区块链：防篡改的哈希加密算法

Posted 2023-05-08

参考技术A

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

区块链知识堂第一堂：哈希算法

在区块链中一个又一个新产生的区块会不断链接到现有区块链的尾端。如何能够保证这个记录信息页的每一页，以及区块链账本中的每一个区块都是真实准确、没有被篡改过的呢？

设想一下，如果我们通过一种算法对账本信息进行加密，给区块链上第一个区块打上一个唯一的标签，之后的每一个区块也通过加密后打上一个唯一的标签，同时又能够包含前一个区块链的标签。这时，只要采用一种方法保证这个标签无法被轻易替换更改，那么就能保证这个区块记录的信息没有被篡改过。

哈希算法就是上面提到的区块链中保证交易信息不可篡改的单向密码体制。该算法的思想是接受一段明文，以一种不可逆的方式将它转化成一段长度较短、位数固定的输出散列。这个加密过程是不可逆的，这就意味着无法通过输出散列的内容推断出任何与原文有关的信息。任何输入信息的变化，哪怕仅仅是一位数字的更改，都将导致散列结果的明显变化。

基于输出散列与输入原文一一对应的特性，哈希算法可以被用于验证信息是否被修改。通过哈希算法可对一个交易区块的所有交易信息进行加密，并把记账内容压缩成一串数字和字母组成的字符串，这个字符串无法反推出原来的内容。

区块链的哈希值可以唯一、准确地标示一个区块，并且任何节点通过简单地对区块头进行哈希计算都可以独立获取该区块哈希值。如果想要确认区块的内容是否被篡改，那么利用哈希算法重新进行计算，记账信息没有变化，计算出的哈希值也将不会产生变化。

在区块链中，通常使用SHA-256的哈希算法进行区块的加密，该算法的输出长度是256位，即生成长度为32字节的随机散列。