科普：哈希函數的過去、現在與未來_ASH

編者按：本文來自

以太坊愛好者

，作者：RaulJordan，翻譯&校對：閔敏&阿劍，Odaily星球日報經授權轉載。

哈希值和哈希函數的概念是初次入門區塊鏈的人常聽到的兩個關鍵詞，而且似乎對安全性來說特別關鍵。對于像比特幣和以太坊這樣由成千上萬的節點通過P2P方法組成的去中心化網絡來說，“免信任性”和驗證效率無疑是關鍵。也就是說，這些系統需要找到方法把信息編碼成緊湊的形式，同時讓參與者能夠安全快速地進行驗證。

比特幣和以太坊網絡所處理的主要內容叫做“區塊”，指的是由交易、時間戳和其他重要元數據所組成的數據結構。比特幣和以太坊網絡的安全性的關鍵一環是：它能將表達網絡全局狀態的大塊信息壓縮成一個簡短的消息。在有需要之時，我們可以高效地驗證這個消息的真實性。這個過程就是用哈希函數來完成的，而得到的結果就是哈希值。

-即使只更改輸入中的一個字符，最后得出的哈希值也會完全不同-

密碼學哈希廣泛應用于口令存儲和文件驗證系統。簡單來說，密碼學哈希函數是一種確定性的算法，不論輸入什么值，都能得到一個固定長度的字符串。也就是說，同一個輸入值始終對應同一個輸出值。

歐科云鏈集團正式啟動區塊鏈科普行動“星途計劃”:歐科云鏈集團于4月26日，正式宣布啟動了區塊鏈科普行動——“星途計劃”，行動包括將在全國范圍展開系列沙龍，加大力度推進區塊鏈科普進機關、進國企、進校園等，聯合政府部門、行業協會等共同構建起更加完善和有效的區塊鏈科普教育生態，與此同時，直擊區塊鏈科普現存痛點，推出簡單易懂的“秒懂區塊鏈”公益短視頻課。

該計劃旨在全維度推動社會建立對產業更清晰的認知，與“鯤鵬計劃”一道助力數字經濟及區塊鏈產業本身健康發展夯實“人才”和“產業認知”兩大基礎。[2021/4/26 20:59:37]

對哈希函數來說，重要的不僅是確定性：即使只更改輸入中的一個比特位，也會導致最終得到的哈希值截然不同。

哈希算法有一個無可回避的問題叫碰撞可能性。因為哈希值是固定長度的字符串，同一個哈希有可能對應多個輸入。碰撞會造成很嚴重的后果。如果有人能夠按需要發起碰撞攻擊，他就可以用恰當的哈希值將惡意文件或數據偽裝成合法的、能夠通過驗證的文件。好的哈希函數的設計目標是讓攻擊者極難找到方法來找出對應同一個哈希的不同輸入。

哈希計算的效率不應過高，以免讓攻擊者可以更簡單地人為計算出碰撞。哈希算法必須能夠抵御“原像攻擊”。也就是說，對于特定哈希值，攻擊者很難通過確定性計算步驟倒推出輸入值。

人大附中物理老師李永樂科普拜占庭將軍問題和區塊鏈:5月14日，人大附中物理老師、科普視頻網紅李永樂在其公眾號發布視頻《拜占庭將軍問題是什么？區塊鏈如何防范惡意節點？》。李永樂老師在視頻中對拜占庭將軍問題和區塊鏈進行了講解，他表示，拜占庭將軍問題本質上指的是，在分布式計算機網絡中，如果存在故障和惡意節點，是否能夠保持正常節點的網絡一致性問題。在近40年的時間里，人們提出了許多方案解決這一問題，稱為拜占庭容錯法。例如蘭波特自己提出了口頭協議、書面協議法，后來有人提出了實用拜占庭容錯PBFT算法，在2008年，中本聰發明比特幣后，人們又設想了通過區塊鏈的方法解決這一問題。區塊鏈通過算力證明來保持賬本的一致性，也就是必須計算數學題，才能得到記賬的權力，其他人對這個記賬結果進行驗證，如果是對的，就認可你的結果。與拜占庭問題比起來，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

假設s=hash(x)，倒推x應該是近乎不可能的。

總的來說，“好的”哈希算法需要具備以下3個特性：

更改輸入中的一個比特位會產生雪崩效應，導致最后得出的哈希值截然不同

出現哈希碰撞的概率非常低

動態 | 報告：區塊鏈等熱點詞促使童書科普百科類成交額同比增速最高:近日，京東圖書與艾瑞咨詢聯合發布了《2019中國圖書市場報告》。報告指出，AI、5G、區塊鏈、機器人、VR、智能家居、AR這些熱點詞，不斷點燃科技熱潮，科技在改變大眾生活的同時，也吸引了越來越多家長的關注，從小培養孩子對科技的興趣和熱愛。因此童書中科普百科類成交額同比增速最高，占比將近40%。[2020/1/8]

在無需犧牲抗碰撞性的前提下計算效率過得去

破解哈希算法

哈希算法的初始標準之一是MD5哈希。MD5哈希廣泛應用于文件完整性驗證，以及在網絡應用數據庫中存儲經過哈希計算的賬號口令。MD5的功能非常簡單，因為它會將每個輸入轉換成一個固定的128位字符串輸出，并通過多輪簡單的單向操作來計算確定性輸出。由于輸出值長度較短，操作又較為簡單，MD5很容易被破解，一種常見的攻擊方法叫生日攻擊。

“生日攻擊”是啥玩意？

你有沒有聽說過這樣一個事實？如果你將23個人放到一個房間里，其中兩個人生日相同的概率為50%。如果將70個人放到一個房間里，其中兩個人生日相同的概率高達99.9%。這就是我們所說的鴿籠原理，即，將100只鴿子裝進99個鴿籠，必然有兩只鴿子分享同一個鴿籠。也就是說，固定長度的輸出意味著所有輸入輸出組合中一定存在碰撞。

