摘要：算区块链的加密难题『壹』区块链的加密技术数字加密技能是区块链技能使用和开展的关键。一旦加密办法被破解，区块链的数据安全性将受到挑战，区块链的可篡改性将不复存在...

算区块链的加密难题

『壹』 区块链的加密技术

数字加密技能是区块链技能使用和开展的关键。一旦加密办法被破解，区块链的数据安全性将受到挑战，区块链的可篡改性将不复存在。加密算法分为对称加密算法和非对称加密算法。区块链首要使用非对称加密算法。非对称加密算法中的公钥暗码体制依据其所依据的问题一般分为三类:大整数分化问题、离散对数问题和椭圆曲线问题。第一，引进区块链加密技能加密算法一般分为对称加密和非对称加密。非对称加密是指集成到区块链中以满意安全要求和所有权验证要求的加密技能。非对称加密通常在加密和解密进程中使用两个非对称暗码，称为公钥和私钥。非对称密钥对有两个特点:一是其间一个密钥(公钥或私钥)加密信息后，只能解密另一个对应的密钥。第二，公钥可以向别人揭露，而私钥是保密的，别人无法通过公钥计算出相应的私钥。非对称加密一般分为三种首要类型:大整数分化问题、离散对数问题和椭圆曲线问题。大整数分化的问题类是指用两个大素数的乘积作为加密数。由于素数的出现是没有规律的，所以只能通过不断的试算来寻找解决办法。离散对数问题类是指基于离散对数的困难性和强单向哈希函数的一种非对称分布式加密算法。椭圆曲线是指使用平面椭圆曲线来计算一组非对称的特殊值，比特币就采用了这种加密算法。非对称加密技能在区块链的使用场景首要包含信息加密、数字签名和登录认证。(1)在信息加密场景中，发送方(记为A)用接收方(记为B)的公钥对信息进行加密后发送给

B，B用自己的私钥对信息进行解密。比特币交易的加密就属于这种场景。(2)在数字签名场景中，发送方A用自己的私钥对信息进行加密并发送给B，B用A的公钥对信息进行解密，然后确保信息是由A发送的。(3)登录认证场景下，客户端用私钥加密登录信息并发送给服务器，服务器再用客户端的公钥解密认证登录信息。请注意上述三种加密计划之间的差异:信息加密是公钥加密和私钥解密，确保信息的安全性；数字签名是私钥加密，公钥解密，确保了数字签名的归属。认证私钥加密，公钥解密。以比特币体系为例，其非对称加密机制如图1所示:比特币体系一般通过调用操作体系底层的随机数生成器生成一个256位的随机数作为私钥。比特币的私钥总量大，遍历所有私钥空间获取比特币的私钥极其困难，所以暗码学是安全的。为便于辨认，256位二进制比特币私钥将通过SHA256哈希算法和Base58进行转化，构成50个字符长的私钥，便于用户辨认和书写。比特币的公钥是私钥通过Secp256k1椭圆曲线算法生成的65字节随机数。公钥可用于生成比特币交易中使用的地址。生成进程是公钥先通过SHA256和RIPEMD160哈希处理，生成20字节的摘要成果(即Hash160的成果)，再通过SHA256哈希算法和Base58转化，构成33个字符的比特币地址。公钥生成进程是不可逆的，即私钥不能从公钥推导出来。比特币的公钥和私钥通常存储在比特币钱包文件中，其间私钥最为重要。丢掉私钥意味着丢掉相应地址的所有比特币财物。在现有的比特币和区块链体系中，现已依据实践使用需求衍生出多私钥加密技能，以满意多重签名等愈加灵敏杂乱的场景。

