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大家都知道，區(qū)塊鏈的關(guān)鍵技術(shù)組成主要為：P2P網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、共識(shí)機(jī)制、密碼學(xué)技術(shù)、賬戶與存儲(chǔ)模型。而這些技術(shù)中，又以 密碼學(xué)與共識(shí)機(jī)制 這兩點(diǎn)為最核心。那么今天我們來(lái)詳細(xì)的聊一聊密碼學(xué)，看一看密碼學(xué)技術(shù)是如何在區(qū)塊鏈中應(yīng)用的。

首先，我們需知道區(qū)塊鏈中用到的密碼學(xué)算法有哪些?其實(shí)就兩大類：

• 哈希算法
• 非對(duì)稱加密算法

一、區(qū)塊鏈中的哈希算法

哈希算法是區(qū)塊鏈中用的最多的一種算法，它被廣泛的使用在構(gòu)建區(qū)塊和確認(rèn)交易的完整性上。

它是一類數(shù)學(xué)函數(shù)算法，又被稱為散列算法，需具備三個(gè)基本特性：

1. 其輸入可為任意大小的字符串
2. 它產(chǎn)生固定大小的輸出
3. 它能進(jìn)行有效計(jì)算，也就是能在合理的時(shí)間內(nèi)就能算出輸出值

如果要求哈希算法達(dá)到密碼學(xué)安全的話，我們還要求它具備以下三個(gè)附加特性：

1.碰撞阻力：

是指對(duì)于兩個(gè)不同的輸入，必須產(chǎn)生兩個(gè)不同的輸出。如果對(duì)于兩個(gè)不同的輸入產(chǎn)生了相同的輸出，那么就說(shuō)明不具備碰撞阻力，或是弱碰撞阻力。

2.隱秘性：

也被稱為不可逆性，是指 y = HASH(x)中，通過(guò)輸入值x，可以計(jì)算出輸出值y，但是無(wú)法通過(guò)y值去反推計(jì)算出x值。為了保證不可逆，就得讓x的取值來(lái)自一個(gè)非常廣泛的集合，使之很難通過(guò)計(jì)算反推出x值。

3.謎題友好：

這個(gè)特性可以理解為，謎題是公平友好的，例如算法中 y = HASH(x)，如果已知y值，想去得到x值，那就必須暴力枚舉，不斷的嘗試才能做到，并且沒(méi)有比這更好的辦法，沒(méi)有捷徑。

哈希算法有很多，比特幣主要使用的哈希算法是 SHA-256 算法。

除此之外，還有其他一些哈希算法也很流行，例如 MD5、SHA-1、SHA-2(SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512)、SHA-3 等，其中 MD5、SHA-1 已被證明了不具備 強(qiáng)碰撞阻力，安全性不夠高，因此市場(chǎng)上不再推薦使用。

我們以比特幣為例，來(lái)看一下哈希算法的具體應(yīng)用：

在比特幣中，使用哈希算法把交易生成數(shù)據(jù)摘要，當(dāng)前區(qū)塊里面包含上一個(gè)區(qū)塊的哈希值，后面一個(gè)區(qū)塊又包含當(dāng)前區(qū)塊的哈希值，就這樣一個(gè)接一個(gè)的連接起來(lái)，形成一個(gè)哈希指針鏈表，如下圖：

上面只是示意圖，那么在實(shí)際比特幣系統(tǒng)中，每個(gè)區(qū)塊包含哪些內(nèi)容呢：

重點(diǎn)關(guān)注一下上圖中的：

• Prev Block：記錄簽一個(gè)區(qū)塊的hash地址，32字節(jié)
• Merkle Root：是一個(gè)記錄當(dāng)前塊內(nèi)的所有交易信息的數(shù)據(jù)摘要hash值，32字節(jié)
• Nonce：一個(gè)隨機(jī)值，需要通過(guò)這個(gè)隨機(jī)值去找到滿足某個(gè)條件的hash值(挖礦)，4字節(jié)

上面只是解釋了幾個(gè)重點(diǎn)的字段，其它字段通過(guò)字面應(yīng)該容易理解就不一一解釋了。

這所有的字段一起就組成了 block header(區(qū)塊頭)，然后需要對(duì) block header 進(jìn)行2次hash計(jì)算，計(jì)算完成的值就是當(dāng)前比特幣區(qū)塊的hash值。因?yàn)楸忍貛畔到y(tǒng)要求計(jì)算出來(lái)的這個(gè)hash值滿足一定的條件(小于某個(gè)數(shù)值)，因此需要我們不斷的遍歷Nonce值去計(jì)算新的hash值以滿足要求，只有找到了滿足要求的hash值，那么這就是一個(gè)合法區(qū)塊了(這一系列動(dòng)作也叫作挖礦)

python 示例： SHA-256(SHA-256 (Block Header)

我們?cè)倏匆幌律厦娴牧硪粋€(gè)重要字段： Merkle tree 字段。

Merkle tree 被稱為 默克爾樹，它也是哈希算法的一個(gè)重要應(yīng)用。

它其實(shí)是一個(gè)用哈希指針建立的二叉樹或多叉樹。

Merkle tree 如圖：

其樹的頂端叫做 默克爾根(Merkle Root)，Merkle Root 也是一個(gè)hash值，它是怎么計(jì)算出來(lái)的呢?

