learn.lianglianglee.com/专栏/左耳听风/053 区块链技术 - 区块链技术细节 - 哈希算法.md.html
2022-05-11 19:04:14 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>053 区块链技术 - 区块链技术细节 - 哈希算法</h1>
<p>对于计算机来说,区块链就像一个单向链表,一个数据块中保存着三个信息。</p>
<ul>
<li>真正的数据。</li>
<li>自己的地址(或是 ID</li>
<li>前一个数据块的地址。</li>
</ul>
<p>这样,通过追溯前一个块的地址,把所有的数据块存成了一条链。所以,我们叫其 BlockChain。如下图所示。</p>
<p><img src="assets/1c75fed53ee023c353a31616d2b29e62.png" alt="img" /></p>
<p>每个数据块的 &quot; 地址 &quot; 的编码使用了计算机上的一个算法,计算机圈内人士把这个算法叫 Secure Hash。有人音译为 &quot; 安全哈希 &quot;,也有人意译为 &quot; 安全散列 &quot;。在计算机应用中hash 算法主要有几个功能。</p>
<ul>
<li>用来生成唯一标识一个数据块的 ID身份证这个 ID 几乎不能重复。</li>
<li>用来做数据的特征码。只要数据中一个 bit 的数据出现更改,那么整个 hash 值就完全不一样了。而且数据学上保证了,我们无法通过 hash 值反推回原数据。</li>
</ul>
<p>于是,很多公司在互联网上发布信息或软件的时候,都会带上一个 Checksum校验码。你只要把整个文件的数据传入到那个特定的 hash 算法中,就会得到一串很长的字符串。如果和官方发布的 Checksum 字符串不一样,那么就说明信息或文件内容被人更改或是信息残缺了。因此,也被应用在 &quot; 数字签名 &quot; 中。</p>
<p>在计算机世界里,有两个很著名的 hash 算法,一个叫 MD5<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/MD5">Wikipedia 链接</a>),一个叫 SHA-2<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/SHA-2">Wikipedia 链接</a> 区块链用的是 SHA-256 这个算法。</p>
<p>下面是一个示例。</p>
<ul>
<li>&quot;chen hao&quot; 这个信息计算 MD5 值得到 9824df83b2d35172ef5eb63a47a878eb一个 16 进制数)。</li>
<li>如果对 “chen hao&quot; 做一个字符的修改,将字母 &quot;o&quot; 改成数字 &quot;0”即 “chen ha0”计算出来的 MD5 值就成了 d521ce0616359df7e16b20486b78d2a8。可以看到这和之前的 MD5 值完全不一样了。</li>
</ul>
<p>于是,我们就可以利用 hash 算法的这个特性来对数据做 &quot; 数字签名 &quot;。也就是说,我将 &quot; 数据 &quot; 和其 &quot; 签名 &quot;hash 计算值)一起发布,这样可以让收到方来验证数据有没有被修改。</p>
<p>我们再来看上面那个区块链的图。</p>
<p><img src="assets/1c75fed53ee023c353a31616d2b29e62.png" alt="img" /></p>
<p>对于第一块数据,我们把其 &quot; 数据集 &quot;&quot; 前数据块的 hash 值 00000a6cba&quot; 一起做 hash 值,得到本区块的地址 000007cabfa。然后下一个区块会把自己的数据和 000007cabfa 一起做 hash得到 000008acbed 这个哈希值……如此往复下去。</p>
<p>根据 &quot; 被 hash 的数据中有一个 bit 被修改了,整个 hash 就完全不一样了 &quot; 这个特性,我们知道:</p>
<ul>
<li>如果前置数据块中的数据改了,那么其 hash 就会完全不一样了,也就是说你的 ID 或地址就变了,于是别人就找不到这个数据块了;</li>
<li>所以你还要去修改别人数据块中指向你的地址但是别人数据块中指向你的地址ID/hash变了也会导致他自己的地址ID/hash随之变化。因为他用你的地址生成了自己的地址这样一来你就需要把其他人的地址全部改掉。</li>
</ul>