『贰』 区块链以什么方式保证网络中数据的安全性

区块链保证网络中数据的安全性的方式：
在区块链技术中，数字加密技术是其关键之处，一般运用的是非对称加正晌密算法，即加密时的密码与解锁时的密码是不一样的。简单来说，就是我们有专属的私钥，只要把自己的私钥保护好，把公钥给对方，对方用公钥加密文件生成密文，再将密文传给你，我们再用私钥解密得到明文，就能够保障哗清盯传输内容不被别人看到，这样子，加密数据就传输完毕啦！
同时，还有数字签名为我们加多一重保障，用来证明文件发给对方过程中没有被篡改。由此可见区块链的加密技术能够有效解决数据流通共享过程中的安全问题，可谓是大有施展之处。乱和

『叁』 【深度知识】区块链之加密原理图示(加密,签名)

先放一张以太坊的架构图：

在学习的过程中主要是采用单个模块了学习了解的，包括P2P,密码学，网络，协议等。直接开始总结：

秘钥分配问题也就是秘钥的传输问题，如果对称秘钥，那么只能在线下进行秘钥的交换。如果在线上传输秘钥，那就有可能被拦截。所以采用非对称加密，两把钥匙，一把私钥自留，一把公钥公开。公钥可以在网上传输。不用线下交易。保证数据的安全性。

如上图，A节点发送数据到B节点，此时采用公钥加密。A节点从自己的公钥中获取到B节点的公钥对明文数据加密，得到密文发送给B节点。而B节点采用自己的私钥解密。

2、无法解决消息篡改。

如上图，A节点采用B的公钥进行加密，然后将密文传输给B节点。B节点拿A节点的公钥将密文解密。

1、由于A的公钥是公开的，一旦网上黑客拦截消息，密文形同虚设。说白了，这种加密方式，只要拦截消息，就都能解开。

2、同样存在无法确定消息来源的问题，和消息篡改的问题。

如上图，A节点在发送数据前，先用B的公钥加密，得到密文1，再用A的私钥对密文1加密得到密文2。而B节点得到密文后，先用A的公钥解密，得到密文1，之后用B的私钥解密得到明文。

1、当网络上拦截到数据密文2时， 由于A的公钥是公开的，故可以用A的公钥对密文2解密，就得到了密文1。所以这样看起来是双重加密，其实最后一层的私钥签名是无效的。一般来讲，我们都希望签名是签在最原始的数据上。如果签名放在后面，由于公钥是公开的，签名就缺乏安全性。

2、存在性能问题，非对称加密本身效率就很低下，还进行了两次加密过程。

如上图，A节点先用A的私钥加密，之后用B的公钥加密。B节点收到消息后，先采用B的私钥解密，然后再利用A的公钥解密。

1、当密文数据2被黑客拦截后，由于密文2只能采用B的私钥解密，而B的私钥只有B节点有，其他人无法机密。故安全性最高。
2、当B节点解密得到密文1后， 只能采用A的公钥来解密。而只有经过A的私钥加密的数据才能用A的公钥解密成功，A的私钥只有A节点有，所以可以确定数据是由A节点传输过来的。

经两次非对称加密，性能问题比较严重。

基于以上篡改数据的问题，我们引入了消息认证。经过消息认证后的加密流程如下：

当A节点发送消息前，先对明文数据做一次散列计算。得到一个摘要, 之后将照耀与原始数据同时发送给B节点。当B节点接收到消息后，对消息解密。解析出其中的散列摘要和原始数据，然后再对原始数据进行一次同样的散列计算得到摘要1, 比较摘要与摘要1。如果相同则未被篡改，如果不同则表示已经被篡改。

在传输过程中，密文2只要被篡改，最后导致的hash与hash1就会产生不同。

无法解决签名问题，也就是双方相互攻击。A对于自己发送的消息始终不承认。比如A对B发送了一条错误消息，导致B有损失。但A抵赖不是自己发送的。

在(三)的过程中，没有办法解决交互双方相互攻击。什么意思呢？ 有可能是因为A发送的消息，对A节点不利，后来A就抵赖这消息不是它发送的。

为了解决这个问题，故引入了签名。这里我们将(二)-4中的加密方式，与消息签名合并设计在一起。

在上图中，我们利用A节点的私钥对其发送的摘要信息进行签名，然后将签名+原文，再利用B的公钥进行加密。而B得到密文后，先用B的私钥解密，然后 对摘要再用A的公钥解密，只有比较两次摘要的内容是否相同。这既避免了防篡改问题，有规避了双方攻击问题。因为A对信息进行了签名，故是无法抵赖的。

