浅谈区块链的密码学原理:hash与签名
比特币与区块链这个概念一直很火，我也一直不是很明白，最近才懂了一些些
比特币用到了密码学中的2个功能：①HASH ②签名（非对称加密）
简单的来说：假设你有一个x，通过某个函数f(x)，映射算出某个值的过程就是hash，这个f(x)就是HASH函数。
Hash的特点 Collision resistance x可以有若干个，这若干个x就组成了输入空间，通常这个输入空间是足够大的，例如256位，这意味这你有2256种输入，而这2256种输入，通过hash函数，可以输出很多很多的结果。这个特点就是Collision resistance
他的意思就是，对于某个HASH函数，你很难在足够大的输入空间中找到两个不同的输入，使他们的输出相同。这种难以人为制造的HASH碰撞的特性就是Collision resistance。
当然，也存在已经找到了人为制造HASH碰撞的函数，那就是大名鼎鼎的MD5。
Hiding 对于足够大的输入空间，存在某个HASH映射H，你可以通过某个X算出H(X)，但你很难通过H(X)算出X。除非你使用暴力破解。这个暴力破解的过程就是”挖矿“，所以你需要大量的算力来进行计算，这样一个挖矿需要消耗大量算力的原则就是POW（proof of work，工作量证明）。你挖到矿了，同时你也必须付出大量的算力。
这里需要注意的是，挖矿过程中，假设你是第一个算出的，你算出了这个X，其他人可以很容易地在第一时间验证你这x是否正确。这就是“difficult to solve,easy to verify”，即挖矿很难，验证简单。
实现Hiding有两个条件，①输入空间足够大。②分布尽可能均匀（随机性强）
Puzzle frendlyHASH值是不可预测的，即如果你想要H(X)落在某个范围之内，没有啥好办法，只能一个个去尝试。
比特币中使用的HASH函数是SHA-256，SHA就是secure hash algorithm。
签名 在说签名前，先了解两对概念：公钥和私钥，对称加密与非对称加密。
非对称加密与公私钥 公私钥的这个概念来自密码学中的非对称加密（asymmetric encryption algorithm）。如果你加密和解密用的是同一个密钥，这个就是对称加密，如果加密和解密用的不是一个密钥，这就是非对称加密。
对于对称密钥，他的一个前提条件就是你有一个安全的渠道分发你的密钥，即你的密钥不会被窃取，所以对称密钥的使用条件比较严格，这也是对称密钥的缺点，难以分发你的密钥。
非对称密钥就解决了这个问题，其密钥的成对的不同的。假设A和B两个人通信，并且网络环境是不安全的，A要和B传输信息，A就需要利用B的公钥把信息加密，传到B那后，B在利用他自己的私钥对加密信息进行解密得到明文信息。如果此时B要回复，就需要用A的公钥进行加密，信息传输到A本地时再用A的私钥进行解密。
加密的公钥是不需要保密的，你可以传输给网络上任何一个人，私钥是需要保密的，私钥是保存在本地的，只有在解密是用到。
比特币系统系统中，你的账户由公钥和私钥组成，这个公钥就相当于你的“银行账号”，别人要给你转账，只需要你的公钥即可，这个私钥就相当于你的账户密码。你在收到这笔转账之后，你就可以通过私钥来验证这笔转账是不是你的。
签名的概念 在比特币区块链中，私钥代表的对比特币的的控制权。交易发起方用私钥对交易进行签名，并将签名后的交易和公钥进行广播，网络中的其他人收到交易后可以用公钥验证交易是否合法。在这个过程中无需发起方暴露自己的私钥，从而实现保密。
比特币的交易过程 假设在比特币市场中，我要向你转一个比特币，我就需要用我的私钥对这笔交易进行“签名”，然后将签名后的交易和我的公钥在网络上广播，其他人收到之后进行验证，如果验证成功，就都在自己的“账本”上记上一笔，即我向你转了1比特币。这样就保证了整个网络的账本的统一性和去中心化。
另外，这个验证过程就是每个人回溯自己的账本，检查我到底有没有1比特币。如果没有，转账无效，如果有，则在账本上记上一笔。这样就带来了新问题，每个人的账本都不一样，要找到一个让所有人接受的账本，这个就是共识机制，如何保证账本一致？这就需要网络上的每个人争夺记账的权力，中本聪的方案就是做题，谁先把题目算出来谁就拥有记账权力。计算一个题目需要大量的工作量，就是前面所说的工作量证明原则。这个题目就是暴力反算HASH的过程，这个过程就是挖矿，就是看谁的算力强。第一个算出来的人，大家也很容易在第一时间验证他是否算的正确，如果正确，然后大家就把这个人的所记的写到自己的账本上，并且系统会给他相应的比特币作为奖励，这样网络上的每一个人都拥有相同且实时更新的账本。
作者：小钟233
