区块链与哈希函数

目录

哈希函数

定义

性质

发展

常见攻击方法

1.穷举攻击

2.生日攻击

3.其他攻击

构造方法

1.利用对称密码体制来设计哈希函数

2.直接设计哈希函数

​编辑

常用哈希函数简介

1.SHA-256算法

​编辑

2.Keccak算法

3.SM3算法

哈希函数在区块链中的应用

1.以太坊用户地址的生成

2.默克尔哈希树

3. 挖矿难度的设置

4. 数字签名

5. 软件发布

哈希函数

定义

哈希函数：是一公开函数。用于将任意长的消息M映射为较短的、固定长度的值H（M），又称为散列函数、杂凑函数。我们称函数值H（M）为哈希值、杂凑值、杂凑码、信息摘要。

杂凑值是信息中所有比特的函数，因此提供了一种错误检测能力，即改变信息中任何一个比特或几个比特都会使杂凑值改变

性质

前三条实用性要求，后三条安全性要求

• H 可以作用于任意一个长度的数据块（实际上不是任意的，比如SHA-1要求不超过2^64）
• H 产生一个固定长度的输出（比如SHA-1的输出是160比特，SHA-256的输出是256比特）
• 对任意给定的x，H（x）计算相对容易，无论是软件还是硬件实现
• 单向性（抗原像）（one-way）：对于任意给定的消息，计算其哈希值容易。但是，对于给定的哈希值H，要找到M使得H（M）=H在计算上是不可行的。即给定消息可以产生一个哈希值，而给定哈希值不可能产生对应的消息；否则, 设传送数据 C =< M,H(M||K)>，K是密钥。攻击者可以截获C，求出哈希函数的逆，从而得出H^-1(C)，然后从M 和M‖K即可得出K
  • 
• 弱抗碰撞（抗二次原像）（Weakly Collision-Free）：对于给定的消息x，要发现另一个消息y，满足H（x）=H（y）在计算上是不可行的。是保证一个给定的消息的哈希值不能找到与之相同的另外的消息，即防止伪造。否则，攻击者可以劫获报文M及其哈希值H（M），并找出另一报文M'，使得H（M）=H（M'）。这样攻击者可以用M'去冒充M。
• 强抗碰撞（Strongly Collision-Free）：找任意一对不同的消息x、y，使H（x）=H（y）在计算上是不可行的。是对已知的生日攻击方法的防御能力，强抗碰撞自然包含弱抗碰撞。（？）

 图：哈希函数强碰撞性示意图

发展

 图：哈希函数结构示意图

• 1978年，Merkle和Damagad设计MD迭代结构
• 1993年，来学嘉和Messay改进加强MD结构；
• 在90年代初 MIT Laboratory for Computer Science和RSA数据安全公司的Rivest设计了散列算法MD族，MD代表消息摘要.
• MD族中的MD2、MD4和MD5都产生一个 128位的信息摘要
• MD2(1989年)
• MD4(1990年)
• MD5(1991年)：由美国密码学家罗纳德ꞏ李维斯特(Ronald Linn Rivest)设计，经MD2、MD3和 MD4发展而来，输出的是128位固定长度的字符串.
• RIPEMD-128/160/320：国际著名密码学家Hans Dobbertin的在1996年攻破了MD4算法的同时， 也对MD5的安全性产生了质疑，从而促使他设计了一个类MD5的RIPEMD-160. 在结构上， RIPEMD-160可以视为两个并行的类MD5算法，这使得RIPEMD-160的安全性大大提高.
• 值得注意得是，MD4， MD5已经在2004年8月Crypto2004 上，被我国密码学者王小云等破 译，即在有效的时间内找到了它们的大量碰撞

• SHA-0：正式称作为SHA，这个版本在发行后不久被指出存在弱点
• SHA-1：是NIS于1994年发布的，它于MD4与MD5算法非常相似，被认为是MD4和MD5的后继者
• SHA-2：实际上分为SHA-224、SHA-256、SHA384、SHA-512算法

