区块链中的哈希：其工作原理以及为何在 2026 年仍然适用

区块链技术通过提供一个安全、透明且防篡改的系统，彻底改变了数字交易的记录方式。这项创新的核心是区块链哈希技术。 

这种加密过程将数据转换成唯一的固定长度代码，使网络能够验证信息、检测篡改并维护每个区块的完整性。如果没有哈希，比特币和以太坊等加密货币就无法安全运行。

在研究人员于 EUROCRYPT 2024 上公布研究结果后，哈希算法的重要性引起了广泛关注。这些研究表明，他们已经成功攻击了 SHA-256 的简化版（31 轮），SHA-256 是比特币的基础加密哈希函数。 

虽然这一消息引发了人们对比特币安全性的担忧，但实际情况远没有那么令人担忧。比特币依赖于完整的 64 轮 SHA-256 算法，这意味着研究突破与任何实际攻击之间存在着巨大的安全漏洞。 

那么，如今区块链哈希的安全性如何？它为何仍然是现代区块链网络的基石？让我们来探究一下。

关键精华

• 哈希将任何数据转换成固定长度的代码，这种代码无法逆向还原，即使输入中的一个字符发生变化，哈希结果也会完全改变。
• 比特币使用 SHA-256，以太坊使用 Keccak-256，而更新的工具为了提高速度，越来越多地使用 Blake3。
• 2024 年的 EUROCRYPT 碰撞攻击破解了 SHA-256 算法 64 个步骤中的 31 个。这对研究人员来说是真正的进步，但对比特币而言并非真正的威胁。
• Merkle 树使区块链能够在不下载整个链的情况下证明单个交易的有效性。

区块链哈希的历史演变

                                                    来源：人工智能生成

哈希技术早在区块链技术出现之前就已存在，最初是为了验证数据完整性和加强数字安全而开发的。MD5 和 SHA-1 等早期加密哈希函数在 20 世纪 90 年代得到广泛应用，但计算机技术的进步最终暴露了它们的弱点，使它们容易受到碰撞攻击。

这些局限性促使人们采用更强大的算法，包括 SHA-256，它是 2001 年推出的 SHA-2 系列的一部分，至今仍是最值得信赖的哈希标准之一。

区块链哈希技术随着 2009 年比特币的推出而进入大众视野。中本聪选择 SHA-256 来保护交易安全、将区块链接在一起，并为比特币的工作量证明共识机制提供支持。

其单向设计和抗篡改能力使其成为维护区块链完整性的理想选择，因为即使输入发生微小的变化也会产生完全不同的哈希值。 

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自比特币诞生以来，哈希已成为区块链技术的基础组成部分，支持着现代区块链网络中从交易验证和挖矿到智能合约和去中心化应用程序的一切。

区块链中的哈希是什么？

                                            来源：人工智能生成

区块链中的哈希处理是指将数据、交易、区块、文件或任何内容通过数学函数进行运算，从而生成一个称为哈希值的唯一固定长度代码的过程。“区块链”一词实际上就来源于这一系列哈希值。

这在生成和验证数字签名中起着关键作用。即使输入数据中只有一个字母发生改变，生成的哈希值也会完全不同。由于每个区块都包含前一个区块的哈希值，因此即使对存储的数据进行微小的更改，也会产生完全不同的哈希值，从而立即暴露任何篡改区块链的企图。 

要成功篡改一个区块，攻击者必须重新计算该区块以及后续每个区块的哈希值，同时还要超越网络的共识机制，这在安全良好的区块链上是计算上不切实际的。 

因此，哈希运算有助于维护区块链网络的完整性、透明度和可信度。这种不可篡改性正是区块链技术如此可靠且防篡改的原因。

这就是关键所在。本文其他内容都在解释为什么这个简单的技巧如此强大。比特币、以太坊以及几乎所有其他区块链中的每个区块都包含自身数据的哈希值以及前一个区块的哈希值。 

区块链中哈希函数的应用

哈希函数是区块链技术的核心组成部分，有助于保护数据安全、验证交易并维护去中心化网络的完整性。以下是其主要应用：

默克尔树

区块链使用默克尔树来高效地组织交易数据。每笔交易都会被哈希处理并组合，直到生成一个单一的默克尔根，该根存储在区块头中。任何交易的更改都会改变根哈希值，这使得篡改行为易于检测，同时也能实现快速的交易验证。