为了解决非对称加密数据时的性能问题，故往往采用混合加密。这里就需要引入对称加密，如下图:

在对数据加密时，我们采用了双方共享的对称秘钥来加密。而对称秘钥尽量不要在网络上传输，以免丢失。这里的共享对称秘钥是根据自己的私钥和对方的公钥计算出的，然后适用对称秘钥对数据加密。而对方接收到数据时，也计算出对称秘钥然后对密文解密。

以上这种对称秘钥是不安全的，因为A的私钥和B的公钥一般短期内固定，所以共享对称秘钥也是固定不变的。为了增强安全性，最好的方式是每次交互都生成一个临时的共享对称秘钥。那么如何才能在每次交互过程中生成一个随机的对称秘钥，且不需要传输呢？

那么如何生成随机的共享秘钥进行加密呢？

对于发送方A节点，在每次发送时，都生成一个临时非对称秘钥对，然后根据B节点的公钥 和 临时的非对称私钥 可以计算出一个对称秘钥(KA算法-Key Agreement)。然后利用该对称秘钥对数据进行加密，针对共享秘钥这里的流程如下：

对于B节点，当接收到传输过来的数据时，解析出其中A节点的随机公钥，之后利用A节点的随机公钥 与 B节点自身的私钥 计算出对称秘钥(KA算法)。之后利用对称秘钥机密数据。

对于以上加密方式，其实仍然存在很多问题，比如如何避免重放攻击(在消息中加入 Nonce )，再比如彩虹表(参考 KDF机制解决 )之类的问题。由于时间及能力有限，故暂时忽略。

那么究竟应该采用何种加密呢？

主要还是基于要传输的数据的安全等级来考量。不重要的数据其实做好认证和签名就可以，但是很重要的数据就需要采用安全等级比较高的加密方案了。

密码套件 是一个网络协议的概念。其中主要包括身份认证、加密、消息认证(MAC)、秘钥交换的算法组成。

在整个网络的传输过程中，根据密码套件主要分如下几大类算法：

秘钥交换算法：比如ECDHE、RSA。主要用于客户端和服务端握手时如何进行身份验证。

消息认证算法：比如SHA1、SHA2、SHA3。主要用于消息摘要。

批量加密算法：比如AES, 主要用于加密信息流。

伪随机数算法：例如TLS 1.2的伪随机函数使用MAC算法的散列函数来创建一个 主密钥 ——连接双方共享的一个48字节的私钥。主密钥在创建会话密钥（例如创建MAC）时作为一个熵来源。

在网络中，一次消息的传输一般需要在如下4个阶段分别进行加密，才能保证消息安全、可靠的传输。

握手/网络协商阶段：

在双方进行握手阶段，需要进行链接的协商。主要的加密算法包括RSA、DH、ECDH等

身份认证阶段：

身份认证阶段，需要确定发送的消息的来源来源。主要采用的加密方式包括RSA、DSA、ECDSA(ECC加密，DSA签名)等。

消息加密阶段：

消息加密指对发送的信息流进行加密。主要采用的加密方式包括DES、RC4、AES等。

消息身份认证阶段/防篡改阶段：

主要是保证消息在传输过程中确保没有被篡改过。主要的加密方式包括MD5、SHA1、SHA2、SHA3等。

ECC ：Elliptic Curves Cryptography，椭圆曲线密码编码学。是一种根据椭圆上点倍积生成 公钥、私钥的算法。用于生成公私秘钥。

ECDSA ：用于数字签名,是一种数字签名算法。一种有效的数字签名使接收者有理由相信消息是由已知的发送者创建的，从而发送者不能否认已经发送了消息(身份验证和不可否认)，并且消息在运输过程中没有改变。ECDSA签名算法是ECC与DSA的结合，整个签名过程与DSA类似，所不一样的是签名中采取的算法为ECC，最后签名出来的值也是分为r,s。 主要用于身份认证阶段 。