 图：SHA系列哈希函数相关参数比较

图：哈希函数碰撞攻击复杂度示意图（单位：年）

常见攻击方法

1.穷举攻击

（a）原像攻击和第二原像攻击（Preimage or Second Preimage attack）

• 对于给定的哈希值h，试图找到满足H（x）=h的x
• 对于m位的哈希值，穷举规模大约是2^m

（b）碰撞攻击（Collision Resistance）

• 找到两个信息x不等于y，满足H(x) = H(y)
• 对于m位的哈希值，平均预计在2^m/2次尝试后就找到两个具有相同哈希值的数据

（c）因此对于m位的哈希值，抗穷举攻击的强度为2^m/2：

• 目前128比特已经不够，需要160比特甚至更多

2.生日攻击

情景：考虑教室有30位同学，定义函数 H: {张三,李四,ꞏꞏꞏꞏꞏꞏ|在教室里的同学}→{1,2, ꞏꞏꞏꞏꞏꞏ,365}， 如果有两个同学的生日相同，则称为一个“碰撞”. 直观看来，产生碰撞的可能性较小. 但是, 对于30个人的人群，这个事情发生的可能性大约为1/2.当人数增加时，这个可能性就增大. 这 个事实与我们的直观相悖, 称为”生日悖论”.

生日悖论是指在不少于 23 个人中至少有两人生日相同的概率大于 50%。例如在一个 30 人的小学班级中，存在两人生日相同的概率为 70%。对于 60 人的大班，这种概率要大于 99%。从引起逻辑矛盾的角度来说，生日悖论是一种 “佯谬”。但这个数学事实十分反直觉，故称之为一个悖论。生日悖论的数学理论被应用于设计密码学攻击方法——生日攻击。

生日悖论普遍的应用于检测哈希函数：N 位长度的哈希表可能发生碰撞测试次数不是 2N 次而是只有 2N/2 次。这一结论被应用到破解密码哈希函数 (cryptographic hash function) 的 “生日攻击” 中。 

总结：对于n位的哈希值，只要尝试2^n/2次，就至少存在一对x和x'，使得H（x）和H（x'）相同

3.其他攻击

• 利用算法的某种特性进行攻击
• 哈希函数的迭代结构：将消息分组后分别进行处理
• 密码分析的攻击集中于压缩函数 f 的碰撞

构造方法

1.利用对称密码体制来设计哈希函数

分组密码的工作模式是：根据不同的数据格式和安全性要求， 以一个具体的分组密码算 法为基础构造一个分组密码系统的方法.基于分组的对称密码算法比如DES/AES算法只是描述 如何根据秘钥对一段固定长度(分组块)的数据进行加密，对于比较长的数据，分组密码工作模 式描述了如何重复应用某种算法安全地转换大于块的数据量.

简单的说就是，DES/AES算法描述怎么加密一个数据块，分组密码工作模式描述了如果 重复加密比较长的多个数据块. 常见的分组密码工作模式有五种：电码本( Electronic Code Book， ECB)模式、密文分组链接(Cipher Block Chaining，CBC)模式、密文反馈(Cipher Feed Back ， CFB)模式、输出反馈(Output Feed Back ，OFB)模式和计数器(Counter, CTR)模式

（1）ECB工作模式

加密：输入的是当前明文分组

解密：每一个密文分组分别解密

公式：，

 （2）CBC工作模式

加密：输入是当前铭文分组和前一次密文分组的异或

解密：每一个密文分组被解密后，再与前一个密文分组异或得明文

公式：

 （3）CFB工作模式

•  加密算法的输入是64比特移位寄存器，其 初值为某个初始向量IV.
• 加密算法输出的最左(最高有效位)j比特与 明文的第一个单元P1进行异或，产生出密 文的第1个单元C1，并传送该单元.
• 然后将移位寄存器的内容左移j位并将C1送 入移位寄存器最右边(最低有效位)j位.
• 这一过程继续到明文的所有单元都被加密 为止.

 （4）OFB工作模式

• 工作模式类似CFB
• 不同：OFB模式是将加密算法的输出反馈到移位寄存器；CFB模式中是将密文单元反馈到移位寄存器

 （5）CTR工作模式

加密：输入是当前明文分组和计数器密文分组的异或

解密：每一个密文分组被解密后，再与计数器密文分组异或得到明文

公式：

5种工作模式的比较 

• ECB模式，简单、高速，但最弱、易受重发攻击，一般不推荐.
• CBC模式适用于文件加密，比ECB模式慢.安全性加强. 当有少量错误时，不会造成同步错误.
• OFB模式和CFB模式较CBC模式慢许多. 每次迭代只有少数比特完成加密. 若可以容忍少量错 误扩展，则可换来恢复同步能力，此时用CFB或OFB模式. 在字符为单元的流密码中多选 CFB模式.
• CTR模式用于高速同步系统，不容忍差错传播.

