哈希的基础：这项技术是如何运作的，以及它为什么对区块链如此重要

哈希是区块链、加密货币和数字安全的基础技术。如果您对加密交易所中交易的可靠性是如何确保的，或者是什么使区块链抵抗伪造感兴趣，那么答案就在于哈希函数。在本文中，我们将详细探讨哈希的工作原理、它在加密行业中的作用以及在现代技术中的实际应用。

什么是哈希：基本概念

哈希化是一个加密过程，将任意长度的输入数据(文本、文件或交易)转换为固定长度的字符串，称为哈希或哈希码。这个过程是通过数学算法——哈希函数来实现的。尽管得到的哈希看起来像是一串随机字符(例如，5f4dcc3b5aa765d61d8327deb882cf99)，但实际上是原始数据的唯一标识符。

哈希可以与指纹进行比较——它能够快速验证信息的真实性，而不透露其内容。当您发送加密货币时，哈希确保交易的完整性并防止未经授权的更改。

哈希的关键属性

• 单向性 (不可逆性): 从哈希中恢复原始数据在数学上是不可能的，这使得它非常适合保护机密信息。
• 确定性: 相同的输入数据集在使用相同的哈希函数时，总是会产生相同的哈希值。
• 雪崩效应: 即使是输入数据 ( 的最小变化，例如替换一个字母 )，也会导致完全不同的哈希结果。
• 固定长度输出：无论输入数据的大小，哈希对于特定算法始终具有相同的长度。
• 抗碰撞性：两个不同数据集产生相同哈希的概率极小。

哈希函数的工作原理

哈希函数是一种算法，它将任意长度的输入数据转换为固定长度的输出字符串。哈希过程包括几个技术步骤。

过程哈希化

1. 预处理：输入数据被分割成特定大小的区块。
2. 初始化: 哈希函数从预定义的初始状态开始工作。
3. 迭代变换：每个数据块依次通过数学运算进行处理。
4. 结果的形成：在处理所有区块后，形成最终哈希。

SHA-256 哈希函数的工作示例

让我们通过一个具体的例子来看看流行的SHA-256算法是如何工作的：

• 输入：“Hello World”
• 哈希结果 (SHA-256019283746574839201： a591a6d40bf420404a011733cfb7b190d62c65bf0bcda32b57b277d9ad9f146e

如果仅改变原始文本中的一个字符:

• 新的输入数据: "Hello World!"
• 新哈希 )SHA-256019283746574839201： 7f83b1657ff1fc53b92dc18148a1d65dfc2d4b1fa3d677284addd200126d9069

如我们所见，结果完全不同，尽管输入数据仅有微小变化——这是雪崩效应的生动展示。

( 现代哈希算法

在当前的加密行业中，使用了各种哈希函数，每种都有其特征：

• MD5 )128 位###：历史上流行但已过时的算法，具有已知的漏洞。
• SHA-1 (160位)：曾经被广泛使用，但自2005年以来被认为不安全。
• SHA-256 (256 位)：SHA-2 家族的一部分，应用于 Bitcoin、Ethereum 和其他区块链项目。
• SHA-3 (可变长度)：最新标准，具有更高的安全性和抗量子计算能力。
• BLAKE2/BLAKE3: 高性能算法，结合速度与安全性。

哈希在区块链和加密货币中的应用

哈希是区块链和加密货币系统整个架构的基础技术。没有可靠的哈希函数，现代区块链将是不可想象的。

( 区块链结构和哈希

区块链是一个区块链，每个区块包含：

1. 交易数据: 转账、智能合约等的记录。
2. 当前区块的哈希: 区块所有内容的唯一标识符。
3. 上一个区块的哈希：连接元素，确保链的完整性。

这样的结构在区块之间创建了加密保护的连接：

区块 N-1 → 哈希)N-1### → 包含在区块 N → 哈希(N) → 包含在区块 N+1

如果攻击者试图更改区块 N-1 中的数据，该区块的哈希将会改变，从而破坏与区块 N 的连接，使伪造变得明显。

( 默克尔树

为了优化区块链中交易验证的过程，使用了一种称为默克尔树的数据结构：

1. 单个交易的哈希被成对合并并哈希。
2. 得到的哈希再次成对进行哈希处理。
3. 该过程持续到获得唯一的根哈希 )Merkle Root###.