<p>在这样的连锁反应下,你想要偷偷修改一个 bit 的难度一下就提高很多。所以,在区块链的世界里,越老的区块越安全也越不容易被人篡改,越新的区块越不安全也越容易被人篡改。</p>
<h1>比特币的 hash 算法</h1>
<p>下面我来简单介绍一下,比特币中区块链的一些细节。下图是区块链的协议格式。</p>
<p><img src="assets/a99ad9de4d156cea9e8ee716c48e0298.png" alt="img" /></p>
<p>其中 VersionPrevious Block HashMerkle RootTimestampDifficulty Target 和 Nonce 这六个数据字段是区块链的区块数据协议头。后面的数据是交易数据,分别是:本块中的交易笔数 H 和交易列表(最多不能超过 1MB为什么是 1MB后面会说</p>
<p>下面我来说一下区块头中的那六个字段的含义。</p>
<ul>
<li>Version当前区块链协议的版本号4 个字节。如果升级了,这个版本号会变。</li>
<li>Previous Block Hash前面那个区块的 hash 地址。32 个字节。</li>
<li>Merkle Root这个字段可以简单理解为是后面交易信息的 hash 值(后面具体说明一下) 。32 个字节。</li>
<li>Timestamp区块生成的时间。这个时间不能早于前面 11 个区块的中位时间,不能晚于 &quot; 网络协调时间 &quot;——你所连接的所有结点时间的中位数。4 个字节。</li>
<li>Bits也就是上图中的 Difficulty Tagrget表明了当前的 hash 生成的难度后面会说。4 个字节。</li>
<li>Nonce一个随机值用于找到满足某个条件的 hash 值。4 字节。</li>
</ul>
<p>对这六字段进行 hash 计算,就可以得到本区块的 hash 值,也就是其 ID 或是地址。其 hash 方式如下(对区块头做两次 SHA-256 的 hash 求值):</p>
<pre><code>SHA-256(SHA-256 (Block Header))
</code></pre>
<p>当然,事情并没有这么简单。比特币对这个 hash 值是有要求的,其要求是那个 Bits 字段控制的,然后你可以调整 Nonce 这个 32 位整型的值来找到符合条件的 hash 值。我们把这个事情叫做 &quot; 挖矿 &quot;(在下一篇中,我们会详细讲一下这个事)。</p>
<h1>关于 Merkle Root</h1>
<p>前面说到过,可以简单地将 Merkle Root 理解为交易的 hash 值。这里,我们具体说一下,比特币的 Merkle Root 是怎么计算出来的。</p>
<p>首先,我们知道,比特币的每一笔交易会有三个字段,一个是转出方,一个是转入方,还有一个是金额。那么,我们会对每个交易的这三个字段求 hash然后把交易的 hash 做两两合并,再求其 hash直到算出最后一个 hash 值,这就是我们的 Merkle Root。</p>
<p>我画了一个图展示一下这个过程。</p>
<p><img src="assets/d196bfab2e786d055fa321055b7fef33.png" alt="img" /></p>
<p>上面的示意图中有四笔交易A 和 B 的 hash 成了 Hash-AB C 和 D 的 hash 成了 Hash-CD然后再做 Hash-AB + Hash-CD 的 hash得到了 Hash-ABCD这就是 Merkle Root。整个过程就像一个 &quot; 二叉树 &quot; 一样。</p>
<p>下图是一个区块链的示意图,来自<a href="https://bitcoin.org/bitcoin.pdf">比特币的白皮书</a></p>
<p><img src="assets/627b2acd3eef17785c9c7efcaf594a5b.png" alt="img" /></p>
<p>为什么要这样做呢?为什么不是把所有的交易都放在一起做一次 hash 呢?这不也可以让人无法篡改吗?这样做的好处是——我们把交易数据分成了若干个组。就像上面那个二叉树所表示的一样,我们可以不断地把这个树分成左边的分支和右边的分支,因为它们都被计算过 hash 值,所以可以很快地校验其中的内容有没有被修改过。</p>
<p>这至少带来三个好处。</p>
<ol>
<li>大量的交易数据可以被分成各种尺寸的小组,这样有利于我们整合数据和校验数据。</li>
<li>这样的开销在存储和内存上并不大,然而我们可以提高校验一组数据的难易程度。</li>
<li>在 P2P 的无中心化网络上,我们可以把大量数据拆成一个一个小数据片传输,可以提高网络的传输速度。</li>
</ol>
