理解加密貨幣中的哈希函數

介紹：爲什麼哈希函數至關重要

哈希函數是幾乎所有區塊鏈系統的技術基礎。盡管這項技術表面上看起來復雜，但在分布式數據的安全性和完整性中起着決定性作用。對於任何希望理解比特幣等加密貨幣運作的人來說，掌握與哈希函數相關的概念是不可或缺的。

什麼是哈希函數？

哈希函數是指將任意大小的輸入數據轉化爲固定大小輸出的一種計算過程。該機制依賴於復雜的數學公式，稱爲哈希算法。雖然並非所有哈希函數都系統性地集成了加密技術，但正是加密哈希函數構成了區塊鏈系統和現代去中心化網路的核心。

這些功能的主要優勢在於它們能夠提供高水平的數據完整性和計算機安全性。它們根據確定性原理運行：只要輸入保持不變，算法就會始終生成相同的哈希值。這一特性使它們在驗證數據的真實性時極爲可靠。

哈希算法的基本特徵

加密貨幣的哈希算法通常被設計爲所謂的“單向”函數。這意味着從給定的輸入生成輸出相對容易，但反轉這一過程——僅從輸出中獲得原始輸入——卻極其困難，並且需要大量的計算資源。這種不對稱性是其安全性的關鍵要素。

越難找到原始輸入，算法就越被視爲強大。這種指數級的困難構成了對未授權解密嘗試的障礙。

實際運作：SHA-256和SHA-1的示例

每個哈希算法生成固定大小的輸出。比特幣使用的SHA-256算法始終生成256位的字符串(64個十六進制字符)，而SHA-1產生160位的哈希值。

爲了說明這種一致性，我們對“Binance”和“binance”這兩個詞應用SHA-256。第一個生成：f1624fcc63b615ac0e95daf9ab78434ec2e8ffe402144dc631b055f711225191，而第二個產生：59bba357145ca539dcd1ac957abc1ec58339ddcae7f5e8b5da0c36624784b2。簡單的大小寫變化會導致完全不同的輸出。

然而，對於SHA-1算法，相同的輸入生成：7f0dc9146570c608ac9d6e0d11f8d409a1ee6ed1對應於"Binance"，而e58605c14a76ff98679322cca0eae7b3c4e08936對應於"binance"。盡管SHA-256和SHA-1之間的長度不同，每個算法都保持其輸出大小恆定，而不管輸入的大小。

SHA家族：演變與安全

SHA的縮寫代表“安全哈希算法”（Secure Hash Algorithms）- 安全哈希算法。這一家族包括多個版本：SHA-0、SHA-1、SHA-2的變種(，包括SHA-256和SHA-512)，以及SHA-3。目前，僅SHA-2和SHA-3組被認爲對關鍵加密應用是安全的。SHA-0和SHA-1存在已知的漏洞。

加密哈希函數的三個基本屬性

爲了使哈希函數在密碼學上被視爲真正安全，它必須滿足三個基本標準。

抗碰撞性：當兩個不同的輸入生成相同的哈希時，就會發生碰撞。盡管在數學上，碰撞是不可避免的(，因爲可能的輸入是無限的，而輸出則不是)，抗碰撞的函數使得發現這樣的匹配變得如此費力，以至於需要數百萬年的計算。SHA-256展示了這種強度；SHA-0和SHA-1未能滿足這一標準。

預映像抗性：這個屬性保證僅通過觀察哈希輸出幾乎不可能發現原始輸入。與碰撞抗性不同，後者攻擊者尋找兩個任意輸入產生相同的哈希，這裏攻擊者檢查一個特定的輸出並試圖找到其對應的輸入。這個特徵在消息認證和安全存儲密碼方面非常有價值，因爲網路服務可以保存哈希而不透露原始數據。

抵抗第二前映像：這個中間屬性要求不可能找到一個第二個輸入生成與已知輸入相同的哈希。雖然任何抵抗碰撞的算法必然抵抗第二前映像，但反之則不一定成立。

哈希函數的多種應用

在一般計算機科學中，傳統的哈希函數支持在大型數據庫中的高效搜索、大規模文件的分析以及結構化數據的管理。當它們結合密碼學時，它們的應用重新聚焦於計算機安全：消息認證、完整性驗證和數字籤名。

在比特幣生態系統中，哈希函數變得無處不在。它參與地址和私鑰的生成，餘額的驗證以及交易輸入和輸出之間的關聯。其真正的力量在於處理海量數據時的表現：一個文件或一組數據經過哈希函數處理後，會產生一個緊湊的指紋，允許快速驗證其完整性而無需存儲原始信息的全部內容。

共識協議中的決定性角色

比特幣的挖礦嚴重依賴於哈希函數。礦工們執行無數的哈希操作來構建梅克爾樹——一種數據結構，在這種結構中，交易通過連續的哈希逐步被壓縮。這些樹能夠有效地壓縮區塊，同時確保其密碼學完整性。

更根本地說，要創建一個有效區塊，礦工必須生成一個以特定數量的零開頭的輸出哈希。這個要求的零的數量稱爲挖礦難度，會根據網路的整體哈希率——用於挖礦的集體計算能力——自動調整。如果哈希率增加，難度會加大，以保持平均區塊時間接近10分鍾。相反，哈希率的降低會減輕難度。

值得注意的是，礦工從不試圖解決衝突；每個候選區塊都有多個有效的輸出哈希 (，所有哈希都以所需的零數量開頭)。礦工只需發現其中一個。這種架構會阻止不誠實行爲：在系統中作弊會導致巨額財務損失，而誠實貢獻則會產生獎勵。

區塊鏈與加密連結

比特幣區塊鏈的內在安全性來自於其區塊之間的加密連結，該連結是通過哈希函數建立的。每個區塊都引用前一個區塊的哈希，形成一個不可更改的鏈。任何試圖修改舊區塊的行爲都需要重新計算所有後續區塊的哈希——隨着區塊鏈的延長，這是一項呈指數增長的成本任務。網路的計算能力和礦工數量越多，區塊鏈就越穩固。

結論

哈希函數是現代計算機技術不可或缺的支柱，特別是在處理大量數據時。結合密碼學原理，哈希算法提供了卓越的靈活性，以確保安全性和多種形式的身分驗證。因此，密碼哈希函數在幾乎所有的加密貨幣網路中顯得至關重要。掌握其特性和機制對任何希望深入理解區塊鏈技術的人來說都是必不可少的。