Comunion 区块链深度学习系列｜哈希算法的应用

本系列内容包含：基本概念及原理、密码学、共识算法、钱包及节点原理、挖矿原理及实现。挖矿以比特币网络为例，比特币挖矿主要使用到的算法是SHA-256，其具体流程参见下图。我们从上往下进行分析：第一层是：n Version（版本号）；第二层是：hash Preb Block（前一个区块的哈希）；第三层是：hash Merkle Root（交易Merkle树根），第四层是：n Time（时间戳）；第五层是：n Bits（难度值）；第六层是：n Nonce（随机数）；第七层是：Hash（哈希函数）。里面的n代表连续0的个数，该值要小于当前区块难度目标值m，挖到块的条件是前n个比特位全部为0，n越大，难度越大。假设最低难度对应最大目标值为M，则区块难度为：M/m看过前面课程的朋友应该会有印象，这些全部是区块头中的数据字段。再来看左边，我们分析一下为什么其中有些是固定而有些是可变的。1.版本号和前一个区块哈希是固定的，以比特币为例，假设当前比特币区块高度为N，如果某人想挖接下来N+1区块的话，那么这个时候版本号必须是固定的，前一个区块的哈希必须也是固定的。因为在不存在分叉的情况下，当前区块包含上一个区块的哈希值；也就是N-1区块的哈希值加上N区块数据算出N区块哈希值，然后將N区块哈希值当成N+1区块的的前一区块哈希值。这里有点绕，希望大家多理解一下；2.交易Merkle根是可变的，为什么说可变呢？因为在挖矿的时候，肯定会准备一个打包区块，打包区块形成的时候，矿工会根据自己的需求或根据利益算法，将交易打包进去，最后整理成一个Merkle根；3.时间戳是可变的，挖矿有个时间范围，在这个时间范围内挖出的矿都为有效，所以在有效时间内的时间是可以任意调节的；4.难度值在一定周期内是固定的，会随着周期的改变而变化；5.Nonce是可变的，这里就不展开讲了，忘记的朋友可以翻阅前面的讲解。在挖矿的时候，到Nonce的时候，由于时间戳和Merkle根都已经经过计算固定了，这时只需要改变Nonce就可以了。此时可以把这7个数据看成一个整体，前面6个数据是X，把X放在哈希函数里面，会出来一个值，比如说Y值。由于比特币网络里使用的哈希算法是SHA-256，当Y值出来之后，就会得到一个256个由0和1组成的字符串。这个字符串出来之后，它会和X里面的难度值比较大小。每计算一次，也就是通过了一个Nonce，就会产生一个Y值，Y值会和难度值比较大小，如果Y值小于难度值，此时就找到了一个有效的Nonce，矿也就挖出来了。生成地址地址的生成中也用到了哈希算法。从下图可以看到从公钥到比特币地址生成的流程。第一层：生成公钥（如何生成会在后续课程解答）；第二层：两层哈希算法，SHA-265和RIPMD-160（常称为双哈希或Hash160）；第三层：然后双层哈希计算，会产生公钥哈希；第四层：Base58Check编码（在Base58编码基础上的改良）；第五层：经过编码，得到一个编码串，这个编码串就是公钥哈希即比特币地址。形成 Merkle tree 和交易Hash在默克树树结构和形成交易哈希里面也使用到了哈希算法。上图的默克树中，最底层有4个叶子节点，最左边H A下面有个Hash（TxA），意思是：Tx表示交易，A表示交易编号。假设现在使用的哈希算法是SHA-256，那么交易产生时，会对HA、HB分别进行哈希计算，会分别得到2个由256个0和1组成的字符串。同理，HC、HD也会得到相应的字符串，这样四个交易会形成总的默克尔根。区块链（哈希链）大家都知道在区块链中，每个区块都是一环套一环衔接上去的，就像一个链条一样。我们通过下面的图片，具体分析一下。从图中可以看出链的顺序是从下往上增长的，最下面块的高度是277314，这个区块里面包含上一个区块的哈希值：0000…0bdf（红框1），这里的0000…0bdf是上一个区块（277312）区块头的哈希值。同理，277315区块里面包含的 上一区块头哈希值：0000…2249（红框3），也是区块277314的区块头哈希值，即：0000…2249（红框2）。同理277316区块也是这样的情况，这也是我们第一节希望大家多理解的问题。这样的情况就保证了任何人可以从某一个区块中，找到这个区块里面包含的 上一区块的哈希值，也就是其父区块。现在我们讨论的问题都是针对于区块链没有分叉的一个情况，到后面我们详细分析区块链分叉之后情况又是怎样的。通过这三个区块我们能发现，从某种程度上来说区块链就是一个哈希链。最新产生的区块通过哈希值指向上一个区块，上一个区块在指向上上一个区块……一直指向创世区块。通过这个关系，这些区块形成了链条，也就是我们常说的区块链。这是哈希算法在区块链中常用到的具体应用，大家可以预先想一下，为什么区块链中会使用哈希算法，而不是其他算法呢？后面的课程我们会给大家进行解答。下节预告：什么是哈希