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区块链技术驱动金融：数字货币与智能合约技术 [:1703863906]
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区块链技术驱动金融：数字货币与智能合约技术 第1章 密码学及加密货币概述
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所有货币都需要通过某种方式控制供给，并需要实施各种安全属性以防止欺骗行为发生。就法定货币而言，中央银行这样的机构控制货币供给，并在实体货币上加上防伪标识，这些安全属性提升了攻击货币的门槛和难度，但并非不可能伪造。最终，执法部门仍需要介入，以防止货币系统规则受到破坏。
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加密数字货币也必须采取安全措施，以防御破坏系统状态的行为，同时加密数字货币还需要防止“混淆”，即对不同的人说出相互矛盾的话。例如，如果爱丽丝（Alice）让鲍勃（Bob）确信她向他支付了一个数字币，她就不能再说服卡罗尔（Carol），也给她支付同一个数字币。加密数字货币与法定货币的不同在于，其安全规则需要完全通过技术手段实现，而非依赖于中央机构。
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顾名思义，加密货币着力采用密码技术。密码学提供一个将加密货币体系规则编码到系统本身的机制，我们不但可以利用密码学防止对系统的干扰，并且能够避免混淆，也能用其将新货币单位创造规则编码到数学协议中。为了能够深刻理解加密数字货币系统，我们需要首先探究该系统所依赖的密码学基础。
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密码学是一个高深的学术领域，用到了很多不被大众所知的数学理论，并且其理论也比较复杂。幸运的是，比特币只运用到了密码学中少量相对较为浅显的一些理论。在本章中，我们会特别讨论一下密码学中的哈希算法（Hash）和数字签名（digital signature）技术，这两个基本概念对构建一个加密数字货币系统非常关键。在后面的章节中，我们会介绍一些更复杂的密码学理论，例如零知识验证（zero-knowledge proof）， 这个概念被应用到了对比特币网络的拓展和改进之中。
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在学习了必要的密码学基础之后，我们将讨论如何用这些密码学基础构建一个加密数字货币系统。在本章末尾，我们会列举一些简单的加密货币案例，来阐明我们在设计中遇到的挑战。
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区块链技术驱动金融：数字货币与智能合约技术 [:1703863907]
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区块链技术驱动金融：数字货币与智能合约技术 1.1 密码学哈希函数
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我们需要理解的第一个密码学的基础知识是密码学哈希函数，哈希函数是一个数学函数，具有以下三个特性：
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● 其输入可为任意大小的字符串。
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● 它产生固定大小的输出。为使本章讨论更具体，我们假设输出值大小为256位，但是，我们的讨论适用于任意规模的输出，只要其足够大。
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● 它能进行有效计算，简单来说就是对于特定的输入字符串，在合理时间内，我们可以算出哈希函数的输出。更准确地说，对应n位的字符串，其哈希值计算的复杂度为O（n）。
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这些特性定义了一般哈希函数，以这个函数为基础，我们可以创建数据结构，例如哈希表。我们将只专注于加密的哈希函数，要使哈希函数达到密码安全，我们要求其具有以下三个附加特性：（1）碰撞阻力（collision-resistance）；（2）隐秘性（hiding）；（3）谜题友好（puzzle-friendliness）。
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我们会仔细研究这些特性，并会逐步阐释我们为什么需要这样的函数。学习过密码学的读者可能会注意到，我们这里对于哈希函数的论述与一般的密码学课程会有所不同，特别是关于谜题友好。在一般密码学中，谜题友好并非加密的哈希函数的一般要求，却对加密数字货币这一特性非常有用。
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特性1：碰撞阻力
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加密的哈希函数的第一个特性是它要具有碰撞阻力。这里的碰撞指对于两个不同的输入，产生相同的输出。如果对于哈希函数H(·)，没有人能够找到碰撞，我们则称该函数具有碰撞阻力（见图1.1）。即：
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碰撞阻力 如果无法找到两个值，x和y，x≠y，而H(x)=H(y)，则称哈希函数H具有碰撞阻力。
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图1.1 哈希碰撞
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注：x和y分别是不同输入，当作为哈希函数的输入时，会产生相同的输出。这时我们就说这个函数是哈希碰撞的。
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注意，我们说没人能找到碰撞，并不表示不存在碰撞。事实上，通过简单的计数论证（counting argument），我们可以证明碰撞的确存在。哈希函数的输入空间包含所有长度的任意字符串，但输出空间则只包含特定固定长度的字符串。因为输入空间比输出空间大（输入空间是无限的，而输出空间是有限的），一定会有输入字符串映射到相同的输出字符串。实际上，根据鸽巢原理（Pigeonhole Principle），我们可以得出，必然会有大量可能的输入被映射到任意特定输出（见图1.2）。
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