傳說(shuō)，在人類(lèi)成功打造出第一臺(tái)超級(jí)智能電腦之時(shí)，決定做一個(gè)小測(cè)驗(yàn)，來(lái)試試看這臺(tái)超級(jí)電腦的能耐到底能到多少？實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單：讓超級(jí)電腦計(jì)算圓周率是多少。于是，在人們還沒(méi)反應(yīng)出來(lái)的一瞬間，這臺(tái)超能電腦已經(jīng)攻占整個(gè)地球，然后對(duì)外太空發(fā)動(dòng)了戰(zhàn)爭(zhēng)，征服整個(gè)銀河系，把整個(gè)可知的宇宙空間變成了巨大的超能電腦，最后花上了無(wú)盡的時(shí)間，只為了計(jì)算出人類(lèi)給它的這個(gè)問(wèn)題：圓周率。

這是我在閱讀人類(lèi)大歷史這本書(shū)中讀到的一篇故事，原文討論的內(nèi)容是算法程序?qū)τ谌祟?lèi)的威脅；那些不斷產(chǎn)生出來(lái)并且持續(xù)的在優(yōu)化、改進(jìn)，聲稱用以改善人類(lèi)生活的算法軟件，既使一開(kāi)始創(chuàng)作者本身是完全出于良好善意，或是學(xué)術(shù)研究而建立的系統(tǒng)，最終仍可能會(huì)完全失控的造成毀滅性的結(jié)果。這個(gè)故事讓我想起了Bitcoin等加密貨幣的挖礦程序算法，在過(guò)去一段時(shí)間以來(lái)對(duì)我們生活的沖擊影響。還記得2017年加密貨幣正夯時(shí)，全球的挖礦熱潮引爆的全民搶電瘋，當(dāng)時(shí)就有媒體報(bào)導(dǎo)指出，加密貨幣的挖礦機(jī)器將會(huì)導(dǎo)致社會(huì)大眾無(wú)電可用，甚至有人傳言，那年夏天的幾次臺(tái)電臨時(shí)跳電事件，就是太多人在挖比特幣造成的。

這篇文章，就是要來(lái)談?wù)劚忍貛磐诘V背后的那個(gè)算法：加密哈希函數(shù)。

原本呢，我是計(jì)劃在第二篇就開(kāi)始進(jìn)入程序開(kāi)發(fā)的部分，只是我發(fā)現(xiàn)到，不先了解哈希函數(shù)的原理功能、或是留給讀者自行g(shù)oogle，會(huì)破壞這個(gè)系列文章的完整性，尤其是在實(shí)作內(nèi)存塊鏈的不可逆性、或是Key創(chuàng)建等功能，讀者的感受與理解會(huì)有差異，所以還是決定，在進(jìn)入開(kāi)發(fā)區(qū)塊鏈之前，寫(xiě)一篇文章來(lái)專門(mén)介紹哈希函數(shù)，尤其是其在密碼學(xué)方面的應(yīng)用

哈希函數(shù)應(yīng)用在區(qū)塊鏈的哪些地方？

1. 區(qū)塊鏈透過(guò)哈希函數(shù)的結(jié)果，將數(shù)據(jù)串聯(lián)成為一條難以篡改的連接

2. 比特幣、以太幣、瑞波幣等電子加密貨幣（題外話，有人說(shuō)要正名為密碼貨幣），透過(guò)哈希函數(shù)產(chǎn)生錢(qián)包地址

3. 在加密貨幣挖礦（Mining）的世界，使用Hash Rate： TH/s（trillions of hashes per second）來(lái)計(jì)算區(qū)塊鏈 network的運(yùn)算能力

4. Bitcoin透過(guò)調(diào)整哈希函數(shù)的難度，控制整個(gè)Bitcoin network平均每10分鐘產(chǎn)生一個(gè)block內(nèi)存塊。

那我們就開(kāi)始來(lái)了解哈希函數(shù)算法吧

首先，哈希函數(shù)具有下列兩項(xiàng)特點(diǎn)：

1. 無(wú)論傳入（input）哈希函數(shù)的數(shù)據(jù)量大小，哈希函數(shù)回傳的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度都是固定的相同的input，回傳

2. 相同的output；不同的input，回傳不同的output；

換句話說(shuō)，哈希函數(shù)的回傳結(jié)果（稱之為hash value），是一個(gè)長(zhǎng)度一致，但是數(shù)據(jù)內(nèi)容卻是獨(dú)一無(wú)二（unique）的數(shù)值。所以，如果看到兩個(gè)完全不一樣的”hash value”，我們就可以推斷其原始的input一定是不一樣的；反之，兩個(gè)相同的hash value，其原本的input值則會(huì)是一模一樣的。

我們可以用Python內(nèi)置的SHA-256 Hash Algorithm，展示一下上述的哈希函數(shù)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’）

如果尚未安裝Python，可以利用下面這個(gè)網(wǎng)址試試，看看將my 1st Bitcoin Hash后的值是不是和上圖用Python跑出來(lái)的值（y1=后面的那串）是一樣的：

https://anders.com/區(qū)塊鏈/hash.html

加密哈希函數(shù)是哈希函數(shù)于密碼學(xué)上的一項(xiàng)應(yīng)用，上述的SHA-256就是一個(gè)加密哈希函數(shù)的實(shí)作產(chǎn)品。

