一分钟了解比特币：哈希函数

长假的最后一天，不知假期是否结束，甚至时隔几年回想起来，你还记得祖国70华诞那段日子吗？ 那时，你还觉得这七日有意义吗？ 除了国庆阅兵和几部值得一看的电影，如果你除了娱乐之外没有什么特别的回忆，不妨看看本系列文章，一分钟了解比特币，告诉大家你学到的最多热门比特币相关资讯 技术知识，是有深度和内涵的那种。

在上一篇文章的最后我们谈到了哈希函数。 今天我们将学习伽马函数、贝塞尔函数、误差函数和哈希函数。 哎呀，说这么多功能，你肯定会退出页面的。 今天只讲哈希函数。

哈希函数是一种只能在一个方向上计算的函数，它保证了区块链世界的清晰和安全。 这也意味着如果我们输入一个函数，我们可以计算出输出，但是给定输出是不可能反向计算输入的。 （从这个意义上说，此功能就像从私钥中获取公钥。）不过，我们现在不会讨论它背后的数学原理或它是如何工作的。 我们需要做的就是了解它的作用并将其视为魔术。

我们可以选择我们想要的散列函数的输出范围。 例如，我们可以使用从 0 到 9 的所有数字（但只能使用一个数字）、0 到 99、0 到 100 万或某个特定值，如 0 到 894。

为了更好地说明哈希函数的工作原理，我们可以假设哈希函数的范围是 0 到 9。无论我们输入什么，函数最终都会以 0 到 9 之间的数字结束。如果我们输入表情符号，它可能会得到 5。如果你输入 7859，你可能会得到 3。如果我们输入一篇文章，它可能会得到数字 7。

哈希函数总是会输出一个数字，但我们不知道为什么。 现在想象一下，我们的输入是一篇小说文本，但在文本末尾添加了一个额外的数字 7。 你可能会认为这个输入法最后输出的数字就是我们最后输入的，所以你最后可能会得到数字7，这样想就大错特错了。

在哈希函数中，输入和输出没有可预测的相关性。 这种无关性可以有效防止黑客攻击，因为输入和输出是无关的，逻辑上的漏洞是找不到的。

除了加密货币，散列函数还用于在集中式 Web 服务器上存储密码。 Web 数据库经常遭到黑客攻击，如果黑客设法破解数据库并读取每个人的密码，用户就会受到影响。

为了让用户更安全，几乎所有现代网站都会在将用户密码存储到数据库之前对其进行哈希处理。 这样一来，黑客就没有办法根据读取到数据库中的数字来推算出用户的密码了。 因为每一个哈希函数从输入到输出都是一个非常复杂的密码，基本上是无法破解的。 当黑客读取数字时，他看到的只是一系列不相关的随机数。

但是，每次用户登录时，服务器都能正确验证他们提供的密码是否真实。 因为服务器只接受正确的密码，再对密码做一次哈希函数，看是否与数据库中存储的哈希结果匹配。 在这种情况下，密码本身就是关键，获得“哈希”数对黑客来说毫无用处。

哈希函数猜谜游戏

在比特币中，我们选择奖励矿工发布区块的权利。 矿工可以通过哈希函数运行他们即将发布的区块，并输出给定​​范围内的数字。 然后矿工们有序的、格式化的使用格式化后的数据，并开辟一个地方存放少量无用的垃圾数据（称为“nonce”）。 这就像我们举办一场比赛，我们告诉玩家添加一两篇随机文章的文本，然后通过哈希函数运行它以找到与输出匹配的特定数字。

本质上，我们是在反向操作——给定哈希输出，矿工需要找到合适的输入。 但这不是不可能的吗？ 不可能以某种方式从输出中推断出输入。 那么随机猜测可能吗？

让我们回到我们的哈希函数的例子，它输出一个介于 0 和 9 之间的数字。想象一下，我们在玩一个文本输入哈希游戏，如果你用一些无意义的单词编辑文本，只要哈希达到 3，你可以获得奖励。 游戏很简单，因为从任何输入中得到 3 的概率是 1/10。 矿工只需平均尝试五种不同的输入即可获得奖励。

快速 MacBook 上的标准 CPU 每秒可以向哈希函数中插入 88,000 次猜测，因此实际上只需要几分之一秒就可以得到答案。

如果五十个人都用Macbooks参加挑战，他们的比赛持续一个小时左右，你可以用88000乘以60秒乘以60分钟的数字（假设有人可以做一个小时），然后再乘以五十人数来计算可能的数量。 可以看出hash函数的取值范围非常大：从0到(88000 * 60 * 60 * 50)，取值范围是0到15840000000，必须猜对才能获得奖励。

