哈希函數(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用介紹

傳說，在人類成功打造出第一臺超級智能電腦之時，決定做一個小測驗(yàn)，來試試看這臺超級電腦的能耐到底能到多少？實(shí)驗(yàn)的設(shè)計很簡單：讓超級電腦計算圓周率是多少。于是，在人們還沒反應(yīng)出來的一瞬間，這臺超能電腦已經(jīng)攻占整個地球，然后對外太空發(fā)動了戰(zhàn)爭，征服整個銀河系，把整個可知的宇宙空間變成了巨大的超能電腦，最后花上了無盡的時間，只為了計算出人類給它的這個問題：圓周率。

這是我在閱讀人類大歷史這本書中讀到的一篇故事，原文討論的內(nèi)容是算法程序?qū)τ谌祟惖耐{；那些不斷產(chǎn)生出來并且持續(xù)的在優(yōu)化、改進(jìn)，聲稱用以改善人類生活的算法軟件，既使一開始創(chuàng)作者本身是完全出于良好善意，或是學(xué)術(shù)研究而建立的系統(tǒng)，最終仍可能會完全失控的造成毀滅性的結(jié)果。這個故事讓我想起了Bitcoin等加密貨幣的挖礦程序算法，在過去一段時間以來對我們生活的沖擊影響。還記得2017年加密貨幣正夯時，全球的挖礦熱潮引爆的全民搶電瘋，當(dāng)時就有媒體報導(dǎo)指出，加密貨幣的挖礦機(jī)器將會導(dǎo)致社會大眾無電可用，甚至有人傳言，那年夏天的幾次臺電臨時跳電事件，就是太多人在挖比特幣造成的。

這篇文章，就是要來談?wù)劚忍貛磐诘V背后的那個算法：加密哈希函數(shù)。

原本呢，我是計劃在第二篇就開始進(jìn)入程序開發(fā)的部分，只是我發(fā)現(xiàn)到，不先了解哈希函數(shù)的原理功能、或是留給讀者自行g(shù)oogle，會破壞這個系列文章的完整性，尤其是在實(shí)作內(nèi)存塊鏈的不可逆性、或是Key創(chuàng)建等功能，讀者的感受與理解會有差異，所以還是決定，在進(jìn)入開發(fā)區(qū)塊鏈之前，寫一篇文章來專門介紹哈希函數(shù)，尤其是其在密碼學(xué)方面的應(yīng)用

哈希函數(shù)應(yīng)用在區(qū)塊鏈的哪些地方？

1. 區(qū)塊鏈透過哈希函數(shù)的結(jié)果，將數(shù)據(jù)串聯(lián)成為一條難以篡改的連接

2. 比特幣、以太幣、瑞波幣等電子加密貨幣（題外話，有人說要正名為密碼貨幣），透過哈希函數(shù)產(chǎn)生錢包地址

3. 在加密貨幣挖礦（Mining）的世界，使用Hash Rate： TH/s（trillions of hashes per second）來計算區(qū)塊鏈 network的運(yùn)算能力

4. Bitcoin透過調(diào)整哈希函數(shù)的難度，控制整個Bitcoin network平均每10分鐘產(chǎn)生一個block內(nèi)存塊。

那我們就開始來了解哈希函數(shù)算法吧

首先，哈希函數(shù)具有下列兩項(xiàng)特點(diǎn)：

1. 無論傳入（input）哈希函數(shù)的數(shù)據(jù)量大小，哈希函數(shù)回傳的數(shù)據(jù)長度都是固定的相同的input，回傳

2. 相同的output；不同的input，回傳不同的output；

換句話說，哈希函數(shù)的回傳結(jié)果（稱之為hash value），是一個長度一致，但是數(shù)據(jù)內(nèi)容卻是獨(dú)一無二（unique）的數(shù)值。所以，如果看到兩個完全不一樣的”hash value”，我們就可以推斷其原始的input一定是不一樣的；反之，兩個相同的hash value，其原本的input值則會是一模一樣的。

我們可以用Python內(nèi)置的SHA-256 Hash Algorithm，展示一下上述的哈希函數(shù)特性

import hashlib

x1=”my 1st Bitcoin”.encode（）

y1=hashlib.sha256（x1）.hexdigest（）

x2=”I am not Satoshi Nakamoto”.encode（）

y2=hashlib.sha256（x2）.hexdigest（）

print（f’y1= {y1}’）

print（f’y2= {y2}’）

print（f’y1 include {len（y1）} words’）

print（f’y2 include {len（y2）} words’）

如果尚未安裝Python，可以利用下面這個網(wǎng)址試試，看看將my 1st Bitcoin Hash后的值是不是和上圖用Python跑出來的值（y1=后面的那串）是一樣的：

https://anders.com/區(qū)塊鏈/hash.html

加密哈希函數(shù)是哈希函數(shù)于密碼學(xué)上的一項(xiàng)應(yīng)用，上述的SHA-256就是一個加密哈希函數(shù)的實(shí)作產(chǎn)品。

