哈希函數(shù)的特性以及比特幣挖礦的技術(shù)原理解析

比特幣是世界上第一種成功的加密貨幣，之前的嘗試都沒有像比特幣這樣有效解決有關(guān)貨幣的各種問題。

比特幣本身是密碼學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物，利用了密碼學(xué)中的很重要的“單向散列函數(shù)”以及數(shù)字簽名兩大技術(shù)來構(gòu)建，今天我們來集中精力講解單向散列函數(shù)的5種重要的特性，以及比特幣挖礦相關(guān)的技術(shù)原理。

下面我們先講哈希函數(shù)的特性：

單向散列函數(shù)（one-wayhash function），也就是通俗叫的哈希函數(shù)。

第一個特點：輸入可以任意長度，輸出是固定長度

哈希函數(shù)不用知道輸入信息代表的是什么意思，也無所謂信息的長度有多長，只要輸入hash函數(shù)出來的都是固定長度的比特值。比如非常有名的SHA256 哈希函數(shù)，輸入任何值出來的都是256比特的0和1. 輸入一本《三國演義》或者僅僅輸入一個字母a，出來的都是256位比特長度的數(shù)據(jù)。

第二個特點：計算hash值的速度比較快

這一點經(jīng)常被大家所忽略，似乎是習(xí)以為常的東西就不去在意，其實這一點同樣重要，因為單向哈希的計算很快，才能保證加密或者驗證的速度。

第三個特點，防碰撞特性（Collisionresistance）

X≠y，H（x）=H（y） 輸入空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸出空間，比如256位的哈希值指的就是輸出空間是2^256這么多，輸入是無限可能的，輸出是固定長度。

但是，目前沒有找到?jīng)]有好的方法去找出一個x能得到H（x）等于右邊的值。

遍歷所有輸入的可能能去找到這個值，叫做brute-force暴力破解嗎，也就是現(xiàn)在礦機所謂的“哈希碰撞”這個詞的來源。

哈希防碰撞用處是保證上傳和下載的數(shù)據(jù)是一樣的，就是改一點點出來的結(jié)果差很多。舉個例子，你輸入的信息是一部《紅樓夢》（當(dāng)然電腦識別出來就是0和1），然后你在紅樓夢的第100頁的第五句話把一個逗號改成句號，然后輸出的hash值就完全不同了。這就是哈希函數(shù)一個非常重要的特性。

但是collision resistance目前沒有數(shù)學(xué)證明這個碰撞不會發(fā)生，MD5就是最好的例子，之前是很安全的，但是后來找到了破解方法。

第四個特點：隱藏性（Hiding）或者叫做單向性（one-way）

哈希函數(shù)的計算過程是單向不可逆的。x推出H（x），但是反推沒有法子（單向性），也就是說，哈希值沒有泄露輸入的x的信息。也就是說x的信息被隱藏了起來，這也就就是隱藏性。

輸入空間要足夠大，取值是均勻的，這樣就很難暴力破解。

利用第三和第四個特性可以做出很有趣的應(yīng)用場景。

比如預(yù)測一個事情?，F(xiàn)實世界中預(yù)測和結(jié)果很多時候是有微妙的關(guān)系的，比如三國時期，曹操專門去找當(dāng)時的人物品鑒專家許劭，讓他看看自己是什么材料，許劭評價曹操是“治世之能臣，亂世之奸雄”，這個很難說他評的準(zhǔn)不準(zhǔn)，或許因為這個評語，影響了曹操的心理，他就朝這個方向發(fā)展了，就成了自我驗證的預(yù)言了。所以，很難判斷預(yù)測是否真的準(zhǔn)。

更簡單例子是，有影響力的股評師，今天預(yù)測一下明天的股價是不是增長，那么，他如果公開表明幣價，可能會影響幣價。

所以如何表明他確實很準(zhǔn)確呢？讓他把股評信息寫到紙上，或者存到電腦里，但是要求是第二天開盤后，不能偷偷修改內(nèi)容，這樣就不用擔(dān)心預(yù)測影響股價了。那么現(xiàn)在需要做的只是一件事兒：保證他沒有篡改自己已經(jīng)寫好的內(nèi)容。

