哈希算法到底是什么？它又是如何運(yùn)行的？Greg Walker 用視頻給出了一個(gè)可視化的解答，并在 GitHub 上進(jìn)行了共享，詳細(xì)介紹了 SHA-256 函數(shù)的工作原理。

項(xiàng)目鏈接：https://github.com/in3rsha/sha256-animation Greg Walker 喜歡構(gòu)建一些教育性網(wǎng)站，簡單易懂地講解一些科普類算法。 他在這個(gè)解釋 SHA-256 的視頻中，不僅介紹了哈希計(jì)算，還涉及比特幣挖礦、基礎(chǔ)運(yùn)算、函數(shù)、常量等知識。 什么是哈希函數(shù)？ 哈希就是將不同的輸入映射成獨(dú)一無二的、固定長度的值（又稱 "哈希值"），是最常見的軟件運(yùn)算之一。很多網(wǎng)絡(luò)服務(wù)會使用哈希函數(shù)，產(chǎn)生一個(gè) token，標(biāo)識用戶的身份和權(quán)限。 那它是如何運(yùn)行的呢？哈希函數(shù)可以把給定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成固定長度的無規(guī)律數(shù)值。此處為方便讀者理解，我們借用《我的第一本算法書》里的比喻：將哈希函數(shù)想象成攪拌機(jī)。

圖源：《我的第一本算法書》 將數(shù)據(jù) “abc” 放入攪拌機(jī)里，經(jīng)過哈希函數(shù)計(jì)算后，會輸出固定長度且無規(guī)律的數(shù)值，而這個(gè)無規(guī)律數(shù)值就是“哈希值”，絕大多數(shù)情況用十六進(jìn)制來表示。

哈希函數(shù)有一系列特征，如上圖所示，輸出的哈希值與輸入數(shù)據(jù)的大小、長度等沒有任何關(guān)系。

若輸入相同，輸出的哈希值也必定相同。

如輸入不同，輸出的哈希值也必然不同，哪怕是只有細(xì)微區(qū)別。

在輸入數(shù)據(jù)完全不同的情況下，輸出的哈希值有可能是相同的，這種少數(shù)特殊情況稱為“哈希沖突”。

同時(shí)，哈希值是不可逆的，也就是說，通過哈希值不可能反向推算出原本的數(shù)據(jù)。 在本項(xiàng)目中，Greg Walker 也通過視頻介紹了以上幾大特征。

SHA-256 SHA 包括 SHA-0、SHA-1、SHA-2 和 SHA-3 系列，SHA-256 是 SHA-2 系列的函數(shù)之一。其摘要長度為 256 bits，即 32 個(gè)字節(jié)，故稱 SHA-256。SHA-256 常出現(xiàn)于比特幣領(lǐng)域。 那么 SHA-256 到底是什么樣的呢？Greg Walker 提供了動畫展示。

動畫展示 SHA-256，你也能做到

只需對需要進(jìn)行 hash 處理的數(shù)據(jù)運(yùn)行 sha256.rb 腳本即可。

# simpleruby sha256.rb abc # hash binary or hex data by using `0b` or `0x` prefixesruby sha256.rb 0b01100001ruby sha256.rb 0xaabbccdd # speed up or step through the animation (optional)ruby sha256.rb abc normal # defaultruby sha256.rb abc fastruby sha256.rb abc enter 輸入二進(jìn)制字符串作為參數(shù)，從而運(yùn)行 SHA-256 中的各個(gè)函數(shù)：

ruby shr.rb 11111111111111110000000000000000 22ruby rotr.rb 11111111111111110000000000000000 22ruby sigma0.rb 11111111111111110000000000000000ruby sigma1.rb 11111111111111110000000000000000ruby usigma0.rb 11111111111111110000000000000000ruby usigma1.rb 11111111111111110000000000000000ruby ch.rb 11111111111111110000000000000000 11110000111100001111000011110000 00000000000000001111111111111111ruby maj.rb 11111111111111110000000000000000 11110000111100001111000011110000 00000000000000001111111111111111 你也可以使用 hash256.rb 來進(jìn)行 double-SHA256，該腳本默認(rèn)接受十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，如交易數(shù)據(jù)等。

ruby hash256.rb 0100000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000003ba3edfd7a7b12b27ac72c3e67768f617fc81bc3888a51323a9fb8aa4b1e5e4a29ab5f49ffff001d1dac2b7c # genesis block headerSHA-256 的工作原理基礎(chǔ)運(yùn)算 這里只對 SHA-256 的基礎(chǔ)運(yùn)算進(jìn)行簡單介紹。 SHA-256 uses four basic bitwise operations on words. SHA-256 對 words 使用 4 種 bitwise 基礎(chǔ)運(yùn)算。 右移 (shr.rb)