下面利用对称密码来构造哈希函数，我们规定：

1.1基于分组密码的CBC工作模式杂凑函数

1.2基于分组密码的CFB工作模式杂凑函数

 总结：上述两种基于分组密码的杂凑函数中，K可以公开，称为不带密钥的哈希函数；k也可以不公开，称为带密钥的哈希函数（MAC）。在K公开的情况下，上述两种构造杂凑函数的方法是不安全的，容易找到碰撞。这是为什么呢？

2.直接设计哈希函数

• Merkle在1989年提出迭代型哈希函数的一般结构；(另外一个工作是默克尔哈希树)
• Ron Rivest在1990年利用这种结构提出MD4；(另外一个工作是RSA算法)
• 这种结构在几乎所有的哈希函数中使用，具体做法为：
  • 把所有消息M分成一些固定长度的 块Yi；
  • 最后一块padding并使其包含消息 M的长度；
  • 设定初始值CV0；
  • 循环执行压缩函数f，CVi=f(CVi - 1||Yi -1)；
  • 最后一个CVi为哈希值

•  算法中重复使用一个压缩函数f ；
• f 的输入有两项，一项是上一轮输出的n比特值CVi-1，称为链接变量，另一项是算法在本轮 的b比特输入分组Yi-1 ；
• f 的输出为n比特值CVi，CVi又作为下一轮的输入；
• 算法开始时还需对链接变量指定一个初值IV，最后一轮输出的链接变量CVL即为最终产生的 杂凑值；
• 通常有b>n，因此称函数f为压缩函数.
• 算法可表达如下：CV0=IV= n比特长的初值；
• CVi=f(CVi-1,Yi-1)；1≤i≤L；
• H(M)=CVL
• 算法的核心技术是设计难以找到碰撞的压缩函数f，而敌手对算法的攻击重点是f 的内部结构；
• f 和分组密码一样是由若干轮处理过程组成；
• 对f 的分析需要找出f 的碰撞.由于f 是压缩函数，其碰撞是不可避免的，因此在设计f 时就应 保证找出其碰撞在计算上是困难的

常用哈希函数简介

1.SHA-256算法

概况

• SHA系列标准哈希函数是由美国标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology，NIST)组织制定的.
• 1993年公布了SHA-0 (FIPS PUB 180)，后发现不安全.
• 1995年又公布了SHA-1(FIPS PUB 180--1).
• 2002年又公布了SHA-2( FIPS PUB 180--2)，包括 3种算法：SHA-256, SHA-384, SHA-512.
• 2005年王小云院士给出一种攻击SHA-1的方法，用 2^69操作找到一个强碰撞，以前认为是 2^80.
• 2017 年 2 月23日，谷歌宣布找到SHA-1碰撞的算法，需要耗费110 块GPU一年的运算量

图：SHA系列哈希函数的参数比较

注意：所有的长度以比特为单位；安全性是指对输出长度为n比特哈希函数的生日攻击产生碰撞的工作量大约为2^n/2

 算法描述

• 输入数据长度为k比特，1 <= k <= (2^64) -1
• 输出哈希值的长度为256比特

（1）常量与函数：SHA-256算法使用以下常数与函数：

①常量 初始值IV = 0x6a09e667 bb67ae85 3c6ef372 a54ff53a 510e527f 9b05688c 1f83d9ab 5be0cd19，这 些初值是对自然数中前 8个质数(2,3,5,7,11,13,17,19)的平方根的小数部分取前32比特而来.

