?作者：廖飛強(qiáng)
來(lái)源：微眾銀行區(qū)塊鏈

?隱私數(shù)據(jù)如何驗(yàn)明真?zhèn)?#xff1f;區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)何以可信？如何快速檢驗(yàn)海量數(shù)據(jù)是否被篡改？單向哈希在其中起到了什么作用？

隱私數(shù)據(jù)的價(jià)值很大程度上源自其真實(shí)性，如何防止數(shù)據(jù)被惡意篡改，是隱私保護(hù)方案設(shè)計(jì)中不可忽視的關(guān)鍵目標(biāo)之一。為此，密碼學(xué)領(lǐng)域提出了一系列基本組件，即密碼學(xué)原語(yǔ)（Cryptographic Primitive）來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，其中最常用的便是單向哈希。

在區(qū)塊鏈中，單向哈希能夠鏈接多個(gè)區(qū)塊數(shù)據(jù)，形成可信的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在弱信任環(huán)境下，提供防篡改且經(jīng)過多方共識(shí)的可信數(shù)據(jù)源。

這一特性對(duì)隱私保護(hù)方案的設(shè)計(jì)意義重大。隱私數(shù)據(jù)往往以密文形式表達(dá)，需要快速檢驗(yàn)海量隱私數(shù)據(jù)的真?zhèn)?#xff0c;查驗(yàn)是否被惡意篡改。此時(shí)，單向哈希作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，大有用武之地。

為何單向哈希如此神奇？其常見的用法有哪些？又能具體解決哪些問題？以下將據(jù)此一一展開。

1.單向的哈希算法

哈希算法是信息科學(xué)中的基礎(chǔ)算法組件，“快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)比較和效驗(yàn)”是其設(shè)計(jì)初衷之一。

現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)場(chǎng)景中，可能會(huì)涉及海量隱私數(shù)據(jù)，逐一比對(duì)數(shù)據(jù)原文，在很多場(chǎng)景中非常不現(xiàn)實(shí)，尤其是需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，會(huì)大大增加網(wǎng)絡(luò)帶寬的負(fù)擔(dān)。

哈希算法的出現(xiàn)，使得高效的數(shù)據(jù)驗(yàn)證成為了可能。

哈希算法的核心功能為，將任意長(zhǎng)度的輸入m映射為固定長(zhǎng)度的輸出H(m)，H(m)常稱為哈希值、散列值或消息摘要。

一個(gè)精心設(shè)計(jì)的哈希算法具有以下特征：

• 輸出確定性：同一種哈希算法，相同的輸入，其輸出固定不變。
• 輸出長(zhǎng)度不變性：同一種哈希算法，針對(duì)任意長(zhǎng)度的輸入，其輸出長(zhǎng)度不變。
• 輸入敏感性：同一種哈希算法，即便輸入數(shù)據(jù)有微小的改變，其輸出哈希值也會(huì)發(fā)生巨大變化。

因此，只要比較數(shù)據(jù)的哈希值是否與預(yù)期的一致，就能大概率地判別隱私數(shù)據(jù)原文是否被篡改。其典型的實(shí)現(xiàn)有：各大主流編程語(yǔ)言中，HashMap數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所使用的哈希算法。

然而，只是大概率，在密碼學(xué)協(xié)議中是不夠的。我們需要更強(qiáng)的哈希算法，將實(shí)際的檢驗(yàn)概率提升至接近100%。

與之對(duì)應(yīng)的一個(gè)重要概念是『哈希碰撞』。哈希碰撞是指，存在兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)原文m1和m2，其哈希值完全相同，即H(m1) = H(m2)。

容易出現(xiàn)哈希碰撞的哈希算法在密碼學(xué)協(xié)議中不安全，同時(shí)，密碼學(xué)還進(jìn)一步引入了單向性的要求。

一個(gè)密碼學(xué)安全的哈希算法，在傳統(tǒng)哈希算法的基礎(chǔ)上，還需滿足以下特性：

• 單向性：根據(jù)數(shù)據(jù)原文計(jì)算哈希值很容易，但要求難以根據(jù)哈希值計(jì)算數(shù)據(jù)原文，提供計(jì)算上的不對(duì)稱性，以此防止攻擊者輕易地從哈希值反推出可能的隱私數(shù)據(jù)原文，保護(hù)哈希值的機(jī)密性。
• 抗碰撞性：給定任意兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)原文，要求它們經(jīng)哈希算法計(jì)算后得到相同哈希值的概率極低，以此防止攻擊者輕易地為篡改之后的隱私數(shù)據(jù)原文構(gòu)造出合法的哈希值，確保數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的有效性。

以上兩個(gè)特性，賦予了密碼學(xué)安全的哈希算法對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容公開可驗(yàn)證的約束能力。這一約束能力使得經(jīng)過單向性轉(zhuǎn)換獲得哈希值，在一定程度上可以作為隱私數(shù)據(jù)原文的等價(jià)信息。

