认识区块链——哈希算法

Posted 2021-04-30 雅乐网

大家好，这一系列文章小乐将和大家一起从密码学原理开始，逐步了解区块链技术~

区块链中所说的哈希指的是应用于密码学中的哈希函数（Cryptographic hash function），它和数据结构中的哈希表是不一样的。从数学的角度看，哈希函数是一种单向的映射，它可以把任意长度的信息（消息，message）转换为固定长度的二进制串(摘要，digest)。常用的哈希算法有MD5, SHA-256等。

有许多网站可以在线计算哈希值，大家可以试一下：

消息"yalewoo"经过SHA-256算法计算的哈希值是

c7c5155cdea0509cb7ba4d52b5eb9b889e64aefa2e613f77a115777f112721e5

可以看到，SHA-256算法的结果是256位二进制。这个结果和原始的消息非常不一样，通过这一串哈希函数我们不能获得任何关于原始消息的信息。这也是密码学中哈希函数的一个重要特点，也叫作hiding，是说原始消息经过哈希计算后就被隐藏了，哈希值的计算是不可逆的。假设我们有了这个哈希值c7c5155cdea0509cb7ba4d52b5eb9b889e64aefa2e613f77a115777f112721e5，想要知道原始的消息是什么，唯一的办法是暴力遍历所有的消息。

我们再来计算一下"Yalewoo"的哈希值，得到

ae6d06b1afb3f75bc0994d05ee925e0189015c5324db3034e5ac3783bf5f247e

可以发现原始消息只有一个字母不同，但得到的哈希函数却是几乎每一位都不同的。

那么有没有两个消息的哈希值是相同的呢？我们知道SHA-256的结果有256位二进制，那么结果空间大小就是2^256，如果我们尝试2^256+1个不同得到消息，肯定会得到两个有相同哈希值的消息。但是，2^256实在是太大了，目前人们还没有找到两个具有相同SHA-256值的消息。

这也是密码学中哈希函数的重要特性，叫做碰撞抵抗性（Collision resistance）。也就是说，不能构造另外一个具有相同哈希值的消息。其实，一旦有人发现两个消息的哈希值相同，我们就说这种哈希算法被破解了，也就是不安全了。之前很火热的MD5算法就被我国的王小云院士破解了，她能快速构造一个M2使得MD5(M1)=MD5(M2). 2007年，Google构造出了拥有相同SHA-1哈希值的两个不同的pdf文件。目前SHA-256算法还是安全的，区块链中挖矿时用的就是这种算法。

密码学中的哈希函数还有另外一个特点：Puzzle friendly，也就是Difficult to solve, easy to verify。也就是说很难构造一个消息它的哈希值满足一定的要求，但是很容易验证一个消息是不是满足条件。这个特点非常适合区块链中的工作量证明。

下次，小乐会和大家分享密码学中另外一个伟大的发明：非对称加密。