SHA-256 演算法

 

SHA-256 雜湊函數，是透過多輪非線性壓縮，把任意長度資訊映射成 256-bit 不可逆推的系統．

它是 SHA-2，Secure Hash Algorithm 2，系列中的一個成員，該系列還包括 SHA-224、SHA-384 和 SHA-512。

SHA，安全雜湊演算法 Secure Hash Algorithm，是密碼雜湊函數的家族，用於將輸入 input 的訊息轉換為固定長度字串的數值 output，這個數值稱為雜湊值 Hash，通常稱為訊息摘要 Message Digest 或摘要 Digest。

SHA 演算法，是由美國國家安全局 NSA 研發，由美國國家標準與技術研究院 NIST 於2001年發布的．美國聯邦資訊處理標準 FIPS 認證的安全雜湊演算法．

SHA 家族分為 SHA-0、SHA-1、SHA-2、SHA-3，比特幣採用的 SHA-256 演算法是 SHA-2 的演算法之一，能生出 256 位元的輸出值，是一種單向函數。

• SHA256 - NIST 官方文檔 https://csrc.nist.gov/publications/detail/fips/180/4/final

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SHA-256 基本概念

• 雜湊唯一性 兩個不同的輸入值，通過雜湊要輸出相同哈希值概率在計算量級上不可行，具備抗碰撞性 Collision Resistance。亦無法從給定的雜湊值逆推出原始輸入，具備抗預像性 Preimage Resistance。

• 填補與分塊處理 先將輸入值進行填補，並加入原始訊息長度資訊，使其符合 512 位元倍數，再透過 Merkle-Damgård 結構，將這些分塊依序送入壓縮函數中進行迭代運算，前一個區塊的輸出會作為下一個區塊的輸入的一部分，直到處理完整個訊息

• 固定長度輸出確定性 無論輸入數據的大小如何，SHA-256 始終生成 256 位元的輸出。

• 雪崩效應 壓縮函數中的非線性擴散與多輪迭代結果，任何輸入值的變化，都會造成輸出值的大幅改變，用以防止輸出值的可預測性．

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SHA-256 運作方式

• 消息填充 SHA-256 首先會對輸入數據進行填充，使其滿足 512 位元倍數長度，以便後續分塊處理。

• 初始哈希值設定 SHA-256 初始化時會設定一組 8 個 32-bit 的初始常數（H0–H7），這些初始值是由質數平方根的小數部分所構造的固定常數。

• 消息分塊與處理 填充過的消息被分割成多個 512 位元的數據塊。每個數據塊將通過多輪壓縮函數 compression function 進行處理。

• 壓縮函數 SHA-256 使用了一個基於位運算、邏輯運算、模加法以及置換的壓縮函數，包含 64 輪迭代運算。該壓縮函數將初始哈希值與處理過的數據塊結合，並產生新的哈希值。

• 輸出哈希值 最終，所有數據塊處理完畢後，初始雜湊值被更新為最終的 256 位雜湊值，即輸出雜湊值。

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SHA-256 應用

• 數字簽名與驗證 SHA-256 被廣泛應用於數字簽名和驗證過程中，確保數據在傳輸過程中的完整性。

• 比特幣工作量證明 比特幣區塊鏈使用 SHA-256 進行挖礦，確保每個區塊的數據完整性和安全性。挖礦過程中，礦工需要不斷變化區塊的 隨機數 Nonce 進行計算工作，直到找到滿足當前難度要求的哈希值。

• 密碼學應用 在多種密碼學應用中，如生成密碼摘要、數據完整性驗證、消息認證碼 HMAC 等。

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SHA256 相關 BIP

• BIP141：Segregated Witness（SegWit）
• BIP143：Transaction Signature Verification for SegWit v0
• BIP340：Schnorr Signatures
• BIP341：Taproot
• BIP342：Tapscript
• BIP37：Bloom Filtering for SPV Nodes
• BIP152：Compact Block Relay
• BIP158：Compact Block Filters
• BIP34：Block Height in Coinbase
• BIP66：Strict DER Signatures