053 区块链技术 - 区块链技术细节 - 哈希算法

对于计算机来说，区块链就像一个单向链表，一个数据块中保存着三个信息。

真正的数据。
自己的地址（或是 ID）。
前一个数据块的地址。

这样，通过追溯前一个块的地址，把所有的数据块存成了一条链。所以，我们叫其 BlockChain。如下图所示。

每个数据块的 " 地址 " 的编码使用了计算机上的一个算法，计算机圈内人士把这个算法叫 Secure Hash。有人音译为 " 安全哈希 "，也有人意译为 " 安全散列 "。在计算机应用中，hash 算法主要有几个功能。

用来生成唯一标识一个数据块的 ID（身份证），这个 ID 几乎不能重复。
用来做数据的特征码。只要数据中一个 bit 的数据出现更改，那么整个 hash 值就完全不一样了。而且数据学上保证了，我们无法通过 hash 值反推回原数据。

于是，很多公司在互联网上发布信息或软件的时候，都会带上一个 Checksum（校验码）。你只要把整个文件的数据传入到那个特定的 hash 算法中，就会得到一串很长的字符串。如果和官方发布的 Checksum 字符串不一样，那么就说明信息或文件内容被人更改或是信息残缺了。因此，也被应用在 " 数字签名 " 中。

在计算机世界里，有两个很著名的 hash 算法，一个叫 MD5（Wikipedia 链接），一个叫 SHA-2（Wikipedia 链接），区块链用的是 SHA-256 这个算法。

下面是一个示例。

对 "chen hao" 这个信息计算 MD5 值得到 9824df83b2d35172ef5eb63a47a878eb（一个 16 进制数）。
如果对 “chen hao" 做一个字符的修改，将字母 "o" 改成数字 "0”，即 “chen ha0”，计算出来的 MD5 值就成了 d521ce0616359df7e16b20486b78d2a8。可以看到，这和之前的 MD5 值完全不一样了。

于是，我们就可以利用 hash 算法的这个特性来对数据做 " 数字签名 "。也就是说，我将 " 数据 " 和其 " 签名 "（hash 计算值）一起发布，这样可以让收到方来验证数据有没有被修改。

我们再来看上面那个区块链的图。

对于第一块数据，我们把其 " 数据集 " 和 " 前数据块的 hash 值 00000a6cba" 一起做 hash 值，得到本区块的地址 000007cabfa。然后，下一个区块会把自己的数据和 000007cabfa 一起做 hash，得到 000008acbed 这个哈希值……如此往复下去。

根据 " 被 hash 的数据中有一个 bit 被修改了，整个 hash 就完全不一样了 " 这个特性，我们知道：

如果前置数据块中的数据改了，那么其 hash 就会完全不一样了，也就是说你的 ID 或地址就变了，于是别人就找不到这个数据块了；
所以，你还要去修改别人数据块中指向你的地址，但是别人数据块中指向你的地址（ID/hash）变了，也会导致他自己的地址（ID/hash）随之变化。因为他用你的地址生成了自己的地址，这样一来，你就需要把其他人的地址全部改掉。

在这样的连锁反应下，你想要偷偷修改一个 bit 的难度一下就提高很多。所以，在区块链的世界里，越老的区块越安全也越不容易被人篡改，越新的区块越不安全也越容易被人篡改。

比特币的 hash 算法

下面我来简单介绍一下，比特币中区块链的一些细节。下图是区块链的协议格式。

其中 Version，Previous Block Hash，Merkle Root，Timestamp，Difficulty Target 和 Nonce 这六个数据字段是区块链的区块数据协议头。后面的数据是交易数据，分别是：本块中的交易笔数 H 和交易列表（最多不能超过 1MB，为什么是 1MB，后面会说）。

下面我来说一下区块头中的那六个字段的含义。

Version：当前区块链协议的版本号，4 个字节。如果升级了，这个版本号会变。
Previous Block Hash：前面那个区块的 hash 地址。32 个字节。
Merkle Root：这个字段可以简单理解为是后面交易信息的 hash 值（后面具体说明一下）。32 个字节。
Timestamp：区块生成的时间。这个时间不能早于前面 11 个区块的中位时间，不能晚于 " 网络协调时间 "——你所连接的所有结点时间的中位数。4 个字节。
Bits：也就是上图中的 Difficulty Tagrget，表明了当前的 hash 生成的难度（后面会说）。4 个字节。
Nonce：一个随机值，用于找到满足某个条件的 hash 值。4 字节。

对这六字段进行 hash 计算，就可以得到本区块的 hash 值，也就是其 ID 或是地址。其 hash 方式如下（对区块头做两次 SHA-256 的 hash 求值）：

SHA-256(SHA-256 (Block Header))

当然，事情并没有这么简单。比特币对这个 hash 值是有要求的，其要求是那个 Bits 字段控制的，然后你可以调整 Nonce 这个 32 位整型的值来找到符合条件的 hash 值。我们把这个事情叫做 " 挖矿 "（在下一篇中，我们会详细讲一下这个事）。

