Comunion 區塊鏈深度學習系列|哈希算法的應用

2020-12-13 澎湃新聞

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：n Version（版本號）；

第二層是：hash Preb Block（前一個區塊的哈希）；

第三層是：hash Merkle Root（交易Merkle樹根），

第四層是：n Time（時間戳）；

第五層是：n Bits（難度值）；

第六層是：n Nonce（隨機數）；

第七層是：Hash（哈希函數）。

裡面的n代表連續0的個數，該值要小於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欄位。

再來看左邊，我們分析一下為什麼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，那麼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；

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，然後將N區塊哈希值當成N+1區塊的的前一區塊哈希值。這裡有點繞，希望大家多理解一下；

2.交易Merkle根是可變的，為什麼說可變呢？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，最後整理成一個Merkle根；

3.時間戳是可變的，挖礦有個時間範圍，在這個時間範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，這裡就不展開講了，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，由於時間戳和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放在哈希函數裡面，會出來一個值，比如說Y值。

由於比特幣網絡裡使用的哈希算法是SHA-256，當Y值出來之後，就會得到一個256個由0和1組成的字符串。這個字符串出來之後，它會和X裡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值小於難度值，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（如何生成會在後續課程解答）；

第二層：兩層哈希算法，SHA-265和RIPMD-160（常稱為雙哈希或Hash160）；

第三層：然後雙層哈希計算，會產生公鑰哈希；

第四層：Base58Check編碼（在Base58編碼基礎上的改良）；

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 Merkle tree 和交易Hash

在默克樹樹結構和形成交易哈希裡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H A下面有個Hash（TxA），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，那麼交易產生時，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（哈希鏈）

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，這個區塊裡面包含上一個區塊的哈希值：0000…0bdf（紅框1），這裡的0000…0bdf是上一個區塊（277312）區塊頭的哈希值。

同理，277315區塊裡面包含的 上一區塊頭哈希值：0000…2249（紅框3），也是區塊277314的區塊頭哈希值，即：0000…2249（紅框2）。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，找到這個區塊裡面包含的 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於區塊鏈沒有分叉的一個情況，到後面我們詳細分析區塊鏈分叉之後情況又是怎樣的。

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。通過這個關係，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，為什麼區塊鏈中會使用哈希算法，而不是其他算法呢？後面的課程我們會給大家進行解答。

下節預告：

什麼是哈希

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