举个例子来说， 2小数部分约为0.414213562373095048，而0.414213562373095048 ≈ 6 ∗16−1 +a ∗16−2+0 ∗16−3 +9 ∗16−4 +...于是，质数 2 的平方根的小数部分取前32比特就对应出0x6a09e667. 另外，SHA-256还用到了64个常数： K0, K1, …, K63 =

和 8个初始值类似，这些常量是对自然数中前64个质数(2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97…) 的立方根的小数部分取前32比特而来

 ②函数 SHA-256用到了以下函数：

 其中： ∧表示按位“与”； ¬ 表示按位“补”；⊕表示按位“异或”； ROTR i (x )表示循环右移 i比特； SHR i (x )表示右移 i比特；

(2) 算法描述 ①填充

• 对数据填充的目的是使填充后的数据长度为512的整数倍.因为迭代压缩是对512位数据块进 行的，如果数据的长度不是512的整数倍，最后一块数据将是短块，这将无法处理.
• 设消息 m长度为 l比特.首先将比特“1”添加到 m的末尾，再添加 k个“0”，其中， k是满足下式 的最小非负整数 l +1+ k = 448 mod 512
• 然后再添加一个64位比特串，该比特串是长度 l的二进制表示.填充后的消息 m 的比特长度一 定为512的倍数.

以信息“abc”为例显示补位的过程.a, b, c对应的ASCII码分别是97, 98, 99；于是原始信息 的二进制编码为：01100001 01100010 01100011.

① 补一个“1” ： 0110000101100010 01100011 1

② 补423个“0”：01100001 01100010 01100011 10000000 00000000 … 00000000

③ 补比特长度24 (64位表示 )，得到512比特的数据：

 ②消息分块 将填充后的消息 m′按512比特分成 n组： m′= M(0)||M(1)|| ꞏ ꞏ ꞏ || M(n-1)，其中： n = ( l+ k+65)/512.

 ③消息扩展

• 对一个消息分组M(t) 迭代压缩之前，首先进行消息扩展
  •  将16个字的消息分组 M t 扩展生成如下的64个字，供压缩函数使用 W0，W1，…，W63；
  •  消息扩展把原消息位打乱，隐蔽原消息位之间的关联，增强了安全性；
• 消息扩展的步骤如下：

 ④压缩函数

• 压缩函数是SHA-256的核心
• 令 a, b, c, d, e, f, g, h为字寄存器， T1, T2为中间变量.
• 压缩函数： V(t+1)= CF( V(t) ，M(t)), 0 ≤ t ≤ n -1.
• 压缩函数CF的压缩处理：内层迭代
  • ① FOR t = 0 TO 63
  • ② CF= F( T1 , T2 , a, b, c, d, e, f, g, h,M(t) )
  • ③ END FOR

 图：SHA-256算法的压缩函数工作流程示意图

⑤基本压缩函数

基本压缩函数的流程如右边公式所述.

说明：

• a, b, c, d, e, f, g, h为字寄存器， T1, T2为中间 变量；
• +运算为mod 232 算术加运算；
• 字的存储为大端(big-endian)格式.即，左边为 高有效位，右边为低有效位

 下图是SHA-256算法的基本压缩函数示意图

 ⑥SHA-256工作全过程

 安全性

• 专业机构设计，经过充分测试和论证；
• 安全性可满足应用的安全需求；
• 学者已开展对SHA-256的安全分析 (如缩减轮的分析 )，尚未发现本质的缺陷

程序设计

• typedef.h：定义数据类型；
• sha256.h：定义SHA-256算法相 关功能函数、数据接口声明；
• sha256.c：实现SHA-256算法相 关功能函数；
• sha256_test.h：定义测试函数、 数据接口声明；
• Sha256_test.c：实现测试功能函 数；
• main.c：实现main函数，测试程 序的正确性、性能等.

