深入解析区块链中的关键概念：哈希函数

引言

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文章来源：白话区块链

原文标题：学习区块链过程中的高频概念：哈希函数 | 白话区块链入门250

原作者：复利青年 出品方：白话区块链

对区块链技术感兴趣的读者们，要了解其技术核心并掌握比特币的精髓，就需要跨越技术的障碍，从技术角度入手，打开通向区块链世界的窗口。在这个过程中，首当其冲的就是要深入研究一个重要概念——

哈希函数的含义与作用

哈希函数是一种独特的数据处理方法，它能够将任意长度的信息转化为固定长度的小型数字指纹。这种转换使得数据变得更紧凑，形式统一。哈希函数通过混合、拆分原始数据，创造出一个新的指纹——散列值。

用一句简单易懂的解释来形容哈希函数就是：哈希函数是一种复杂且输出长度固定的数学变换序列。

要实现这一目标，需要遵循以下步骤：

以任何长度的数据作为输入；

使用一系列复杂但固定的数学变换进行处理；

最后输出一定长度和格式的数值。

在数学界，我们通常用 H 来表示这些经过变换后的数值，中文名称为消息摘要或数字指纹。

例如，在比特币系统中，我们在生成地址时所使用的哈希函数 SHA256 就是一个例子，这里的“256”代表输出的数据长度恒定为 256 位。

哈希函数的三大特点

并非所有的数学变换都可以成为哈希函数，真正意义上的哈希函数必须满足以下三个要求：唯一性、单向性和暴力破解。

1. 哈希函数的唯一性

通俗地讲，这意味着只有特定的输入（X）才能得出对应的输出（H(X)）。当我们谈论哈希函数时，你可以将其想象为你和你的指纹之间的关系：你是输入，你的指纹是输出，唯一性意味着只有你才能拥有独一无二的指纹。同样在比特币的世界里，你用于转账的比特币地址只可能由你的公钥生成，就像你的指纹一样独特，世界上没有人能生成和你相同的比特币地址。

2. 哈希函数的单向性

哈希函数的单向性意味着我们不能通过对 H(X) 的分析反推出 X 的值。这就如同给你一个指纹，你只能知道这是一个指纹，但无法判断出指纹的主人的性别和长相。

为了让你更好地理解哈希函数的单向性，这里有一个生动的比喻：你能通过下面的下巴猜测出它的主人是谁吗？

这位充满男子气概、令人着迷的下巴主人究竟是谁呢？答案是：乡村F4谢广坤！

正是由于哈希函数的单向性，所以在比特币系统中，尽管大家都知道收款地址，但却无法得知我们是如何生成这个地址的公钥，也无法获取到生成公钥的私钥。

有些言论认为量子计算机的出现将使比特币变得毫无价值，但实际上，即使是量子计算机也无法轻易打破哈希函数的安全性。因此，中本聪巧妙地利用哈希函数为比特币设下了一道坚实的安全屏障，希望比特币能够在充分的时间里完成对抗量子计算的加密算法升级。

3. 哈希函数的暴力破解

如果我们已知 H(X)，想要找出输入值 X，则必须从头开始一一尝试。我们需要将每个候选值代入哈希函数中，检查它们的输出是否等价于 H(X)。

你可以把这个问题想象成这样的场景：假设你想找出一个特定指纹的所有者，那么你就必须在全球范围内逐个寻找合适的对象，然后逐一比较他们的指纹，看是否有与指定指纹完全一致的情况。

哈希函数在比特币中的应用

哈希函数因其特有的性质，在中本聪的设计理念中扮演了至关重要的角色。在比特币的白皮书中，除开篇和结尾之外的十个章节几乎无处不见哈希函数的身影。

哈希函数的独特性质帮助中本聪解决了许多技术上的挑战：

通过哈希函数的唯一性实现了数字签名的功能，从而有效地防止了欺诈行为的发生；

借助哈希函数的唯一性提升了检索交易记录的速度，有效降低了交易处理的复杂度；

依赖哈希函数的单向性保护了用户的隐私，使得公钥能够安全地生成比特币的地址；

通过哈希函数的暴力破解设计了比特币的工作量证明机制，使区块生成的难度可以根据需求进行灵活调节。

自从 1953 年哈希函数首次出现以来，经历了 1970 年的发展高潮以及 2001 年 SHA-256 的诞生，直到 2008 年，哈希函数在中本聪的手中焕发出新的活力，成为区块链技术不可或缺的基础。

从此角度来看，人们为何纷纷赞美中本聪的天才特质，乃至猜测他是否来自另一个星球也就不足为奇了。

尽管本文仅仅介绍了一个基本概念——哈希函数，但这并不妨碍我们理解比特币白皮书中超过一半的核心思想。

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