比特幣中對(duì)每一筆交易做一個(gè)hash計(jì)算，然后把每2個(gè)交易的hash再進(jìn)行合并做hash，如圖中的 交易A的hash值是 H(A)，交易B的hash值是H(B)，再對(duì)這2個(gè)交易合并hash后就是H(hA|hb)，就這樣一直往上合并計(jì)算，算到最后的根部就是 Merkle Root 了。

在比特幣和以太坊中都是使用的默克爾樹結(jié)構(gòu)，但是以太坊為了實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜的功能，所以有三個(gè)默克爾樹。

至此，區(qū)塊鏈中的哈希算法應(yīng)用就介紹完了，接下來(lái)我們看一下非對(duì)稱加密算法。

二、區(qū)塊鏈中的非對(duì)稱加密算法

區(qū)塊鏈中有一個(gè)很關(guān)鍵的點(diǎn)就是賬戶問(wèn)題，但比特幣中是沒(méi)有賬戶概念的，那大家是怎么進(jìn)行轉(zhuǎn)賬交易的呢?

這里就得先介紹區(qū)塊鏈中的非對(duì)稱加密技術(shù)了。

非對(duì)稱加密技術(shù)有很多種，如：RSA、ECC、ECDSA 等，比特幣中是使用的 ECDSA 算法。

ECDSA 是美國(guó)政府的標(biāo)準(zhǔn)，是利用了橢圓曲線的升級(jí)版，這個(gè)算法經(jīng)過(guò)了數(shù)年的細(xì)致密碼分析，被廣泛認(rèn)為是安全可靠的。

所謂非對(duì)稱加密是指我們?cè)趯?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密的時(shí)候，需使用2個(gè)不同的密鑰。比如，我們可以用A密鑰將數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，然后用B密鑰來(lái)解密，相反，也可以用B來(lái)加密，然后使用A來(lái)解密。那么如果我想給某個(gè)人傳遞信息，那我可以先用A加密后，將密文傳給她，她拿到密文之后，用手上的B密鑰去解開。這2個(gè)密鑰，一個(gè)被成為公鑰、一個(gè)是私鑰。

在比特幣中，每個(gè)用戶都有一對(duì)密鑰(公鑰和私鑰)，比特幣系統(tǒng)中是使用用戶的公鑰作為交易賬戶的。

我們先看下圖：

在圖中可以看到，在第一筆交易記錄中，是 用戶U0 來(lái)發(fā)起的交易，要將代幣支付給 用戶U1，是怎么實(shí)現(xiàn)的呢?

1. 首先 用戶U0 寫好交易信息：data(明文，例如：用戶U0轉(zhuǎn)賬100元給用戶U1)
2. 用戶U0 使用哈希算法將交易信息進(jìn)行計(jì)算，得出 H = hash(data)，然后再使用自己的私鑰對(duì) H 進(jìn)行簽名，即 S(H)，這一步其實(shí)是為了防止交易信息被篡改用的
3. 然后基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，將 簽名S(H) 和 交易信息data 傳遞給 用戶U1
4. 用戶U1 使用 用戶U0 的公鑰 來(lái)對(duì) S(H) 解密，就得到了交易信息的哈希值 H
5. 同時(shí)，用戶U1 還使用哈希算法對(duì) 交易信息data 進(jìn)行計(jì)算，得出 H2 = hash(data)
6. 對(duì)比上面2個(gè)哈希值，如果 H1==H2，則交易合法。說(shuō)明 用戶U0 在發(fā)起交易的時(shí)候確實(shí)擁有真實(shí)的私鑰，有權(quán)發(fā)起自己賬戶的交易
7. 網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以參與上述的驗(yàn)證步驟。

這個(gè)示例，就是比特幣中一次交易的簽名流程，即將 哈希算法與非對(duì)稱算法結(jié)合在一起用于了比特幣交易的數(shù)字簽名。

除此之外，比特幣中，公私鑰的生成、比特幣地址的生成也是由非對(duì)稱加密算法來(lái)保證的。

以上，就是區(qū)塊鏈體系中，核心技術(shù)之哈希算法與加密算法的應(yīng)用情況，歡迎一起交流。