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作者奎哥

大家都知道，区块链的关键技术组成主要为：P2P网络协议、共识机制、密码学技术、账户与存储模型。而这些技术中，又以 密码学与共识机制 这两点为最核心。那么今天我们来详细的聊一聊密码学，看一看密码学技术是如何在区块链中应用的。

首先，我们需知道区块链中用到的密码学算法有哪些？其实就两大类：

哈希算法非对称加密算法

区块链中的哈希算法

哈希算法是区块链中用的最多的一种算法，它被广泛的使用在构建区块和确认交易的完整性上。

它是一类数学函数算法，又被称为散列算法，需具备三个基本特性：

其输入可为任意大小的字符串它产生固定大小的输出它能进行有效计算，也就是能在合理的时间内就能算出输出值

如果要求哈希算法达到密码学安全的话，我们还要求它具备以下三个附加特性：

碰撞阻力：
是指对于两个不同的输入，必须产生两个不同的输出。如果对于两个不同的输入产生了相同的输出，那么就说明不具备碰撞阻力，或是弱碰撞阻力。隐秘性：
也被称为不可逆性，是指 y = HASH（x）中，通过输入值x，可以计算出输出值y，但是无法通过y值去反推计算出x值。为了保证不可逆，就得让x的取值来自一个非常广泛的集合，使之很难通过计算反推出x值。谜题友好：
这个特性可以理解为，谜题是公平友好的，例如算法中 y = HASH（x），如果已知y值，想去得到x值，那就必须暴力枚举，不断的尝试才能做到，并且没有比这更好的办法，没有捷径。

哈希算法有很多，比特币主要使用的哈希算法是 SHA-256 算法。

除此之外，还有其他一些哈希算法也很流行，例如 MD5、SHA-1、SHA-2（SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512）、SHA-3 等，其中 MD5、SHA-1 已被证明了不具备 强碰撞阻力，安全性不够高，因此市场上不再推荐使用。

我们以比特币为例，来看一下哈希算法的具体应用：
在比特币中，使用哈希算法把交易生成数据摘要，当前区块里面包含上一个区块的哈希值，后面一个区块又包含当前区块的哈希值，就这样一个接一个的连接起来，形成一个哈希指针链表，如下图：

上面只是示意图，那么在实际比特币系统中，每个区块包含哪些内容呢：

重点关注一下上图中的：

Prev Block：记录签一个区块的hash地址，32字节Merkle Root：是一个记录当前块内的所有交易信息的数据摘要hash值，32字节Nonce：一个随机值，需要通过这个随机值去找到满足某个条件的hash值（挖矿），4字节

上面只是解释了几个重点的字段，其它字段通过字面应该容易理解就不一一解释了。
这所有的字段一起就组成了 block header（区块头），然后需要对 block header 进行2次hash计算，计算完成的值就是当前比特币区块的hash值。因为比特币系统要求计算出来的这个hash值满足一定的条件（小于某个数值），因此需要我们不断的遍历Nonce值去计算新的hash值以满足要求，只有找到了满足要求的hash值，那么这就是一个合法区块了（这一系列动作也叫作挖矿）

python 示例：SHA-256(SHA-256 (Block Header)

我们再看一下上面的另一个重要字段：Merkle tree 字段。
Merkle tree 被称为 默克尔树，它也是哈希算法的一个重要应用。
它其实是一个用哈希指针建立的二叉树或多叉树。

Merkle tree 如图：

其树的顶端叫做 默克尔根（Merkle Root），Merkle Root 也是一个hash值，它是怎么计算出来的呢？

比特币中对每一笔交易做一个hash计算，然后把每2个交易的hash再进行合并做hash，如图中的 交易A的hash值是 H（A），交易B的hash值是H（B），再对这2个交易合并hash后就是H（hA|hb），就这样一直往上合并计算，算到最后的根部就是 Merkle Root 了。

在比特币和以太坊中都是使用的默克尔树结构，但是以太坊为了实现更多复杂的功能，所以有三个默克尔树。

至此，区块链中的哈希算法应用就介绍完了，接下来我们看一下非对称加密算法

区块链中的非对称加密算法

区块链中有一个很关键的点就是账户问题，但比特币中是没有账户概念的，那大家是怎么进行转账交易的呢？

这里就得先介绍区块链中的非对称加密技术了。

非对称加密技术有很多种，如：RSA、ECC、ECDSA 等，比特币中是使用的 ECDSA 算法。
ECDSA 是美国政府的标准，是利用了椭圆曲线的升级版，这个算法经过了数年的细致密码分析，被广泛认为是安全可靠的。

所谓非对称加密是指我们在对数据进行加密和解密的时候，需使用2个不同的密钥。比如，我们可以用A密钥将数据进行加密，然后用B密钥来解密，相反，也可以用B来加密，然后使用A来解密。那么如果我想给某个人传递信息，那我可以先用A加密后，将密文传给她，她拿到密文之后，用手上的B密钥去解开。这2个密钥，一个被成为公钥、一个是私钥。

在比特币中，每个用户都有一对密钥（公钥和私钥），比特币系统中是使用用户的公钥作为交易账户的。
我们先看下图：

在图中可以看到，在第一笔交易记录中，是 用户U0 来发起的交易，要将代币支付给 用户U1，是怎么实现的呢？

首先 用户U0 写好交易信息：data（明文，例如：用户U0转账100元给用户U1）用户U0 使用哈希算法将交易信息进行计算，得出 H = hash（data），然后再使用自己的私钥对 H 进行签名，即 S(H)，这一步其实是为了防止交易信息被篡改用的然后基于区块链网络，将 签名S(H) 和 交易信息data 传递给 用户U1用户U1 使用 用户U0 的公钥 来对 S(H) 解密，就得到了交易信息的哈希值 H同时，用户U1 还使用哈希算法对 交易信息data 进行计算，得出 H2 = hash（data）对比上面2个哈希值，如果 H1==H2，则交易合法。说明 用户U0 在发起交易的时候确实拥有真实的私钥，有权发起自己账户的交易网络中每一个节点都可以参与上述的验证步骤。

这个示例，就是比特币中一次交易的签名流程，即将 哈希算法与非对称算法结合在一起用于了比特币交易的数字签名。
除此之外，比特币中，公私钥的生成、比特币地址的生成也是由非对称加密算法来保证的。

以上，就是区块链体系中，核心技术之哈希算法与加密算法的应用情况，欢迎一起交流。