这使得有效地检查特定交易是否包含在区块中，而无需加载所有数据。

( 挖矿和工作量证明 )工作量证明###

在采用工作量证明机制的区块链中，例如比特币(，哈希计算是挖矿过程的基础：

1. 矿工们形成包含交易的区块。
2. 添加随机数 )nonce(.
3. 计算区块的哈希。
4. 目标是找到一个 nonce 值，使得哈希符合特定要求，例如，以一定数量的零开头。

这个过程需要巨大的计算能力，这保护了网络免受攻击，并使得达成区块链状态的共识成为可能。

哈希的实际应用

哈希不仅在区块链中使用，还在许多其他数字安全和数据处理领域中使用。

) 文件完整性检查

在下载重要文件或软件更新时，哈希可以确保文件未被损坏或篡改：

1. 开发者发布文件的基准哈希 ( 通常为 SHA-256 ).
2. 用户在上传后计算接收到的文件的哈希。
3. 如果哈希相同，文件与原件相同。

( 安全存储密码

现代的身份验证系统从不以明文形式存储密码：

1. 在注册时，密码会被哈希处理)，通常会添加盐 — 随机数据###。
2. 只有哈希被记录到数据库中。
3. 在后续登录中，输入的密码会被哈希并与数据库中的哈希进行比较。

这提供了保护，即使在数据库被攻破的情况下，因为攻击者仅获得哈希，而不是原始密码。

( 数字签名

哈希是数字签名系统的关键组成部分：

1. 文档被哈希以生成其“指纹”。
2. 哈希使用发送者的私钥进行加密。
3. 接收方使用公钥解密签名，并将获得的哈希与自己计算的进行比较。

如果哈希匹配，文件确实是由私钥的拥有者签署的，并且未被更改。

加密货币交易所的哈希安全性

加密货币交易所使用复杂的哈希系统来确保用户资金和数据的安全。

) 交易保护

在现代加密交易所，每笔交易都经过多个级别的验证，并应用哈希处理：

1. 验证真实性: 交易被哈希并签名以确认发送者。
2. 完整性检查：哈希确保交易数据未被修改。
3. 双因素认证: 2FA 代码也基于哈希算法。

证明储备

现代交易所使用加密技术来透明地确认其储备：

1. 交易所的资产使用梅克尔树进行哈希。
2. 用户可以检查他们的余额是否包含在总哈希中。
3. 这使得可以在不披露机密信息的情况下确认交易所的支付能力。

( 安全存储私钥

为了保护加密货币资产，交易所采用多层存储系统：

1. 冷钱包: 私钥存储在与互联网断开连接的设备上。
2. 多重签名：进行交易需要多个密钥的签名。
3. 层次生成确定性密钥：使用哈希函数从主密钥创建密钥层次结构。

哈希限制与漏洞

尽管安全性很高，但哈希函数存在一定的限制和潜在的漏洞。

) 哈希碰撞

当两条不同的数据输入序列产生相同的哈希时，就会发生碰撞。根据“生日悖论”原则，碰撞的概率比直观上预期的要高：

• 对于输出长度为 n 位的哈希函数，碰撞的概率在大约 2^###n/2### 次操作后变得显著。
• 对于 MD5 ###128 位### 理论上大约需要 2^64 种不同的输入数据以获得较高的碰撞概率。

对哈希函数的攻击

1. 暴力破解 ( перебор ): 查找给定哈希的输入数据。
2. 生日攻击：寻找两个不同的输入数据具有相同的哈希。
3. 彩虹表：预先计算的哈希表，用于常见密码。
4. 侧信道攻击：分析系统的物理特性 (计算时间、能耗)以获取关于哈希的信息。

量子威胁

随着量子计算机的发展，现代加密系统面临新的威胁：

• 格罗夫算法理论上可以将寻找哈希的前像的遍历速度提高2倍，从2^n加速到2^(n/2)(。
• 这可能需要在未来增加使用的哈希长度。

近期哈希技术趋势

目前可以指出哈希函数发展的几个重要趋势：

) 后量子密码学

正在开发新的哈希算法，以抵御量子计算机攻击：

• 增加哈希大小以补偿量子算法的加速。
• 针对量子计算的新的哈希函数数学基础。

能源高效的哈希

创建哈希函数，要求