摘要：区块链里的哈希加密算法1.区块链的密码技术有密码学技术是区块链技术的核心。区块链的密码技术有数字签名算法和哈希算法。数字签名算法数字签名算法是数字签名标准的一...

区块链里的哈希加密算法

1. 区块链的密码技术有

密码学技术是区块链技术的核心。区块链的密码技术有数字签名算法和哈希算法。
数字签名算法
数字签名算法是数字签名标准的一个子集，表示了只用作数字签名的一个特定的公钥算法。密钥运行在由SHA-1产生的消息哈希：为了验证一个签名，要重新计算消息的哈希，使用公钥解密签名然后比较结果。缩写为DSA。

数字签名是电子签名的特殊形式。到目前为止，至少已经有 20 多个国家通过法律 认可电子签名，其中包括欧盟和美国，我国的电子签名法于 2004 年 8 月 28 日第十届全 国人民代表大会常务委员会第十一次会议通过。数字签名在 ISO 7498-2 标准中定义为： “附加在数据单元上的一些数据，或是对数据单元所作的密码变换，这种数据和变换允许数据单元的接收者用以确认数据单元来源和数据单元的完整性，并保护数据，防止被人（例如接收者）进行伪造”。数字签名机制提供了一种鉴别方法，以解决伪造、抵赖、冒充和篡改等问题，利用数据加密技术、数据变换技术，使收发数据双方能够满足两个条件：接收方能够鉴别发送方所宣称的身份；发送方以后不能否认其发送过该数据这一 事实。
数字签名是密码学理论中的一个重要分支。它的提出是为了对电子文档进行签名，以 替代传统纸质文档上的手写签名，因此它必须具备 5 个特性。
（1）签名是可信的。
（2）签名是不可伪造的。
（3）签名是不可重用的。
（4）签名的文件是不可改变的。
（5）签名是不可抵赖的。
哈希（hash）算法
Hash，就是把任意长度的输入（又叫做预映射， pre-image），通过散列算法，变换成固定长度的输出，该输出就是散列值。这种转换是一种压缩映射，其中散列值的空间通常远小于输入的空间，不同的输入可能会散列成相同的输出，但是不可逆向推导出输入值。简单的说就是一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的消息摘要的函数。
哈希（Hash）算法，它是一种单向密码体制，即它是一个从明文到密文的不可逆的映射，只有加密过程，没有解密过程。同时，哈希函数可以将任意长度的输入经过变化以后得到固定长度的输出。哈希函数的这种单向特征和输出数据长度固定的特征使得它可以生成消息或者数据。
以比特币区块链为代表，其中工作量证明和密钥编码过程中多次使用了二次哈希，如SHA(SHA256(k))或者RIPEMD160(SHA256(K)),这种方式带来的好处是增加了工作量或者在不清楚协议的情况下增加破解难度。
以比特币区块链为代表，主要使用的两个哈希函数分别是：
1.SHA-256，主要用于完成PoW（工作量证明）计算；
2.RIPEMD160，主要用于生成比特币地址。如下图1所示，为比特币从公钥生成地址的流程。

2. 区块链密码算法是怎样的

区块链作为新兴技术受到越来越广泛的关注，是一种传统技术在互联网时代下的新的应用，这其中包括分布式数据存储技术、共识机制和密码学等。随着各种区块链研究联盟的创建，相关研究得到了越来越多的资金和人员支持。区块链使用的Hash算法、零知识证明、环签名等密码算法:

Hash算法

哈希算法作为区块链基础技术，Hash函数的本质是将任意长度（有限）的一组数据映射到一组已定义长度的数据流中。若此函数同时满足：

（1）对任意输入的一组数据Hash值的计算都特别简单；

（2）想要找到2个不同的拥有相同Hash值的数据是计算困难的。

满足上述两条性质的Hash函数也被称为加密Hash函数，不引起矛盾的情况下，Hash函数通常指的是加密Hash函数。对于Hash函数，找到使得被称为一次碰撞。当前流行的Hash函数有MD5,SHA1,SHA2,SHA3。

比特币使用的是SHA256，大多区块链系统使用的都是SHA256算法。所以这里先介绍一下SHA256。

1、 SHA256算法步骤

STEP1：附加填充比特。对报文进行填充使报文长度与448模512同余（长度=448mod512），填充的比特数范围是1到512，填充比特串的最高位为1，其余位为0。

