揭秘区块链的核心技术之「哈希与加密算法 」

2020-07-08 00:00:00 用户 算法 交易 区块 密码学

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：

  1. 其输入可为任意大小的字符串
  2. 它产生固定大小的输出
  3. 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：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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）

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？

  1. 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）
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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）
  6. 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
  7. 网络中每一个节点都可以参与上述的验证步骤。

这个示例，就是比特币中一次交易的签名流程，即将 哈希算法与非对称算法结合在一起用于了比特币交易的数字签名。


除此之外，比特币中，公私钥的生成、比特币地址的生成也是由非对称加密算法来保证的。
以上，就是区块链体系中，核心技术之哈希算法与加密算法的应用情况，欢迎一起交流。


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