哈希函数在区块链中的应用

Posted 2023-04-07 HAOMINGS

• 哈希指针

1. 除了保存结构体在内存中的位置还要保存结构体的哈希值。
2. 好处：不只可以找到结构体的位置，还可以检测这个结构体的哈希值。
3. 区块链和普通链表的主要区别就在于用哈希指针代替了普通的指针。
4. 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。
5. 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。

• Merkle tree（默克尔哈希树）

1. 使用单向哈希。
2. Merkle tree的顶部称为top hash（顶部哈希），亦称root hash（根哈希）或master hash（主哈希）。
3. 一个区块上所有交易的hash值构成了该区块Merkle tree的叶子节点，root hash保存在区块头里面，因此所有交易与区块头部绑定在了一起。
4. 好处：只要记住root hash，就可以检测出对树中任何的修改
5. 作用：归纳校验区块数据的存在性，完整性，快速定位每笔交易，核实交易数据是否被篡改
6. Merkle proof：证明某一个交易是否被写入区块链中

Merkle tree示意图

• 挖矿

1. 找一个nonce（随机数），跟区块的块头里其他信息合在一起取hash，小于等于某个范围。 H（block header）<= target。
2. 挖矿难度的设置：比特币难度是对挖矿难度程度的度量，即指计算复合给定目标的一个hash值得困难程度。
3. 比特币挖矿过程使用SHA-256hash函数不断运算。挖矿就是重复计算区块头的hash值，不断修改nonce值，直到符合目标hash值过程。Hash函数的结果无法预知，也没有特定模式快速算出hash值。

• 以太坊用户地址生成

1. 生成私钥：产生的256比特随机数作为私钥（256比特  16进制32字节）
2. 生成公钥：

   1）利用将私钥（32字节）和椭圆曲线线ECDSA-secp256k1计算公钥(65字节)(前缀04||X公钥||Y公钥)

   2）利用Keccak-256算法计算公钥的hash值（32字节）

   3）取上一步结果后20字节即为以太坊地址

3. 输地址

区块链与密码学第5-6讲：哈希哈数在区块链中的应用

【本课堂内容全部选编自PlatON首席密码学家、武汉大学国家网络安全学院教授、博士生导师何德彪教授的《区块链与密码学》授课讲义、教材及互联网，版权归属其原作者所有，如有侵权请立即与我们联系，我们将及时处理。】

5.6 哈希函数在区块链中的应用

前几节课我们对哈希函数已经有了一个很完整的认知，今天这节课我们来细说哈希函数在区块链中的应用~

以太坊用户地址的生成

第一步：生成私钥 (private key)

产生的256比特随机数作为私钥(256比特 16进制32字节)： 

18e14a7b 6a307f42 6a94f811 4701e7c8 e774e7f9 a47e2c20 35db29a2 06321725

第二步：生成公钥 (public key)

利用将私钥(32字节)和椭圆曲线ECDSA-secp256k1计算公钥(65字节)(前缀04||X公钥||Y公钥)： 

04 ||50863ad6 4a87ae8a 2fe83c1a f1a8403c b53f53e4 86d8511d ad8a0488 7e5b2352 || 2cd47024 3453a299 fa9e7723 7716103a bc11a1df 38855ed6 f2ee187e 9c582ba6

利用Keccak-256算法计算公钥的哈希值(32bytes)：

fc12ad81 4631ba68 9f7abe67 1016f75c 54c607f0 82ae6b08 81fac0ab eda21781

取上一步结果取后20bytes即以太坊地址：

1016f75c54c607f082ae6b0881fac0abeda21781

第三步：输地址 (address)

0x1016f75c54c607f082ae6b0881fac0abeda21781

默克尔哈希树

比特币区块包含了区块头部和一些比特币交易。一个区块上所有交易的哈希值构成了该区块默克尔哈希树的叶子结点，默克尔哈希树的根节点保存在区块头里面，因此所有交易与区块头部绑定在了一起。

默克尔树结构示意图

挖矿难度的设置

比特币难度是对挖矿困难程度的度量，即指：计算符合给定目标的一个哈希值的困难程度。

difficulty = difficulty_1_target / current_target

difficulty_1_target的长度为256比特， 前32位为0， 后面全部为1 ，一般显示为哈希值，

0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF

difficulty_1_target表示btc网络最初的目标哈希。current_target是当前块的目标哈希，先经过压缩然后存储在区块中，区块的哈希值必须小于给定的目标哈希值, 表示挖矿成功。

数字签名

比特币需要利用公钥进行加锁，利用私钥签名进行解锁，从而实现数字货币的交易。解锁过程实际上是利用ECDSA算法的产生数字签名。给定交易信息m，签名过程如下：

选择一个随机数k

计算点R= k*G= (xR, yR) ，计算r=xR mod n

利用私钥d计算s＝k-1*((H(m) - d*r)) mod n

输入签名(r, s)

软件发布

挖矿软件发布信息示意图

哈希函数在区块链中的应用就讲到这里啦，下节课我们将开启全新篇章的学习，敬请期待！

-- 完 --

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