比特币:比特币中的密码学：哈希函数的五大特性和挖矿原理

比特币是世界上第一种成功的加密货币，之前的尝试都没有像比特币这样有效解决有关货币的各种问题。

比特币本身是密码学发展的产物，利用了密码学中的很重要的“单向散列函数”以及数字签名两大技术来构建，今天我们来集中精力讲解单向散列函数的5种重要的特性，以及比特币挖矿相关的技术原理。

下面我们先讲哈希函数的特性：

单向散列函数，也就是通俗叫的哈希函数。

第一个特点：输入可以任意长度，输出是固定长度

哈希函数不用知道输入信息代表的是什么意思，也无所谓信息的长度有多长，只要输入hash函数出来的都是固定长度的比特值。比如非常有名的SHA256?哈希函数，输入任何值出来的都是256比特的0和1.?输入一本《三国演义》或者仅仅输入一个字母a，出来的都是256位比特长度的数据。

第二个特点：计算hash值的速度比较快?

Matrixport比特币贪婪和恐惧指数从30%升至60%:金色财经报道，Matrixport汇总的比特币贪婪和恐惧指数从30%升至60%，在7月份从90%以上下滑后触底反弹，这或暗示市场情绪的转变。Matrixport 研究与策略主管 Markus Thielen 表示：“该指数似乎已经触底，因为每日信号（灰色）预示着上行压力。经过四个星期的盘整，该指标在战术上看涨，比特币价格可能会恢复上升趋势。”[2023/8/12 16:21:46]

这一点经常被大家所忽略，似乎是习以为常的东西就不去在意，其实这一点同样重要，因为单向哈希的计算很快，才能保证加密或者验证的速度。

第三个特点，防碰撞特性

X≠y，H=H(y)?输入空间远远大于输出空间，比如256位的哈希值指的就是输出空间是2^256这么多，输入是无限可能的，输出是固定长度。

但是，目前没有找到没有好的方法去找出一个x能得到H等于右边的值。

数据：比特币矿工10月份收入较上月增长8%:CoinMetrics数据显示，比特币矿工10月份的营收估计为3.53亿美元，较9月份增长8%。据悉，比特币在整个10月份经历飙升，本月收盘上涨近30%至1.38万美元。10月底矿业的季节性变化也导致了收入增加，网络算力下降导致交易处理速度放缓，交易费用在10月底前攀升。[2020/11/2 11:28:28]

遍历所有输入的可能能去找到这个值，叫做brute-force暴力破解吗，也就是现在矿机所谓的“哈希碰撞”这个词的来源。

哈希防碰撞用处是保证上传和下载的数据是一样的，就是改一点点出来的结果差很多。举个例子，你输入的信息是一部《红楼梦》，然后你在红楼梦的第100页的第五句话把一个逗号改成句号，然后输出的hash值就完全不同了。这就是哈希函数一个非常重要的特性。

但是collisionresistance目前没有数学证明这个碰撞不会发生，MD5就是最好的例子，之前是很安全的，但是后来找到了破解方法。

中币（ZB）市场研究报告：美国白宫提案成刺激比特币价最大因素:据中币（ZB）市场研究报告显示，上周五白宫政府提出的1.8万亿美元的经济刺激方案，变相刺激了比特币市场。报告指出这一提案加大了比特币价格在周六时的上升趋势，使其价格上升至了更接近11500美元的价格点，并达到了自9月2日以来的最高水平。此外，该研究报告还罗列了三个原因来解释为什么这一提案会对比特币造成如此影响。更多详情请查阅中币（ZB）官方发布的研究报告。[2020/10/12]

第四个特点：隐藏性或者叫做单向性

哈希函数的计算过程是单向不可逆的。x推出H，但是反推没有法子，也就是说，哈希值没有泄露输入的x的信息。也就是说x的信息被隐藏了起来，这也就就是隐藏性。

输入空间要足够大，取值是均匀的，这样就很难暴力破解。

利用第三和第四个特性可以做出很有趣的应用场景。

比如预测一个事情。现实世界中预测和结果很多时候是有微妙的关系的，比如三国时期，曹操专门去找当时的人物品鉴专家许劭，让他看看自己是什么材料，许劭评价曹操是“治世之能臣，乱世之奸雄”，这个很难说他评的准不准，或许因为这个评语，影响了曹操的心理，他就朝这个方向发展了，就成了自我验证的预言了。所以，很难判断预测是否真的准。

动态 | VanEck正为机构投资者提供比特币金融产品:9月11日，投资管理公司VanEck Associates的首席执行官Jan Van Eck在CNBC采访中表示，该公司目前正在提供一种比特币相关的金融产品。Van Eck称，该公司提供的产品是一只经纪人交易基金，目前不向公众开放，只向机构投资者开放。Van Eck进一步指出，该基金将在场外交易，而不会在国家证券交易所交易。这只经纪人交易基金名为VanEck SolidX Bitcoin Trust 144A Shares。[2019/9/12]

