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本系列內(nèi)容包含：基本概念及原理、密碼學(xué)、共識算法、錢包及節(jié)點原理、挖礦原理及實現(xiàn)。

發(fā)展史

哈希算法是為了檢測數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中是否被篡改而誕生的。

比如特工A和特工B在進行信息交換，為了防止數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中沒有被丟失或者被篡改，這個時候可以使用哈希算法。

特工A將其所發(fā)的信息進行哈希，然后將信息和哈希碼一起傳給特工B，特工B收到之后，也可以對文本進行哈希，然后和這個哈希碼進行匹配，如果匹配上的話，說明信息在傳播的過程當(dāng)中沒有丟失或者被篡改。

最開始誕生的是 MD4 和 MD5 。1990年，工作于麻省理工學(xué)院的教授 Ronald Rivest 設(shè)計了一種信息摘要算法，這就是 MD4，次年 MD5 誕生。

說到 MD4，大家可能聽說過，我們國家的王小云院士曾經(jīng)將其攻破過，這是一個很重要的研究成果。普通破解MD4法，需要計算2的55次方，而王院士把時間復(fù)雜度給降低了，他只需要2的10次方~20方，就把MD4破解了，這就把破解所需的量級降低了很多。

沿著時間順序后面誕生了SHA-0、SHA-1、SHA-2、SHA-3。

目前來說 SHA 是一個安全的哈希算法，按版本來說才到了SHA-3，其中每個版本相當(dāng)于一個家族，里面會包含很多不同的哈希算法。

MD4 出現(xiàn)之后，美國國家標(biāo)準技術(shù)研究院，開始進行一個公開的算法募集。

1997年左右，SHA-0 家族開始全球性征集算法，任何人有好的算法都可以提交。這其實是一個全球的算法競爭，其目的是收錄全球公認能最好的算法，以此擴充家族。

隨著時間的推移，產(chǎn)生了 SHA-2，我們之前所說比特幣里面使用的算法 SHA-256，就是隸屬于 SHA-2 家族里面的算法。SHA-2 家族里面包含眾多算法，比如：SHA-168、SHA-512等，都有不同的尾綴。拿 SHA-256 來說，256 是指算法輸出的字符長度。

提到 SHA-256，大家可能會想一下我們前文提到的問題：中本聰為什么選擇用SHA-266，而不是其他的哈希算法呢？

剛才我們也說過 SHA 家族的成長是按照時間順序來的，當(dāng)中本聰使用這個算法是在2008年，那個時候 SHA-2 家族里面的算法在當(dāng)時是比較盛行的，雖然當(dāng)時 SHA-3 也出來了，但是還不太成熟。

所以中本聰采用了 SHA-2 里面的 SHA-256 算法，應(yīng)用到比特幣系統(tǒng)里面去。

沿著時間順序往下走，我們會看到以太坊里面使用的哈希算法，就不是 SHA-2 家族里面的了，而是 SHA-3 家族里面的。這是因為到2014年的時候，SHA-3 里的算法已經(jīng)穩(wěn)定下來了，并且其性能遠優(yōu)于 SHA-2 里的算法。

開發(fā)者采用的算法也是根據(jù)哈希算法的成熟度，來不斷的去采用更成熟、更好的算法。

所以如果讀者想設(shè)計一個區(qū)塊鏈系統(tǒng)，如果里面涉及到使用哈希算法的話，那么一定要選擇更好哈希算法，而不是一味模仿之前的系統(tǒng)，這些 SHA 算法僅僅是一個加密算法而已，沒有我們想的那么神秘。

哈希函數(shù)

哈希函數(shù)最開始被稱之為摘要函數(shù)，意思是消息摘要，下圖是對它的定義：哈希函數(shù)是為了對于任意長的字符串產(chǎn)生一個消息摘要。

這段話其實有一些含義沒有表達出來，對任意長的一個字符串進行哈希，可以產(chǎn)生一個哈希摘要，也就是產(chǎn)生一個由0和1組成的字符串。這個字符串如果給到 SHA-256 的話，那其產(chǎn)生的消息摘要會是一個 256比特由0和1組成的數(shù)據(jù)串（比特是計算機專業(yè)術(shù)語，是信息量單位）。

摘要函數(shù)是由一對 ppt算法（Gen，H）組成的，這兩個算法需要滿足兩個性質(zhì)。

ppt算法的意思是概率多項式時間算法，那么什么是概率多項式時間算法呢？

什么叫概率算法？

概率算法也叫隨機算法，也就是算法在執(zhí)行過程中隨機地選擇下一個計算步驟。其意義是，很大程度上降低算法的復(fù)雜度。

比如拋硬幣，需要猜硬幣是正面還是反面，那么解決這個問題的成功概率是50%，算法只需要重復(fù)正或者反就可以了。

什么是多項式？

假設(shè)我有一個問題，這個問題是有規(guī)模的，規(guī)模用參數(shù)λ來表示，再引入常數(shù)a和c，將其做成一個多項式：a乘以λ的C次方。其中λ是一個安全參數(shù)，如問題的規(guī)模，密碼系統(tǒng)的安全級別，私鑰長度等。

概率多項式時間算法組合起來通俗地說就是：當(dāng)這個算法應(yīng)用于某一項方案或者攻擊一個密碼系統(tǒng)，算法最多能運行a乘以λ的C次方的時間，在這個時間內(nèi)能以多大的概率去解決這個問題或者攻破這個密碼系統(tǒng)。

這樣的設(shè)計使哈希算法非常高效。

需要滿足的兩個條件

上圖第一句話，1λ是一個安全參數(shù)，即將安全參數(shù)輸入到Gen算法中產(chǎn)生一個s。

我們上文講了有很多哈希家族，每個哈希家族中又包含很多哈希算法，那么到底用哪個算法呢？這里的s就是表示選擇的算法，比如選用了SHA-256，那么s就可以確定。

第二句話， 最前面是一個自然數(shù)，后面的 ?x 中x，指任意的字符串，這句話的意思是任意字符串可以任意長，并且用0和1來表示。

繼續(xù)往下看，H上標(biāo)s和x，由于第一句話的時候s確定了，那么此時H也就可以確定。

再往下走，對于任意兩個消息m1和m2，如果這兩個消息經(jīng)過哈希函數(shù)產(chǎn)生的結(jié)果是一樣的，那么此時就產(chǎn)生了一個碰撞（下文詳細解讀什么是碰撞）。

我們通過簡單分析哈希的定義，其實能發(fā)現(xiàn)一個特點：哈希算法能將任意長的輸入數(shù)據(jù)壓縮成固定長且短的數(shù)據(jù)。

例如SHA-256算法能夠?qū)⑷我忾L的一個字符串，哈希成一個256比特長的由0和1組成的數(shù)據(jù)串。

利用這個特點我們也就能返回去解釋為什么在區(qū)塊鏈當(dāng)中會使用哈希算法。

下期預(yù)告：哈希碰撞原理