Hashing算法详解

哈希函数：数据安全的基石

哈希函数，简单来说，就是把任意长度的输入转换成固定长度的输出的过程。这就像一个神奇的转换器，无论你输入什么，它都能给你一个特定大小的“摘要”。 这其中的奥秘在于数学公式，也就是我们所说的哈希算法。

虽然并非所有哈希算法都涉及加密技术，但所谓的加密哈希函数却是加密货币的核心。正是有了它们，区块链和其他分布式系统才能实现高水平的数据完整性和安全性。 这就好比给重要的文件盖上一个独一无二的印章，一旦文件被篡改，印章就会失效。

无论是传统的哈希函数还是加密哈希函数，都具有确定性。这意味着只要输入不变，哈希算法就会始终产生相同的输出（也称为摘要或哈希值）。 这就像一个精确的计算器，同样的算式，永远得到同样的结果。

通常，加密货币的哈希算法被设计成单向函数，这意味着在没有大量计算时间和资源的情况下，很难反向推导出输入。说白了，由输入得到输出很容易，但反过来却很难。 这就像一把只能开锁，却无法反向制造钥匙的特殊钥匙。一般来说，越难找到输入，哈希算法就被认为越安全。

哈希函数是如何工作的呢？

不同的哈希函数会产生不同大小的输出，但每个哈希算法的可能输出大小总是恒定的。例如，SHA-256算法只能产生256位的输出，而SHA-1算法总是生成160位的摘要。

让我们用SHA-256算法（比特币中使用的算法）来处理“Binance”和“binance”这两个词为例：

注意，一个微小的变化（首字母的大小写）导致了完全不同的哈希值。但由于我们使用的是SHA-256，输出始终具有256位（或64个字符）的固定大小——无论输入大小如何。此外，无论我们多少次运行这两个词通过算法，这两个输出都将保持不变。

相反，如果我们通过SHA-1哈希算法运行相同的输入，我们将得到以下结果：

值得注意的是，缩写SHA代表安全哈希算法。它指的是一组加密哈希函数，包括SHA-0和SHA-1算法以及SHA-2和SHA-3组。SHA-256是SHA-2组的一部分，还有SHA-512和其他变体。目前，只有SHA-2和SHA-3组被认为是安全的。

它们为什么重要？

传统的哈希函数有广泛的用途，包括数据库查找、大型文件分析和数据管理。另一方面，加密哈希函数广泛用于信息安全应用，例如消息认证和数字指纹。对于比特币而言，加密哈希函数是挖掘过程的重要组成部分，还在生成新地址和密钥中发挥作用。

哈希的真正威力在于处理海量信息时。例如，人们可以将大型文件或数据集通过哈希函数运行，然后使用其输出快速验证数据的准确性和完整性。这是因为哈希函数的确定性：输入总是会产生简化、浓缩的输出（哈希）。这种技术消除了存储和“记住”大量数据的需要。

在区块链技术中，哈希尤其有用。比特币区块链有几个涉及哈希的操作，大部分都在挖掘过程中。事实上，几乎所有加密货币协议都依赖于哈希来链接和压缩交易组到区块中，并产生每个区块之间的加密链接，从而有效地创建区块链。

加密哈希函数

再次强调，部署加密技术的哈希函数可以定义为加密哈希函数。一般来说，破解加密哈希函数需要无数次的暴力尝试。对于一个人来说，“反转”一个加密哈希函数，需要通过反复试验猜测输入是什么，直到产生相应的输出。然而，也有可能不同的输入产生完全相同的输出，在这种情况下就会发生“碰撞”。

从技术上讲，加密哈希函数需要遵循三个特性才能被认为是有效的安全。我们可以将它们描述为碰撞阻力、原像阻力以及第二原像阻力。

在讨论每个属性之前，让我们用三句话总结它们的逻辑。

• 碰撞阻力：难以找到任何两个不同的输入产生相同的哈希输出。
• 原像阻力：难以“反转”哈希函数（从给定的输出中找到输入）。
• 第二原像阻力：难以找到任何第二个与指定的输入发生碰撞的输入。

