1.3.1 加密算法
1.哈希算法
哈希算法是一类加密算法的统称，是信息领域中非常基础也非常重要的技术，输入任意长度的字符串，哈希算法可以产生固定大小的输出。通俗地说，我们可以将哈希算法的输出（也就是哈希值）理解为区块链世界中的“地址”，有了这个地址，就可以定位到任何区块，这就类似于在现实世界中，通过邮箱地址就可以定位到具体的某个物理地点。
哈希算法有一个很重要的特性，即“加密容易解密难”，将区块中的内容通过哈希算法加密是很简单的事情，但是想从加密后的数据中解密出原始数据，以目前的计算技术，几乎是不可完成的。就像在现实世界中，我们不太可能从“邮箱地址”倒推出房屋结构、家庭成员等隐私信息。
区块链上的数据一旦通过哈希加密，哪怕被黑客截获，想破解出其中的原始内容，也是极为困难的，这就保证了区块链节点上的数据安全。比特币诞生以来遭受过无数次攻击，但依然运作良好，这足以说明哈希算法的价值。
哈希算法还有一个重要的特征是“雪崩效应”，指即使对原始输入数据只进行小改动，结果也会有非常大的差异。我们来看一个哈希算法例子，使用SHA-256（一种常用的哈希算法）进行测试，如图1-9所示。
图1-9 一个哈希算法的例子
可以看到，即使只改变了输入的第一个字母的大小写（This变为this），输出哈希值也天差地别，没有任何相关性，因此破解哈希值十分困难。根据密码学的研究，按照目前的计算机算力，想彻底破解哈希值，需要经过上万年的计算，这就保证了哈希加密技术的可靠性。
可能有人会感到疑惑，将来量子计算成功后，是不是就可以破解哈希了？量子计算从理论到应用还有几十年的路程，短期还看不到实际应用的可能性。此外，即使量子计算真的出现了，肯定也会诞生新的加密算法，所谓“有矛就有盾”，普通用户大可不必为此担忧。
2.非对称加密
非对称加密是指加密和解密使用不同密钥的加密算法，又称公私钥加密，这是目前信息安全领域使用最广的加密模式。我们日常生活中的“用户名/密码”模式是对称加密，加密用的密码和解密用的密码相同，其效率高、简单易行，但是安全性不够，一旦密码泄露，内容就会被窃取。
非对称加密采用公钥和私钥两个密钥，在区块链网络中，每个节点都拥有唯一的一对私钥和公钥。公钥是公开的部分，就像银行的账户；私钥是非公开的部分，就像账户密码。使用这个密钥对时，如果用其中一个密钥加密一段数据，则必须用另一个密钥解密，即“公钥加密，私钥解密”或“私钥加密，公钥解密”。用户接收文件的非对称加密过程如图1-10所示。
图1-10 用户接收文件的非对称加密过程
非对称加密具有双向性，即公钥和私钥均可用于加密，同时另一个用于解密，于是不同加密方向便产生了不同的应用。
其中一个应用就是加密通信，其路径是：明文→公钥加密→密文→私钥解密→明文。例如，李四想利用非对称加密算法私密地接收张三向他发送的信息，步骤如下。
第一步：李四需要使用具体约定的算法（如RSA）生成密钥和公钥，密钥自己保留，公钥对外公布。
第二步：张三拿到李四的公钥后，便可以对想要发送的消息“张三已向李四转账1BTC，请查收”进行加密。
第三步：张三将密文（如“FH39kkJ+shi3dabcg35”）发送给李四。
第四步：李四收到消息后，用自己的私钥进行解密，还原出消息原文“张三已向李四转账1BTC，请查收”。
因为只有李四拥有私钥，所以黑客就算劫持了消息，也没有办法解密，保证了通信的安全性。加密通信过程如图1-11所示。
图1-11 加密通信过程
在这个过程中，发起方无须暴露自己的私钥，就可实现保密，只有拥有私钥的一方能解密信息。比特币交易的解密与验证过程与此类似，如图1-12所示。
图1-12 比特币交易的解密与验证过程
公钥有很多不同的实现方法，RSA算法是最知名的一种。RSA算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大质数（素数）相乘十分容易，但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。例如，取两个简单的质数89、97，得到两者乘积8633很简单，但是对8633进行因式分解的工作量很大。
非对称加密技术是目前互联网信息安全的基石，它确保了区块链上的数据足够安全。
非对称加密的另一个重要应用是数字签名。在比特币系统中，类似“张三已向李四转账1BTC，请查收”这样的消息最终会被矿工记录在账本上，因为其与转账双方利益相关。这样一条消息的受益方是李四，那么如果李四一直向网络中广播张三给他转账的消息呢？因此，我们需要一种机制来证明张三是自愿的，也就是消息确实是张三发出的。怎么操作呢？只要反过来，先用私钥加密就可以了，因为只有张三拥有私钥。这就是数字签名的原理。
张三发出消息的同时将数字签名发出并将公钥公开，区块链上的矿工们收到消息和数字签名后，用张三提供的公钥解密，将解出来的结果与张三的消息明文对比，如果一致，则说明这个消息确实是张三发出的，这就验证了数据来源的可靠性。
总而言之，加密算法既要保证正常的交易数据不被黑客劫持和攻击，又要保证交易者不会出现互相欺诈的情况。因此，区块链使用加密算法是为了解决公共网络上的数据安全问题。