哈希256加密原理

① 公钥、私钥、哈希、加密算法基础概念

生活中我们对文件要签名，签名的字迹每个人不一样，确保了独特性，当然这还会有模仿，那么对于重要文件再加盖个手印，指纹是独一无二的，保证了这份文件是我们个人所签署的。

那么在区块链世界里，对应的就是数字签名，数字签名涉及到公钥、私钥、哈希、加密算法这些基础概念。

首先加密算法分为对称加密算法、非对称加密算法、哈希函数加密算法三类。

所谓非对称加密算法，是指加密和解密用到的公钥和私钥是不同的，非对称加密算法依赖于求解一数学问题困难而验证一数学问题简单。

非对称加密系统，加密的称为公钥，解密的称为私钥，公钥加密，私钥解密、私钥签名，公钥验证。

比特币加密算法一共有两类：非对称加密算法（椭圆曲线加密算法）和哈希算法（SHA256，RIMPED160算法）

举一个例子来说明这个加密的过程：A给B发一个文件，B怎么知道他接收的文件是A发的原始文件？

A可以这样做，先对文件进行摘要处理（又称Hash，常见的哈希算法有MD5、SHA等）得到一串摘要信息，然后用自己的私钥将摘要信息加密同文件发给B，B收到加密串和文件后，再用A的公钥来解密加密串，得到原始文件的摘要信息，与此同时，对接收到的文件进行摘要处理，然后两个摘要信息进行对比，如果自己算出的摘要信息与收到的摘要信息一致，说明文件是A发过来的原始文件，没有被篡改。否则，就是被改过的。

数字签名有两个作用：
一是能确定消息确实是由发送方签名并发出来的；
二是数字签名能确定消息的完整性。

私钥用来创建一个数字签名，公钥用来让其他人核对私人密钥，
而数字签名做为一个媒介，证明你拥有密码，同时并不要求你将密码展示出来。

以下为概念的定义：

哈希（Hash）:
二进制输入数据的一种数字指纹。
它是一种函数，通过它可以把任何数字或者字符串输入转化成一个固定长度的输出，它是单向输出，即非常难通过反向推导出输入值。
举一个简单的哈希函数的例子，比如数字17202的平方根是131.15639519291463，通过一个简单的哈希函数的输出，它给出这个计算结果的后面几位小数，如后几位的9291463，通过结果9291463我们几乎不可能推算出它是哪个输入值的输出。
现代加密哈希比如像SHA-256，比上面这个例子要复杂的多，相应它的安全性也更高，哈希用于指代这样一个函数的输出值。

私钥（Private key）:
用来解锁对应（钱包）地址的一串字符，例如+。

公钥（Public keycryptography）：
加密系统是一种加密手段，它的每一个私钥都有一个相对应的公钥，从公钥我们不能推算出私钥，并且被用其中一个密钥加密了的数据，可以被另外一个相对应的密钥解密。这套系统使得你可以先公布一个公钥给所有人，然后所有人就可以发送加密后的信息给你，而不需要预先交换密钥。

数字签名（Digital signature）：
Digital signature数字签名是这样一个东西，它可以被附着在一条消息后面，证明这条消息的发送者就是和某个公钥相对应的一个私钥的所有人，同时可以保证私钥的秘密性。某人在检查签名的时候，将会使用公钥来解密被加密了的哈希值（译者注：这个哈希值是数据通过哈希运算得到的），并检查结果是否和这条信息的哈希值相吻合。如果信息被改动过，或者私钥是错误的话，哈希值就不会匹配。在比特币网络以外的世界，签名常常用于验证信息发送者的身份 – 人们公布他们自己的公钥，然后发送可以被公钥所验证的，已经通过私钥加密过的信息。

加密算法（encryption algorithm）：
是一个函数，它使用一个加密钥匙，把一条信息转化成一串不可阅读的看似随机的字符串，这个流程是不可逆的，除非是知道私钥匙的人来操作。加密使得私密数据通过公共的因特网传输的时候不需要冒严重的被第三方知道传输的内容的风险。

