HASH:比特币中的密码学:哈希函数的五大特性和挖矿原理

比特币是世界上第一种成功的加密货币,之前的尝试都没有像比特币这样有效解决有关货币的各种问题。

比特币本身是密码学发展的产物,利用了密码学中的很重要的“单向散列函数”以及数字签名两大技术来构建,今天我们来集中精力讲解单向散列函数的5种重要的特性,以及比特币挖矿相关的技术原理。

下面我们先讲哈希函数的特性:

单向散列函数,也就是通俗叫的哈希函数。

第一个特点:输入可以任意长度,输出是固定长度

哈希函数不用知道输入信息代表的是什么意思,也无所谓信息的长度有多长,只要输入hash函数出来的都是固定长度的比特值。比如非常有名的SHA256?哈希函数,输入任何值出来的都是256比特的0和1.?输入一本《三国演义》或者仅仅输入一个字母a,出来的都是256位比特长度的数据。

第二个特点:计算hash值的速度比较快?

美国圣路易斯联储发布“用比特币购买鸡蛋”数据分析:金色财经报道,美国圣路易斯联储在其官网上发布“用比特币购买鸡蛋”的数据分析,圣路易斯联储称,自2021年1月至2022年4月,一盒鸡蛋的价格最低为1.47美元,最高为2.52美元,如果用比特币购买同一盒鸡蛋,价格大约在2829和6086 satoshis (注:100万satoshis等于0.01BTC)之间,比美元价格波动大得多。金色财经注意到,美国圣路易斯联储发布的以satoshi计价的鸡蛋价格数据从2015年1月开始,一盒鸡蛋一度最高价值126.5万satoshis,以鸡蛋价格计算,比特币升值巨大。[2022/6/7 4:08:01]

这一点经常被大家所忽略,似乎是习以为常的东西就不去在意,其实这一点同样重要,因为单向哈希的计算很快,才能保证加密或者验证的速度。

第三个特点,防碰撞特性

X≠y,H=H(y)?输入空间远远大于输出空间,比如256位的哈希值指的就是输出空间是2^256这么多,输入是无限可能的,输出是固定长度。

芝商所(CME)宣布推出微型比特币和以太坊期权:3月28日消息,芝商所(CME)宣布推出微型比特币和以太坊期权,一份期权合约代表 0.1 枚比特币或以太坊。(金十)[2022/3/28 14:23:00]

但是,目前没有找到没有好的方法去找出一个x能得到H等于右边的值。

遍历所有输入的可能能去找到这个值,叫做brute-force暴力破解吗,也就是现在矿机所谓的“哈希碰撞”这个词的来源。

哈希防碰撞用处是保证上传和下载的数据是一样的,就是改一点点出来的结果差很多。举个例子,你输入的信息是一部《红楼梦》,然后你在红楼梦的第100页的第五句话把一个逗号改成句号,然后输出的hash值就完全不同了。这就是哈希函数一个非常重要的特性。

但是collisionresistance目前没有数学证明这个碰撞不会发生,MD5就是最好的例子,之前是很安全的,但是后来找到了破解方法。

比特币期现价差连日下跌至25.60%:金色财经报道,据同伴客数据显示,04月08日比特币年化期现价差为25.60%,较前一日下跌3.13%,市场情绪指数为“极度牛市”。

指数参考:>20 % 极度牛市;10%~20% 牛市;5%~10% 乐观;2%~5% 谨慎乐观;0~2% 谨慎;-5%~0 谨慎悲观;-10%~-5% 悲观;-20%~-10%熊市;第五点:谜题友好

就是说看x不知道H是什么?这个无法从输入数据,判断到底输出是什么样子。就是说,知道输入的信息,无法一眼看出来输出的hash值是什么,谜题友好性值得就是这一点:你无法通过控制输入值x来获得想要的输出值H

所以,综合隐藏性和谜题友好性两个特点,知道输入信息也不知道哈希值是什么,可以很快算出来,但是无法预先判断;知道哈希值也不能知道输入值是什么,反向计算是非常非常困难的,只能暴力破解。

所以如果你想要输出的值落在某一个范围里,比如小于某个数值,计算机只能一个一个去试去猜答案,看哪个输入算出来的输出值正好是落在你想要的范围内。

你要得到一个hash值前面K位是0。你无法知道怎么得到前面是这么多0的x。

挖矿就是找nonce,就是这个随机数。

H≤target

这就是比特币挖矿的基本原理,就是哈希碰撞去找到这个nonce,让他小于一个target。Blockheader就是区块头包括的信息都是所有矿工都知道的信息,所以大家竞争的是谁先猜出来nonce。

备注:在二进制的世界里,因为每一位比特都是0或者1,所以比大小,就是比前面的0的数量,前面32位是0,自然小于前面31位是0,这个target的所谓比大小也就是限定个范围,因为sha256出来的数字都是256位的二进制数字,比谁前面的0多是很方便的划定结果值的区域的方式。这一点大家忽略的人很多,其实是一个很基础的数学知识,值得注意。

挖矿的基本思想就是来自上述的信息。在比特币中的挖矿的过程里实际上就是去找nonce也就是确定了输出范围后,去找输入的值。H≤target

当输入的值进行hash运算后得到的值符合target的范围,比如说前面35个0就可以了,你猜出来的值输入后得到hash值前面40个都是零,那么肯定符合要求,实际上前面35个0就满足条件了嘛。

然后你把这个信息公布出去,别的矿工看到你的nonce值,也去hash一下,很快就知道你这个nonce是合适的,可以满足target的要求。这里就用到了哈希函数的计算速度快的特性。

本文总结了单数散列函数也就是哈希函数的特性,这就是很多区块链应用的基础以及比特币加密挖矿的基本原理。文章开头说过,比特币运用的密码学除了函数函数,还有一个非常重要的内容是:数字签名。这个我们很快就会讲到。

目前世界上所谓的区块链落地应用,其实有时候用的是比特币的数据结构,有时候用的是UTXO模型来结算。有的时候说是溯源,有的时候说是合约。很多的应用出来,不管是什么样的概念,多数都要用到哈希函数,利用哈希函数5种特性中的一部分。

随着文章讲解的深入,关于比特币,关于行业的信息都在展开,慢慢的大家更能明白,为什么说哈希函数是比特币和区块链行业的基础了。

作者:村头二旧

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