STEP2：附加长度值。将用64-bit表示的初始报文（填充前）的位长度附加在步骤1的结果后（低位字节优先）。

STEP3：初始化缓存。使用一个256-bit的缓存来存放该散列函数的中间及最终结果。

STEP4：处理512-bit（16个字）报文分组序列。该算法使用了六种基本逻辑函数，由64 步迭代运算组成。每步都以256-bit缓存值为输入，然后更新缓存内容。每步使用一个32-bit 常数值Kt和一个32-bit Wt。其中Wt是分组之后的报文，t=1,2,...,16 。

STEP5：所有的512-bit分组处理完毕后，对于SHA256算法最后一个分组产生的输出便是256-bit的报文。

2、环签名

2001年，Rivest, shamir和Tauman三位密码学家首次提出了环签名。是一种简化的群签名，只有环成员没有管理者，不需要环成员间的合作。环签名方案中签名者首先选定一个临时的签名者集合,集合中包括签名者。然后签名者利用自己的私钥和签名集合中其他人的公钥就可以独立的产生签名,而无需他人的帮助。签名者集合中的成员可能并不知道自己被包含在其中。

环签名方案由以下几部分构成：

（1）密钥生成。为环中每个成员产生一个密钥对(公钥PKi,私钥SKi)。

（2）签名。签名者用自己的私钥和任意n个环成员(包括自己)的公钥为消息m生成签名a。

（3）签名验证。验证者根据环签名和消息m,验证签名是否为环中成员所签,如果有效就接收,否则丢弃。

环签名满足的性质：

（1）无条件匿名性:攻击者无法确定签名是由环中哪个成员生成,即使在获得环成员私钥的情况下,概率也不超过1/n。

（2）正确性:签名必需能被所有其他人验证。

（3）不可伪造性:环中其他成员不能伪造真实签名者签名,外部攻击者即使在获得某个有效环签名的基础上,也不能为消息m伪造一个签名。

3、环签名和群签名的比较

（1）匿名性。都是一种个体代表群体签名的体制，验证者能验证签名为群体中某个成员所签，但并不能知道为哪个成员，以达到签名者匿名的作用。

（2）可追踪性。群签名中，群管理员的存在保证了签名的可追踪性。群管理员可以撤销签名，揭露真正的签名者。环签名本身无法揭示签名者,除非签名者本身想暴露或者在签名中添加额外的信息。提出了一个可验证的环签名方案,方案中真实签名者希望验证者知道自己的身份,此时真实签名者可以通过透露自己掌握的秘密信息来证实自己的身份。

（3）管理系统。群签名由群管理员管理，环签名不需要管理，签名者只有选择一个可能的签名者集合，获得其公钥，然后公布这个集合即可，所有成员平等。

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3. 区块链中哈希算法的特点是什么

哈希算法可以作为一个很小的计算机程序来看待，无论输入数据的大小及类型如何，它都能将输入数据转换成固定长度的输出。哈希算法在任何时候都只能接受单条数据的输入，并依靠输入数据创建哈希值。
根据最终产生的哈希值的长度不同，有不同的哈希算法。
在区块链中使用的为加密哈希算法，其特点有：
1、能够为任何类型的数据快速创建哈希值
2、确定性
3、伪随机
4、单向函数
5、防碰撞

4. 什么是哈希算法

哈希算法也被称为“散列”，是区块链的四大核心技术之一。是能计算出一个数字消息所对应的、长度固定的字符串（又称消息摘要）的算法。

散列算法是区块链中保证交易信息不被篡改的单向密码机制。区块链通过散列算法对一个交易区块中的交易进行加密，并把信息压缩成由一串数字和字母组成的散列字符串。

区块链的散列值能够唯一而准确地标识一个区块。在验证区块的真实性时，只需要简单计算出这个区块的散列值，如果没有变化就 意味着这个区块上的信息是没有被篡改过的。

相关信息：

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5. 区块链中的哈希算法是什么

哈希算法是什么？如何保证挖矿的公平性？哈希算法是一种只能加密，不能解密的密码学算法，可以将任意长度的信息转换成一段固定长度的字符串。这段字符串有两个特点：1、 就算输入值只改变一点，输出的哈希值也会天差地别。2、只有完全一样的输入值才能得到完全一样的输出值。3、输入值与输出值之间没有规律，所以不能通过输出值算出输入值。要想找到指定的输出值，只能采用枚举法：不断更换输入值，寻找满足条件的输出值。哈希算法保证了比特币挖矿不能逆向推导出结果。所以，矿工持续不断地进行运算，本质上是在暴力破解正确的输入值，谁最先找到谁就能获得比特币奖励。