ECDH ：也是基于ECC算法的霍夫曼树秘钥，通过ECDH，双方可以在不共享任何秘密的前提下协商出一个共享秘密，并且是这种共享秘钥是为当前的通信暂时性的随机生成的，通信一旦中断秘钥就消失。 主要用于握手磋商阶段。

ECIES： 是一种集成加密方案,也可称为一种混合加密方案，它提供了对所选择的明文和选择的密码文本攻击的语义安全性。ECIES可以使用不同类型的函数：秘钥协商函数(KA)，秘钥推导函数(KDF)，对称加密方案(ENC)，哈希函数(HASH), H-MAC函数(MAC)。

ECC 是椭圆加密算法，主要讲述了按照公私钥怎么在椭圆上产生，并且不可逆。 ECDSA 则主要是采用ECC算法怎么来做签名， ECDH 则是采用ECC算法怎么生成对称秘钥。以上三者都是对ECC加密算法的应用。而现实场景中，我们往往会采用混合加密(对称加密，非对称加密结合使用，签名技术等一起使用)。 ECIES 就是底层利用ECC算法提供的一套集成(混合)加密方案。其中包括了非对称加密，对称加密和签名的功能。

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这个先订条件是为了保证曲线不包含奇点。

所以，随着曲线参数a和b的不断变化，曲线也呈现出了不同的形状。比如:

所有的非对称加密的基本原理基本都是基于一个公式 K = k G。其中K代表公钥，k代表私钥，G代表某一个选取的基点。非对称加密的算法 就是要保证 该公式 不可进行逆运算( 也就是说G/K是无法计算的 )。 *

ECC是如何计算出公私钥呢？这里我按照我自己的理解来描述。

我理解，ECC的核心思想就是：选择曲线上的一个基点G，之后随机在ECC曲线上取一个点k(作为私钥)，然后根据k G计算出我们的公钥K。并且保证公钥K也要在曲线上。*

那么k G怎么计算呢？如何计算k G才能保证最后的结果不可逆呢？这就是ECC算法要解决的。

首先，我们先随便选择一条ECC曲线，a = -3, b = 7 得到如下曲线：

在这个曲线上，我随机选取两个点，这两个点的乘法怎么算呢？我们可以简化下问题，乘法是都可以用加法表示的，比如2 2 = 2+2，3 5 = 5+5+5。 那么我们只要能在曲线上计算出加法，理论上就能算乘法。所以，只要能在这个曲线上进行加法计算，理论上就可以来计算乘法，理论上也就可以计算k*G这种表达式的值。