那么，可以用hash算法，預(yù)測的結(jié)果（信息）是x，對x 哈希函數(shù)一下，公布hash值，第二天收盤再把x放出來，如果你改了昨天的數(shù)據(jù)，hash就變了。所有人都可以用hash算一下這個x和昨天公布的hash值進行對比。

實際情況下，實際的輸入空間不是很大，輸入不夠隨機，擔(dān)心有人對上升下跌這樣的詞匯語句進行組合排列，找到這個x，為了保證安全性，會加入一個nonce隨機數(shù)，公式表達(dá)如下。

H（x丨丨nonce） nonce是一個隨機數(shù)

意思就是預(yù)測的結(jié)果信息x后面加個隨機數(shù)，一起得到hash。

第五點：謎題友好（puzzlefriendly）

就是說看x不知道H（x）是什么？這個無法從輸入數(shù)據(jù)，判斷到底輸出是什么樣子。就是說，知道輸入的信息，無法一眼看出來輸出的hash值是什么，謎題友好性值得就是這一點：你無法通過控制輸入值x來獲得想要的輸出值H（x）

所以，綜合隱藏性和謎題友好性兩個特點，知道輸入信息也不知道哈希值是什么，可以很快算出來，但是無法預(yù)先判斷；知道哈希值也不能知道輸入值是什么，反向計算是非常非常困難的，只能暴力破解。

所以如果你想要輸出的值落在某一個范圍里，比如小于某個數(shù)值，計算機只能一個一個去試去猜答案，看哪個輸入算出來的輸出值正好是落在你想要的范圍內(nèi)。

你要得到一個hash值前面K位是0。你無法知道怎么得到前面是這么多0的x。

挖礦就是找nonce，就是這個隨機數(shù)。

H（block header + nonce）≤target

這就是比特幣挖礦的基本原理，就是哈希碰撞去找到這個nonce，讓他小于一個target（比如32個0等等）。Block header（或者block head）就是區(qū)塊頭包括的信息都是所有礦工都知道的信息（比如version，prehash，merkle root，ntimenbits等等信息），所以大家競爭的是誰先猜出來nonce。

備注：在二進制的世界里，因為每一位比特都是0或者1，所以比大小，就是比前面的0的數(shù)量，前面32位是0，自然小于前面31位是0（第32位是1），這個target的所謂比大小也就是限定個范圍，因為sha256出來的數(shù)字都是256位的二進制數(shù)字（哈希函數(shù)輸出值長短固定的特性），比誰前面的0多是很方便的劃定結(jié)果值的區(qū)域的方式。這一點大家忽略的人很多，其實是一個很基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)知識，值得注意。

挖礦的基本思想就是來自上述的信息。在比特幣中的挖礦的過程里實際上就是去找nonce也就是確定了輸出范圍后，去找輸入的值。H（block header + nonce）≤target

當(dāng)輸入的值（各種信息+nonce）進行hash運算后得到的值符合target的范圍，比如說前面35個0就可以了，你猜出來的值輸入后得到hash值前面40個都是零，那么肯定符合要求，實際上前面35個0就滿足條件了嘛。

然后你把這個信息公布出去，別的礦工看到你的nonce值，也去hash一下，很快就知道你這個nonce是合適的，可以滿足target的要求。這里就用到了哈希函數(shù)的計算速度快的特性（第二個特性）。

本文總結(jié)了單數(shù)散列函數(shù)也就是哈希函數(shù)的特性，這就是很多區(qū)塊鏈應(yīng)用的基礎(chǔ)以及比特幣加密挖礦的基本原理。文章開頭說過，比特幣運用的密碼學(xué)除了函數(shù)函數(shù)，還有一個非常重要的內(nèi)容是：數(shù)字簽名。這個我們很快就會講到。

目前世界上所謂的區(qū)塊鏈落地應(yīng)用，其實有時候用的是比特幣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（默克爾樹等），有時候用的是UTXO模型來結(jié)算。有的時候說是溯源，有的時候說是合約。很多的應(yīng)用出來，不管是什么樣的概念，多數(shù)都要用到哈希函數(shù)，利用哈希函數(shù)5種特性中的一部分。

隨著文章講解的深入，關(guān)于比特幣，關(guān)于行業(yè)的信息都在展開，慢慢的大家更能明白，為什么說哈希函數(shù)是比特幣和區(qū)塊鏈行業(yè)的基礎(chǔ)了。
來源： 加密二鍋頭?