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【区块链学习笔记01】BTC-密码学原理-哈希函数

黄星 . 2023-04-05 原文

一. 哈希函数

区块链中最基础的密码学原理就是哈希算法，以下为哈希函数的简单介绍：

  • 哈希函数是一种只只能加密但是不能解密的算法，哈希函数可以将任意长度的信息转化为固定长度的字符串。类似“8b46ec792e943de34605981980751a3c1e008218f77eeb27e474b594f7685019”这样。
  • 当输入相同的值时，得到的输出值也一定相同。
  • 就算输入值有一点不同，得到的输出值会天差地别。


（这里可以看到虽然只改了一位数，但是输出的哈希值完全不同）

  • 输入值与输出值之间没有反向推导关系，换句话说无法通过输出值得到输入值

代码如下：

import hashlib
hash=hashlib.sha256();
hash.update(bytes('香港回归1997',encoding='utf-8'))
print(hash.hexdigest())

二. 比特币的SHA-256

比特币中使用的哈希算法为SHA-256(secure hash algorithm)，SHA-256满足三个性质：

  • 性质一Collision resistance（防止哈希碰撞）：哈希碰撞指得是当输入不同的值时，却出现了同一个输出值。从理论上来讲，无法做到完全避免哈希碰撞，因为输入值空间总是大于输出空间。但该性质的主要功能是，当用户在哈希函数中输入值X得到输出值Y，这时用户如果想篡改输入值X为X1，就无法得到同样的输出值Y。在实际经验中，哈希碰撞无法做到人为制造。
  • 性质二Hiding（隐藏属性，不知道咋翻译）：哈希的计算是单向的，仅能通过输入值进行输出值的计算，却无法实现通过输出值对输入值进行计算。换句话说，输出值完全隐藏了输入值的信息。Hiding的实现必须满足2个条件I）输入的空间需要足够的大 II）输入的分布要足够的均匀。
  • 性质三Puzzle Friendly：哈希值的计算事先是不可预测的，假如已知哈希值是00…0XX…X，在推算的过程中我们无法事先知道哪个输入值更容易算出这个结果，所以我们不得不将不同的输入值一次一次的输入进行计算，得到特定哈希值的过程没有捷径可以走。

三. 实际运用场景

场景一：零知识证明
零知识证明指的是证明者能够在不向验证者提供任何有用的信息的情况下，使验证者相信某个论断是正确的。
当我说我可以预测明天哪只股票可以涨停，但是我又不能在明天收盘告诉大家是HK00700会涨停，因为这个消息会影响到别的交易者的交易决策。
这个时候就可以运用到上述哈希算法的性质一和性质二，将HK00700通过SHA-256得出014bd6806fe99bcc36ff53e5faa9353556f7c41bda5b0bfb2b13e46139dfdd3e，这时我将这串哈希值公布到网上，并告诉大家这支股票明天会涨停。首先，根据性质二Hiding，得到这串哈希值无法使得其余的交易者反推出我预测的明日会涨停的股票为HK00700，所以也不会影响
其他交易者对于HK00700的交易决策发生改变。其次，当第二天收盘后，我需要证明我的预测是正确的。这时就需要用到性质一，我需要证明我的输入值（预测值）确实可以得出上述一样的哈希值，因为但凡输入值修改一定，得到的哈希值（输出值）就截然不同，所以我也无法造假。

场景二：工作证明（proof of work）
比特币挖矿的过程中实际就是找一个nonce（随机值），nonce跟区块的块头里的其他信息合一起作为输入，得出的哈希值要小于等于某个指定的目标预值，及挖矿成功。Block header 指块头，块头里有很多域，其中一个域是我们可以设置的随机数nonce，挖矿的过程是不停的试随机数，使得block header取哈希后落在指定的范围之内。
所以性质三puzzle friendly说的是挖矿过程中没有捷径，为了使输出值落在指定范围，只能一个一个去试。所以这个过程还可以作为工作量证明(proof of work)。

本人商科背景，新人刚开始尝试学习区块链相关知识，有说得不正确的地方欢迎大神们请教～

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