共识机制

哈希函数也为区块链共识机制（例如工作量证明 (PoW)）提供支持。在比特币中，矿工反复对区块头进行哈希运算，直到找到低于网络目标难度的哈希值，从而确保区块得到公平、安全的验证。

数字签名

数字签名依赖于加密哈希函数来验证交易的真实性和数据完整性。用户无需对整个交易进行签名，只需对交易的哈希值进行签名，这样其他人就可以在不暴露私钥的情况下确认所有权并检测任何未经授权的更改。

数据存储和检索

哈希技术通过为每个区块和交易分配一个唯一的数字指纹，从而改进了数据存储和检索。这使得区块链网络能够快速定位、验证和检索信息，同时保持去中心化系统中记录的完整性。

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安全加密哈希函数的特性

只有满足几个基本的安全性和性能要求，加密哈希函数才能有效。 

• 抗碰撞性： 找到两个产生相同哈希值的不同输入在计算上是不可行的。换句话说，找到两条消息（米₁ 和 平方米其中 hash(k, m₁) = hash(k, m₂) 在实际中几乎不可能发生。这可以防止攻击者在不被察觉的情况下用一条数据替换另一条数据。
• 原像抗性： 仅凭哈希值，几乎不可能确定生成该哈希值的原始输入。这种单向性确保了敏感信息无法从哈希值中恢复。
• 第二原像阻力： 即使攻击者知道原始消息，他们也不应该能够找到生成相同哈希值的其他消息。这可以防止攻击者试图用恶意内容替换合法数据。
• 大输出空间： 安全的哈希函数应该生成足够大的输出范围（例如 256 位）。如此庞大的哈希值数量使得暴力碰撞攻击在计算上变得不切实际。
• 确定性输出： 对于相同的输入，哈希函数必须始终产生相同的哈希值。无论何时何地执行该函数，相同的数据都应该产生相同的哈希值。
• 雪崩效应： 输入数据哪怕只改变一个比特，都会产生完全不同的哈希输出。这一特性使得攻击者无法识别相似输入与其对应哈希值之间的关联。
• 谜题友好度（不可预测性）： 安全的哈希函数应该能够保证无法预测输出的任何部分，也无法根据部分信息推断缺失的输入部分。即使攻击者知道大部分输入，他们也不应该能够确定剩余数据或预测生成的哈希值。
• 固定长度输出： 无论输入是单个字符还是整个数据库，哈希函数始终生成长度相同的输出。例如，SHA-256 对每个输入都始终生成 256 位（32 字节）的哈希值，从而提高了存储和验证效率。

哈希函数究竟是如何工作的？

                                   来源：人工智能生成

把哈希函数想象成一台碎纸机，无论你放入的纸张大小如何，它总是能产生大小完全相同的碎纸屑堆。

无论你输入一个词还是一整部小说，它都会吐出大小完全相同的五彩纸屑。更妙的是：两张不同的纸吐出的五彩纸屑永远不会相同，而且你永远也无法把这些纸屑粘回原来的纸上。

简单来说，这就是哈希函数。从技术角度来说，一个好的加密哈希函数需要具备四个特性：

• 确定性： 同样的输入总是产生同样的输出。每一次，永远如此。
• 计算速度快： 你的电脑应该能够几乎瞬间完成哈希运算。
• 单程： 你可以轻松地将数据转换成哈希值。但将哈希值转换回原始数据几乎是不可能的。
• 对变化敏感： 输入中一个比特位取反，输出结果就会完全不同。这被称为雪崩效应。

雪崩效应（通俗英语版）

以下是一个使用 SHA-256 的实际示例。请尝试对以下两个输入进行哈希运算：

输入：“我欠你10美元”

