既然云云，为什么要称它为加密货币呢？
在回覆这个问题之前，我们先来学习密码学的两个手艺：哈希、署名。
哈希
简朴来说，哈希就是把随便长度的输入值，通过散列算法（哈希函数）盘算出牢固长度的哈希值。假设哈希函数为 H，输入值为 m，哈希值为 Digest.
哈希常被应用于存储和查找，我们对要存储的信息做一次哈希，然后将哈希值作为存储地址。这样以后要查找这条信息的时刻，只要再算一次哈希，就能快速查找到它的存储地址。
两个性子
比特币和哈希有什么关系？
首先我们要领会哈希函数的两个性子：
-
Collision Resistance -
Hiding
Collision Resistance
即：哈希很难碰撞。
现有哈希函数 H，这就叫哈希碰撞。
为什么会发生哈希碰撞？
前面提到，哈希是把随便长度的输入值，通过哈希函数盘算出牢固长度的哈希值。
譬喻说，我们天生的哈希值是 256 位，那么：
-
输出空间是虽然很大，但照样一个有限的数字 -
输入空间却是无限大的（随便长度）
以是理论上，由于输入空间大于输出空间，以是一定是存在哈希碰撞的。
发生碰撞的概率有多大？
设 d 是输出空间，n 是碰撞次数，那么不碰撞的概率为：
然而，现在人们寻找哈希碰撞的方式照样 brute force（暴力图解）。但这事情量异常大，在现实中是不能行的。虽然，有一些哈希函数已经被破解了，好比 md5。
在比特币中的作用
区块链的每个区块，都纪录着上一个区块信息的哈希值。
由于哈希碰撞的概率异常小，也就是若是某个区块上的信息发生了转变，那么盘算出的哈希值一定也会变。以是，若是区块被改动，下个区块的信息也会变，下下个区块的信息也会变，环环相扣。
牵一发而动全身，这可不行。这就保证了区块链的 “不能改动”。
其它应用场景
现在有一个需求：
往服务器存文件，良久之后再下载回来，怎么保证服务器上的文件不会被人改动？
很简朴。我们只要把文件内容的哈希值存在内陆，究竟哈希值只是一个字符串，占不了若干空间。然后下载文件的时刻，重新盘算哈希值，并与内陆的哈希值举行对比，若是相同，就代表没有被改动。
Hiding
即：哈希具有隐匿性。
哈希历程不能逆
我们有一个输入值 m，就可以快速通过哈希函数求得哈希值。然则我们若是只知道哈希值，是无法倒推 m 的，这就是哈希历程的不能逆性。
换句话说，哈希值不会泄露输入值，这保证了平安性。上面说过，我们只能通过暴力图解，遍历所有的输入，直到找到相同的哈希值，才气找到这个输入值，成本异常高。
两个应用
基于以上 2 个性子（碰撞难、不能逆），再来先容 2 个应用：
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Digital Commitment -
Puzzle Friend
Digital Commitment
即：数字准许。这是什么呢？
有个大神，说自己可以展望股市，怎么证实他的展望是否准确呢？
一种方式是，让他提前一天宣布展望效果，等到第二天看看就能验证了。但这有一个问题：由于他是大神，以是若是提前果然，一定会影响市场情绪。也就是说，展望效果不能提前果然。
若是要他提前展望，却不能提前果然，那怎么才气保证这个展望一直没有被改动呢？于是我们就让大神把展望提前写在一个信封里，放到公证机构，等到第二天再打开看效果。
但着实在密码学中，这就是一次哈希。我们可以把大神的展望算出哈希值（写入信封），然后果然这个哈希值（放到公正机构）。这时刻，人人并不能通过哈希值来倒推大神的展望（不能逆），第二天等股市收盘后大神再果然自己的展望，只要这个展望的哈希值和之前果然的哈希值相等，就能保证没被篡悔改。
加一个随机数
股票的数目一共就几千只，哈希函数的输入空间很小，人们很容易通过暴力图解出大神的展望，这就相当于 “信封” 可能会被人偷看。针对这个问题，常用的方式是在展望内容（输入值）的后面拼接一个随机数（nonce），即 。
这样一来，第二天大神只要宣布展望效果和随机数，人人就可以举行验证了。
Puzzle Friend
还可以玩猜谜游戏（puzzle）。
游戏规则
我们已经知道，通过哈希值去求解输入值，只能暴力碰撞，这是异常难题的。那我们不妨就降低一点难度，只要哈希值落在某个局限之内就行了，这样难度总小一些了吧？
