址和轉賬金額，并使用A 的私鑰對交易進行簽名。 然后，A 可以將交易通過網絡節點發送到比特幣網絡中，并等待網絡確認交易。在以太坊平臺上，A 可以使用以太坊錢包或其他第三方軟件來創建一個新的交易，輸入B 的以太坊地址和轉賬金額，并使用A 的私鑰對交易進行簽名。 然后，A 可以將交易通過網絡節點發送到以太坊網絡中，并等待網絡確認交易。

（4） 通過區塊瀏覽器或其他工具查詢交易的狀態和細節，并驗證交易的有效性和安全性。比如，在比特幣平臺上，A 和B 可以使用區塊瀏覽器或其他工具來查看交易是否已經被網絡確認，并且是否已經被記錄在區塊鏈上。 他們還可以查看交易的輸入輸出、手續費、時間戳等信息，并使用B 的公鑰來驗證交易的簽名是否正確。

（5） 分析區塊鏈中密鑰管理面臨的挑戰和風險，如私鑰丟失或泄露、密鑰更新難題、量子計算威脅等，并探討可能的解決方案或改進措施。

此外，還可以對區塊鏈應用系統中出現的密鑰泄露事故進行一些案例分析。 例如2013 年底，美國一家電視臺主持人在直播中接受比特幣禮券，不小心在鏡頭前面展示了密鑰的二維碼，結果不到一會，禮券里的前就被人偷走了。 諸如此類的事故還有很多，通過講解這類故事，以有趣的形式，為學生講解密鑰管理的重要性，讓學生在生動的教學過程中體會到區塊鏈中密鑰管理的流程，深入學習領會到其中的重要知識和內涵。

7 區塊鏈中密碼技術實踐的案例化教學

7.1 區塊鏈的共識機制與實踐教學

共識機制［20］是區塊鏈實現共識的核心技術，在區塊鏈系統中具有不可替代的作用。 區塊鏈中的共識機制是指一種規則或算法，用于讓所有節點在沒有中央權威的情況下，就某個數據或交易的有效性達成一致的意見。 常見的共識機制有工作量證明、權益證明、委托權益證明等。

對于不同階段的學生，可以通過一些實踐和實驗，提升他們對區塊鏈結構和其中的密碼算法的理解，同時可以進一步提高他們在區塊鏈有關領域的實踐能力。 對于能夠進行實踐的學生，一般他們具有較強的對區塊鏈的理解和認識，有一定的能力。 因此，可以圍繞區塊鏈中的共識機制這一主題，讓學生在實踐中嘗試實現共識機制，并在這個過程中感受共識機制和區塊鏈中密碼技術的聯系。

7.2 區塊鏈中密碼技術的實踐教學案例

下面本文以實驗“共識算法的自主設計與實現”為例［21］，從實驗內容和教學方式兩個方面，介紹實踐教學的內容和方式。

7.2.1 實驗內容

下面是實驗的具體內容：

實驗名稱：共識算法的自主設計與實現

實驗內容：通過自主設計實驗，體驗典型共識機制的原理及運作過程，感受區塊鏈系統的奧妙。

實驗步驟：

（1） 工作量證明共識的實現；

（2） 權益證明共識的實現；

（3） 委托權益證明共識的實現；

（4） 自由選擇或自主設計共識機制與實現；

（5） 對實現的共識機制進行驗證和分析。

7.2.2 講解方式

在實驗時，需要進行充分的講解，幫助和引導學生完成實驗。 實驗時，需要注意讓學生思考以下一些問題。 如：需要各類共識機制實現的關鍵是什么？ 各類共識機制有什么優缺點？ 各類共識機制都使用了什么密碼算法，分別實現了什么功能？ 通過思考這些問題，可以讓學生進一步理解區塊鏈的核心即共識機制與區塊鏈中密碼技術的聯系，最后，讓學生對實現的各類共識機制進行對比分析，比較其中的不同密碼技術和共識機制對區塊鏈的性能帶來的不同影響。

此外，在教學時，有一些需要注意的內容。本實驗旨在讓學生感受區塊鏈共識機制的原理和相關密碼技術，屬于開放性設計實驗。 此實驗面向對區塊鏈有一定了解，有一定編程基礎的學生。 此實驗的開放性較強，學生對現有共識機制通過自己的方法進行實現，也可以自己嘗試設計和實現一種共識算法。 在實驗時，要注意讓學生對比分析各類共識機制，并注意對其中的密碼學技術和原理進行深入理解。

通過進行這樣一個簡單的實踐，可以讓學生進一步深入理解區塊鏈的核心——共識機制的同時，通過編程實踐，更加深入地理解密碼技術是如何在區塊鏈系統中發揮作用的。

8 總結

本文對于區塊鏈和其中的密碼技術進行了簡要介紹，并對其中的密碼算法、密碼協議、密碼應用進行了分類講述，提供了一些案例化教學方案，此外，對于不同學習階段和能力的學生，給出了不同的實驗方案來進行案例化實踐教學。

通過進行區塊鏈中密碼技術的案例化教學，可以讓學生深入學習區塊鏈和其有關的密碼算法，加強學生的密碼學綜合素養，培養學生的邏輯思維能力。 區塊鏈及區塊鏈中的密碼算法在各大領域都有廣泛運用，在未來的應用或將更加廣泛，對更多人進行相關教學具有相當的重要性。 進行案例化教學時，著重講解不同的密碼算法和有關內容，以生動的講解，清晰地講解不同的密碼技術和內容，并明確講解其與區塊鏈之間的聯系。 應該對于不同的教學對象采用不同的教學方法，做到因材施教。 教學中要避免使用過于困難的材料，引用已有定理時確保學生都能夠理解，盡量讓教學生動易懂，同時激發學習興趣，讓更多人了解區塊鏈和密碼學。