Output: 3367642f44f82b0c063b69805aefa6af49dcf20e338e0d91dc546174dbae0173

输入：“我欠你10美元”

Output: 7922c6ed072fb8330e12b386d9c98c94786236c1bc3b9adbfa16105442c3e5cc

仅仅一个大写字母的改变，哈希值就完全不同了，甚至面目全非。这就是雪崩效应的作用，也正是为什么你无法通过不断调整输入值来猜测或逆向推导出哈希值的原因。

代码中的哈希：Python、JavaScript 和 Solidity

阅读有关哈希的知识只能让你了解一部分。下面是实际编写哈希代码时的样子。

Python

导入哈希库

def hash_data(data: str) -> str:

    返回 hashlib.sha256(data.encode('utf-8')).hexdigest()

print(hash_data(“你好，区块链”))

# 输出：每次都输出一个固定长度的 64 个字符的十六进制字符串

JavaScript (Node.js)

const crypto = require('crypto');

function hashData(data) {

  返回 crypto.createHash('sha256').update(data).digest('hex');

}

console.log(hashData(“Hello, blockchain”));

// 与上述 Python 版本相同的 64 字符输出。

Solidity（以太坊智能合约）

// SPDX 许可证标识符：麻省理工学院

语用强度^ 0.8.20;

合约 HashExample {

    function hashData(string memory data) public pure returns (bytes32) {

        返回 keccak256(abi.encodePacked(data));

    }

}

请注意，Solidity 使用的是 keccak256 算法，而不是 SHA-256 算法。以太坊选择了与比特币不同的算法，而这一选择的重要性远超大多数教程的解释。让我们来探讨一下其中的原因。

SHA-256、Keccak-256 和 Blake3：究竟哪个会胜出？

每个区块链都必须选择一个哈希函数，而这个选择会影响速度、gas费用和长期安全性。以下是三种主要哈希函数的比较。

特性	SHA-256	Keccak-256（SHA-3家族）	Blake3
使用者	比特币、比特币现金	以太坊、BNB链	较新的链，文件完整性工具
输出尺寸	256 bits	256 bits	256 位（可调）
工艺设计	默克尔-达姆加德	海绵结构	基于默克尔树
CPU速度	中	中	速度非常快，采用并行处理
硬件加速	是的，存在专用ASIC芯片。	ASIC支持有限	软件优化，兼容SIMD指令集
已知弱点	31步理论碰撞（2024）	截至2026年，尚无实际可行性	截至2026年，尚无实际可行性
最适合	大规模工作量证明挖矿	智能合约、EVM链	高吞吐量应用、文件哈希

SHA-256算法之所以能获得巨大的先机，是因为比特币在2009年就选择了它。矿工们围绕它构建了名为ASIC的专用硬件，而这种硬件现在已成为比特币最大的安全优势之一。

到 2026 年，比特币网络的总算力将徘徊在每秒 1,000 艾哈希（约 1 泽哈希）左右，这意味着攻击它意味着要超越整堵专用设备的算力，而不仅仅是破解数学。

Keccak-256在 2012 年赢得了 NIST SHA-3 竞赛，但以太坊实际上使用的是 Keccak 的预标准化版本，而不是最终的 NIST SHA-3 规范。这是一个虽小但却至关重要的区别，开发者在迁移到其他区块链时有时会因此而遇到问题。

Blake3于 2020 年发布，是这三种哈希算法中最新的一种。它注重速度而非兼容性，并且由于它将工作分配到多个核心上，因此在现代 CPU 上进行哈希运算的速度远超 SHA-256。虽然它尚未在区块链领域得到广泛应用，但 IPFS 和一些较新的 Layer-1 链等工具已将其用于内部数据完整性检查。

注意：速度并不等同于安全性。Blake3 速度更快，但 SHA-256 已经经受住了全球顶尖密码分析专家 17 年的严密监控。这种久经考验的可靠性是 Blake3 目前尚未获得的。