6. 哈希算法

1.通过哈希值不能反向推导出原始数据（所以哈希算法也叫单向哈希算法）
2.对于输入数据非常敏感，及时更改了一个比特位，哈希值也大不相同
3.散列冲突的概率要小，
4.执行效率要高，及时很长的文本，也能尽快计算出哈希值

MD5的结果是128位 --> 32个16进制串

最常用于加密的哈希算法是 MD5（MD5 Message-Digest Algorithm，MD5 消息摘要算法）和 SHA（Secure Hash Algorithm，安全散列算法）

通过拿到加密后的密文然后再字典表（彩虹表）中比对，找到相同的密文则可以知道其明文。
可以通过在用户的密码后加盐（加入一个字符串）然后加密存储起来。

区块链是一块块区块组成的，每个区块分为两部分：区块头和区块体。
区块头保存着 自己区块体 和 上一个区块头 的哈希值。
因为这种链式关系和哈希值的唯一性，只要区块链上任意一个区块被修改过，后面所有区块保存的哈希值就不对了。
区块链使用的是 SHA256 哈希算法，计算哈希值非常耗时，如果要篡改一个区块，就必须重新计算该区块后面所有的区块的哈希值，短时间内几乎不可能做到。

假设我们有 k 个机器，数据的哈希值的范围是 [0, MAX]。我们将整个范围划分成 m 个小区间（m 远大于 k），每个机器负责 m/k 个小区间。当有新机器加入的时候，我们就将某几个小区间的数据，从原来的机器中搬移到新的机器中。这样，既不用全部重新哈希、搬移数据，也保持了各个机器上数据数量的均衡。

7. hash算法是什么呢

hash算法是：一种特殊的函数，不论输入多长的一串字符，只要通过这个函数都可以得到一个固定长度的输出值，这就好像身份证号码一样，永远都是十八位而且全国唯一。

哈希算法的输出值就叫做哈希值。哈希算法也被称为“散列”，是区块链的四大核心技术之一。是能计算出一个数字消息所对应的、长度固定的字符串。

原理：

Hash算法的原理是把输入空间的值映射到Hash空间内，由于Hash值的空间远小于输入的空间，而且借助抽屉原理 ，可以得出一定会存在不同的输入被映射成相同输出的情况，如果一个Hash算法足够好，那么他就一定会有更小的发生冲突的概率，也就是说，一个好的Hash算法应该具有优秀的 抗碰撞能力。

8. 哈希算法是什么呢

哈希算法就是一种特殊的函数，不论输入多长的一串字符，只要通过这个函数都可以得到一个固定长度的输出值，这就好像身份证号码一样，永远都是十八位而且全国唯一。哈希算法的输出值就叫做哈希值。

原理：

哈希算法有三个特点，它们赋予了区块链不可篡改、匿名等特性，并保证了整个区块链体系的完整。

第一个特点是具有单向性。比如输入一串数据，通过哈希算法可以获得一个哈希值，但是通过这个哈希值是没有办法反推回来得到输入的那串数据的。这就是单向性，也正是基于这一点，区块链才有效保护了我们信息的安全性。

哈希算法的第二个特点是抗篡改能力，对于任意一个输入，哪怕是很小的改动，其哈希值的变化也会非常大。

它的这个特性，在区块与区块的连接中就起到了关键性的作用。区块链的每个区块都会以上一个区块的哈希值作为标示，除非有人能够破解整条链上的所有哈希值，否则数据一旦记录在链上，就不可能进行篡改。

哈希算法的第三个特点就是抗碰撞能力。所谓碰撞，就是输入两个不同的数据，最后得到了一个相同的输入。

就跟我们逛街时撞衫一样，而坑碰撞就是大部分的输入都能得到一个独一无二的输出。在区块链的世界中，任何一笔交易或者账户的地址都是完全依托于哈希算法生产的。这也就保证了交易或者账户地址在区块链网络中的唯一性。

无论这笔转账转了多少钱，转给了多少个人，在区块链这个大账本中都是唯一的存在。它就像人体体内的白细胞，不仅区块链的每个部分都离不开它，而且它还赋予了区块链种种特点，保护着整个区块链体系的安全。

