揭秘区块链的核心技术之「哈希与加密算法」

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揭秘区块链的核心技术之「哈希与加密算法」

2018 年 8 月 15 日 算法与数据结构

来自：不止思考（微信号：bzsikao）

大家都知道，区块链的关键技术组成主要为：P2P网络协议、共识机制、密码学技术、账户与存储模型。而这些技术中，又以密码学与共识机制这两点为最核心。那么今天我们来详细的聊一聊密码学，看一看密码学技术是如何在区块链中应用的。

首先，我们需知道区块链中用到的密码学算法有哪些？其实就两大类：

哈希算法
非对称加密算法

一、区块链中的哈希算法

哈希算法是区块链中用的最多的一种算法，它被广泛的使用在构建区块和确认交易的完整性上。

它是一类数学函数算法，又被称为散列算法，需具备三个基本特性：

其输入可为任意大小的字符串
它产生固定大小的输出
它能进行有效计算，也就是能在合理的时间内就能算出输出值

如果要求哈希算法达到密码学安全的话，我们还要求它具备以下三个附加特性：

碰撞阻力：
是指对于两个不同的输入，必须产生两个不同的输出。如果对于两个不同的输入产生了相同的输出，那么就说明不具备碰撞阻力，或是弱碰撞阻力。
隐秘性：
也被称为不可逆性，是指 y = HASH（x）中，通过输入值x，可以计算出输出值y，但是无法通过y值去反推计算出x值。为了保证不可逆，就得让x的取值来自一个非常广泛的集合，使之很难通过计算反推出x值。
谜题友好：
这个特性可以理解为，谜题是公平友好的，例如算法中 y = HASH（x），如果已知y值，想去得到x值，那就必须暴力枚举，不断的尝试才能做到，并且没有比这更好的办法，没有捷径。

哈希算法有很多，比特币主要使用的哈希算法是 SHA-256 算法。

除此之外，还有其他一些哈希算法也很流行，例如 MD5、SHA-1、SHA-2（SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512）、SHA-3 等，其中 MD5、SHA-1 已被证明了不具备强碰撞阻力，安全性不够高，因此市场上不再推荐使用。

我们以比特币为例，来看一下哈希算法的具体应用：
在比特币中，使用哈希算法把交易生成数据摘要，当前区块里面包含上一个区块的哈希值，后面一个区块又包含当前区块的哈希值，就这样一个接一个的连接起来，形成一个哈希指针链表，如下图：

上面只是示意图，那么在实际比特币系统中，每个区块包含哪些内容呢：

重点关注一下上图中的：

Prev Block：记录签一个区块的hash地址，32字节
Merkle Root：是一个记录当前块内的所有交易信息的数据摘要hash值，32字节
Nonce：一个随机值，需要通过这个随机值去找到满足某个条件的hash值（挖矿），4字节

上面只是解释了几个重点的字段，其它字段通过字面应该容易理解就不一一解释了。
这所有的字段一起就组成了 block header（区块头），然后需要对 block header 进行2次hash计算，计算完成的值就是当前比特币区块的hash值。因为比特币系统要求计算出来的这个hash值满足一定的条件（小于某个数值），因此需要我们不断的遍历Nonce值去计算新的hash值以满足要求，只有找到了满足要求的hash值，那么这就是一个合法区块了（这一系列动作也叫作挖矿）

python示例：SHA-256(SHA-256 (Block Header)

我们再看一下上面的另一个重要字段： Merkle tree 字段。
Merkle tree 被称为默克尔树，它也是哈希算法的一个重要应用。
它其实是一个用哈希指针建立的二叉树或多叉树。

Merkle tree 如图：

其树的顶端叫做默克尔根（Merkle Root），Merkle Root 也是一个hash值，它是怎么计算出来的呢？

比特币中对每一笔交易做一个hash计算，然后把每2个交易的hash再进行合并做hash，如图中的交易A的hash值是 H（A），交易B的hash值是H（B），再对这2个交易合并hash后就是H（hA|hb），就这样一直往上合并计算，算到最后的根部就是 Merkle Root 了。

在比特币和以太坊中都是使用的默克尔树结构，但是以太坊为了实现更多复杂的功能，所以有三个默克尔树。

至此，区块链中的哈希算法应用就介绍完了，接下来我们看一下非对称加密算法。

二、区块链中的非对称加密算法

区块链中有一个很关键的点就是账户问题，但比特币中是没有账户概念的，那大家是怎么进行转账交易的呢？

这里就得先介绍区块链中的非对称加密技术了。

非对称加密技术有很多种，如：RSA、ECC、ECDSA 等，比特币中是使用的 ECDSA 算法。
ECDSA 是美国政府的标准，是利用了椭圆曲线的升级版，这个算法经过了数年的细致密码分析，被广泛认为是安全可靠的。

所谓非对称加密是指我们在对数据进行加密和解密的时候，需使用2个不同的密钥。比如，我们可以用A密钥将数据进行加密，然后用B密钥来解密，相反，也可以用B来加密，然后使用A来解密。那么如果我想给某个人传递信息，那我可以先用A加密后，将密文传给她，她拿到密文之后，用手上的B密钥去解开。这2个密钥，一个被成为公钥、一个是私钥。

在比特币中，每个用户都有一对密钥（公钥和私钥），比特币系统中是使用用户的公钥作为交易账户的。
我们先看下图：

在图中可以看到，在第一笔交易记录中，是用户U0 来发起的交易，要将代币支付给用户U1，是怎么实现的呢？

首先用户U0 写好交易信息：data（明文，例如：用户U0转账100元给用户U1）
用户U0 使用哈希算法将交易信息进行计算，得出 H = hash（data），然后再使用自己的私钥对 H 进行签名，即 S(H)，这一步其实是为了防止交易信息被篡改用的
然后基于区块链网络，将签名S(H) 和交易信息data 传递给用户U1
用户U1 使用用户U0 的公钥来对 S(H) 解密，就得到了交易信息的哈希值 H
同时，用户U1 还使用哈希算法对交易信息data 进行计算，得出 H2 = hash（data）
对比上面2个哈希值，如果 H1==H2，则交易合法。说明用户U0 在发起交易的时候确实拥有真实的私钥，有权发起自己账户的交易
网络中每一个节点都可以参与上述的验证步骤。