曲线上两点的加法又怎么算呢？这里ECC为了保证不可逆性，在曲线上自定义了加法体系。

现实中，1+1=2，2+2=4，但在ECC算法里，我们理解的这种加法体系是不可能。故需要自定义一套适用于该曲线的加法体系。

ECC定义，在图形中随机找一条直线，与ECC曲线相交于三个点(也有可能是两个点)，这三点分别是P、Q、R。

那么P+Q+R = 0。其中0 不是坐标轴上的0点，而是ECC中的无穷远点。也就是说定义了无穷远点为0点。

同样，我们就能得出 P+Q = -R。 由于R 与-R是关于X轴对称的，所以我们就能在曲线上找到其坐标。

P+R+Q = 0, 故P+R = -Q , 如上图。

以上就描述了ECC曲线的世界里是如何进行加法运算的。

从上图可看出，直线与曲线只有两个交点，也就是说 直线是曲线的切线。此时P,R 重合了。

也就是P = R, 根据上述ECC的加法体系，P+R+Q = 0, 就可以得出 P+R+Q = 2P+Q = 2R+Q=0

于是乎得到 2 P = -Q (是不是与我们非对称算法的公式 K = k G 越来越近了)。

于是我们得出一个结论，可以算乘法，不过只有在切点的时候才能算乘法，而且只能算2的乘法。

假若 2 可以变成任意个数进行想乘，那么就能代表在ECC曲线里可以进行乘法运算，那么ECC算法就能满足非对称加密算法的要求了。

那么我们是不是可以随机任何一个数的乘法都可以算呢？ 答案是肯定的。 也就是点倍积 计算方式。

选一个随机数 k, 那么k * P等于多少呢？

我们知道在计算机的世界里，所有的都是二进制的，ECC既然能算2的乘法，那么我们可以将随机数k描 述成二进制然后计算。假若k = 151 = 10010111

由于2 P = -Q 所以 这样就计算出了k P。 这就是点倍积算法 。所以在ECC的曲线体系下是可以来计算乘法，那么以为这非对称加密的方式是可行的。

至于为什么这样计算 是不可逆的。这需要大量的推演，我也不了解。但是我觉得可以这样理解：

我们的手表上，一般都有时间刻度。现在如果把1990年01月01日0点0分0秒作为起始点，如果告诉你至起始点为止时间流逝了 整1年，那么我们是可以计算出现在的时间的，也就是能在手表上将时分秒指针应该指向00：00：00。但是反过来，我说现在手表上的时分秒指针指向了00：00：00,你能告诉我至起始点算过了有几年了么？

ECDSA签名算法和其他DSA、RSA基本相似，都是采用私钥签名，公钥验证。只不过算法体系采用的是ECC的算法。交互的双方要采用同一套参数体系。签名原理如下：

在曲线上选取一个无穷远点为基点 G = (x,y)。随机在曲线上取一点k 作为私钥， K = k*G 计算出公钥。

签名过程：

生成随机数R, 计算出RG.

根据随机数R,消息M的HASH值H,以及私钥k, 计算出签名S = (H+kx)/R.

将消息M,RG,S发送给接收方。

签名验证过程：

接收到消息M, RG,S

根据消息计算出HASH值H

根据发送方的公钥K,计算 HG/S + xK/S, 将计算的结果与 RG比较。如果相等则验证成功。

公式推论：

HG/S + xK/S = HG/S + x(kG)/S = (H+xk)/GS = RG

在介绍原理前，说明一下ECC是满足结合律和交换律的，也就是说A+B+C = A+C+B = (A+C)+B。

这里举一个WIKI上的例子说明如何生成共享秘钥，也可以参考 Alice And Bob 的例子。

Alice 与Bob 要进行通信，双方前提都是基于 同一参数体系的ECC生成的 公钥和私钥。所以有ECC有共同的基点G。

生成秘钥阶段：

Alice 采用公钥算法 KA = ka * G ，生成了公钥KA和私钥ka, 并公开公钥KA。

Bob 采用公钥算法 KB = kb * G ，生成了公钥KB和私钥 kb, 并公开公钥KB。

计算ECDH阶段：

Alice 利用计算公式 Q = ka * KB 计算出一个秘钥Q。

Bob 利用计算公式 Q' = kb * KA 计算出一个秘钥Q'。

共享秘钥验证：

Q = ka KB = ka * kb * G = ka * G * kb = KA * kb = kb * KA = Q'

故 双方分别计算出的共享秘钥不需要进行公开就可采用Q进行加密。我们将Q称为共享秘钥。

在以太坊中，采用的ECIEC的加密套件中的其他内容：

1、其中HASH算法采用的是最安全的SHA3算法 Keccak 。

2、签名算法采用的是 ECDSA

3、认证方式采用的是 H-MAC

4、ECC的参数体系采用了secp256k1, 其他参数体系 参考这里

H-MAC 全程叫做 Hash-based Message Authentication Code. 其模型如下：

在 以太坊 的 UDP通信时(RPC通信加密方式不同)，则采用了以上的实现方式，并扩展化了。

首先，以太坊的UDP通信的结构如下：

其中，sig是 经过 私钥加密的签名信息。mac是可以理解为整个消息的摘要， ptype是消息的事件类型，data则是经过RLP编码后的传输数据。

其UDP的整个的加密，认证，签名模型如下：

『肆』 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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『伍』 什么是区块链加密算法