9. 区块链：防篡改的哈希加密算法

同学A和B在教室里抛硬币，赌谁打扫卫生，正面朝上，则A打扫，反面朝上，则B打扫，这个策略没有什么问题。

然而，如果把情景迁移到网络聊天室，A和B同样进行抛硬币的游戏，估计B就不会答应了，因为当A抛了硬币，B不论是猜

正面还是反面，A都可以说B猜错了。

怎么解决这个问题呢？要不先给抛硬币的结果加密，B再猜？这个方法可以试一下。

假设任意奇数代表硬币正面，任意偶数代表反面。A想一个数375，然后乘以一个258，把其结果告诉B为96750，并声明A想的375为密钥，由他保管。
在接下来验证结果时，A可以谎称258为他想的数，375为密钥，A还是立于不败之地。那如果A事先把密钥告诉B呢？B可以直接算出原始数字，失去了保密作用。

这种知道加密方法就知道了解密方法显然行不通，那有没有一种方法，知道了加密方法仍然无法恢复原文呢？

显然是有的，在加密过程中加入不可逆运算就OK了。A设计新的加密方式：

假设A想的数是375，进行加密：

B拿到结果120943，但他几乎不能根据120943反算出密匙375。
如果B想要验证A是否说谎：

终于可以抛硬币了……

这种丢掉一部分信息的加密方式称为“单向加密”，也叫 哈希算法 。

有个问题：

这个是有可能的，但可以解决，就是增加上述算法的难度，以致于A很难很难找到。

根据以上表述，一个可靠的哈希算法，应该满足：

密码学中的哈希函数有3个重要的性质，即 抗碰撞性、原像不可逆、难题友好性 。

碰撞性，就是指A同学事先找出一奇一偶使得哈希结果一致，在计算上是不可行的。

首先，把大空间桑拿的消息压缩到小空间上，碰撞肯定是存在的。假设哈希值长度固定为256位，如果顺序取1，2，…2 256 +1， 这2 256 +1个输入值，逐一计算其哈希值，肯定能找到两个输入值使得其哈希值相同。

A同学，看到这里时， 请不要高兴的太早。因为你得有时间把它算出来，才是你的。为什么这么说呢？

根据生日悖论，如果随机挑选其中的2 130 +1输入，则有99.8%的概率发现至少一对碰撞输入。那么对于哈希值长度为256为的哈希函数，平均需要完成2 128 次哈希计算，才能找到碰撞对。如果计算机每秒进行10000次哈希计算，需要约10 27 年才能完成2 128 次哈希计算。

A同学，不要想着作弊了，估计你活不了这么久。当然如果计算机运算能力大幅提升，倒是有可能。

那么完整性还用其他什么用途呢？

用来验证信息的完整性，因为如果信息在传递过程中别篡改，那么运行哈希计算得到的哈希值与原来的哈希值不一样。

所以，在区块链中，哈希函数的抗碰撞性可以用来做区块和交易的完整性验证。

因为一个哈希值对应无数个明文，理论上你并不知道哪个是。就如，4+5=9和2+7=9的结果一样，知道我输入的结果是9，但能知道我输入的是什么数字吗？

如果，对消息m进行哈希计算时，在引入一个随机的前缀r，依据哈希值H(r||m)，难以恢复出消息m，这代表该哈希函数值隐藏了消息m。

所以，B同学，根据结果想反推出原数据，这是不大可能的事，就犹如大海里捞针。

难题好友性，指没有便捷的方法去产生一满足特殊要求的哈希值。是什么意思呢，通俗的讲，就是没有捷径，需要一步一步算出来。假如要求得到的哈希结果以若干个0开头，那么计算找到前3位均为0的哈希值和找到前6位均为0的哈希值，其所需的哈希计算次数是呈一定数量关系。

这个可以怎么用呢？在区块链中，可以作为共识算法中的工作量证明。

主要描述了哈希函数的3个重要性质： 抗碰撞性、原像不可逆、难题友好性 。

因为这些重要性质，区块链中的区块和交易的完整性验证、共识算法的工作量证明等功能用哈希函数来实现。

[1].邹均,张海宁.区块链技术指南[M].北京:机械出版社,2016.11
[2].长铗,韩锋.区块链从数字货币到信用社会[M].北京:中信出版社,2016.7
[3].张健.区块链定义未来金融与经济新格局[M].北京:机械工业出版社,2016.6