2.Keccak算法

概况

• 能够直接替代SHA-2.这要求SHA--3必须也能够产生224，256，384，512比特的哈希值.
• 保持SHA-2的在线处理能力. 这要求SHA-33必须能处理小的数据块 ( 如512 或1024比特).
• 安全性：能够抵抗原像和碰撞攻击的能力，能够抵抗已有的或潜在的对于SHA-2的攻击.
• 效率：可在各种硬件平台上的实现，且是高效的和存储节省的.
• 灵活性：可设置可选参数以提供安全性与效率折中的选择，便于并行计算等
• 2008 年10 月有64 个算法正式向NIST提交了方案，经过初步评价，共有51个算法进入第 一轮评估，主要对算法的安全性、消耗、和实现特点等进行分析；
• 2009 年 7 月24日宣布，其中14个算法通过第一轮评审进入第二轮；
• 2010 年12 月 9日宣布，其中 5个算法(JH、Grstl、Blake、Keccak 和Skein)通过第二轮评审进 入第三轮.
• 2012 年10 月 2 日NIST公布了最终的优胜者.它就是由意法半导体公司 的Guido Bertoai Bertoai、 Jean Daemen Daemen、Gilles Van Assche Assche 与恩智半导体公司 的Micha Michaëël Peeters 联合设计的Keccak算法.
• SHA-3成为NIST的新哈希函数标准算法(FIPS PUB 180--5).
• Keccak算法的分析与实现详见：https://keccak.team/index.html
• SHA-3的结构仍属于Merkle提出的迭代型哈希函数结构.
• 最大的创新点是采用了一种被称为海绵结构的新的迭代结构. 海绵结构又称为海绵函数.
• 在海绵函数中，输入数据被分为固定长度的数据分组.每个分组逐次作为迭代的输入，同时 上轮迭代的输出也反馈至下轮的迭代中，最终产生输出哈希值.
• 海绵函数允许输入长度和输出长度都可变，具有灵活的性.
• 海绵函数能够用于设计哈希函数 (固定输出长度 )、伪随机数发生器，以及其他密码函数.

Keccak算法描述

• 输入数据没有长度限制；
• 输出哈希值的比特长度分为：224，256，384，512.

(1) 符号与函数 Keccak算法使用以下符号与函数：

①符号

• r：比特率 (比特 rate)，其值为每个输入块的长度.
• c：容量(capacity)，其长度为输出长度的两倍.
• b：向量的长度， b = r + c，而 b的值依赖于指数 I，即 b=25 * 2^l

图：Keccak算法的参数定义 

②函数 Keccak算法用到了以下 5个函数： θ(theta)、ρ(rho)、π(pi)、χ(chi)、ι(iota)

 (2) 算法描述

Keccak算法 对数据进行填充，然后迭代压缩生成哈希值.

①填充

对数据填充的目的是使填充后的数据长度为 r的整数倍.因为迭代压缩是对 r位数据块进行 的，如果数据的长度不是 r的整数倍，最后一块数据将是短块，这将无法处理.

• 设消息 m长度为 l比特.首先将比特“1”添加到 m的末尾，再添加 k个“0”，其中， k是满足下式 的最小非负整数： l +1+ k = r-1 mod r ；
• 然后再添加比特“1”添加到末尾. 填充后的消息 m 的比特长度一定为 r的倍数

以算法Keccak-256，信息“abc”为例显示补位的过程. a, b, c对应的ASCII码分别是97, 98, 99；于是原始信息的二进制编码为：01100001 01100010 01100011.此时 r = 1088.

• 补一个“1” ： 0110000101100010 01100011 1
• 补1062个“0”：01100001 01100010 01100011 10000000 00000000 … 00000000
• 补一个“1” ，得到1088比特的数据

②整体描述

Keccak算法采用海绵结构(Sponge Construction)，在预处理(padding并分成大小相同的块 ) 后，海绵结构主要分成两部分：

• 吸入阶段(Absorbing Phase)：将块 xi传入算法并处理.
• 挤出阶段(Squeezing Phase)：产生一个固定长度的输出.

Keccak算法的整体运算结构如下图

 ③吸入与挤出阶段

给定输入串 x ，首先对 x 做padding，使其长度能被 r整除，将padding后分割成长度为 r的块， 即 x =x 0|| x1|| x 2||...|| xt-1 .然后执行以下吸入阶段和挤出阶段：

1. 初始化一个长度为 r + c 比特的全零向量.
2. 输入块 xi，将 xi和向量的前 r个比特做异或运算，然后输入到 f 函数中处理.
3. 重复上一步，直至处理完 x中的每个块.
4. 输出长为 r的块作为y 0，并将向量输入到 f 函数中处理，输出 y1，以此类推.得到的哈希序列 即为y = y 0 || y1|| y 2 ||...|| y u .在Keccak-224/256/384/512中，只需要在y 0中取出 前224/ 256/ 384/ 512位即可