默克尔树：比特币如何在不重复检查所有交易的情况下验证数百万笔交易

                                                     来源：人工智能生成 

这里有个问题：一个比特币区块可以包含成千上万笔交易。如果你想证明某笔交易确实存在于该区块中，难道你还要下载并检查其他所有交易吗？

不，这正是默克尔树解决的问题。默克尔树将成对的交易进行哈希运算，然后将这些结果再次进行哈希运算，如此反复，直到树顶只剩下一个哈希值。这个最终的哈希值被称为默克尔根，它会被存储在区块头中。

例如：

交易：TX1 TX2 TX3 TX4

                    / /

哈希对：H(1,2) H(3,4)

                       /

再次哈希：默克尔根

如果有人想证明 TX2 是区块的一部分，他们不需要全部四笔交易。他们只需要 TX2、TX1 的哈希值以及 H(3,4) 的哈希值。这被称为默克尔证明，它允许你手机上的轻量级钱包验证交易是否发生，而无需下载整个区块链。到 2026 年，仅比特币的区块链大小就将超过 600 GB。

这也正是篡改难以隐藏的原因。更改一笔交易，其哈希值就会改变。这也会改变其上级交易对的哈希值、默克​​尔根以及区块头的哈希值，并破坏与下一个区块的链接。一个微小的改动会产生连锁反应，影响层层向上延伸。

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安全分析：2024-2025 年碰撞研究的真正意义

回到EUROCRYPT的公告。以下是事件经过，按时间顺序排列。

研究人员李颖欣、刘福康和王高利在EUROCRYPT 2024 会议上发表了针对 SHA-256 算法 64 步中的 31 步的理论碰撞攻击。随后的一篇相关论文将其转化为实际碰撞攻击，这意味着他们使用 64 个计算机线程，在大约 1.2 小时内生成了两个具有相同 31 步哈希值的不同输入。

这听起来很吓人，但你了解两件事后就会明白：首先，这是自EUROCRYPT 2013以来，也就是十多年前，31 步 SHA-256 碰撞算法的首次改进。破解 SHA-256 的进展是一个缓慢的过程，而不是一个快速的过程。

其次，也是最重要的一点，比特币的 SHA-256 算法会执行完整的 64 个步骤。研究人员明确指出，他们的攻击根本无法威胁到完整 SHA-256 算法的安全性，因为它只触及了大约一半的步骤。

为了解释为什么步骤如此重要：SHA-256 会对数据进行 64 轮混合和加扰处理。每多攻击一步，下一步所需的计算能力就会大致翻倍。从第 31 步到第 64 步的难度不是翻倍，而是天文数字般的巨大变化。

你应该如何利用这些信息：

• 不必惊慌；目前这项研究不会对任何生产区块链构成风险。
• 务必密切关注学术进展。如果研究人员在未来几年内达到第 40 或 45 步，那就需要开始更加密切地关注了。
• 如果你今天在开发某个产品，不要一开始就考虑 SHA-256 算法崩溃的问题。相反，应该考虑如何让它最终能够优雅地升级，这是一个截然不同且更为简单的工程问题。

量子计算机与哈希的未来

关于量子计算的新闻标题总是暗示区块链注定要失败。但实际情况却远没有那么复杂，反而是一件好事。量子计算机对密码学构成了截然不同的威胁，有必要将它们区分开来：

1. 公钥密码学 （证明你拥有这些代币的签名）确实面临风险。Shor 的算法理论上可以破解比特币和以太坊钱包签名背后的椭圆曲线数学原理。
2. 哈希函数 （本文的重点）它们更具抵抗力。针对哈希算法的最佳量子攻击——格罗弗算法——也只能带来平方根级的速度提升，而无法完全破解。

实际上，这意味着像 SHA-256 或 Keccak-256 这样的 256 位哈希函数仍然能提供大约 128 位的量子时代安全性，这在未来几十年内仍然被认为是足够强大的。区块链面临的更大量子风险在于钱包签名，而不是用于保护区块的哈希算法。

美国国家标准与技术研究院 (NIST)于2024 年 8 月最终确定了其前三个后量子密码学标准：FIPS 203、204 和 205。值得注意的是，其中之一 FIPS 205 (SLH-DSA) 是一种基于哈希的签名方案，专门构建于哈希函数被认为是密码学家拥有的最抗量子攻击的工具之一。

