哈希的基礎：這項技術是如何運作的，以及它爲什麼對區塊鏈如此重要

哈希是區塊鏈、加密貨幣和數字安全的基礎技術。如果您對加密交易所中交易的可靠性是如何確保的，或者是什麼使區塊鏈抵抗僞造感興趣，那麼答案就在於哈希函數。在本文中，我們將詳細探討哈希的工作原理、它在加密行業中的作用以及在現代技術中的實際應用。

什麼是哈希：基本概念

哈希化是一個加密過程，將任意長度的輸入數據(文本、文件或交易)轉換爲固定長度的字符串，稱爲哈希或哈希碼。這個過程是通過數學算法——哈希函數來實現的。盡管得到的哈希看起來像是一串隨機字符(例如，5f4dcc3b5aa765d61d8327deb882cf99)，但實際上是原始數據的唯一標識符。

哈希可以與指紋進行比較——它能夠快速驗證信息的真實性，而不透露其內容。當您發送加密貨幣時，哈希確保交易的完整性並防止未經授權的更改。

哈希的關鍵屬性

• 單向性 (不可逆性): 從哈希中恢復原始數據在數學上是不可能的，這使得它非常適合保護機密信息。
• 確定性: 相同的輸入數據集在使用相同的哈希函數時，總是會產生相同的哈希值。
• 雪崩效應: 即使是輸入數據 ( 的最小變化，例如替換一個字母 )，也會導致完全不同的哈希結果。
• 固定長度輸出：無論輸入數據的大小，哈希對於特定算法始終具有相同的長度。
• 抗碰撞性：兩個不同數據集產生相同哈希的概率極小。

哈希函數的工作原理

哈希函數是一種算法，它將任意長度的輸入數據轉換爲固定長度的輸出字符串。哈希過程包括幾個技術步驟。

過程哈希化

1. 預處理：輸入數據被分割成特定大小的區塊。
2. 初始化: 哈希函數從預定義的初始狀態開始工作。
3. 迭代變換：每個數據塊依次通過數學運算進行處理。
4. 結果的形成：在處理所有區塊後，形成最終哈希。

SHA-256 哈希函數的工作示例

讓我們通過一個具體的例子來看看流行的SHA-256算法是如何工作的：

• 輸入：“Hello World”
• 哈希結果 (SHA-256019283746574839201： a591a6d40bf420404a011733cfb7b190d62c65bf0bcda32b57b277d9ad9f146e

如果僅改變原始文本中的一個字符:

• 新的輸入數據: "Hello World!"
• 新哈希 )SHA-256019283746574839201： 7f83b1657ff1fc53b92dc18148a1d65dfc2d4b1fa3d677284addd200126d9069

如我們所見，結果完全不同，盡管輸入數據僅有微小變化——這是雪崩效應的生動展示。

( 現代哈希算法

在當前的加密行業中，使用了各種哈希函數，每種都有其特徵：

• MD5 )128 位###：歷史上流行但已過時的算法，具有已知的漏洞。
• SHA-1 (160位)：曾經被廣泛使用，但自2005年以來被認爲不安全。
• SHA-256 (256 位)：SHA-2 家族的一部分，應用於 Bitcoin、Ethereum 和其他區塊鏈項目。
• SHA-3 (可變長度)：最新標準，具有更高的安全性和抗量子計算能力。
• BLAKE2/BLAKE3: 高性能算法，結合速度與安全性。

哈希在區塊鏈和加密貨幣中的應用

哈希是區塊鏈和加密貨幣系統整個架構的基礎技術。沒有可靠的哈希函數，現代區塊鏈將是不可想象的。

( 區塊鏈結構和哈希

區塊鏈是一個區塊鏈，每個區塊包含：

1. 交易數據: 轉帳、智能合約等的記錄。
2. 當前區塊的哈希: 區塊所有內容的唯一標識符。
3. 上一個區塊的哈希：連接元素，確保鏈的完整性。

這樣的結構在區塊之間創建了加密保護的連接：

區塊 N-1 → 哈希)N-1### → 包含在區塊 N → 哈希(N) → 包含在區塊 N+1

如果攻擊者試圖更改區塊 N-1 中的數據，該區塊的哈希將會改變，從而破壞與區塊 N 的連接，使僞造變得明顯。

( 默克爾樹

爲了優化區塊鏈中交易驗證的過程，使用了一種稱爲默克爾樹的數據結構：

1. 單個交易的哈希被成對合並並哈希。
2. 得到的哈希再次成對進行哈希處理。
3. 該過程持續到獲得唯一的根哈希 )Merkle Root###.