SHRn(x) = x >> n 將 bits 向右移動多個(gè)位置，同時(shí)從右側(cè)移出的 bits 丟失。 向右旋轉(zhuǎn) (rotr.rb)

將 bits 向右移動多個(gè)位置，然后將移動后的 bits 放在左側(cè)，也稱為「循環(huán)右移」。 Exclusive Or (xor.rb)

x ^ y ^ z XOR 的輸入為兩個(gè) bit，如果其中只有一個(gè)為 1，則輸出 1。在合并多個(gè) bit 時(shí)通過多次 XOR 運(yùn)算進(jìn)行，同時(shí)獲得多個(gè) bit 的“平衡表示”（balanced representation）。 加法 (add.rb)

(v + w + x + y + z) % 232 這是非常標(biāo)準(zhǔn)的整數(shù)加法運(yùn)算，唯一的不同是，此處采用結(jié)果模數(shù)為 2^32，從而將結(jié)果限制為 32 位數(shù)字。 函數(shù) 將上述運(yùn)算組合起來，就可以創(chuàng)建函數(shù)。 前四個(gè)函數(shù)使用希臘符號 Sigma 命名（小寫σ和大寫Σ）。 σ0 (sigma0.rb)

σ0(x) = ROTR7(x) ^ ROTR18(x) ^ SHR3(x) σ1 (sigma1.rb)

σ1(x) = ROTR17(x) ^ ROTR19(x) ^ SHR10(x) Σ0 (usigma0.rb)

Σ0(x) = ROTR2(x) ^ ROTR13(x) ^ ROTR22(x) Σ1 (usigma1.rb)

Σ1(x)=ROTR6(x)^ROTR11(x)^ROTR25(x) 最后兩個(gè)函數(shù) “Choice” 和“Majority”可接受三個(gè)不同的輸入，如下所示： Choice (ch.rb)

該函數(shù)基于 x 位在 y 位和 z 位之間做出選擇。如果 x = 1，則選擇 y 位；如果 x = 0，則選擇 z 位。

Ch(x, y, z) = (x & y) ^ (~x & z) Majority (maj.rb)

該函數(shù)返回的是三個(gè) bits 中的多數(shù)。

Maj(x, y, z) = (x & y) ^ (x & z) ^ (y & z)壓縮 該教程中還介紹了很多有趣的基礎(chǔ)知識，這里不再贅述。我們重點(diǎn)來看哈希函數(shù)的壓縮函數(shù)，這也是其核心功能。 對于消息調(diào)度中的每個(gè)詞，我們都使用 “狀態(tài)寄存器” 中的當(dāng)前值來計(jì)算兩個(gè)新的臨時(shí)詞（設(shè)為 T_1 和 T_2）。

Temporary Word 1 (t1.rb)

T1 = Σ1(e) + Ch(e, f, g) + h + Kt + Wt 此臨時(shí)詞將消息調(diào)度中的下一個(gè)單詞與列表中的下一個(gè)常量并在一起運(yùn)行。 Temporary Word 2 (t2.rb)

T2 = Σ0(a) + Maj(a, b, c) 通過將狀態(tài)寄存器中第一個(gè)值Σ_0 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，與前三個(gè)寄存器中的 Majority 的值相加來計(jì)算這個(gè)臨時(shí)詞。 壓縮 (compression.rb)

在計(jì)算了兩個(gè)臨時(shí)詞之后，將狀態(tài)寄存器中的值移至下一個(gè)位置，并更新寄存器： 狀態(tài)寄存器中的第一個(gè)值變?yōu)?T_1 + T_2，同時(shí)狀態(tài)寄存器中的第五個(gè)值已添加了 T_1。 這即是一輪壓縮，對于信息調(diào)度中的每個(gè)詞該過程都會重復(fù)一次。 在壓縮了整個(gè)消息調(diào)度之后，我們將得到的哈希值添加到初始哈希值中，由此得出消息塊的最終哈希值。 但如果還有其他消息塊要處理，則將當(dāng)前哈希值在下一次壓縮中用作初始哈希值。如下圖所示：