在隱私保護(hù)方案設(shè)計(jì)中，哈希算法的單向性是最常用的特性之一。相應(yīng)地，密碼學(xué)安全的哈希算法也常被稱之為單向哈希。

目前主流的單向哈希有如下算法標(biāo)準(zhǔn)：

• NIST標(biāo)準(zhǔn)：SHA（Secure Hash Algorithm）系列是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）制定的SHA哈希算法系列，主要包括SHA-1、SHA-2和SHA-3三個(gè)系列。SHA-1由于安全問題已不再使用。
  SHA-2系列包括SHA-224(表示哈希值長(zhǎng)度為224位)、SHA-256、SHA-384、SHA-512等算法，其中SHA-256是目前使用最廣泛的單向哈希。
  SHA-3是最新算法標(biāo)準(zhǔn)，源自參與SHA-3競(jìng)賽的keccak算法。2015年，NIST在完成SHA-3的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)，調(diào)整了keccak的填充流程，因此，標(biāo)準(zhǔn)的SHA-3算法與原始的keccak算法并不兼容。
• 國(guó)密標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)密哈希算法SM3，是我國(guó)制定的單向哈希算法標(biāo)準(zhǔn)，由國(guó)家密碼管理局于2010年12月17日發(fā)布，其安全性和效率與SHA-2系列的SHA-256相當(dāng)。

單向哈希的選型可以參考業(yè)務(wù)部署的地域性要求，建議在SM3和SHA-3之間做出選擇，如果需要與現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行兼容，也可酌情選用SHA-2系列中的SHA-256。

2.鏈?zhǔn)焦＝Y(jié)構(gòu)

單向哈希的用途很廣泛，最直接的應(yīng)用就是構(gòu)造鏈?zhǔn)焦＝Y(jié)構(gòu)，即大家所熟知的區(qū)塊鏈，提供難以篡改的可信數(shù)據(jù)源。

由于單向哈希的單向性，從結(jié)構(gòu)上可以看出，從前一個(gè)數(shù)據(jù)塊原文，很容易計(jì)算下一個(gè)數(shù)據(jù)塊所用的哈希值輸入，但已知一個(gè)哈希值輸入，難以反推出所有可能的數(shù)據(jù)塊原文。

區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合單向哈希和共識(shí)算法，當(dāng)某一區(qū)塊的數(shù)據(jù)共識(shí)確認(rèn)后，下一區(qū)塊將會(huì)記錄前一區(qū)塊數(shù)據(jù)的哈希值，從而實(shí)現(xiàn)整條鏈上所有數(shù)據(jù)塊的難以篡改。

在隱私保護(hù)方案設(shè)計(jì)中，以區(qū)塊鏈為代表的基于鏈?zhǔn)焦＝Y(jié)構(gòu)的可信數(shù)據(jù)源，可以起到簡(jiǎn)化協(xié)議設(shè)計(jì)的作用，尤其對(duì)于第4論中提到的惡意模型特別有效。惡意模型下的密碼學(xué)協(xié)議，為了防范內(nèi)部參與者不遵守協(xié)議、隨意篡改數(shù)據(jù)，不得不引入復(fù)雜的多方交互驗(yàn)證過程。

通過鏈?zhǔn)焦＝Y(jié)構(gòu)，在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中引入一個(gè)可信數(shù)據(jù)源，可以對(duì)關(guān)鍵的中間流程數(shù)據(jù)進(jìn)行存證和溯源，一旦有參與方作惡，便能在第一時(shí)間檢測(cè)出，且定位到對(duì)應(yīng)責(zé)任方，有效保障隱私保護(hù)方案全流程的正確性。

3.哈希樹

單向哈希不僅僅能構(gòu)造簡(jiǎn)單的鏈?zhǔn)焦＝Y(jié)構(gòu)，還能根據(jù)業(yè)務(wù)需要擴(kuò)展為更復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其經(jīng)典的形態(tài)之一便是哈希樹。

哈希樹常稱為Merkle Tree，最早由Ralph Merkle在1979年的專利申請(qǐng)中提出，為大數(shù)據(jù)量的完整性驗(yàn)證提供了高效靈活的解決方案。

這里的完整性驗(yàn)證是指，核實(shí)原始數(shù)據(jù)在使用和傳輸?shù)倪^程中沒有被篡改。

在真實(shí)的隱私保護(hù)業(yè)務(wù)中，隱私數(shù)據(jù)多為高價(jià)值數(shù)據(jù)，而且多以密文的形態(tài)保存和使用，一旦被篡改，在不知道明文的前提下，難以通過常規(guī)技術(shù)手段來(lái)有效識(shí)別真?zhèn)?/strong>。