揭秘區塊鏈的核心技術之「哈希與加密算法 」
大家都知道，區塊鏈的關鍵技術組成主要為：P2P網絡協議、共識機制、密碼學技術、賬戶與存儲模型。而這些技術中，又以 密碼學與共識機制 這兩點為最核心。那么今天我們來詳細的聊一聊密碼學，看一看密碼學技術是如何在區塊鏈中應用的。
首先，我們需知道區塊鏈中用到的密碼學算法有哪些?其實就兩大類：
- 哈希算法
- 非對稱加密算法
一、區塊鏈中的哈希算法
哈希算法是區塊鏈中用的最多的一種算法，它被廣泛的使用在構建區塊和確認交易的完整性上。
它是一類數學函數算法，又被稱為散列算法，需具備三個基本特性：
- 其輸入可為任意大小的字符串
- 它產生固定大小的輸出
- 它能進行有效計算，也就是能在合理的時間內就能算出輸出值
如果要求哈希算法達到密碼學安全的話，我們還要求它具備以下三個附加特性：
1.碰撞阻力：
是指對于兩個不同的輸入，必須產生兩個不同的輸出。如果對于兩個不同的輸入產生了相同的輸出，那么就說明不具備碰撞阻力，或是弱碰撞阻力。
2.隱秘性：
也被稱為不可逆性，是指 y = HASH(x)中，通過輸入值x，可以計算出輸出值y，但是無法通過y值去反推計算出x值。為了保證不可逆，就得讓x的取值來自一個非常廣泛的集合，使之很難通過計算反推出x值。
3.謎題友好：
這個特性可以理解為，謎題是公平友好的，例如算法中 y = HASH(x)，如果已知y值，想去得到x值，那就必須暴力枚舉，不斷的嘗試才能做到，并且沒有比這更好的辦法，沒有捷徑。
哈希算法有很多，比特幣主要使用的哈希算法是 SHA-256 算法。
除此之外，還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 已被證明了不具備 強碰撞阻力，安全性不夠高，因此市場上不再推薦使用。
我們以比特幣為例，來看一下哈希算法的具體應用：
在比特幣中，使用哈希算法把交易生成數據摘要，當前區塊里面包含上一個區塊的哈希值，后面一個區塊又包含當前區塊的哈希值，就這樣一個接一個的連接起來，形成一個哈希指針鏈表，如下圖：
上面只是示意圖，那么在實際比特幣系統中，每個區塊包含哪些內容呢：
重點關注一下上圖中的：
- Prev Block：記錄簽一個區塊的hash地址，32字節
- Merkle Root：是一個記錄當前塊內的所有交易信息的數據摘要hash值，32字節
- Nonce：一個隨機值，需要通過這個隨機值去找到滿足某個條件的hash值(挖礦)，4字節
上面只是解釋了幾個重點的字段，其它字段通過字面應該容易理解就不一一解釋了。
這所有的字段一起就組成了 block header(區塊頭)，然后需要對 block header 進行2次hash計算，計算完成的值就是當前比特幣區塊的hash值。因為比特幣系統要求計算出來的這個hash值滿足一定的條件(小于某個數值)，因此需要我們不斷的遍歷Nonce值去計算新的hash值以滿足要求，只有找到了滿足要求的hash值，那么這就是一個合法區塊了(這一系列動作也叫作挖礦)
python 示例： SHA-256(SHA-256 (Block Header)
我們再看一下上面的另一個重要字段： Merkle tree 字段。
Merkle tree 被稱為 默克爾樹，它也是哈希算法的一個重要應用。
它其實是一個用哈希指針建立的二叉樹或多叉樹。
Merkle tree 如圖：
其樹的頂端叫做 默克爾根(Merkle Root)，Merkle Root 也是一個hash值，它是怎么計算出來的呢?
比特幣中對每一筆交易做一個hash計算，然后把每2個交易的hash再進行合并做hash，如圖中的 交易A的hash值是 H(A)，交易B的hash值是H(B)，再對這2個交易合并hash后就是H(hA|hb)，就這樣一直往上合并計算，算到最后的根部就是 Merkle Root 了。
在比特幣和以太坊中都是使用的默克爾樹結構，但是以太坊為了實現更多復雜的功能，所以有三個默克爾樹。
至此，區塊鏈中的哈希算法應用就介紹完了，接下來我們看一下非對稱加密算法。
二、區塊鏈中的非對稱加密算法
區塊鏈中有一個很關鍵的點就是賬戶問題，但比特幣中是沒有賬戶概念的，那大家是怎么進行轉賬交易的呢?
這里就得先介紹區塊鏈中的非對稱加密技術了。
非對稱加密技術有很多種，如：RSA、ECC、ECDSA 等，比特幣中是使用的 ECDSA 算法。
ECDSA 是美國政府的標準，是利用了橢圓曲線的升級版，這個算法經過了數年的細致密碼分析，被廣泛認為是安全可靠的。
所謂非對稱加密是指我們在對數據進行加密和解密的時候，需使用2個不同的密鑰。比如，我們可以用A密鑰將數據進行加密，然后用B密鑰來解密，相反，也可以用B來加密，然后使用A來解密。那么如果我想給某個人傳遞信息，那我可以先用A加密后，將密文傳給她，她拿到密文之后，用手上的B密鑰去解開。這2個密鑰，一個被成為公鑰、一個是私鑰。
在比特幣中，每個用戶都有一對密鑰(公鑰和私鑰)，比特幣系統中是使用用戶的公鑰作為交易賬戶的。
我們先看下圖：
在圖中可以看到，在第一筆交易記錄中，是 用戶U0 來發起的交易，要將代幣支付給 用戶U1，是怎么實現的呢?
- 首先 用戶U0 寫好交易信息：data(明文，例如：用戶U0轉賬100元給用戶U1)
- 用戶U0 使用哈希算法將交易信息進行計算，得出 H = hash(data)，然后再使用自己的私鑰對 H 進行簽名，即 S(H)，這一步其實是為了防止交易信息被篡改用的
- 然后基于區塊鏈網絡，將 簽名S(H) 和 交易信息data 傳遞給 用戶U1
- 用戶U1 使用 用戶U0 的公鑰 來對 S(H) 解密，就得到了交易信息的哈希值 H
- 同時，用戶U1 還使用哈希算法對 交易信息data 進行計算，得出 H2 = hash(data)
- 對比上面2個哈希值，如果 H1==H2，則交易合法。說明 用戶U0 在發起交易的時候確實擁有真實的私鑰，有權發起自己賬戶的交易
- 網絡中每一個節點都可以參與上述的驗證步驟。
這個示例，就是比特幣中一次交易的簽名流程，即將 哈希算法與非對稱算法結合在一起用于了比特幣交易的數字簽名。
除此之外，比特幣中，公私鑰的生成、比特幣地址的生成也是由非對稱加密算法來保證的。
以上，就是區塊鏈體系中，核心技術之哈希算法與加密算法的應用情況，歡迎一起交流。