好比说，若是哈希值的前 k 位都是 0，就算知足要求。我们称这个 k 为游戏难度，假设难度是 k=6，那么谁先找到一个输入值 m，使得 H(m) = 000000…（开头至少 6 个零），就胜出。
什么样的输入值可以算出这样的哈希值呢？没有捷径，只能大量地去试。
Proof of Work
现实上，这个游戏在比特币中，就是赫赫**的——挖矿！
比特币区块链的每个区块头（header）除了包罗一些区块信息，还包罗一个随机数（nonce），这个 nonce 就是挖矿的人们通过 “游戏竞赛” 的方式得出的。
谁先找到一个 nonce，然后把这个 nonce 和 header 里的其它信息拼在一起作为输入值做一次哈希，若是哈希值知足条件，就胜出（获得打包区块的权力），并可以把自己辛劳算出来的 nonce 写入区块头。
只要有人找到这个 nonce 并公布出去，其他人验证是很简朴的，只需要盘算哈希值是否知足条件就行了，由于举行一次哈希运算是异常快的，即 difficult to SOLve，but easy to verify。
以是挖矿就是一直地去试随机数，直到找到知足条件的为止。一样平常来说，谁的事情量对照大（试得多），谁就更有可能胜出，以是这个历程又被称为事情量证实（Proof of Work），即 POW。
其中，比特币用的哈希算法是 SHA256（Secure Hash Algorithm），知足以上性子。
环保问题
比特币通过 POW 机制来维持整个区块链系统，这也使介入挖矿的人必须不停提高自己的算力，甚至泛起了全职矿工、大矿场。人人没日没夜地盘算着，耗电量伟大。
从这个角度来看，比特币的区块链系统似乎是不太环保的。
署名
讲完哈希，我们再看看另一个手艺：数字署名。
我们在一样平常生涯中，若是想开户，只要带上证件去银行解决即可，这是中心化。
但比特币中，我们自己就可以完成开户，不需要任何人的批准，这就是去中心化。
历程很简朴，只要确立一对公钥（public key）和私钥（private key）就好了。
有了一对公钥和私钥，能做两件事：
-
加密解密 -
署名验证
加密解密
着实最早的时刻，只有对称加密，即加密息争密都用的统一个秘钥。这有一个条件，就是必须有一个平安的渠道来分发秘钥，这异常不利便，也是对称加密**的弱点。
厥后人们发现了非对称加密，即天生一对公钥和私钥，加密用公钥，解密用私钥。公钥是果然的，任何人可以获取公钥，然后把信息加密后再传给服务器。服务器收到信息后，通过私钥来解密。
由于私钥是保密的，只被保管在服务器端，以是其他人无法解密信息。纵然有人在中途截获信息举行改动（加密后的信息），服务器收到后一定也就解不出来了，就会放弃这个信息并报错。
署名验证
开头提到，比特币区块链上的生意内容是不加密的，那我们要公钥和私钥干嘛？
和上面反一下，加密用私钥，解密用公钥，就可以用来做署名验证。
我先把我的公钥发给人人，然后用我的私钥来加密一条信息，并把加密后的信息发出去。人人收到后，只要用我的公钥去解密，若是能解出来，就能验证这条信息是我发的。
在比特币中，我提议的转账会先用自己的私钥做署名，然后再广播出去，这样人人就可以用我的公钥来验证这条操作确实是我本人提议的。
以是，若是你正在投资比特币，一定要珍爱好私钥！
另外，在天生公钥和私钥的时刻，需要一个好的随机源（a good source of randomness），否则前面的分析就不确立了。在比特币系统中，不仅在发生公钥和私钥的时刻需要好的随机源，在署名的时刻也需要一个好的随机源，否则就容易泄露私钥。
比特币的署名，一样平常是先对信息举行哈希（随机源），再对哈希值署名。
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又有比特幣ETF通關?? 可望加速美國SEC放行!!
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文章标题：比特币中的密码学原理
文章链接：https://www.btchangqing.cn/220694.html
更新时间：2021年03月29日
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