哈希算法的大致加密流程
1、对原文进行补充和分割处理（一般分给为多个512位的文本，并进一步分割为16个32位的整数）。
2、初始化哈希值（一般分割为多个32位整数，例如SHA256就是256位的哈希值分解成8个32位整数）。
3、对哈希值进行计算（依赖于不同算法进行不同轮数的计算，每个512位文本都要经过这些轮数的计算）。

区块链中每一个数据块中包含了一次网络交易的信息，产生相关联数据块所使用的就是非对称加密技术。非对密加密技术的作用是验证信息的有效性和生成下一个区块，区块链上网络交易的信息是公开透明的，但是用户的身份信息是被高度加密的，只有经过用户授权，区块链才能得到该身份信息，从而保证了数据的安生性和个人信息的隐私性。

公钥和私钥在非对称加密机制里是成对存在的，公钥和私钥可以去相互验证对方，那么在比特币的世界里面，我们可以把地址理解为公钥，可以把签名、输密码的过程理解为私钥的签名。
每个矿工在拿到一笔转账交易时候都可以验证公钥和私钥到底是不是匹配的，如果他们是匹配的，这笔交易就是合法的，这样每一个人只需要保管好TA自己的私钥，知道自己的比特币地址和对方的比特币地址就能够安全的将比特币进行转账，不需要一个中心化的机构来验证对方发的比特币是不是真的。

② 哈希加密算法

MD5即Message-Digest Algorithm 5（信息摘要算法5），是计算机广泛使用的散列算法之一。经MD2、MD3和MD4发展而来，诞生于20世纪90年代初。用于确保信息传输完整一致。虽然已被破解，但仍然具有较好的安全性，加之可以免费使用，所以仍广泛运用于数字签名、文件完整性验证以及口令加密等领域。

算法原理：

散列算法得到的结果位数是有限的，比如MD5算法计算出的结果字长为128位，意味着只要我们穷举2^128次，就肯定能得到一组碰撞，下面让我们来看看一个真实的碰撞案例。我们之所以说MD5过时，是因为它在某些时候已经很难表现出散列算法的某些优势——比如在应对文件的微小修改时，散列算法得到的指纹结果应当有显着的不同，而下面的程序说明了MD5并不能实现这一点。

而诸如此类的碰撞案例还有很多，上面只是原始文件相对较小的一个例子。事实上现在我们用智能手机只要数秒就能找到MD5的一个碰撞案例，因此，MD5在数年前就已经不被推荐作为应用中的散列算法方案，取代它的是SHA家族算法，也就是安全散列算法（Secure Hash Algorithm，缩写为SHA）。

SHA实际包括有一系列算法，分别是SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384以及SHA-512。而我们所说的SHA2实际是对后面4中的统称。各种SHA算法的数据比较如下表，其中的长度单位均为位：

MD5和SHA1，它们都有4个逻辑函数，而在SHA2的一系列算法中都采用了6个逻辑函数。
以SHA-1为例，算法包括有如下的处理过程：

和MD5处理输入方式相同

经过添加位数处理的明文，其长度正好为512位的整数倍，然后按512位的长度进行分组，可以得到一定数量的明文分组，我们用Y ₀ ，Y ₁ ，……Y _N-1 表示这些明文分组。对于每一个明文分组，都要重复反复的处理，这些与MD5都是相同的。

而对于每个512位的明文分组，SHA1将其再分成16份更小的明文分组，称为子明文分组，每个子明文分组为32位，我们且使用M[t]（t= 0, 1,……15）来表示这16个子明文分组。然后需要将这16个子明文分组扩充到80个子明文分组，我们将其记为W[t]（t= 0, 1,……79），扩充的具体方法是：当0≤t≤15时，Wt = Mt；当16≤t≤79时，Wt = ( W _t-3 ⊕ W _t-8 ⊕ W _t-14 ⊕ W _t-16 ) <<< 1，从而得到80个子明文分组。

