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区块链基础密码算法:加密哈希函数

2019-08-11 ·364次阅读 ·读完需要10分钟

传说,在人类成功打造出第一台超级智能电脑之时,决定做一个小测验,来试试看这台超级电脑的能耐到底能到多少?实验的设计很简单:让超级电脑计算圆周率是多少。于是,在人们还没反应出来的一瞬间,这台超能电脑已经攻占整个地球,然后对外太空发动了战争,征服整个银河系,把整个可知的宇宙空间变成了巨大的超能电脑,最后花上了无尽的时间,只为了计算出人类给它的这个问题:圆周率。

这是我在阅读人类大历史这本书中读到的一篇故事,原文讨论的内容是算法程序对于人类的威胁;那些不断产生出来并且持续的在优化、改进,声称用以改善人类生活的算法软件,既使一开始创作者本身是完全出于良好善意,或是学术研究而建立的系统,最终仍可能会完全失控的造成毁灭性的结果。这个故事让我想起了Bitcoin等加密货币的挖矿程序算法,在过去一段时间以来对我们生活的冲击影响。还记得2017年加密货币正夯时,全球的挖矿热潮引爆的全民抢电疯,当时就有媒体报导指出,加密货币的挖矿机器将会导致社会大众无电可用,甚至有人传言,那年夏天的几次台电临时跳电事件,就是太多人在挖比特币造成的。

这篇文章,就是要来谈谈比特币挖矿背后的那个算法:加密哈希函数。

原本呢,我是计划在第二篇就开始进入程序开发的部分,只是我发现到,不先了解哈希函数的原理功能、或是留给读者自行google,会破坏这个系列文章的完整性,尤其是在实作内存块链的不可逆性、或是Key创建等功能,读者的感受与理解会有差异,所以还是决定,在进入开发区块链之前,写一篇文章来专门介绍哈希函数,尤其是其在密码学方面的应用


哈希函数应用在区块链的哪些地方?

1. 区块链透过哈希函数的结果,将数据串联成为一条难以篡改的连接
2. 比特币、以太币、瑞波币等电子加密货币(题外话,有人说要正名为密码货币),透过哈希函数产生钱包地址
3. 在加密货币挖矿(Mining)的世界,使用Hash Rate: TH/s(trillions of hashes per second)来计算区块链 network的运算能力
4. Bitcoin透过调整哈希函数的难度,控制整个Bitcoin network平均每10分钟产生一个block内存块。

那我们就开始来了解哈希函数算法吧

首先,哈希函数具有下列两项特点:

1. 无论传入(input)哈希函数的数据量大小,哈希函数回传的数据长度都是固定的相同的input,回传
2. 相同的output;不同的input,回传不同的output;

换句话说,哈希函数的回传结果(称之为hash value),是一个长度一致,但是数据内容却是独一无二(unique)的数值。所以,如果看到两个完全不一样的”hash value”,我们就可以推断其原始的input一定是不一样的;反之,两个相同的hash value,其原本的input值则会是一模一样的。

我们可以用Python内置的SHA-256 Hash Algorithm,展示一下上述的哈希函数特性

import hashlib
x1=”my 1st Bitcoin”.encode()
y1=hashlib.sha256(x1).hexdigest()
x2=”I am not Satoshi Nakamoto”.encode()
y2=hashlib.sha256(x2).hexdigest()
print(f’y1= {y1}’)
print(f’y2= {y2}’)
print(f’y1 include {len(y1)} words’)

print(f’y2 include {len(y2)} words’)

如果尚未安装Python,可以利用下面这个网址试试,看看将my 1st Bitcoin Hash后的值是不是和上图用Python跑出来的值(y1=后面的那串)是一样的:

https://anders.com/区块链/hash.html

加密哈希函数是哈希函数于密码学上的一项应用,上述的SHA-256就是一个加密哈希函数的实作产品。

哈希函数还有另一项特点:one-way(单向)function

以上述的Python程序为例,在已知input值=”my 1st Bitcoin”,透过sha256 function,可以快速的算出hash value=”a5e4c0673fcedff2bc2174123e97b511d5d17f4317869e7bd60d0a6d3d7fa1c6”;但反过来说,我们想从”a5e4c0673fcedff2bc2174123e97b511d5d17f4317869e7bd60d0a6d3d7fa1c6”这一串数据中反推出input的值:”my 1st Bitcoin”,唯一的方式是透过暴力解法,也就是不断地丢字串给sha256 function,直到得到hash value是一样时,也就是传入的input字串为”my 1st Bitcoin”时,才能得到答案。各位可以想像这猜中的机率是多低?如果你能一猜就中,那你也不用在这研究内存块链了,直接去买乐透比较快。

区块链透过上述哈希函数的三个特性,构架起了内存块链中的数据,只要一经写入就无法修改的独特功能。

各位可以到下面这个网址体验区块链如何透过哈希函数,紧密的连接起每一个Block内存块,并且坚固地保障了已经建立完成的Block区块,其内容是难以被窜改的。

https://anders.com/区块链/区块链.html

Base58编码

在文章前头,我们曾提到过哈希函数应用在加密货币钱包地址的例子,你可能在一些网站或Blog上,看到过这些乱码数字。实际应用上,部落客或是卖家,会提供一组很像乱码的Bitcoin addresses,让你可以支付比特币给对方;Bitcoin addresses,看起来似乎是一堆英数字的随机编码,但其中也是有特殊的设计:所有的Bitcoin addresses都是使用Base58进行编码。

解释Base58前,先来看看比较常见的,例如已经应用在Email上的电脑编码:Base64。Base64编码包含了26个小写英文字母、26个大写英文字母、10个阿拉伯数字(0~9),和两个特殊字元(+和 — )。

Base58是Base64的子集合,提供一个较高可读性、和较容易发现和防范错误的编码格式,因此广为众多加密货币所使用。Base58剔除了容易辨识错误、或是在某些字体格式看起来十分类似的字元:数字0,大写的英文字母O,小写的英文字母l、大写的英文字母I,并且移除了特殊字元(+和 — )。换句话说,Base58就是包含了大、小写英文字母,和阿拉伯数字,但移除了四个字元(0,O,l,I)的集合:

Bitcoin’s Base58 alphabet:
123456789ABCDEFGHJKLMNPQRSTUVWXYZabcdefghijkmnopqrstuvwxyz

Hashing Power

最后,如果对于Bitcoin Network hashing power有兴趣的读者,可以到下面这个网址查看Bitcoin网络的hash rate变化:

https://www.区块链.com/charts/hash-rate

粗略估算,Bitcoin network整体的hashing power,从2009年一秒钟不到一个MegaHash(MH/sec),如今一秒钟已经超过40个ExaHash(EH/sec),光用表面数字计算,成长幅度超过40兆。

HashPower的单位换算可参考下列网址

https://coinguides.org/hashpower-converter-calculator/

OK,我们已经透过两篇文章对内存块链有ㄧ定程度的基础了解了,该是动手写一个区块链程序的时候了。

在进入下一篇文章进行开发前,请各位先确定电脑的开发环境已经安装好下列Python版本和相关modules

· Python 3.6+
· flask 0.12.2
· requests 2.18.4

我另外使用了两个flask module,以建立表单和画面

· flask-wtf
· flask-bootstrap

上述modules皆可透过PIP安装

· pip install flask
· pip install requests
· pip install flask-wtf
· pip install flask-bootstrap


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