哈希函數(shù)還有另一項(xiàng)特點(diǎn)：one-way（單向）function

以上述的Python程序?yàn)槔谝阎猧nput值=”my 1st Bitcoin”，透過sha256 function，可以快速的算出hash value=”a5e4c0673fcedff2bc2174123e97b511d5d17f4317869e7bd60d0a6d3d7fa1c6”；但反過來說，我們想從”a5e4c0673fcedff2bc2174123e97b511d5d17f4317869e7bd60d0a6d3d7fa1c6”這一串?dāng)?shù)據(jù)中反推出input的值：”my 1st Bitcoin”，唯一的方式是透過暴力解法，也就是不斷地丟字串給sha256 function，直到得到hash value是一樣時，也就是傳入的input字串為”my 1st Bitcoin”時，才能得到答案。各位可以想像這猜中的機(jī)率是多低？如果你能一猜就中，那你也不用在這研究內(nèi)存塊鏈了，直接去買樂透比較快。

區(qū)塊鏈透過上述哈希函數(shù)的三個特性，構(gòu)架起了內(nèi)存塊鏈中的數(shù)據(jù)，只要一經(jīng)寫入就無法修改的獨(dú)特功能。

各位可以到下面這個網(wǎng)址體驗(yàn)區(qū)塊鏈如何透過哈希函數(shù)，緊密的連接起每一個Block內(nèi)存塊，并且堅固地保障了已經(jīng)建立完成的Block區(qū)塊，其內(nèi)容是難以被竄改的。

https://anders.com/區(qū)塊鏈/區(qū)塊鏈.html

Base58編碼

在文章前頭，我們曾提到過哈希函數(shù)應(yīng)用在加密貨幣錢包地址的例子，你可能在一些網(wǎng)站或Blog上，看到過這些亂碼數(shù)字。實(shí)際應(yīng)用上，部落客或是賣家，會提供一組很像亂碼的Bitcoin addresses，讓你可以支付比特幣給對方；Bitcoin addresses，看起來似乎是一堆英數(shù)字的隨機(jī)編碼，但其中也是有特殊的設(shè)計：所有的Bitcoin addresses都是使用Base58進(jìn)行編碼。

解釋Base58前，先來看看比較常見的，例如已經(jīng)應(yīng)用在Email上的電腦編碼：Base64。Base64編碼包含了26個小寫英文字母、26個大寫英文字母、10個阿拉伯?dāng)?shù)字（0~9），和兩個特殊字元（+和?—?）。

Base58是Base64的子集合，提供一個較高可讀性、和較容易發(fā)現(xiàn)和防范錯誤的編碼格式，因此廣為眾多加密貨幣所使用。Base58剔除了容易辨識錯誤、或是在某些字體格式看起來十分類似的字元：數(shù)字0，大寫的英文字母O，小寫的英文字母l、大寫的英文字母I，并且移除了特殊字元（+和?—?）。換句話說，Base58就是包含了大、小寫英文字母，和阿拉伯?dāng)?shù)字，但移除了四個字元（0，O，l，I）的集合：

Bitcoin’s Base58 alphabet：

123456789ABCDEFGHJKLMNPQRSTUVWXYZabcdefghijkmnopqrstuvwxyz

Hashing Power

最后，如果對于Bitcoin Network hashing power有興趣的讀者，可以到下面這個網(wǎng)址查看Bitcoin網(wǎng)絡(luò)的hash rate變化：

https://www.區(qū)塊鏈.com/charts/hash-rate

粗略估算，Bitcoin network整體的hashing power，從2009年一秒鐘不到一個MegaHash（MH/sec），如今一秒鐘已經(jīng)超過40個ExaHash（EH/sec），光用表面數(shù)字計算，成長幅度超過40兆。

HashPower的單位換算可參考下列網(wǎng)址

https://coinguides.org/hashpower-converter-calculator/

OK，我們已經(jīng)透過兩篇文章對內(nèi)存塊鏈有ㄧ定程度的基礎(chǔ)了解了，該是動手寫一個區(qū)塊鏈程序的時候了。

在進(jìn)入下一篇文章進(jìn)行開發(fā)前，請各位先確定電腦的開發(fā)環(huán)境已經(jīng)安裝好下列Python版本和相關(guān)modules

· Python 3.6+

· flask 0.12.2

· requests 2.18.4

我另外使用了兩個flask module，以建立表單和畫面

· flask-wtf

· flask-bootstrap

上述modules皆可透過PIP安裝

· pip install flask

· pip install requests

· pip install flask-wtf

· pip install flask-bootstrap

那，就先請各位準(zhǔn)備好Python環(huán)境啦。