图：Kecca算法的吸入阶段和挤出阶段示意图

 ④压缩函数

• 压缩函数 f 是Keccak算法的核心，它包含 nr轮.
• nr的取值与我们之前计算 b时用到的指数 I ( b=25 * 25^l)有关， 具体地， nr =12+2* I.Keccak-224/256/384/512中，取 I=6， 因此 nr =24.
• 在每一轮中，要以此执行五步，即 θ(theta)、ρ(rho)、π(pi)、 χ(chi)、ι(iota).
• 在处理过程中，我们把 b=1600个比特排列成一个5*5* w 的三维数组，其中 w=2^I=64比特，如图所示：

图：Kecca算法的三维数组示意图 

图：Kecca算法的压缩函数结构示意图

(3) 安全性与性能

• 安全性
  • 可以抵御对哈希函数的所有现有攻击.
  • 到目前为止，没有发现它有严重的安全弱点.
• 灵活性：可选参数配置，能够适应哈希函数的各种应用.
• 高效性：设计简单，软硬件实现方便.在效率方面，它是高效的.
• 尚未广泛应用，需要经过实践检验

3.SM3算法

概况

• SM3是我国商用密码管理局颁布的商用密码哈希函数
• 用途广泛：
  • 商用密码应用中的辅助数字签名和验证
  • 消息认证码的生成与验证
  • 随机数的生成
• SM3在结构上属于基本压缩函数迭代型的哈希函数.

SM3算法描述

• 输入数据长度为 l比特，1≤ l ≤264-1；
• 输出哈希值的长度为256比特.

(1) 常量与函数：SHA-256算法使用以下常数与函数：

①常量 初始值IV=7380166f 4914b2b9 172442d7 da8a0600 a96f30bc 163138aa e38dee4d b0fb0e4e.

 ②函数

布尔函数

置换函数

其中： ∧表示按位“与”； ∨表示按位“或” ； ¬ 表示按位“补”；⊕表示按位“异或”； <<<表示循环左移

 (2) 算法描述

①填充

• 对数据填充的目的是使填充后的数据长度为512的整数倍.因为迭代压缩是对512位数据块进 行的，如果数据的长度不是512的整数倍，最后一块数据将是短块，这将无法处理.
• 设消息 m长度为 l比特.首先将比特“1”添加到 m的末尾，再添加 k个“0”，其中， k是满足下式 的最小非负整数.l +1+ k = 448 mod 512
• 然后再添加一个64位比特串，该比特串是长度 l的二进制表示.填充后的消息 m 的比特长度一 定为512的倍数

以信息“abc”为例显示补位的过程.a, b, c对应的ASCII码分别是97, 98, 99；于是原始信息 的二进制编码为：01100001 01100010 01100011.

• 补一个“1” ： 0110000101100010 01100011 1
• 补423个“0”：01100001 01100010 01100011 10000000 00000000 … 00000000
• 补比特长度24 (64位表示 )，得到512比特的数据

 ②消息扩展

• 对一个消息分组 B(i)迭代压缩之前，首先进行消息扩展
  • 将16个字的消息分组 B(i)扩展生成如下的132个字，供压缩函数CF使用 W0，W1，…，W67，W′ 0， W′ 1，…，W′63
  • 消息扩展把原消息位打乱，隐蔽原消息位之间的关联，增强了安全性
• 消息扩展的步骤如下：

 ③迭代压缩处理

• 将填充后的消息 m′按512比特分组： m′= B^(0) B^(1) … B^(n−1)，其中： n = ( l+ k+65)/512.
• 对 m′按下列方式迭代压缩：//外层迭代
  •  FOR i = 0 TO n-1
  • V ^(i+1)= CF^( V(i) ，B^(i) )
  • ENDFOR
  • 其中CF是压缩函数， V ^(0) 为256比特初始值IV，B^(i)为填充后的消息分组，
• 迭代压缩的结果为 V^(n)，它为消息 m的哈希值

④压缩函数

• 压缩函数是SM3的核心
• 令A, B, C, D, E, F, G, H为字寄存器，SS1, SS2, TT1, TT2为中间变量.
• 压缩函数： V^( i+1) = CF( V^(i) ，B^(i)), 0 ≤i ≤ n -1. 压缩函数CF的压缩处理：//内层迭代
  • FOR j=0 TO 63
  • CF= F(SS1, SS2, TT1, TT2 ， A, B, C, D, E, F, G, H ，Wj ，W′ j ) //基本压缩函数
  • ENDFOR

