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区块链深度学习系列|密码学基础之哈希算法的应用

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:n Version(版本号);

第二层是:hash Preb Block(前一个区块的哈希);

第三层是:hash Merkle Root(交易Merkle树根),

第四层是:n Time(时间戳);

第五层是:n Bits(难度值);

第六层是:n Nonce(随机数);

第七层是:Hash(哈希函数)。

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。

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;

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;

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。

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(如何生成会在后续课程解答);

第二层:两层哈希算法,SHA-265和RIPMD-160(常称为双哈希或Hash160);

第三层:然后双层哈希计算,会产生公钥哈希;

第四层:Base58Check编码(在Base58编码基础上的改良);

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 Merkle tree 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H A下面有个Hash(TxA),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(哈希链)

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(红框1),这里的0000…0bdf是上一个区块(277312)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(红框3),也是区块277314的区块头哈希值,即:0000…2249(红框2)。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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