揭秘区块链核心技术“哈希与加密算法”

【IT168点评】众所周知，区块链的关键技术构成有：P2P网络协议、共识机制、密码学技术、账户和存储模型。 在这些技术中，密码学和共识机制是核心。 那么今天我们就来详细聊聊密码学，看看密码学技术在区块链中是如何应用的。

首先，我们要知道区块链使用的密码算法有哪些？ 其实分两类：

·哈希算法

·非对称加密算法

1. 区块链中的哈希算法

哈希算法是区块链中使用最多的算法，广泛应用于构建区块和确认交易的完整性。

它是一种数学函数算法，又称哈希算法，需要具备三个基本特征：

1.它的输入可以是任意大小的字符串

2.它产生固定大小的输出

3、可以进行有效的计算，即可以在合理的时间内计算出输出值

如果哈希算法需要实现密码安全，我们还要求它具有以下三个附加属性：

抗碰撞性：指对于两个不同的输入，必须产生两个不同的输出。 如果两个不同的输入产生相同的输出，那么就没有抗碰撞性，或者说抗碰撞性很弱。

隐蔽性：又称不可逆性，是指在y = HASH(x)中，输入值x可以计算出输出值y，但不能通过推导y的值来计算出x的值。 为了保证不可逆性，x的值必须来自一个非常宽的集合，这样就很难通过计算推导出x的值。

Puzzle-friendly：这个特性可以理解为拼图是公平友好的。 比如算法中，y = HASH(x)，如果知道y的值，想得到x的值，就必须暴力枚举，不断尝试。 去做吧，没有更好的方法，没有捷径。

哈希算法有很多种，比特币使用的主要哈希算法是SHA-256算法。

此外，还有其他流行的哈希算法，如MD5、SHA-1、SHA-2（SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512）、SHA-3等，其中MD5和SHA-1已被证明抗碰撞性不强，安全性不够高，市场不再推荐使用。

下面以比特币为例，看看哈希算法的具体应用：在比特币中，哈希算法用于生成交易的数据摘要。 当前区块包含了前一个区块的哈希值，下一个区块的哈希值还包含了当前区块的哈希值，这样一个一个连接起来，形成一个哈希指针链表，为如下图所示：

以上只是一个示意图，那么在实际的比特币系统中，每个区块包含什么：

重点看上图：

Prev Block：记录签署一个区块的哈希地址，32字节

Merkle Root：是记录当前区块所有交易信息的数据摘要哈希值，32字节

Nonce：一个随机值，需要用来寻找满足一定条件的哈希值（挖矿），4字节

上面只解释了几个关键字段，其他字段通过字面量应该很容易理解，就不一一解释了。 所有这些字段共同组成了区块头（block header），然后区块头需要进行两次哈希计算比特币二次加密，计算出的值就是当前比特币区块的哈希值。 因为比特币系统要求计算出的哈希值满足一定的条件（小于某个值），所以我们需要不断遍历Nonce值，计算出新的哈希值来满足要求。 只有找到符合要求的哈希值，那么这才是一个合法的区块（这一系列动作也叫挖矿）

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

我们再来看看上面另一个重要的字段：Merkle树字段。 默克尔树简称默克尔树，也是哈希算法的一个重要应用。 它实际上是用哈希指针构建的二叉树或多树。

Merkle树如图所示：

树的顶部称为 Merkle Root。 Merkle Root 也是一个哈希值。 它是如何计算的？

在比特币中，对每一笔交易都进行一次哈希计算，然后将每两笔交易的哈希值组合起来做一个哈希值。 图中，交易A的哈希值为H(A)，交易B的哈希值为H(B)，将这两个交易的哈希合并后，得到H(hA|hb)。 这样比特币二次加密，组合计算一直进行下去，直到最后的根是Merkle Root。

Merkle树结构在比特币和以太坊中都有使用，但是为了实现更复杂的功能，以太坊拥有三棵Merkle树。

至此，哈希算法在区块链中的应用介绍完毕。 接下来我们来看一下非对称加密算法。

2. 区块链中的非对称加密算法

区块链的一个关键点就是账户问题，但是比特币没有账户的概念，那么如何进行转账交易呢？

这里首先要介绍一下区块链中的非对称加密技术。

非对称加密技术有很多种，例如：RSA、ECC、ECDSA等，比特币中使用的是ECDSA算法。 ECDSA 是美国政府标准，使用升级版的椭圆曲线，该算法经过多年仔细的密码分析，被广泛认为安全可靠。

所谓非对称加密，就是我们在对数据进行加密和解密时，需要使用两个不同的密钥。 例如，我们可以使用 A 密钥加密数据，然后使用 B 密钥解密数据。 反之，我们也可以先用B加密，再用A解密。 所以如果我要给某人发信息，我可以先用A加密，然后把密文传给她。 她得到密文后，就可以用手中的B密钥解密。 在这两个密钥中，一个称为公钥，另一个称为私钥。

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

从图中可以看出，在第一条交易记录中，交易是由用户U0发起的。 如何支付代币给用户U1？

首先，用户U0写入交易信息：data（明文，例如：用户U0转100元给用户U1）

用户U0使用哈希算法计算交易信息得到H = hash(data)，然后用自己的私钥对H进行签名，即S(H)。 这一步实际上是为了防止交易信息被篡改。 的

然后基于区块链网络，将签名S(H)和交易信息数据传递给用户U1

用户U1使用用户U0的公钥解密S(H)，得到交易信息的哈希值H

同时，用户U1也使用哈希算法计算交易信息数据，得到H2 = hash(data)

比较以上两个哈希值，如果H1==H2，则交易合法。说明用户U0在发起交易时确实拥有真正的私钥，有权发起自己账户的交易

网络中的每个节点都可以参与上述验证步骤。

本例为比特币交易的签名过程，结合哈希算法和非对称算法对比特币交易进行数字签名。 另外，在比特币中，公私钥的生成以及比特币地址的生成，也是通过非对称加密算法来保证的。

以上就是核心技术哈希算法和加密算法在区块链系统中的应用。 欢迎交流。