哈希函数的特点及应用介绍

传说，在人类成功打造出第一台超级智能电脑之时，决定做一个小测验，来试试看这台超级电脑的能耐到底能到多少？实验的设计很简单：让超级电脑计算圆周率是多少。于是，在人们还没反应出来的一瞬间，这台超能电脑已经攻占整个地球，然后对外太空发动了战争，征服整个银河系，把整个可知的宇宙空间变成了巨大的超能电脑，最后花上了无尽的时间，只为了计算出人类给它的这个问题：圆周率。

这是我在阅读人类大历史这本书中读到的一篇故事，原文讨论的内容是算法程序对于人类的威胁；那些不断产生出来并且持续的在优化、改进，声称用以改善人类生活的算法软件，既使一开始创作者本身是完全出于良好善意，或是学术研究而建立的系统，最终仍可能会完全失控的造成毁灭性的结果。这个故事让我想起了Bitcoin等加密货币的挖矿程序算法，在过去一段时间以来对我们生活的冲击影响。还记得2017年加密货币正夯时，全球的挖矿热潮引爆的全民抢电疯，当时就有媒体报导指出，加密货币的挖矿机器将会导致社会大众无电可用，甚至有人传言，那年夏天的几次台电临时跳电事件，就是太多人在挖比特币造成的。

这篇文章，就是要来谈谈比特币挖矿背后的那个算法：加密哈希函数。

原本呢，我是计划在第二篇就开始进入程序开发的部分，只是我发现到，不先了解哈希函数的原理功能、或是留给读者自行google，会破坏这个系列文章的完整性，尤其是在实作内存块链的不可逆性、或是Key创建等功能，读者的感受与理解会有差异，所以还是决定，在进入开发区块链之前，写一篇文章来专门介绍哈希函数，尤其是其在密码学方面的应用

哈希函数应用在区块链的哪些地方？

1. 区块链透过哈希函数的结果，将数据串联成为一条难以篡改的连接

2. 比特币、以太币、瑞波币等电子加密货币（题外话，有人说要正名为密码货币），透过哈希函数产生钱包地址

3. 在加密货币挖矿（Mining）的世界，使用Hash Rate： TH/s（trillions of hashes per second）来计算区块链 network的运算能力

4. Bitcoin透过调整哈希函数的难度，控制整个Bitcoin network平均每10分钟产生一个block内存块。

那我们就开始来了解哈希函数算法吧

首先，哈希函数具有下列两项特点：

1. 无论传入（input）哈希函数的数据量大小，哈希函数回传的数据长度都是固定的相同的input，回传

2. 相同的output；不同的input，回传不同的output；

换句话说，哈希函数的回传结果（称之为hash value），是一个长度一致，但是数据内容却是独一无二（unique）的数值。所以，如果看到两个完全不一样的”hash value”，我们就可以推断其原始的input一定是不一样的；反之，两个相同的hash value，其原本的input值则会是一模一样的。

我们可以用Python内置的SHA-256 Hash Algorithm，展示一下上述的哈希函数特性

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’）

如果尚未安装Python，可以利用下面这个网址试试，看看将my 1st Bitcoin Hash后的值是不是和上图用Python跑出来的值（y1=后面的那串）是一样的：

https://anders.com/区块链/hash.html

加密哈希函数是哈希函数于密码学上的一项应用，上述的SHA-256就是一个加密哈希函数的实作产品。

哈希函数还有另一项特点：one-way（单向）function

以上述的Python程序为例，在已知input值=”my 1st Bitcoin”，透过sha256 function，可以快速的算出hash value=”a5e4c0673fcedff2bc2174123e97b511d5d17f4317869e7bd60d0a6d3d7fa1c6”；但反过来说，我们想从”a5e4c0673fcedff2bc2174123e97b511d5d17f4317869e7bd60d0a6d3d7fa1c6”这一串数据中反推出input的值：”my 1st Bitcoin”，唯一的方式是透过暴力解法，也就是不断地丢字串给sha256 function，直到得到hash value是一样时，也就是传入的input字串为”my 1st Bitcoin”时，才能得到答案。各位可以想像这猜中的机率是多低？如果你能一猜就中，那你也不用在这研究内存块链了，直接去买乐透比较快。

区块链透过上述哈希函数的三个特性，构架起了内存块链中的数据，只要一经写入就无法修改的独特功能。

各位可以到下面这个网址体验区块链如何透过哈希函数，紧密的连接起每一个Block内存块，并且坚固地保障了已经建立完成的Block区块，其内容是难以被窜改的。

https://anders.com/区块链/区块链.html

Base58编码

在文章前头，我们曾提到过哈希函数应用在加密货币钱包地址的例子，你可能在一些网站或Blog上，看到过这些乱码数字。实际应用上，部落客或是卖家，会提供一组很像乱码的Bitcoin addresses，让你可以支付比特币给对方；Bitcoin addresses，看起来似乎是一堆英数字的随机编码，但其中也是有特殊的设计：所有的Bitcoin addresses都是使用Base58进行编码。

解释Base58前，先来看看比较常见的，例如已经应用在Email上的电脑编码：Base64。Base64编码包含了26个小写英文字母、26个大写英文字母、10个阿拉伯数字（0~9），和两个特殊字元（+和 — ）。

Base58是Base64的子集合，提供一个较高可读性、和较容易发现和防范错误的编码格式，因此广为众多加密货币所使用。Base58剔除了容易辨识错误、或是在某些字体格式看起来十分类似的字元：数字0，大写的英文字母O，小写的英文字母l、大写的英文字母I，并且移除了特殊字元（+和 — ）。换句话说，Base58就是包含了大、小写英文字母，和阿拉伯数字，但移除了四个字元（0，O，l，I）的集合：

Bitcoin’s Base58 alphabet：

123456789ABCDEFGHJKLMNPQRSTUVWXYZabcdefghijkmnopqrstuvwxyz

Hashing Power

最后，如果对于Bitcoin Network hashing power有兴趣的读者，可以到下面这个网址查看Bitcoin网络的hash rate变化：

https://www.区块链.com/charts/hash-rate

粗略估算，Bitcoin network整体的hashing power，从2009年一秒钟不到一个MegaHash（MH/sec），如今一秒钟已经超过40个ExaHash（EH/sec），光用表面数字计算，成长幅度超过40兆。

HashPower的单位换算可参考下列网址

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

OK，我们已经透过两篇文章对内存块链有ㄧ定程度的基础了解了，该是动手写一个区块链程序的时候了。

在进入下一篇文章进行开发前，请各位先确定电脑的开发环境已经安装好下列Python版本和相关modules

· Python 3.6+

· flask 0.12.2

· requests 2.18.4

我另外使用了两个flask module，以建立表单和画面

· flask-wtf

· flask-bootstrap

上述modules皆可透过PIP安装

· pip install flask

· pip install requests

· pip install flask-wtf

· pip install flask-bootstrap

那，就先请各位准备好Python环境啦。