這使得有效地檢查特定交易是否包含在區塊中，而無需加載所有數據。

( 挖礦和工作量證明 )工作量證明###

在採用工作量證明機制的區塊鏈中，例如比特幣(，哈希計算是挖礦過程的基礎：

1. 礦工們形成包含交易的區塊。
2. 添加隨機數 )nonce(.
3. 計算區塊的哈希。
4. 目標是找到一個 nonce 值，使得哈希符合特定要求，例如，以一定數量的零開頭。

這個過程需要巨大的計算能力，這保護了網路免受攻擊，並使得達成區塊鏈狀態的共識成爲可能。

哈希的實際應用

哈希不僅在區塊鏈中使用，還在許多其他數字安全和數據處理領域中使用。

) 文件完整性檢查

在下載重要文件或軟件更新時，哈希可以確保文件未被損壞或篡改：

1. 開發者發布文件的基準哈希 ( 通常爲 SHA-256 ).
2. 用戶在上傳後計算接收到的文件的哈希。
3. 如果哈希相同，文件與原件相同。

( 安全存儲密碼

現代的身分驗證系統從不以明文形式存儲密碼：

1. 在註冊時，密碼會被哈希處理)，通常會添加鹽 — 隨機數據###。
2. 只有哈希被記錄到數據庫中。
3. 在後續登入中，輸入的密碼會被哈希並與數據庫中的哈希進行比較。

這提供了保護，即使在數據庫被攻破的情況下，因爲攻擊者僅獲得哈希，而不是原始密碼。

( 數字籤名

哈希是數字籤名系統的關鍵組成部分：

1. 文檔被哈希以生成其“指紋”。
2. 哈希使用發送者的私鑰進行加密。
3. 接收方使用公鑰解密籤名，並將獲得的哈希與自己計算的進行比較。

如果哈希匹配，文件確實是由私鑰的擁有者簽署的，並且未被更改。

加密貨幣交易所的哈希安全性

加密貨幣交易所使用復雜的哈希系統來確保用戶資金和數據的安全。

) 交易保護

在現代加密交易所，每筆交易都經過多個級別的驗證，並應用哈希處理：

1. 驗證真實性: 交易被哈希並籤名以確認發送者。
2. 完整性檢查：哈希確保交易數據未被修改。
3. 雙因素認證: 2FA 代碼也基於哈希算法。

證明儲備

現代交易所使用加密技術來透明地確認其儲備：

1. 交易所的資產使用梅克爾樹進行哈希。
2. 用戶可以檢查他們的餘額是否包含在總哈希中。
3. 這使得可以在不披露機密信息的情況下確認交易所的支付能力。

( 安全存儲私鑰

爲了保護加密貨幣資產，交易所採用多層存儲系統：

1. 冷錢包: 私鑰存儲在與互聯網斷開連接的設備上。
2. 多重籤名：進行交易需要多個密鑰的籤名。
3. 層次生成確定性密鑰：使用哈希函數從主密鑰創建密鑰層次結構。

哈希限制與漏洞

盡管安全性很高，但哈希函數存在一定的限制和潛在的漏洞。

) 哈希碰撞

當兩條不同的數據輸入序列產生相同的哈希時，就會發生碰撞。根據“生日悖論”原則，碰撞的概率比直觀上預期的要高：

• 對於輸出長度爲 n 位的哈希函數，碰撞的概率在大約 2^###n/2### 次操作後變得顯著。
• 對於 MD5 ###128 位### 理論上大約需要 2^64 種不同的輸入數據以獲得較高的碰撞概率。

對哈希函數的攻擊

1. 暴力破解 ( перебор ): 查找給定哈希的輸入數據。
2. 生日攻擊：尋找兩個不同的輸入數據具有相同的哈希。
3. 彩虹表：預先計算的哈希表，用於常見密碼。
4. 側信道攻擊：分析系統的物理特性 (計算時間、能耗)以獲取關於哈希的信息。

量子威脅

隨着量子計算機的發展，現代加密系統面臨新的威脅：

• 格羅夫算法理論上可以將尋找哈希的前像的遍歷速度提高2倍，從2^n加速到2^(n/2)(。
• 這可能需要在未來增加使用的哈希長度。

近期哈希技術趨勢

目前可以指出哈希函數發展的幾個重要趨勢：

) 後量子密碼學

正在開發新的哈希算法，以抵御量子計算機攻擊：

• 增加哈希大小以補償量子算法的加速。
• 針對量子計算的新的哈希函數數學基礎。

能源高效的哈希

創建哈希函數，要求