<p>最后,需要说一下的是,以太坊有三个不同的 Merkle Root 树。因为以太坊要玩智能合约,所以需要更多的 Merkle Root。</p>
<ul>
<li>一个是用来做交易 hash 的 Merkle Root。</li>
<li>一个是用来表示状态 State 的。因为一个智能合同从初始状态走到最终状态需要有若干步(也就是若干笔交易),每一步都会让合同的状态发生变化,所以需要保存合同的状态。</li>
<li>还有一个是用来做交易收据的。主要是用来记录一个智能合约中最终发生的交易信息。在 StackExchange 上的问题 &quot;<a href="https://ethereum.stackexchange.com/questions/5888/relationship-between-transaction-trie-and-receipts-trie">Relationship between Transaction Trie and Receipts Trie</a>&quot; 中有相应的说明,你可以前往一看。</li>
</ul>
<p>以太坊称其为 Merkle Patricia Tree具体细节可参看其<a href="https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Patricia-Tree">官方的 Wiki</a>)。</p>
<h1>比特币的交易模型</h1>
<p>比特币区块中的交易数据,其实也是一个链。为了讲清楚这个链,我们需要了解一下比特币交易中的两个术语,一个是 input一个是 output也就是交易的支出方input和收入方output</p>
<p>在比特币中,一个交易可以有多个 output也就是说我可以把一笔钱汇给多个人但一个 output 只能对应一个源的 input还有一个条件就是output 跟 input 的总数要吻合。</p>
<p>这里举个例子。假设Fred 给了 Alice 2 个比特币Ted 给了 Alice 3 个比特币这个时候Alice 有 5 个比特币。然而,大比特币的世界里是没有余额的,所以,对于 Alice 来说,她只有两个没有花出去的交易,一个是 2 个比特币,一个是 3 个比特币。这在比特币中叫 UTXOUnspent Transaction Output</p>
<p>此时,如果 Alice 想要转给 Bob 4 个比特币,她发现自己的两个交易中都不够,也不能拆开之前的那两个比特币交易,那么她只能把交易 2 和交易 3 当成 input然后把自己和 Bob 当成 outputBob 分得 4 个,她自己分 1 个。这样的交易才平衡。</p>
<p><img src="assets/6c82bd5c0bf3535b49f3dbe271480341.png" alt="img" /></p>
<p>于是,一笔交易可能会包含大量的 Input 和 Output。因为比特币没有 &quot; 余额 &quot; 的概念,所以需要通过多个 input 来凑,然后 output 这边还需要给自己 &quot; 找零 &quot;,给矿工 &quot; 小费 &quot;</p>
<p>这样一来,在比特币交易中,交易会开成一个链,也就是你把钱给了我,我又给了张三,张三给了李四……就这样传递下去,形成了一个交易链。因为还没有花出去,所以就成了 UTXO而系统计算你有没有钱可以汇出去时只需要查看一下你的 UTXO 就可以了。</p>
<p><img src="assets/dfd5d623ff27a5e6cfb0e5371822354d.png" alt="img" />
(图片来源:<a href="https://bitcoin.org/en/developer-guide">https://bitcoin.org/en/developer-guide</a> )</p>
<p>UTXO 因为没有账户和余额的概念,所以可以并行进行多笔交易。假如你有多个 UTXO你可以进行多笔交易而不需要并行锁。然后其还有匿名性的特征你可以隐藏自己的交易目的地通过设置的多个 output而且没有余额意味着是没有状态的。要知道你有多少个比特币只需要把 UTXO 的交易记录统计一下就可以知道了。但这也让人比较费解,而且也不利于应用上的开发。以太坊则使用了余额的方式。</p>
<p>在这篇文章中,我先讲述了什么是区块链?它是如何得名的,它的核心原理是什么。随后分享了比特币的 hash 算法,以及 Merkle Root 是如何计算出来的。最后,介绍了比特币的交易模型。希望对你有帮助。(<strong>这篇文章中图片很多,很难用音频体现出来,所以没有录制音频,还望谅解。</strong></p>
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