更简单例子是，有影响力的股评师，今天预测一下明天的股价是不是增长，那么，他如果公开表明币价，可能会影响币价。

所以如何表明他确实很准确呢？让他把股评信息写到纸上，或者存到电脑里，但是要求是第二天开盘后，不能偷偷修改内容，这样就不用担心预测影响股价了。那么现在需要做的只是一件事儿：保证他没有篡改自己已经写好的内容。

“比特币先知”洪蜀宁：Penta是李笑来的下一个EOS？:李笑来今日发布“关于陈伟星一些言论的回应”，并意外带出Penta和易理华。前人行区块链专家、金丘区块链研究院院长洪蜀宁撰文分析称：李笑来作为数字货币早期投资者，“其眼光非常辣”。这次在文中“乱入”的Penta，是一个全新的底层公链项目，独创的DSC共识、PSG分片等技术方案独具一格。李笑来的硬币资本未能参与Penta早期投资，此次提及也许意味着下一步将主动与Penta项目的创始人寻求合作、发掘下一个EOS。洪蜀宁2011年发表国内第一篇比特币学术论文，并以前瞻性的观点被业界称为“比特币先知”。[2018/6/14]

那么，可以用hash算法，预测的结果是x，对x?哈希函数一下，公布hash值，第二天收盘再把x放出来，如果你改了昨天的数据，hash就变了。所有人都可以用hash算一下这个x和昨天公布的hash值进行对比。

实际情况下，实际的输入空间不是很大，输入不够随机，担心有人对上升下跌这样的词汇语句进行组合排列，找到这个x，为了保证安全性，会加入一个nonce随机数，公式表达如下。

H?nonce是一个随机数

意思就是预测的结果信息x后面加个随机数，一起得到hash。

第五点：谜题友好

就是说看x不知道H是什么？这个无法从输入数据，判断到底输出是什么样子。就是说，知道输入的信息，无法一眼看出来输出的hash值是什么，谜题友好性值得就是这一点：你无法通过控制输入值x来获得想要的输出值H

所以，综合隐藏性和谜题友好性两个特点，知道输入信息也不知道哈希值是什么，可以很快算出来，但是无法预先判断；知道哈希值也不能知道输入值是什么，反向计算是非常非常困难的，只能暴力破解。

所以如果你想要输出的值落在某一个范围里，比如小于某个数值，计算机只能一个一个去试去猜答案，看哪个输入算出来的输出值正好是落在你想要的范围内。

你要得到一个hash值前面K位是0。你无法知道怎么得到前面是这么多0的x。

挖矿就是找nonce，就是这个随机数。

H≤target

这就是比特币挖矿的基本原理，就是哈希碰撞去找到这个nonce，让他小于一个target。Blockheader就是区块头包括的信息都是所有矿工都知道的信息，所以大家竞争的是谁先猜出来nonce。

备注：在二进制的世界里，因为每一位比特都是0或者1，所以比大小，就是比前面的0的数量，前面32位是0，自然小于前面31位是0，这个target的所谓比大小也就是限定个范围，因为sha256出来的数字都是256位的二进制数字，比谁前面的0多是很方便的划定结果值的区域的方式。这一点大家忽略的人很多，其实是一个很基础的数学知识，值得注意。

挖矿的基本思想就是来自上述的信息。在比特币中的挖矿的过程里实际上就是去找nonce也就是确定了输出范围后，去找输入的值。H≤target

当输入的值进行hash运算后得到的值符合target的范围，比如说前面35个0就可以了，你猜出来的值输入后得到hash值前面40个都是零，那么肯定符合要求，实际上前面35个0就满足条件了嘛。

然后你把这个信息公布出去，别的矿工看到你的nonce值，也去hash一下，很快就知道你这个nonce是合适的，可以满足target的要求。这里就用到了哈希函数的计算速度快的特性。

本文总结了单数散列函数也就是哈希函数的特性，这就是很多区块链应用的基础以及比特币加密挖矿的基本原理。文章开头说过，比特币运用的密码学除了函数函数，还有一个非常重要的内容是：数字签名。这个我们很快就会讲到。

目前世界上所谓的区块链落地应用，其实有时候用的是比特币的数据结构，有时候用的是UTXO模型来结算。有的时候说是溯源，有的时候说是合约。很多的应用出来，不管是什么样的概念，多数都要用到哈希函数，利用哈希函数5种特性中的一部分。

随着文章讲解的深入，关于比特币，关于行业的信息都在展开，慢慢的大家更能明白，为什么说哈希函数是比特币和区块链行业的基础了。

作者：村头二旧

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