區塊鏈深度學習系列｜密碼學基礎之哈希算法的應用_區塊鏈

本系列內容包含：基本概念及原理、密碼學、共識算法、錢包及節點原理、挖礦原理及實現。

挖礦

以比特幣網絡為例，比特幣挖礦主要使用到的算法是SHA-256，其具體流程參見下圖。

我們從上往下進行分析：

第一層是：nVersion；

第二層是：hashPrebBlock；

第三層是：hashMerkleRoot，

第四層是：nTime；

第五層是：nBits；

第六層是：nNonce；

第七層是：Hash。

聲音 | 馬小峰：區塊鏈將作為數字經濟基礎設施引發產業鏈重構:12月30日，在2019年新經濟年會上，同濟大學區塊鏈研究院院長馬小峰分享了對“區塊鏈創新模式與應用案例”的思考，他認為，基于解決數據隱私保護等痛點，區塊鏈將成為數字經濟的基礎設施。

他還指出： “區塊鏈最大一個作用是能使傳統行業享受金融服務，解決過去難以根治的信用，風控和監管問題。”馬小峰指出，基于信任機制的區塊鏈創造出的新范式，將解決由于機密性、完整性、可用性以及數據身份而產生的問題。（證券日報）[2019/12/31]

里面的n代表連續0的個數，該值要小于當前區塊難度目標值m，挖到塊的條件是前n個比特位全部為0，n越大，難度越大。假設最低難度對應最大目標值為M，則區塊難度為：M/m

看過前面課程的朋友應該會有印象，這些全部是區塊頭中的數據字段。

聲音 | 迅雷陳磊：區塊鏈用戶增加到10億 才能體現真正價值:迅雷集團CEO陳磊日前表示，區塊鏈市場具有令人難以想象的潛在價值空間，只有當區塊鏈產業整體用戶規模增加到10億時，才能完全體現真正價值。同時他還表示，在此之前區塊鏈必須實現一些客觀條件：一是區塊鏈底層主鏈所需要達到的100萬/秒交易處理數量，這是區塊鏈大規模落地應用的硬性前提。二是是指區塊鏈主鏈的確認速度、響應時間要低于1秒，并且建立一個統一的監管框架。三是單個區塊鏈應用所突破的1000萬用戶數，這時區塊鏈技術最終將進入一個完全不同的發展階段。[2018/12/3]

再來看左邊，我們分析一下為什么其中有些是固定而有些是可變的。

1.版本號和前一個區塊哈希是固定的，以比特幣為例，假設當前比特幣區塊高度為N，如果某人想挖接下來N+1區塊的話，那么這個時候版本號必須是固定的，前一個區塊的哈希必須也是固定的。因為在不存在分叉的情況下，當前區塊包含上一個區塊的哈希值；

金色財經現場報道 中國社科院博士特聘教授王彬生：區塊鏈是用來相信的:金色財經現場報道，在4月3日舉辦的2018年世界區塊鏈峰會現場，中國社科院博士特聘教授王彬生表示，我個人認為比特幣實際上就是區塊鏈世界的應用，他直接對傳統的金融體系展開了一場變革，比特幣是用來相信的，不是拿來用的，有一天我們斗地主，我們不需要用比特幣，上一個茅臺幣就行了，你家樓下有全聚德，有肯德基，他發了餐券，只要你相信一百年都存在，這個券就是錢，你拿一萬塊錢的券就行了，所以2018年以后，我個人隨著物聯網和人工時代的到來，這一步會非常的明顯，物聯網就是物和物之間連起來，他要展開資源的協作，不是簡單的拉手協議，所以這一步都會在2018年逐步體現出來。[2018/4/3]

也就是N-1區塊的哈希值加上N區塊數據算出N區塊哈希值，然后將N區塊哈希值當成N+1區塊的的前一區塊哈希值。這里有點繞，希望大家多理解一下；

新加坡航空公司推出世界首個使用區塊鏈技術的數碼皮夾:新加坡航空公司將推出世界首個使用“區塊鏈”（blockchain）技術的“數碼皮夾”（Digital Wallet），讓飛行獎勵計劃“KrisFlyer”的會員能以累積的里數積分，在零售店購物。[2018/2/5]

