SHA-256算法是什麼？

了解密碼學中SHA-256的核心

SHA-256算法代表安全的哈希算法256位，並且是國家標準技術研究所（NIST）開發的SHA-2加密哈希功能家族的成員。它被廣泛用於加密貨幣生態系統中的各種應用中，最著名的是Bitcoin。該算法採用任何長度的輸入，並產生固定大小的256位（32字節）哈希輸出。該輸出通常表示為64個字符的十六進製字符串。 SHA-256的確定性性質確保相同的輸入將始終產生相同的哈希，這對於驗證數據完整性至關重要。

SHA-256的關鍵屬性之一是它是一個單向函數，這意味著它在計算上是不可行的，可以扭轉該過程並確定哈希的原始輸入。此功能對於確保區塊鏈交易和保護用戶隱私至關重要。由於雪崩效應，輸入（例如更改單個字符）的略有變化（例如更改單個字符）也會以完全不同的效果為單位，從而使其對輸入變化極為敏感。

SHA-256在Bitcoin採礦中的作用

在Bitcoin的背景下，SHA-256是工作證明（POW）共識機制的核心。礦工競爭解決了一個密碼拼圖，涉及發現低於特定目標值的哈希。這是通過反复放置一個塊標頭來實現的，該標頭包括上一個塊的哈希，交易的默克爾根，時間戳和一個nonce。目的是找到一個nonce，以使所得的塊標頭的SHA-256哈希符合網絡的難度要求。

該過程涉及以下步驟：

• 礦工收集待處理交易並創建候選人區塊。
• 他們通過遞歸遞歸的哈希交易對計算默克爾根，直到獲得單個哈希為止。
• 塊標頭與Merkle根，先前的塊哈希，時間戳和其他元數據組裝在一起。
• 將nonce附加並迭代。
• 使用SHA-256（Double-SHA-256）將整個塊標頭伸展兩次。
• 如果由此產生的哈希小於當前的難度目標，則礦工將塊廣播到網絡。

此過程需要大量的計算能力，旨在是資源密集型的，以防止惡意參與者輕鬆改變區塊鏈。

SHA-256如何確保區塊鏈安全

區塊鏈的不變性在很大程度上取決於SHA-256。每個塊包含上一個塊的哈希，形成了一個加密鏈。如果攻擊者試圖在上一個塊中修改事務，則該塊的哈希發生變化，從而使所有後續塊無效。與其他網絡組合相比，對所有受影響的塊的工作證明需要更多的計算能力，從而使經濟和技術上的攻擊在技術上是不切實際的。

此外，SHA-256有助於交易完整性。每次交易都被哈希並包含在默克爾樹中。任何對交易數據的篡改都會改變默克爾根，這是塊標頭的一部分。由於塊標頭被哈希創建以創建塊的標識符，因此可以通過驗證鏈的節點立即檢測到任何差異。

該算法對碰撞攻擊的抵抗力（兩個不同的輸入產生相同的哈希）是另一個關鍵的安全功能。迄今為止，在SHA-256中尚未發現實際碰撞，可以增強其在分散系統中使用的信任。

SHA-256哈希過程的技術故障

SHA-256的內部操作涉及多個階段：預處理，初始化，消息調度和壓縮。首先將輸入消息填充，以確保其長度與448 Modulo 512相一致。然後附加原始消息長度的64位表示形式，使總長度達到512位的倍數。

該算法使用八個工作變量（a至H），初始化的，其特定的常數值來自前八個質子數的立方根的分數部分。這些常數是：

• H0 = 0x6A09E667
• H1 = 0xBB67AE85
• H2 = 0x3C6EF372
• H3 = 0xa54ff53a
• H4 = 0x510E527F
• H5 = 0x9B05688C
• H6 = 0x1F83D9AB
• H7 = 0x5BE0CD19

填充的消息分為512位的塊。對於每個部分：

• 512位分為16位32位單詞。
• 這些單詞使用應用XOR和位旋轉操作的消息時間表將其擴展到64位32位單詞。
• 執行了一系列六十四個回合，每個回合都使用邏輯功能，常數值和模塊化添加來更新工作變量。
• 處理所有塊後，通過連接a至h的更新值來獲得最終哈希。

這種結構化方法可確保效率和加密強度。

SHA-256的應用Bitcoin

雖然Bitcoin是最突出的用例，但SHA-256用於其他各種加密協議和系統中。它用於數字簽名，證書局和TLS/SSL（例如TLS/SSL）的安全通信協議。在Bitcoin以外的區塊鍊網絡中，SHA-256有時用於混合共識模型或生成唯一標識符。

一些AltCoins（例如Bitcoin現金和Bitcoin SV）也利用SHA-256來保持與Bitcoin的採礦基礎結構的兼容性。此外，SHA-256在智能合約平台中用於哈希合同代碼或驗證鏈接外數據。它的可預測性和抵抗力篡改使其非常適合在分散應用程序中產生安全，可驗證的承諾。

常見問題

SHA-256可以逆轉以找到原始輸入嗎？不，SHA-256被設計為單向功能。沒有已知的方法可以逆轉哈希並檢索原始數據。蠻力攻擊在理論上是可能的，但由於龐大的輸入空間，在計算上是不可行的。

為什麼Bitcoin使用Double SHA-256（SHA-256D）？ Bitcoin應用SHA-256兩次（Hash = SHA-256（SHA-256（data）））以防止長度擴展攻擊。通過確保攻擊者無法利用第一個哈希的內部狀態來生成有效的擴展，從而提高了安全性。

SHA-256是否容易受到量子計算的影響？雖然量子計算機理論上可以使用Grover的算法降低SHA-256的有效安全性，但它們仍然需要大約2^128個操作才能找到一個預先映射，該預先映射仍然具有當前和可預見的量子技術的計算範圍。

SHA-256與SHA-1或MD5有何不同？ SHA-256提供了更大的摘要尺寸（對於SHA-1的256位與160位，MD5為160），並且對損害SHA-1和MD5的已知碰撞攻擊具有抵抗力。它被認為是密碼安全的，而SHA-1和MD5則被棄用用於關鍵安全應用程序。