哈希運算是一種從可變大小的輸入數據生成固定大小輸出的過程。這一過程通過一種稱為「哈希函數」的數學公式來實現，哈希函數的實作可以涵蓋多種算法。
並非所有哈希函數都涉及密碼學，但「加密哈希函數」在加密貨幣領域中扮演著核心角色。正是因為加密哈希函數的存在，區塊鏈及其他分布式系統才能在數據完整性和安全性上達到較高水平。
傳統哈希函數與加密哈希函數都具備確定性。確定性意味著只要輸入數據不變，哈希運算算法將始終生成相同的輸出，這個輸出也稱為「摘要」或「哈希值」。
通常，加密貨幣使用的哈希運算算法被設計為單向函數，這意味著這些函數難以輕易地逆向恢復。換句話說，從輸入數據創建輸出相對容易，但從輸出數據反向生成輸入則極為困難。總體而言，越難以找出原始輸入，哈希運算算法的安全性也就越高。
哈希函數如何運作？
不同的哈希函數生成的輸出大小不一，但每種哈希運算算法的輸出大小始終不變。例如，SHA-256算法的輸出始終為256位，而SHA-1的輸出則固定為160位。
以SHA-256哈希運算算法為例，我們用「Binance」和「binance」這兩個詞進行哈希運算，得到的結果如下：
SHA-256
| 輸入 | 輸出（256位） |
|---|---|
| Binance | f1624fcc63b615ac0e95daf9ab78434ec2e8ffe402144dc631b055f711225191 |
| binance | 59bba357145ca539dcd1ac957abc1ec5833319ddcae7f5e8b5da0c36624784b2 |
即使是字母大小寫的微小變化，也會生成完全不同的哈希值。無論輸入數據的長短，使用SHA-256算法生成的輸出始終保持256位（或64個字符）的固定長度。此外，不論算法執行多少次，這兩個詞的哈希值始終不變。
相對而言，使用SHA-1哈希運算算法進行同樣的輸入，得到的結果如下：
SHA-1
| 輸入 | 輸出（160位） |
|---|---|
| Binance | 7f0dc9146570c608ac9d6e0d11f8d409a1ee6ed1 |
| binance | e58605c14a76ff98679322cca0eae7b3c4e08936 |
「SHA」代表安全哈希算法（Secure Hash Algorithms），指一系列加密哈希函數，包括SHA-0和SHA-1以及SHA-2和SHA-3組。SHA-256與SHA-512及其他變體屬於SHA-2組，目前只有SHA-2和SHA-3組被認為是安全的。
哈希函數的重要性
傳統哈希函數有許多應用，包括數據庫查找、大文件分析和數據管理。而加密哈希函數則廣泛應用於信息安全領域，如消息驗證和數字指紋。以比特幣為例，加密哈希函數在挖礦過程中是不可或缺的一部分，並且影響新地址和密鑰的生成。
哈希運算在處理大量信息時特別強大。例如，對大文件或數據集進行哈希運算，可以快速驗證數據的準確性和完整性。由於哈希函數具備確定性，它能將輸入數據壓縮成簡化的輸出（即哈希值），從而消除了存儲和記憶大量數據的需求。
在區塊鏈技術領域，哈希運算尤為重要。比特幣區塊鏈中有多個操作涉及哈希運算，其中大部分發生在挖礦過程中。事實上，幾乎所有的加密貨幣協議都依賴哈希運算來連接交易組，並將其壓縮成區塊，同時在各個區塊之間生成加密鏈接，有效地建立了區塊鏈。
加密哈希函數
加密哈希函數是應用於加密技術的哈希函數。破解加密哈希函數通常需要無數次的蛮力嘗試。如果要「還原」加密哈希函數，需要通過反覆試錯來猜測輸入，直到生成相應的輸出。但是，不同的輸入也有可能生成完全相同的輸出，這會導致「碰撞」。
技術上講，加密哈希函數需要具備三個屬性才能有效保障安全，這三大屬性分別為抗碰撞性、抗原像性和抗第二原像性。
抗碰撞性：任意兩個不同的輸入不能生成相同的哈希值輸出。即使輸入的數量非常多，哈希函數能夠保持極低的碰撞概率。例如，SHA-256被認為具有很高的抗碰撞性。
抗原像性：不可能從給定的哈希值逆向推導出原始輸入。這意味著即使知道了哈希值，也無法輕易找到對應的原始輸入。
抗第二原像性：不可能找到與已知輸入生成相同哈希值的另一個不同輸入。這表示，即使知道了某個輸入及其哈希值，也無法找到另一個輸入使其哈希值相同。
加密貨幣挖礦
在比特幣挖礦過程中，哈希函數用於多個步驟，例如檢查餘額、連接交易輸入和輸出，以及對區塊內的交易進行哈希運算以形成默克爾樹。然而，比特幣區塊鏈安全的主要原因之一是，礦工需要進行大量的哈希運算，以找到下一個區塊的有效解決方案。
具體而言，礦工在創建候選區塊哈希值時，必須嘗試多個不同的輸入。從本質上講，只有生成的哈希值以一定數量的零開頭，礦工才能驗證區塊。零的數量決定了挖礦的難度，並隨著專門用於網絡的哈希率變化而變化。
在這種情況下，哈希率代表了投入比特幣挖礦的算力大小。如果網絡的哈希率增加，比特幣協議會自動調整挖礦難度，使得出塊所需的平均時間保持在約10分鐘。如果多名礦工停止挖礦，導致哈希率大幅下降，挖礦難度會降低，直至平均出塊時間恢復至10分鐘。
需要注意的是，礦工可以生成多個哈希值作為有效輸出（以一定數量的零開頭），因此他們不必查找碰撞。每個區塊都有多種可能的解決方案，但取決於挖礦難度閾值，礦工只需找到其中一種解決方案。
比特幣挖礦是一項高成本的任務，礦工沒有必要欺騙系統，這樣反而會造成重大經濟損失。加入區塊鏈的礦工越多，區塊鏈的規模也就越大，也越強大。
總結
毫無疑問，哈希函數是計算機科學中不可或缺的工具，其處理大量數據的能力尤為出色。與密碼學相結合，哈希運算算法能夠廣泛應用於多種安全和身份驗證場景。對於幾乎所有加密貨幣網絡而言，加密哈希函數都是至關重要的。因此，若對區塊鏈技術感興趣，了解加密哈希函數的屬性與運作機制將大有裨益。
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