比特币的密码学原理

文章目录一、哈希函数1、碰撞阻力（collision resistence）2、单向不可逆（hiding）3、谜题友好性（puzzle-friendliness）二、数字签名
比特币虽然通常被人们称为加密货币，但其实并没有加密任何数据，仅仅是用到了哈希、签名两种密码学算法。 一、哈希函数

比特币用到的哈希函数特性有碰撞阻力、单项不可逆、谜题友好性等，下面将逐个介绍：

1、碰撞阻力（collision resistence）

具有强碰撞阻力的哈希函数H()，很难找到输入x≠y，使得H(x)==H(y)。

碰撞阻力的特性可用于检测数据是否被篡改，只要改变数据的一个字节，就会造成哈希结果的大不相同。比特币中的哈希指针就是用的这个特性，每个区块保存上一个区块的哈希，因此用户只要记住最新区块的哈希，就可以保证整个区块链未被篡改。Merkle tree数据结构同样运用了碰撞阻力特性，详见默克尔树（Merkle tree）章节）。

注意：
没有哪一个哈希函数能够从数学上证明具有碰撞阻力特性，SHA-256、SHA3只是经过实践目前仍没有有效方法进行碰撞，因此是可靠的，MD5、SHA1这些曾经具有碰撞阻力特性的哈希函数已经被破解，不再具有碰撞阻力特性。

2、单向不可逆（hiding）

由x可以很容易的计算出H(x)，但是由H(x)不可能推算出x。

单向不可逆特性可用于数字承诺（digital commitment），用户可以将信息和一些随机数据组合计算出哈希，然后公布哈希给别人，这样可以藏匿信息内容，别人无法猜测承诺的信息；等到需要验证的时候，才将承诺内容公开用于计算哈希，如与事先公布的哈希一致，则可以证明自己预先承诺过该信息。本人也无法更改承诺内容，因为这样会造成计算的哈希与一开始公布的哈希不一致。

注意：
输入取值必须来自广泛集合，且均匀分布，这样单向不可逆特性才会有效。
本人在做银联人脸识别支付项目的时候，银联曾经在某一个版本的方案中闹出一个笑话，将6位个人数字密码计算哈希后保存在数据库中，用于路由索引，由于只有6位数字（共10的6次方种哈希结果），可以很容易根据哈希反推出原始6位密码，后来反应给银联，银联给出了新版方案。

一般采取的方案是给原始取值加盐，扩大原始取值的集合空间。(x||salt) → H(x||salt)

3、谜题友好性（puzzle-friendliness）

谜题友好性即为要想得到某个哈希值，只能一直尝试取值，直到算出的哈希满足要求。

在比特币挖矿中，求解区块头中的nonce值，使得H(blockheader) ≤ target域值，这就是PoW工作量证明算法。

谜题友好性是区块链比特币挖矿算法特有要求的特性，在现代密码学中不存在要求该特性。

二、数字签名

在比特币中生成公私钥对即可建立身份，私钥由自己保管，用于数字签名，将公钥公开给所有人，这样所有人可以验证我的签名有效性。

注意：
ECDSA(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm)中，需要在签名时拥有良好的随机源，否则会造成私钥泄露。算法具体流程可以参考相关资料。

作者：ice_fire_x

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