比特币使用非常大的数字来表示哈希函数的范围，所以即使玩家数量不断增长，玩家每天仍然需要 10 分钟来运行猜谜游戏。 一旦有人赢得比赛，他们编写的新区块就会在公众认可的情况下发布。

随着挖矿消耗越来越多的电力，比特币网络发生变化，根据计算前几个区块所花费的时间动态增加每个区块的“难度”。 显然不是中心化资源决定的，而是每个矿工通过自己的计算决定的。

比特币的价值越高，对它的需求越多，范围也越广，因此当有更多玩家加入时，必须确保“游戏”保持平等和广泛。

比特币并没有通过调整哈希函数的范围来改变游戏的难度，而是使用了一个固定的范围：2的256次方。不过，在比特币版本的挑战赛中，矿工并不意味着要匹配一个特定的数字，而是它们的哈希函数的输出必须在一定范围内。

调整截止值可以降低挑战的难度。 例如，如果我们有一个范围为1到1000万的哈希函数，我们可以将截止值设置为“2”，那么匹配的概率就是1000万分之一。 并且输出必须等于“1”才能使矿工获胜。 或者，我们可以将截止值设置为 500 万，这样人们在第一次尝试时就有 50% 的成功机会。

在比特币系统中，矿工一次就能解决问题的几率极低，远低于千万分之一，但考虑到奖金，还是有人会再坚持十分钟。

想一想：如果刮刮彩票足够多，即使买几百张哈希值btc，您个人的中奖几率也很低。 但是，只要有中奖票，就一定有人中奖。 这种确定性和随机性取代了中央权威。

把“链”放在区块链中

一旦矿工成功解决了上述难题，会发生什么？ 他们如何告诉其他玩家？ 如何让所有用户都接受这个新区块？ 简而言之：在这场比赛之后，我们如何才能确定一个确保比赛公平和清晰的清晰历史？

1. 每个区块必须包含前一个区块的哈希值

2. 最受矿工信任并持续在其上工作的最长区块链是规范链

总之，一旦一个新的、有效的区块在网络上发布，矿工们必须拿起这个新区块并将其放入他们的链中，然后立即开始从头开始挖掘一个新区块。 每个区块都必须包含前一个区块的哈希值，这确保了区块链不断更新。

假设此时的链长为 5 个区块（这是比特币创建后 50 分钟 - 每个区块 10 分钟）。 这意味着我们希望区块 6 包含区块 5 的哈希值。

但是，如果有人先于我们挖出第 6 个区块，那么我们在挖第 7 个区块时必须包含其他人的第 6 个区块哈希值。 我们不能一直在第 6 个区块上浪费时间，因为人们已经接受了 6 个区块是最长的链，如果我们不抓紧时间，很快就会有第 7 个区块。

这意味着如果我们希望它被接受和奖励，我们必须从头开始创建下一个块。 而这个过程的关键点在于，一个区块只有在引用它之前的另一个区块时才有效。 我们所说的“在另一个区块之上”挖矿的意思是确保区块相互连接。

如果同时发布两个区块怎么办？ 矿工会选择其中一条来挖顶，有可能在一段时间内，会有两条链相互竞争。 但是，在两条链中，一条会很快变得比另一条长，当另一条被抛弃时，这条链就会成为常态。

现在我们可以看到双重支出是不可能的：在一个给定的区块上发布了几个区块之后，该区块中的交易实际上被“掩埋”了，无法恢复或记录在支付历史中。 如果不撤销整个区块链，历史就无法撤销。

那么，你如何撤销整个区块链？ 事实上，只有当你消耗的电力超过其他所有人的总和时，你才有可能超越其他矿工。 这称为 51% 攻击，因为我们需要控制进入系统的 51% 的功率。 如果比特币有弱点，那就是比特币的弱点。 但是，只要不发生这种情况，系统就是安全的。 （这也是比特币网络被破坏的方式。如果一个参与者进行 51% 攻击，用一堆垃圾交易来逆转交易过程，系统将无法记录任何人的支付历史。）

但这并不是所有问题中最糟糕的：为了破坏区块链生态系统，参与者仍然需要消耗大量电力来尽快开采比特币以获取利润。 而且哈希值btc，谁想阻止（想想其他强大的竞争对手）都逃不掉，但值得庆幸的是，单个矿工的耗电量很难占区块链所有电力的 51%。

欢迎大家明天上班第一天阅读我们系列文章的最后一篇：每天一分钟，看懂比特币（系列五）《比特币为什么这么值钱》？ 如果你想带回十年前的东西，记得带上明天要发的文章。 也许今天你可以买到北京“N环N套房”和上海的黄浦江。

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本文哈希值：5b4aee4510b108687b04f6633b8b0e43fea9f6de

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