所谓初始化缓存就是为链接变量赋初值。前面我们实现MD5算法时，说过由于摘要是128位，以32位为计算单位，所以需要4个链接变量。同样SHA-1采用160位的信息摘要，也以32位为计算长度，就需要5个链接变量。我们记为A、B、C、D、E。其初始赋值分别为：A = 0x67452301、B = 0xEFCDAB89、C = 0x98BADCFE、D = 0x10325476、E = 0xC3D2E1F0。

如果我们对比前面说过的MD5算法就会发现，前4个链接变量的初始值是一样的，因为它们本来就是同源的。

经过前面的准备，接下来就是计算信息摘要了。SHA1有4轮运算，每一轮包括20个步骤，一共80步，最终产生160位的信息摘要，这160位的摘要存放在5个32位的链接变量中。

在SHA1的4论运算中，虽然进行的就具体操作函数不同，但逻辑过程却是一致的。首先，定义5个变量，假设为H0、H1、H2、H3、H4，对其分别进行如下操作：

（A）、将A左移5为与 函数的结果求和，再与对应的子明文分组、E以及计算常数求和后的结果赋予H0。

（B）、将A的值赋予H1。

（C）、将B左移30位，并赋予H2。

（D）、将C的值赋予H3。

（E）、将D的值赋予H4。

（F）、最后将H0、H1、H2、H3、H4的值分别赋予A、B、C、D

这一过程表示如下：

而在4轮80步的计算中使用到的函数和固定常数如下表所示：

经过4轮80步计算后得到的结果，再与各链接变量的初始值求和，就得到了我们最终的信息摘要。而对于有多个明文分组的，则将前面所得到的结果作为初始值进行下一明文分组的计算，最终计算全部的明文分组就得到了最终的结果。

③ 哈希算法原理和用途

(3)哈希256加密原理扩展阅读

Hash算法的特点：

易压缩：对于任意大小的输入x，Hash值的长度很小，在实际应用中，函数H产生的Hash值其长度是固定的。

易计算：对于任意给定的消息，计算其Hash值比较容易。

单向性：对于给定的Hash值，要找到使得在计算上是不可行的，即求Hash的逆很困难。在给定某个哈希函数H和哈希值H（M）的情况下，得出M在计算上是不可行的。即从哈希输出无法倒推输入的原始数值。这是哈希函数安全性的基础。

抗碰撞性：理想的Hash函数是无碰撞的，但在实际算法的.设计中很难做到这一点。

有两种抗碰撞性：一种是弱抗碰撞性，即对于给定的消息，要发现另一个消息，满足在计算上是不可行的；另一种是强抗碰撞性，即对于任意一对不同的消息，使得在计算上也是不可行的。

高灵敏性：这是从比特位角度出发的，指的是1比特位的输入变化会造成1/2的比特位发生变化。消息M的任何改变都会导致哈希值H（M）发生改变。即如果输入有微小不同，哈希运算后的输出一定不同。