哈希函數(shù)還有另一項(xiàng)特點(diǎn)：one-way（單向）function

以上述的Python程序?yàn)槔谝阎猧nput值=”my 1st Bitcoin”，透過(guò)sha256 function，可以快速的算出hash value=”a5e4c0673fcedff2bc2174123e97b511d5d17f4317869e7bd60d0a6d3d7fa1c6”；但反過(guò)來(lái)說(shuō)，我們想從”a5e4c0673fcedff2bc2174123e97b511d5d17f4317869e7bd60d0a6d3d7fa1c6”這一串?dāng)?shù)據(jù)中反推出input的值：”my 1st Bitcoin”，唯一的方式是透過(guò)暴力解法，也就是不斷地丟字串給sha256 function，直到得到hash value是一樣時(shí)，也就是傳入的input字串為”my 1st Bitcoin”時(shí)，才能得到答案。各位可以想像這猜中的機(jī)率是多低？如果你能一猜就中，那你也不用在這研究?jī)?nèi)存塊鏈了，直接去買(mǎi)樂(lè)透比較快。

區(qū)塊鏈透過(guò)上述哈希函數(shù)的三個(gè)特性，構(gòu)架起了內(nèi)存塊鏈中的數(shù)據(jù)，只要一經(jīng)寫(xiě)入就無(wú)法修改的獨(dú)特功能。

各位可以到下面這個(gè)網(wǎng)址體驗(yàn)區(qū)塊鏈如何透過(guò)哈希函數(shù)，緊密的連接起每一個(gè)Block內(nèi)存塊，并且堅(jiān)固地保障了已經(jīng)建立完成的Block區(qū)塊，其內(nèi)容是難以被竄改的。

https://anders.com/區(qū)塊鏈/區(qū)塊鏈.html

Base58編碼

在文章前頭，我們?cè)岬竭^(guò)哈希函數(shù)應(yīng)用在加密貨幣錢(qián)包地址的例子，你可能在一些網(wǎng)站或Blog上，看到過(guò)這些亂碼數(shù)字。實(shí)際應(yīng)用上，部落客或是賣(mài)家，會(huì)提供一組很像亂碼的Bitcoin addresses，讓你可以支付比特幣給對(duì)方；Bitcoin addresses，看起來(lái)似乎是一堆英數(shù)字的隨機(jī)編碼，但其中也是有特殊的設(shè)計(jì)：所有的Bitcoin addresses都是使用Base58進(jìn)行編碼。

解釋Base58前，先來(lái)看看比較常見(jiàn)的，例如已經(jīng)應(yīng)用在Email上的電腦編碼：Base64。Base64編碼包含了26個(gè)小寫(xiě)英文字母、26個(gè)大寫(xiě)英文字母、10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字（0~9），和兩個(gè)特殊字元（+和?—?）。

Base58是Base64的子集合，提供一個(gè)較高可讀性、和較容易發(fā)現(xiàn)和防范錯(cuò)誤的編碼格式，因此廣為眾多加密貨幣所使用。Base58剔除了容易辨識(shí)錯(cuò)誤、或是在某些字體格式看起來(lái)十分類(lèi)似的字元：數(shù)字0，大寫(xiě)的英文字母O，小寫(xiě)的英文字母l、大寫(xiě)的英文字母I，并且移除了特殊字元（+和?—?）。換句話說(shuō)，Base58就是包含了大、小寫(xiě)英文字母，和阿拉伯?dāng)?shù)字，但移除了四個(gè)字元（0，O，l，I）的集合：

Bitcoin’s Base58 alphabet：

123456789ABCDEFGHJKLMNPQRSTUVWXYZabcdefghijkmnopqrstuvwxyz

Hashing Power

最后，如果對(duì)于Bitcoin Network hashing power有興趣的讀者，可以到下面這個(gè)網(wǎng)址查看Bitcoin網(wǎng)絡(luò)的hash rate變化：

https://www.區(qū)塊鏈.com/charts/hash-rate

粗略估算，Bitcoin network整體的hashing power，從2009年一秒鐘不到一個(gè)MegaHash（MH/sec），如今一秒鐘已經(jīng)超過(guò)40個(gè)ExaHash（EH/sec），光用表面數(shù)字計(jì)算，成長(zhǎng)幅度超過(guò)40兆。

HashPower的單位換算可參考下列網(wǎng)址

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

OK，我們已經(jīng)透過(guò)兩篇文章對(duì)內(nèi)存塊鏈有ㄧ定程度的基礎(chǔ)了解了，該是動(dòng)手寫(xiě)一個(gè)區(qū)塊鏈程序的時(shí)候了。

在進(jìn)入下一篇文章進(jìn)行開(kāi)發(fā)前，請(qǐng)各位先確定電腦的開(kāi)發(fā)環(huán)境已經(jīng)安裝好下列Python版本和相關(guān)modules

· Python 3.6+

· flask 0.12.2

· requests 2.18.4

我另外使用了兩個(gè)flask module，以建立表單和畫(huà)面

· flask-wtf

· flask-bootstrap

上述modules皆可透過(guò)PIP安裝

· pip install flask

· pip install requests

· pip install flask-wtf

· pip install flask-bootstrap

那，就先請(qǐng)各位準(zhǔn)備好Python環(huán)境啦。