关于 Merkle Root

前面说到过，可以简单地将 Merkle Root 理解为交易的 hash 值。这里，我们具体说一下，比特币的 Merkle Root 是怎么计算出来的。

首先，我们知道，比特币的每一笔交易会有三个字段，一个是转出方，一个是转入方，还有一个是金额。那么，我们会对每个交易的这三个字段求 hash，然后把交易的 hash 做两两合并，再求其 hash，直到算出最后一个 hash 值，这就是我们的 Merkle Root。

我画了一个图展示一下这个过程。

上面的示意图中有四笔交易，A 和 B 的 hash 成了 Hash-AB， C 和 D 的 hash 成了 Hash-CD，然后再做 Hash-AB + Hash-CD 的 hash，得到了 Hash-ABCD，这就是 Merkle Root。整个过程就像一个 " 二叉树 " 一样。

下图是一个区块链的示意图，来自比特币的白皮书。

为什么要这样做呢？为什么不是把所有的交易都放在一起做一次 hash 呢？这不也可以让人无法篡改吗？这样做的好处是——我们把交易数据分成了若干个组。就像上面那个二叉树所表示的一样，我们可以不断地把这个树分成左边的分支和右边的分支，因为它们都被计算过 hash 值，所以可以很快地校验其中的内容有没有被修改过。

这至少带来三个好处。

大量的交易数据可以被分成各种尺寸的小组，这样有利于我们整合数据和校验数据。
这样的开销在存储和内存上并不大，然而我们可以提高校验一组数据的难易程度。
在 P2P 的无中心化网络上，我们可以把大量数据拆成一个一个小数据片传输，可以提高网络的传输速度。

最后，需要说一下的是，以太坊有三个不同的 Merkle Root 树。因为以太坊要玩智能合约，所以需要更多的 Merkle Root。

一个是用来做交易 hash 的 Merkle Root。
一个是用来表示状态 State 的。因为一个智能合同从初始状态走到最终状态需要有若干步（也就是若干笔交易），每一步都会让合同的状态发生变化，所以需要保存合同的状态。
还有一个是用来做交易收据的。主要是用来记录一个智能合约中最终发生的交易信息。在 StackExchange 上的问题 "Relationship between Transaction Trie and Receipts Trie" 中有相应的说明，你可以前往一看。

以太坊称其为 Merkle Patricia Tree（具体细节可参看其官方的 Wiki）。

比特币的交易模型

比特币区块中的交易数据，其实也是一个链。为了讲清楚这个链，我们需要了解一下比特币交易中的两个术语，一个是 input，一个是 output，也就是交易的支出方（input）和收入方（output）。

在比特币中，一个交易可以有多个 output，也就是说我可以把一笔钱汇给多个人，但一个 output 只能对应一个源的 input，还有一个条件就是，output 跟 input 的总数要吻合。

这里举个例子。假设，Fred 给了 Alice 2 个比特币，Ted 给了 Alice 3 个比特币，这个时候，Alice 有 5 个比特币。然而，大比特币的世界里是没有余额的，所以，对于 Alice 来说，她只有两个没有花出去的交易，一个是 2 个比特币，一个是 3 个比特币。这在比特币中叫 UTXO（Unspent Transaction Output）。

此时，如果 Alice 想要转给 Bob 4 个比特币，她发现自己的两个交易中都不够，也不能拆开之前的那两个比特币交易，那么她只能把交易 2 和交易 3 当成 input，然后把自己和 Bob 当成 output，Bob 分得 4 个，她自己分 1 个。这样的交易才平衡。

于是，一笔交易可能会包含大量的 Input 和 Output。因为比特币没有 " 余额 " 的概念，所以需要通过多个 input 来凑，然后 output 这边还需要给自己 " 找零 "，给矿工 " 小费 "。

这样一来，在比特币交易中，交易会开成一个链，也就是你把钱给了我，我又给了张三，张三给了李四……就这样传递下去，形成了一个交易链。因为还没有花出去，所以就成了 UTXO，而系统计算你有没有钱可以汇出去时，只需要查看一下你的 UTXO 就可以了。

(图片来源：https://bitcoin.org/en/developer-guide )

UTXO 因为没有账户和余额的概念，所以可以并行进行多笔交易。假如你有多个 UTXO，你可以进行多笔交易而不需要并行锁。然后其还有匿名性的特征，你可以隐藏自己的交易目的地（通过设置的多个 output），而且没有余额意味着是没有状态的。要知道你有多少个比特币，只需要把 UTXO 的交易记录统计一下就可以知道了。但这也让人比较费解，而且也不利于应用上的开发。以太坊则使用了余额的方式。

在这篇文章中，我先讲述了什么是区块链？它是如何得名的，它的核心原理是什么。随后分享了比特币的 hash 算法，以及 Merkle Root 是如何计算出来的。最后，介绍了比特币的交易模型。希望对你有帮助。（这篇文章中图片很多，很难用音频体现出来，所以没有录制音频，还望谅解。）