區(qū)塊鏈中加密學算法學習

在區(qū)塊鏈中使用了很多加密學算法，包括哈希算法、默克樹、數(shù)字簽名等。在這一節(jié)將逐個學習這些知識。

哈希算法

哈希算法是一種常見的單向加密算法，它將一串數(shù)據(jù)加密生成一串二進制，但不能由二進制還原為原來的數(shù)據(jù)。該算法有一下特點：

相同的輸入得到相同的二進制串

不同對輸入得到不同的二進制串，即有強對抗性，不同的數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生相同的哈希值

輸出的二進制長度是一致的

import hashlibdata1 = "Test1"msg = hashlib.sha256()msg.update(data1.encode("utf-8"))output1 = msg.hexdigest()print(output1)

# 再次計算msg = hashlib.sha256()msg.update(data1.encode("utf-8"))output2 = msg.hexdigest()print(output1 == output2)

True

# 使用不同的數(shù)據(jù)data2 = "Test2"msg = hashlib.sha256()msg.update(data2.encode("utf-8"))output3 = msg.hexdigest()print(output3)print(output3 == output1)

32e6e1e134f9cc8f14b05925667c118d19244aebce442d6fecd2ac38cdc97649False

print(len(output1))print(len(output3))

6464

長度都為64，即256長度的比特位

在區(qū)塊鏈中很多地方用了哈希算法，比如對區(qū)塊計算哈希值。在“區(qū)塊鏈基礎”部分中實現(xiàn)了一個簡化版的區(qū)塊鏈。在實際區(qū)塊鏈中區(qū)塊包含元數(shù)據(jù)的區(qū)塊頭和緊跟其后的構(gòu)成區(qū)塊主體的一長串交易，結(jié)構(gòu)如下：

大小字段描述4字節(jié)區(qū)塊大小用字節(jié)表示的該字段之后的區(qū)塊大小80字節(jié)區(qū)塊頭組成區(qū)塊頭的幾個字段1-9（可變整數(shù)）交易計數(shù)器交易的數(shù)量可變的交易記錄在區(qū)塊里的交易信息

其中哈希值和nonce等都放在區(qū)塊頭中，其結(jié)構(gòu)如下：

大小字段描述4字節(jié)版本版本號，用于跟蹤軟件/協(xié)議的更新32字節(jié)父區(qū)塊哈希值引用區(qū)塊鏈中父區(qū)塊的哈希值32字節(jié)Merkle根該區(qū)塊中交易的merkle樹根的哈希值4字節(jié)時間戳該區(qū)塊產(chǎn)生的近似時間（精確到秒的Unix時間戳）4字節(jié)難度目標該區(qū)塊工作量證明算法的難度目標4字節(jié)Nonce用于工作量證明算法的計數(shù)器

這里涉及到另一個概念——默克（Merkle）樹

默克樹

默克爾樹，又叫哈希樹，是一種樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由一個根節(jié)點、一組中間節(jié)點和一組葉節(jié)點組成。最下面的葉節(jié)點包含存儲數(shù)據(jù)或其哈希值，其上的節(jié)點是它的子節(jié)點內(nèi)容的哈希值。一個默克樹的生成過程如下：

1.由數(shù)據(jù)生成一系列哈希值

2.從上述哈希值再生成哈希值

3.然后再生成根節(jié)點

默克樹有如下特點：

一般是二叉樹，也可以多叉樹，具有樹結(jié)構(gòu)的所有特點；

樹的根節(jié)點只取決于數(shù)據(jù)，和其中的更新順序無關。換個順序進行更新，甚至重新從頭計算樹，并不會改變根節(jié)點；

當兩個默克爾樹根節(jié)點相同時，則意味著所代表的數(shù)據(jù)必然相同，用根節(jié)點校驗可以大大減少數(shù)據(jù)的傳輸量以及計算的復雜度；

默克樹的一個分支也是默克樹，可以作為獨立進行校驗；

當區(qū)塊鏈中的交易數(shù)據(jù)過多時，可以通過只保留默克樹的根節(jié)點，刪除其下的節(jié)點有效的節(jié)約存儲空間。

數(shù)字簽名

在區(qū)塊鏈中還有一個重要的技術(shù)，那就是數(shù)字簽名。類似在手寫簽名來確認直至內(nèi)容，數(shù)字簽名用于證實某數(shù)字內(nèi)容的完整性和來源，保證簽名的有效性和不可抵賴性。數(shù)字簽名使用了公鑰密碼學。公鑰密碼學是非對稱加密技術(shù)，其相對于對稱加密技術(shù)。在對稱加密技術(shù)中加密使用相同的密鑰加解密數(shù)據(jù)，為了讓對方能夠解密，需要同時將密文和密鑰發(fā)給對方。

如果有人在傳輸過程中截取了密文和密鑰，就一樣能解密出明文，這就導致了安全性問題。

在非對稱加密中有公鑰和私鑰兩個，公鑰用來加密，私鑰用來解密，公鑰可以發(fā)給任意的人。

在這個過程中只有私鑰才可以解密，而加密用的是公鑰，故不需要傳輸私鑰，只要保證私鑰放在安全的地方，被盜取后其他人還是無法破解密文。

而數(shù)字簽名就是基于上述非對稱加密技術(shù)，不同點在于數(shù)字簽名使用私鑰生成一個簽名，接收方使用公鑰進行校驗。比如上面用私鑰解密得到明文后，用私鑰進行簽名進行回復，收到回復后用公鑰解密得到的內(nèi)容與數(shù)據(jù)相同即可證明簽名正確。

因為公鑰和私鑰是成對的，唯一對應的，私鑰只有對方擁有，所以對方也不能對簽名進行抵賴。

在區(qū)塊鏈技術(shù)中常見的簽名算法是橢圓簽名算法。其算法用對橢圓曲線上的點進行加法或乘法運算來表達。區(qū)塊鏈中私鑰是一個隨機數(shù)，通過橢圓曲線簽名算法生成公鑰。但反向從公鑰計算出私鑰幾乎是不可能的。橢圓曲線簽名算法還具有安全性高和存儲空間占用小的特點。