区块链加密算法（EncryptionAlgorithm）
非对称加密算法是一个函数，通过使用一个加密钥匙，将原来的明文文件或数据转化成一串不可读的密文代码。加密流程是不可逆的，只有持有对应的解密钥匙才能将该加密信息解密成可阅读的明文。加密使得私密数据可以在低风险的情况下，通过公共网络进行传输，并保护数据不被第三方窃取、阅读。
区块链技术的核心优势是去中心化，能够通过运用数据加密、时间戳、分布式共识和经济激励等手段，在节点无需互相信任的分布式系统中实现基于去中心化信用的点对点交易、协调与协作，从而为解决中心化机构普遍存在的高成本、低效率和数据存储不安全等问题提供了解决方案。
区块链的应用领域有数字货币、通证、金融、防伪溯源、隐私保护、供应链、娱乐等等，区块链、比特币的火爆，不少相关的top域名都被注册，对域名行业产生了比较大的影响。

『陆』 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

『柒』 小白如何秒懂区块链中的哈希计算

​ 小白如何秒懂区块链中的哈希计算

当我在区块链的学习过程中，发现有一个词像幽灵一样反复出现，“哈希”，英文写作“HASH”。

那位说“拉稀”同学你给我出去！！

这个“哈希”据说是来源于密码学的一个函数，尝试搜一搜，论文出来一堆一堆的，不是横式就是竖式，不是表格就是图片，还有一堆看不懂得xyzabc。大哥，我就是想了解一下区块链的基础知识，给我弄那么难干啥呀？！我最长的密码就是123456，复杂一点的就是654321，最复杂的时候在最后加个a，你给我写的那么复杂明显感觉脑力被榨干，仅有的脑细胞成批成批的死亡！为了让和我一样的小白同学了解这点，我就勉为其难，努力用傻瓜式的语言讲解一下哈希计算，不求最准确但求最简单最易懂。下面我们开始：

# 一、什么是哈希算法

## 1、定义：哈希算法是将任意长度的字符串变换为固定长度的字符串。

从这里可以看出，可以理解为给**“哈希运算”输入一串数字，它会输出一串数字**。

如果我们自己定义 “增一算法”，那么输入1，就输出2；输入100就输出101。

如果我我们自己定义“变大写算法”，那么输入“abc”输出“ABC”。

呵呵，先别打我啊！这确实就只是一个函数的概念。

## 2、特点：

这个哈希算法和我的“增一算法”和“变大写算法”相比有什么特点呢？

1）**确定性，算得快**：咋算结果都一样，算起来效率高。

2）**不可逆**：就是知道输出推不出输入的值。

3）**结果不可测**：就是输入变一点，结果天翻地覆毫无规律。

总之，这个哈希运算就是个黑箱，是加密的好帮手！你说“11111”，它给你加密成“”，你说“11112”它给你弄成“”。反正输入和输出一个天上一个地下，即使输入相关但两个输出毫不相关。

# 二、哈希运算在区块链中的使用

## 1、数据加密

**交易数据是通过哈希运算进行加密，并把相应的哈希值写入区块头**。如下图所示，一个区块头包含了上一个区块的hash值，还包含下一个区块的hash值。

1）、**识别区块数据是否被篡改**：区块链的哈希值能够唯一而精准地标识一个区块，区块链中任意节点通过简单的哈希计算都可以获得这个区块的哈希值，计算出的哈希值没有变化也就意味着区块链中的信息没有被篡改。

2）、**把各个区块串联成区块链**：每个区块都包含上一个区块的哈希值和下一个区块的值，就相当于通过上一个区块的哈希值挂钩到上一个区块尾，通过下一个区块的哈希值挂钩到下一个区块链的头，就自然而然形成一个链式结构的区块链。