 图：SM3算法的迭代压缩流程示意图

⑤基本压缩函数 F

1.  SS1 ←((A <<< 12) + E + ( Tj<<< j)) <<< 7
2. SS2 ←SS1 ⊕(A <<< 12)
3. TT1 ←FFj (A，B，C) + D + SS2 + Wj ’
4. TT2 ←GGj (E，F，G ) + H + SS1 + Wj 5. D ← C
5. C ← B <<< 9
6. B ←A
7. A ←TT1
8. H ← G
9. G ← F <<<19
10. F ← E
11. E ←P0( TT2

 注意：

• A, B, C, D, E, F, G, H为字寄存器，SS1, SS2, TT1, TT2为中间变量；
• +运算为mod 232 算术加运算；
• 字的存储为大端(big-endian)格式.即， 左边为高有效位，右边为低有效位

 图：SM3算法的基本压缩函数示意图

⑥SM3工作全过程

 ⑦压缩函数的作用

• 压缩函数是SM3安全的关键
• 第一个作用是数据压缩.SM3的压缩函数CF把每一个512位的消息分组 B(i)压缩成256 位.经过各 数据分组之间的迭代处理后把l位的消息压缩成256位的哈希值.
• 第二个作用是提供安全性.在SM3的压缩函数CF中，布尔函数FFj (X,Y,Z) 和GGj (X,Y,Z)是非线 性函数，经过循环迭代后提供混淆作 用.置换函数P0(X) 和P1(X)是线性函数，经过循环迭代 后提供扩散作用.加上压缩函数CF中的其它运算的共同作用，压缩函数CF具有很高的安全性， 从而确保SM3具有很高的安全性

⑶安全性

• 专业机构设计，经过充分测试和论证；
• 安全性可满足上述应用的安全需求；
• 学者已开展对SM3的安全分析 (如缩减轮的分析 )，尚未发现本质的缺陷

哈希函数在区块链中的应用

1.以太坊用户地址的生成

第一步：生成私钥 (private key)

产生的 256比特随机数做为私钥(256比特 16进制 32字节 )： 18e14a7b 6a307f42 6a94f811 4701e7c8 e774e7f9 a47e2c20 35db29a2 06321725

第二步：生成公钥 (public key)

1. 利用将私钥(32字节)和椭圆曲线ECDSA-secp256k1计算公钥(65字节)(前缀04||X公钥||Y公钥)： 04 ||50863ad6 4a87ae8a 2fe83c1a f1a8403c b53f53e4 86d8511d ad8a0488 7e5b2352 || 2cd47024 3453a299 fa9e7723 7716103a bc11a1df 38855ed6 f2ee187e 9c582ba6
2. 利用Keccak-256算法计算公钥的 哈希值(32bytes)： fc12ad81 4631ba68 9f7abe67 1016f75c 54c607f0 82ae6b08 81fac0ab eda21781
3. 取上一步结果取后20bytes即以太坊地址： 1016f75c54c607f082ae6b0881fac0abeda21781

第三步：输地址 (address)：0x1016f75c54c607f082ae6b0881fac0abeda21781

2.默克尔哈希树

Merkle树_LEVI_104的博客-CSDN博客

3. 挖矿难度的设置

比特币难度是对挖矿困难程度的度量，即指：计算符合给定目标的一个哈希值的困难程度.

difficulty = difficulty_1_target / current_target difficulty_1_target

的长度为256比特， 前32位为0， 后面全部为1 ，一般显示为哈希值，

0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF difficulty_1_target表示btc网络最初的目标哈希. current_target是当前块的目标哈希，先经 过压缩然后存储在区块中，区块的哈希值必须小于给定的目标哈希值, 表示挖矿成功

4. 数字签名

比特币需要利用公钥进行加锁，利用私钥签名进行解锁，从而实现数字货币的交易. 解锁过程实 际上是利用ECDSA算法的产生数字签名. 给定交易信息 m，签名过程如下：

1. 选择一个随机数 k；
2. 计算点 R = k*G= (xR, yR ) ，计算 r = xR mod n；
3. 利用私钥 d计算 s ＝ k-1 * (( H( m) - d * r)) mod n；
4. 输入签名 ( r, s)

5. 软件发布

 图：挖矿软件发布信息示意图文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-799882.html

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