④ 什么是安全散列算法SHA256

安全散列算法SHA（Secure Hash Algorithm）是美国国家安全局 （NSA） 设计，美国国家标准与技术研究院（NIST） 发布的一系列密码散列函数，包括 SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384 和 SHA-512 等变体。主要适用于数字签名标准（DigitalSignature Standard DSS）里面定义的数字签名算法（Digital Signature Algorithm DSA）。下面以 SHA-1为例，介绍该算法计算消息摘要的原理。
对于长度小于2^64位的消息，SHA1会产生一个160位的消息摘要。当接收到消息的时候，这个消息摘要可以用来验证数据的完整性。在传输的过程中，数据很可能会发生变化，那么这时候就会产生不同的消息摘要。
SHA1有如下特性：不可以从消息摘要中复原信息；两个不同的消息不会产生同样的消息摘要。
一、术语和概念
（一）位(Bit)，字节（Byte）和字（Word）
SHA1始终把消息当成一个位（bit）字符串来处理。本文中，一个“字”（Word）是32位，而一个“字节”（Byte）是8位。比如，字符串“abc”可以被转换成一个位字符串：01100001 01100010 01100011。它也可以被表示成16进制字符串:0x616263.
（二）运算符和符号
下面的逻辑运算符都被运用于“字”（Word）
X^Y = X，Y逻辑与
X \/ Y = X，Y逻辑或
X XOR Y= X，Y逻辑异或
~X = X逻辑取反
X+Y定义如下：
字 X 和Y 代表两个整数 x 和y, 其中0 <= x < 2^32 且 0 <= y < 2^32. 令整数z= (x + y) mod 2^32. 这时候 0 <= z < 2^32. 将z转换成字Z,那么就是 Z = X + Y.
循环左移位操作符Sn(X)。X是一个字，n是一个整数，0<=n<=32。Sn(X)= (X<>32-n)
X<定义如下：抛弃最左边的n位数字，将各个位依次向左移动n位，然后用0填补右边的n位（最后结果还是32位）。X>>n是抛弃右边的n位，将各个位依次向右移动n位，然后在左边的n位填0。因此可以叫Sn(X)位循环移位运算
二、SHA1算法描述
在SHA1算法中，我们必须把原始消息（字符串，文件等）转换成位字符串。SHA1算法只接受位作为输入。假设我们对字符串“abc”产生消息摘要。首先，我们将它转换成位字符串如下：
01100001 0110001001100011
―――――――――――――
‘a’=97 ‘b’=98‘c’=99
这个位字符串的长度为24。下面我们需要5个步骤来计算MD5。
（一）补位
消息必须进行补位，以使其长度在对512取模以后的余数是448。也就是说，（补位后的消息长度）%512 = 448。即使长度已经满足对512取模后余数是448，补位也必须要进行。
补位是这样进行的：先补一个1，然后再补0，直到长度满足对512取模后余数是448。总而言之，补位是至少补一位，最多补512位。还是以前面的“abc”为例显示补位的过程。
原始信息：01100001 01100010 01100011
补位第一步：0110000101100010 01100011 1
首先补一个“1”
补位第二步：0110000101100010 01100011 10…..0
然后补423个“0”
我们可以把最后补位完成后的数据用16进制写成下面的样子
61626380 0000000000000000 00000000
00000000 0000000000000000 00000000
00000000 0000000000000000 00000000
00000000 00000000
现在，数据的长度是448了，我们可以进行下一步操作。
（二）补长度
所谓的补长度是将原始数据的长度补到已经进行了补位操作的消息后面。通常用一个64位的数据来表示原始消息的长度。如果消息长度不大于2^64，那么第一个字就是0。在进行了补长度的操作以后，整个消息就变成下面这样了（16进制格式）
61626380 0000000000000000 00000000
00000000 0000000000000000 00000000
00000000 0000000000000000 00000000
00000000 0000000000000000 00000018
如果原始的消息长度超过了512，我们需要将它补成512的倍数。然后我们把整个消息分成一个一个512位的数据块，分别处理每一个数据块，从而得到消息摘要。