## 2、加密交易地址及哈希

在上图的区块头中，有一个Merkle root（默克尔根）的哈希值，它是用来做什么的呢？

首先了解啥叫Merkle root？ 它就是个二叉树结构的根。啥叫二叉树？啥叫根？看看下面的图就知道了。一分二，二分四，四分八可以一直分下去就叫二叉树。根就是最上面的节点就叫 根。

这个根的数据是怎么来的呢？是把一个区块中的每笔交易的哈希值得出后，再两两哈希值再哈希，再哈希，再哈希，直到最顶层的数值。

这么哈希了半天，搞什么事情？有啥作用呢？

1）、**快速定位每笔交易**：由于交易在存储上是线性存储，定位到某笔交易会需要遍历，效率低时间慢，通过这样的二叉树可以快速定位到想要找的交易。

举个不恰当的例子：怎么找到0-100之间的一个任意整数？（假设答案是88）那比较好的一个方法就是问：1、比50大还是小？2、比75大还是小？3、比88大还是小？ 仅仅通过几个问题就可以快速定位到答案。

2）、**核实交易数据是否被篡改**：从交易到每个二叉树的哈希值，有任何一个数字有变化都会导致Merkle root值的变化。同时，如果有错误发生的情况，也可以快速定位错误的地方。

## 3、挖矿

  在我们的区块头中有个参数叫**随机数Nonce，寻找这个随机数的过程就叫做“挖矿”**！网络上任何一台机器只要找到一个合适的数字填到自己的这个区块的Nonce位置，使得区块头这6个字段（80个字节）的数据的哈希值的哈希值以18个以上的0开头，谁就找到了“挖到了那个金子”！既然我们没有办法事先写好一个满足18个0的数字然后反推Nounce，唯一的做法就是从0开始一个一个的尝试，看结果是不是满足要求，不满足就再试下一个，直到找到。

找这个数字是弄啥呢？做这个有什么作用呢？

1）、**公平的找到计算能力最强的计算机**：这个有点像我这里有个沙子，再告诉你它也那一个沙滩的中的一粒相同，你把相同的那粒找出来一样。那可行的办法就是把每一粒都拿起来都比较一下！那么比较速度最快的那个人是最有可能先早到那个沙子。这就是所谓的“工作量证明pow”，你先找到这个沙子，我就认为你比较的次数最多，干的工作最多。

2）、**动态调整难度**：比特币为了保证10分钟出一个区块，就会每2016个块（2周）的时间计算一下找到这个nonce数字的难度，如果这2016个块平均时间低于10分钟则调高难度，如高于十分钟则调低难度。这样，不管全网的挖矿算力是怎么变化，都可以保证10分钟的算出这个随机数nonce。

# 三、哈希运算有哪些？

说了这么多哈希运算，好像哈希运算就是一种似的，其实不是！作为密码学中的哈希运算在不断的发展中衍生出很多流派。我看了”满头包”还是觉得内在机理也太复杂了，暂时罗列如下，小白们有印象知道是怎么回事就好。

从下表中也可以看得出，哈希运算也在不断的发展中，有着各种各样的算法，各种不同的应用也在灵活应用着单个或者多个算法。比特币系统中，哈希运算基本都是使用的SHA256算法，而莱特币是使用SCRYPT算法，夸克币（Quark）达世币（DASH）是把很多算法一层层串联上使用，Heavycoin（HAV）却又是把一下算法并联起来，各取部分混起来使用。以太坊的POW阶段使用ETHASH算法，ZCASH使用EQUIHASH。

需要说明的是，哈希运算的各种算法都是在不断升级完善中，而各种币种使用的算法也并非一成不变，也在不断地优化中。

**总结**：哈希运算在区块链的各个项目中都有着广泛的应用，我们以比特币为例就能看到在**数据加密、交易数据定位、挖矿等等各个方面都有着极其重要的作用**。而哈希运算作为加密学的一门方向不断的发展和延伸，身为普通小白的我们，想理解区块链的一些基础概念，了解到这个层面也已经足够。