聲音 | CNBC主持人：加密貨幣最大的缺點之一就是難以向外行快速科普:CNBC主持人Ran NeuNer近期發推稱，加密貨幣最大的缺點之一就是很難向外行快速解釋。當人們要求我向他們解釋比特幣時，我知道他們至少需要一個小時才能真正理解。[2019/9/10]

-籠子不夠時，鴿子就會湊對-

事實上，MD5的抗碰撞性太差，以至于一臺家用2.4GHz奔騰處理器都能在幾秒內計算出哈希碰撞。此外，由于MD5在互聯網早期階段得到了廣泛應用，網絡上有大量MD5原像遭到泄漏，通過谷歌搜索它們的哈希值就能找到。

哈希算法的多樣性發展

源起：SHA1和SHA2

NSA是哈希算法標準的先驅。安全哈希算法是最早提出的標準，將輸出值的長度固定在160位。遺憾的是，SHA1只是在MD5的基礎上增加了輸出值長度、單向操作的次數和復雜度，但是并沒有作出能夠抵御更強大機器攻擊的根本性改進。

我們如何才能做得更好？

SHA3興起

在2006年，美國國家標準技術研究所舉辦了一場競賽，旨在找到一個本質上不同于SHA2的替代標準。因此，SHA3應運而生，它是KECCAK哈希算法的一種方案。

中科院自動化研究所將面向大中小學生開展區塊鏈等主題的科普講座:5月21日，新華網訊，今年，中國科學院自動化研究所將舉辦第十四屆“自動化之光”公眾科學開放日活動。屆時，自動化所將面向大中小學生分別開展《腦與智能》、《區塊鏈技術與平行智能》、《大數據時代的視覺智能》、《動畫真奇妙》等4個主題報告，用實例和生動的演示深入淺出地為大家揭示智能技術的原理和奧妙。[2018/5/21]

雖然SHA3在名稱上與SHA1和SHA2一脈相承，但是在本質上差異很大，因為它采用了一種名為海綿結構的機制。該機制使用隨機排列來吸收并輸出數據，同時為將來用于哈希算法的輸入值提供隨機性。

-KECCAK256海綿結構是如何進行輸入操作的-

SHA3的內部狀態相較于輸出值擁有更多信息，突破了以往算法的局限性。NIST于2015年正式認可了SHA3標準。

哈希計算和工作量證明

就整合進區塊鏈協議的哈希算法而言，比較早的比特幣選擇了SHA256，而以太坊采用了改進后的SHA3作為工作量證明算法。對于采用工作量證明的區塊鏈來說，選擇哈希函數的一大重要標準是哈希運算效率。

使用一類名為專用集成電路的硬件，我們可以大幅提高比特幣SHA256算法的哈希運算的效率。有很多文章已經闡述了礦池是如何利用ASIC的，以及ASIC是如何讓協議趨向于計算中心化的。也就是說，工作量證明會激勵計算效率較高的機器聚集成礦池，從而形成較大的哈希算力。

以太坊選擇的是改進后的SHA3算法。此外，以太坊的工作量證明算法Dagger-Hashimoto被設計成了內存密集型模式，計算硬件需要加大內存才能提高計算效率。

為什么比特幣采用雙重SHA256？

有趣的是，比特幣協議需要重復運行兩遍SHA256算法。請注意，這不是為了抵御生日攻擊，畢竟在hash(x)=hash(y)的情況下，hash(hash(x))=hash(hash(y))。雙重SHA256旨在抵御長度擴展攻擊。

從本質上來說，所謂的長度擴展攻擊，指的是如果惡意攻擊者知道了某個哈希輸入的長度，就可以在哈希值上添加一個秘密的字符串、欺騙哈希函數從其內部狀態的一個特定部分開始計算。作為SHA2算法家族的一員，SHA256也存在這一缺陷。因此，比特幣采取執行兩遍哈希計算的方式來解決這一缺陷。

Ethereum2.0和BLAKE

SHA3并非哈希算法競賽取得的唯一突破。雖然最終勝出的是SHA3，但是BLAKE算法緊隨其后，位居第二。對于以太坊2.0的分片實現來說，更高效的哈希算法可以說是一項功能性要求，研究團隊對此非常重視。BLAKE2b哈希算法是BLAKE算法的高度升級版本。與KECCAK256相比，BLAKE2b哈希算法在保持高度安全性的同時，在提升效率方面也進行了深入探索。

使用一臺現代CPU計算BLAKE2b的速度比計算KECCAK快了3倍。

哈希算法的前景展望

這么看來，無論我們做了什么，無非就是增加內部哈希操作的復雜度，或者增加哈希輸出值的長度，讓攻擊者的計算機無法足夠快地有效計算出碰撞。

我們依靠單向操作的原像模糊性來保護網絡的安全性。也就是說，哈希算法的安全性目標是在有無限多可能的沖突的情況下，讓找出哈希碰撞的難度盡可能高。

如果量子計算時代到來，哈希算法依然安全嗎？

就目前來看，答案是肯定的，哈希算法將經受時間的考驗，抵御量子計算。量子計算能夠解決的是那些嚴格按照某些小技巧或RSA加密理論打造底層結構的數學問題。另一方面，哈希算法的內部構造沒那么形式化。

量子計算機確實能夠提高哈希等非結構化問題的計算速度，但它們最終還是會像如今的計算機一樣采取暴力破解手段。

無論我們為協議選擇了哪種算法，我們顯然都在邁向計算高效化的未來。為此，我們必須慎重選擇最合適的工具，使之經受住時間的檢驗。

參考文獻

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