碰撞阻力

如前所述，当不同的输入产生完全相同的哈希值时，就会发生碰撞。因此，哈希函数被认为是抗碰撞的，直到有人发现碰撞为止。请注意，对于任何哈希函数，碰撞总是存在的，因为可能的输入是无限的，而可能的输出是有限的。

换句话说，当找到碰撞的可能性低到需要数百万年的计算时，哈希函数就是抗碰撞的。因此，尽管没有无碰撞的哈希函数，但其中一些足够强大，可以被认为是抗碰撞的（例如，SHA-256）。

在各种SHA算法中，SHA-0和SHA-1组不再安全，因为已经发现了碰撞。目前，SHA-2和SHA-3组被认为是抗碰撞的。

原像阻力

原像阻力特性与单向函数的概念有关。当有人找到生成特定输出的输入的概率非常低时，哈希函数就被认为是抗原像的。

请注意，此属性与之前的属性不同，因为攻击者将试图通过查看给定的输出来猜测输入是什么。另一方面，当有人找到两个不同的输入生成相同的输出时，就会发生碰撞，但这并不重要使用了哪些输入。

原像阻力特性对于保护数据非常有价值，因为消息的简单哈希可以证明其真实性，而无需公开信息。在实践中，许多服务提供商和网络应用程序存储和使用从密码生成的哈希值，而不是明文密码。

第二原像阻力

为了简化，我们可以说第二原像阻力介于其他两个属性之间。当有人能够找到一个特定的输入，生成另一个他们已经知道的输入的相同输出时，就会发生第二次原像攻击。

换句话说，第二次原像攻击涉及查找碰撞，但他们不是搜索生成相同哈希的两个随机输入，而是搜索生成与另一个特定输入生成的相同哈希的输入。

因此，任何抗碰撞的哈希函数也抗第二次原像攻击，因为后者总是意味着碰撞。但是，仍然可以在抗碰撞函数上执行原像攻击，因为它意味着从单个输出中找到单个输入。

挖掘

比特币挖掘的许多步骤都涉及哈希函数，例如检查余额、链接交易输入和输出，以及在一个区块内对交易进行哈希以形成默克尔树。但是，比特币区块链安全的主要原因之一是，矿工需要执行无数的哈希操作，才能最终找到下一个区块的有效解决方案。

具体来说，矿工在为其候选区块创建哈希值时必须尝试几种不同的输入。从本质上讲，只有当他们生成的输出哈希以一定数量的零开头时，他们才能验证其区块。零的数量决定了挖掘难度，它根据投入网络的哈希率而变化。

在这种情况下，哈希率表示有多少计算能力被投入到比特币挖掘中。如果网络的哈希率增加，比特币协议将自动调整挖掘难度，以便挖掘一个区块所需的时间平均保持在10分钟左右。相反，如果一些矿工决定停止挖掘，导致哈希率大幅下降，挖掘难度将被调整，使其更容易挖掘（直到平均区块时间恢复到10分钟）。

请注意，矿工不必查找碰撞，因为他们可以生成多个哈希作为有效输出（以一定数量的零开头）。因此，对于某个区块，有几种可能的解决方案，矿工只需要找到其中一种——根据挖掘难度确定的阈值。

因为比特币挖掘是一项成本密集型任务，矿工没有理由作弊，因为这会导致巨大的经济损失。加入区块链的矿工越多，区块链就越大越强。

结束语

毫无疑问，哈希函数是计算机科学中必不可少的工具，尤其是在处理海量数据时。当与密码学结合时，哈希算法可以非常通用，以多种不同的方式提供安全性和身份验证。因此，加密哈希函数对于几乎所有加密货币网络都至关重要，因此，对于任何对区块链技术感兴趣的人来说，了解其属性和工作机制肯定是有帮助的。