如果您着眼于长期发展，以下是切实可行的迁移路径：

• 继续使用 SHA-256、Keccak-256 或 SHA-3 进行哈希运算。它们并非薄弱环节。
• 观察 NIST 的 ML-DSA 和 SLH-DSA 签名标准在未来几年内如何在各大供应链中得到应用。
• 如果您要存储任何需要保持可验证性 20 年以上的数据，请优先选择输出长度更大的哈希算法（例如，SHA-512 而不是 SHA-256），因为 Grover 算法需要大约三倍的输出长度才能在抵御量子攻击者时保持相同的安全级别。

常见的哈希错误及其修复方法

如果你编写过任何涉及区块链哈希的代码，你可能遇到过其中之一。

验证数据时出现“哈希值不匹配”：这几乎总是意味着数据中混入了空格、编码或字节顺序错误。例如，对“Hello”和“Hello”（末尾带空格）进行哈希运算会得到完全不同的结果。因此，在进行哈希运算之前，务必对输入数据进行两端相同的修剪和规范化处理。

Python 和 JavaScript 对“相同”输入的哈希结果不同：请检查字符串编码。如果您没有在 Python 和 JavaScript 中明确指定 UTF-8 编码，Python 的 hashlib 默认行为可能与 JavaScript 的 Buffer 处理方式不同。

Solidity 的 keccak256 算法与在线 SHA-3 计算器相比给出了意料之外的结果：这让很多开发者感到困惑。以太坊的 keccak256 算法与最终的 NIST SHA-3 标准并不相同。

它们是近亲，但并非完全相同，因为以太坊是在 NIST 最终确定 SHA-3 填充规则之前构建的。所有与以太坊相关的操作都应该使用 Solidity 自带的 keccak256 算法，切勿使用外部的 SHA-3 工具。

默克尔树验证失败：请仔细检查哈希值的连接顺序。大多数默克尔树错误都源于哈希值错误地使用了 (A + B)，而实际上树预期的是 (B + A)。哈希值的顺序至关重要，即使感觉上似乎无关紧要。

循环哈希性能缓慢：如果脚本中需要逐条哈希数千条记录，请将工作批量处理，或者对于非共识关键型任务，改用速度更快的算法，例如 Blake3。不要因为 SHA-256 很出名就到处强制使用它。

受益于区块链哈希的行业

区块链哈希已成为多个行业的关键安全层，确保数据不可篡改、可验证且值得信赖： 

金融学

比特币和以太坊等加密货币依赖哈希算法来验证交易、保护钱包安全并维护区块链的完整性。金融机构也利用区块链来改进支付处理并减少欺诈。

医疗保健

医院和医疗保健机构依靠哈希技术来保护电子病历、验证数据真实性，并在不损害患者隐私的情况下实现安全的信息共享。

2024年，全球医疗保健领域的区块链技术市场估值达到11.33亿美元。这一快速增长的驱动力在于对安全患者数据管理、互操作性和透明医疗保健系统的需求不断增长。市场上的主要参与者包括Akiri、BurstIQ、PokitDok和Guardtime。

供应链遍布

制造商和零售商利用区块链哈希技术追踪产品从原产地到交付的整个过程。这不仅创建了透明的审计追踪，验证了产品的真实性，还有助于打击假冒伪劣产品和供应链欺诈。例如，腕表品牌百年灵为其所有腕表提供数字护照。

政府

公共机构正在探索利用哈希技术实现安全的数字身份系统、电子投票和防篡改文档管理，从而提高透明度和公众信任度。 

政府区块链的一个突出例子是爱沙尼亚的电子政务系统，该系统利用区块链来保护公民数据并促进数字身份识别、在线投票和电子税务等服务。

媒体和娱乐

区块链哈希技术通过验证所有权、保障数字版权和减少创意内容的盗版来保护知识产权。例如，Audius 就是一个去中心化的音乐流媒体服务，它确保了公平的收入分配。

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