ONC:区块链深度学习系列｜密码学基础之哈希算法的应用

本系列内容包含：基本概念及原理、密码学、共识算法、钱包及节点原理、挖矿原理及实现。

挖矿

以比特币网络为例，比特币挖矿主要使用到的算法是SHA-256，其具体流程参见下图。

我们从上往下进行分析：

第一层是：nVersion；

第二层是：hashPrebBlock；

第三层是：hashMerkleRoot，

美国电信巨头Verizon利用区块链确保新闻透明度:金色财经报道，美国电信巨头Verizon宣布推出一款基于区块链的验证工具，旨在为企业新闻编辑室带来透明度和问责制，将改变客户与新闻发布的互动方式。[2020/10/31 11:17:02]

第四层是：nTime；

第五层是：nBits；

第六层是：nNonce；

第七层是：Hash。

里面的n代表连续0的个数，该值要小于当前区块难度目标值m，挖到块的条件是前n个比特位全部为0，n越大，难度越大。假设最低难度对应最大目标值为M，则区块难度为：M/m

看过前面课程的朋友应该会有印象，这些全部是区块头中的数据字段。

再来看左边，我们分析一下为什么其中有些是固定而有些是可变的。

WinterGreen Research正开发区块链投票应用程序:金色财经报道，WinterGreen Research和政府区块链协会(GBA)正在开发一款投票应用程序，该应用程序使用区块链技术“使欺诈行为可被检测”。WinterGreen Research总裁Susan Eustis表示，她预计COVID-19将加速其应用。该应用程序的实施必须被逐州批准，Eustis已经与一些州级官员进行了对话，并对在11月美国总统大选之前及时采用表示乐观。Eustis称，他们正在为该应用探索几个私有区块链，开发人员将很快公布。GBA正在为该应用程序制定区块链标准，如果该应用程序被采用，WinterGreen Research将培训选举官员。[2020/4/23]

1.版本号和前一个区块哈希是固定的，以比特币为例，假设当前比特币区块高度为N，如果某人想挖接下来N+1区块的话，那么这个时候版本号必须是固定的，前一个区块的哈希必须也是固定的。因为在不存在分叉的情况下，当前区块包含上一个区块的哈希值；

动态 | 沙特海关试点通过区块链运输:据freightwaves报道，沙特阿拉伯海关部门成功地通过TradeLens试点了首次发货。TradeLens是马士基与IBM合作开发的基于区块链的平台。这批货物从沙特阿拉伯港口达曼起航，登上马士基号(Maersk Sebarok)，抵达鹿特丹港，从鹿特丹被装上卡车，运往比利时的最终目的地。[2019/5/22]

也就是N-1区块的哈希值加上N区块数据算出N区块哈希值，然后將N区块哈希值当成N+1区块的的前一区块哈希值。这里有点绕，希望大家多理解一下；

2.交易Merkle根是可变的，为什么说可变呢？因为在挖矿的时候，肯定会准备一个打包区块，打包区块形成的时候，矿工会根据自己的需求或根据利益算法，将交易打包进去，最后整理成一个Merkle根；

3.时间戳是可变的，挖矿有个时间范围，在这个时间范围内挖出的矿都为有效，所以在有效时间内的时间是可以任意调节的；

声音 | 王和：应尽快建设基于联盟链的湾区金融监管区块链平台:据中国经营网报道，国务院全国保险专业学位研究生教育指导委员会委员、中国保险行业协会交强险专家咨询委员会委员王和对记者表示，“科技给了‘保险粤港澳大湾区’建设以基础性保障，尤其是区块链给了‘跨界’监管以技术可能。因此，要高度重视粤港澳大湾区保险科技发展、规划与协作，避免重复投入。同时，应尽快建设基于联盟链的湾区金融监管区块链平台，配合‘监管沙箱’技术，为粤港澳大湾区的保险创新先行与先试，提供技术支持与保障。[2019/2/19]

4.难度值在一定周期内是固定的，会随着周期的改变而变化；

5.Nonce是可变的，这里就不展开讲了，忘记的朋友可以翻阅前面的讲解。

在挖矿的时候，到Nonce的时候，由于时间戳和Merkle根都已经经过计算固定了，这时只需要改变Nonce就可以了。此时可以把这7个数据看成一个整体，前面6个数据是X，把X放在哈希函数里面，会出来一个值，比如说Y值。

动态 | 区块链知识产权平台推出临时专利申请登记功能:据bitcoinexchangeguide报答，区块链知识产权平台LOCI推出临时专利申请登记功能，发明人将能够以有效的方式快速提交临时专利。[2019/2/1]

由于比特币网络里使用的哈希算法是SHA-256，当Y值出来之后，就会得到一个256个由0和1组成的字符串。这个字符串出来之后，它会和X里面的难度值比较大小。

每计算一次，也就是通过了一个Nonce，就会产生一个Y值，Y值会和难度值比较大小，如果Y值小于难度值，此时就找到了一个有效的Nonce，矿也就挖出来了。

生成地址

地址的生成中也用到了哈希算法。从下图可以看到从公钥到比特币地址生成的流程。

第一层：生成公钥；

第二层：两层哈希算法，SHA-265和RIPMD-160；

第三层：然后双层哈希计算，会产生公钥哈希；

第四层：Base58Check编码；

第五层：经过编码，得到一个编码串，这个编码串就是公钥哈希即比特币地址。

形成Merkletree和交易Hash

在默克树树结构和形成交易哈希里面也使用到了哈希算法。

上图的默克树中，最底层有4个叶子节点，最左边HA下面有个Hash，意思是：Tx表示交易，A表示交易编号。

假设现在使用的哈希算法是SHA-256，那么交易产生时，会对HA、HB分别进行哈希计算，会分别得到2个由256个0和1组成的字符串。同理，HC、HD也会得到相应的字符串，这样四个交易会形成总的默克尔根。

区块链

大家都知道在区块链中，每个区块都是一环套一环衔接上去的，就像一个链条一样。我们通过下面的图片，具体分析一下。

从图中可以看出链的顺序是从下往上增长的，最下面块的高度是277314，这个区块里面包含上一个区块的哈希值：0000…0bdf，这里的0000…0bdf是上一个区块区块头的哈希值。

同理，277315区块里面包含的上一区块头哈希值：0000…2249，也是区块277314的区块头哈希值，即：0000…2249。同理277316区块也是这样的情况，这也是我们第一节希望大家多理解的问题。

这样的情况就保证了任何人可以从某一个区块中，找到这个区块里面包含的上一区块的哈希值，也就是其父区块。

现在我们讨论的问题都是针对于区块链没有分叉的一个情况，到后面我们详细分析区块链分叉之后情况又是怎样的。

通过这三个区块我们能发现，从某种程度上来说区块链就是一个哈希链。最新产生的区块通过哈希值指向上一个区块，上一个区块在指向上上一个区块……一直指向创世区块。通过这个关系，这些区块形成了链条，也就是我们常说的区块链。

这是哈希算法在区块链中常用到的具体应用，大家可以预先想一下，为什么区块链中会使用哈希算法，而不是其他算法呢？后面的课程我们会给大家进行解答。

下节预告：什么是哈希

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