（三）使用的常量
一系列的常量字K(0),K(1), ... , K(79)，如果以16进制给出。它们如下：
Kt = 0x5A827999 (0<= t <= 19)
Kt = 0x6ED9EBA1 (20<= t <= 39)
Kt = 0x8F1BBCDC (40<= t <= 59)
Kt = 0xCA62C1D6 (60<= t <= 79).
（四）需要使用的函数
在SHA1中我们需要一系列的函数。每个函数ft (0 <= t <= 79)都操作32位字B，C，D并且产生32位字作为输出。ft(B,C,D)可以如下定义
ft(B,C,D) = (B ANDC) or ((NOT B) AND D) ( 0 <= t <= 19)
ft(B,C,D) = B XOR CXOR D (20 <= t <= 39)
ft(B,C,D) = (B ANDC) or (B AND D) or (C AND D) (40 <= t <= 59)
ft(B,C,D) = B XOR CXOR D (60 <= t <= 79).
（五）计算消息摘要
必须使用进行了补位和补长度后的消息来计算消息摘要。计算需要两个缓冲区，每个都由5个32位的字组成，还需要一个80个32位字的缓冲区。第一个5个字的缓冲区被标识为A，B，C，D，E。第二个5个字的缓冲区被标识为H0,H1, H2, H3, H4。80个字的缓冲区被标识为W0,W1,..., W79
另外还需要一个一个字的TEMP缓冲区。
为了产生消息摘要，在第4部分中定义的16个字的数据块M1,M2,..., Mn
会依次进行处理，处理每个数据块Mi 包含80个步骤。
在处理每个数据块之前，缓冲区{Hi} 被初始化为下面的值（16进制）
H0 = 0x67452301
H1 = 0xEFCDAB89
H2 = 0x98BADCFE
H3 = 0x10325476
H4 = 0xC3D2E1F0.
现在开始处理M1, M2,... , Mn。为了处理 Mi,需要进行下面的步骤
(1). 将Mi 分成 16 个字 W0, W1, ... , W15,W0 是最左边的字
(2). 对于t = 16 到 79 令 Wt = S1(Wt-3 XOR Wt-8XOR Wt- 14 XOR Wt-16).
(3). 令A = H0, B = H1, C = H2, D = H3, E = H4.
(4) 对于t = 0 到 79，执行下面的循环
TEMP = S5(A) +ft(B,C,D) + E + Wt + Kt;
E = D; D = C; C =S30(B); B = A; A = TEMP;
(5). 令H0 = H0 + A, H1 = H1 + B, H2 = H2 + C, H3 = H3 + D, H4 = H4 + E.
在处理完所有的 Mn, 后，消息摘要是一个160位的字符串，以下面的顺序标识
H0 H1 H2 H3 H4.
对于SHA256、SHA384、SHA512。你也可以用相似的办法来计算消息摘要。对消息进行补位的算法完全是一样的。
三、SHA算法被破解了吗？
2013年9月10日美国约翰霍普金斯大学的计算机科学教授，知名的加密算法专家，Matthew Green被NSA要求删除他的一份关于破解加密算法的与NSA有关的博客。 同时约翰霍普金斯大学服务器上的该博客镜像也被要求删除。

加密算法专家，美国约翰霍普金斯大学教授Matthew Green
但当记者向该大学求证时，该校称从未收到来自NSA的要求要删除博客或镜像的资料，但记者却无法在原网址再找到该博客。幸运的是，从谷歌的缓存可以找到该博客。该博客提到NSA每年花费2.5亿美元来为自己在解密信息方面获取优势，并列举了NSA的一系列见不得人的做法。

在BitcoinTalk上，已经掀起了一轮争论：到底SHA-2是否安全？
部分认为不安全的观点包括：
NSA制造了sha-2, 我们不相信NSA，他们不可能不留后门。
棱镜事件已经明白的告诉我们，政府会用一切可能的手段来监视与解密。
虽然有很多人会研究SHA-2，且目前没有公开的证据表明有漏洞。但没有公开这并不能代表就没有，因为发现漏洞的人一定更倾向于保留这个秘密来自己利用，而不是公布。
部分认为安全的观点包括：
SHA-2是应用广泛的算法，应该已经经历了实践的检验。
美国的对头中国和俄国都有很多杰出的数学家，如果有问题的话，他们肯定已经发现了。
如果真的不安全，世界上安全的东西就太少了，我不能生活在提心吊胆里，所以我选择相信安全。