2.交易Merkle根是可變的，為什么說可變呢？因為在挖礦的時候，肯定會準備一個打包區塊，打包區塊形成的時候，礦工會根據自己的需求或根據利益算法，將交易打包進去，最后整理成一個Merkle根；

3.時間戳是可變的，挖礦有個時間范圍，在這個時間范圍內挖出的礦都為有效，所以在有效時間內的時間是可以任意調節的；

4.難度值在一定周期內是固定的，會隨著周期的改變而變化；

5.Nonce是可變的，這里就不展開講了，忘記的朋友可以翻閱前面的講解。

在挖礦的時候，到Nonce的時候，由于時間戳和Merkle根都已經經過計算固定了，這時只需要改變Nonce就可以了。此時可以把這7個數據看成一個整體，前面6個數據是X，把X放在哈希函數里面，會出來一個值，比如說Y值。

由于比特幣網絡里使用的哈希算法是SHA-256，當Y值出來之后，就會得到一個256個由0和1組成的字符串。這個字符串出來之后，它會和X里面的難度值比較大小。

每計算一次，也就是通過了一個Nonce，就會產生一個Y值，Y值會和難度值比較大小，如果Y值小于難度值，此時就找到了一個有效的Nonce，礦也就挖出來了。

生成地址

地址的生成中也用到了哈希算法。從下圖可以看到從公鑰到比特幣地址生成的流程。

第一層：生成公鑰；

第二層：兩層哈希算法，SHA-265和RIPMD-160；

第三層：然后雙層哈希計算，會產生公鑰哈希；

第四層：Base58Check編碼；

第五層：經過編碼，得到一個編碼串，這個編碼串就是公鑰哈希即比特幣地址。

形成Merkletree和交易Hash

在默克樹樹結構和形成交易哈希里面也使用到了哈希算法。

上圖的默克樹中，最底層有4個葉子節點，最左邊HA下面有個Hash，意思是：Tx表示交易，A表示交易編號。

假設現在使用的哈希算法是SHA-256，那么交易產生時，會對HA、HB分別進行哈希計算，會分別得到2個由256個0和1組成的字符串。同理，HC、HD也會得到相應的字符串，這樣四個交易會形成總的默克爾根。

區塊鏈

大家都知道在區塊鏈中，每個區塊都是一環套一環銜接上去的，就像一個鏈條一樣。我們通過下面的圖片，具體分析一下。

從圖中可以看出鏈的順序是從下往上增長的，最下面塊的高度是277314，這個區塊里面包含上一個區塊的哈希值：0000…0bdf，這里的0000…0bdf是上一個區塊區塊頭的哈希值。

同理，277315區塊里面包含的上一區塊頭哈希值：0000…2249，也是區塊277314的區塊頭哈希值，即：0000…2249。同理277316區塊也是這樣的情況，這也是我們第一節希望大家多理解的問題。

這樣的情況就保證了任何人可以從某一個區塊中，找到這個區塊里面包含的上一區塊的哈希值，也就是其父區塊。

現在我們討論的問題都是針對于區塊鏈沒有分叉的一個情況，到后面我們詳細分析區塊鏈分叉之后情況又是怎樣的。

通過這三個區塊我們能發現，從某種程度上來說區塊鏈就是一個哈希鏈。最新產生的區塊通過哈希值指向上一個區塊，上一個區塊在指向上上一個區塊……一直指向創世區塊。通過這個關系，這些區塊形成了鏈條，也就是我們常說的區塊鏈。

這是哈希算法在區塊鏈中常用到的具體應用，大家可以預先想一下，為什么區塊鏈中會使用哈希算法，而不是其他算法呢？后面的課程我們會給大家進行解答。

下節預告：什么是哈希

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