比特幣的技術
最近筆者想瞭解比特幣的運作原理，於是找來比特幣的發明人「中本聰」的 Bitcoin 論文，研讀了一番，該論文可在「比特幣的官方網站」上看到，網址如下：
研讀了該論文之後，筆者寫了一篇「介紹比特幣運作原理」的文章，打算放在 2014 年 1 月 1 日出刊的「程式人雜誌」當中，目前該文暫時還在筆者的 dropbox 帳號內公開，連結如下：
雜湊現金
寫完「比特幣 (Bit Coin) 的運作原理」這篇文章之後，筆者發現比特幣裏最關鍵的技術是一種稱為「雜湊現金」(hashcash) 的技術，這種技術其實與金錢沒什麼關係，而是與 CPU 計算出某個雜湊值所需要花的時間有關係。1997 年，Adam Back 提出了雜湊現金的技術，後來這個技術逐漸展現強大的用途，於是 Adam Back 於 2002 年又寫了一篇介紹「雜湊現金與其應用」的論文如下：
要瞭解這種雜湊現金技術，必須先瞭解「單向雜湊函數」的概念，所謂的單向雜湊函數 (One Way Hash Function)，就像是一般資料結構中建立雜湊表 (Hash Table) 時，用來計算雜湊值 (Hash Value) 的那種函數。只是該雜湊函數還具有很難逆向破解的特性，也就是給定雜湊值時很難反向計算出原文的特性，因此稱為「(單向) 雜湊函數」。
雜湊現金的機制，不只被用在「比特幣的挖礦」上面，也可以用來進行「垃圾郵件過濾」，以下文章就說明了如何用「雜湊現金」的機制來打擊垃圾郵件。
想要瞭解「雜湊現金」機制是如何運作的，比需先瞭解一個密碼學上的技術，那就是「單向雜湊函數」。
單向雜湊函數
在密碼學領域，最常被使用的「單向雜湊函數」有 MD5, SHA-1, SHA-2 等函數，MD5 的雜湊值長度為 128 位元，雖然廣為使用，但長度不夠，而且比較容易破解，因此現在已經不夠安全了。SHA-1 的摘要長度為 160位元，比 MD5 更安全一些，但最近也有些方法可以在大約在 2 的 60 次方計算後破解，因此美國國家安全局（NSA）與美國國家標準與技術研究院（NIST）又設計出了一些更複雜的 SHA-2 家族算法，SHA-2 包含 224, 256, 384, 512 等四種長度的雜湊值算法，SHA-2 會比 SHA-1 更安全一些。
在本文中，我們將示範如何用 SHA-1 函數來實現雜湊現金的機制，因此我們尋找到了一個開放原始碼的 C 語言 SHA-1 程式，其源碼如下：
上述程式有個測試主程式，若你定義 SHA1TEST 這個符號時，就會連同主程式一起編譯，該主程式顯然是在測試一些 「SHA-1標準」所提供的測試案例，以下是該測試主程式的執行結果：
D:\Dropbox\Public\web\codedata\code\sha1>gcc -Wall -DSHA1TEST -o sha1test sha1.cD:\Dropbox\Public\web\codedata\code\sha1>sha1testTest: FIPS 180-2 C.1 and RFC3174 7.3 TEST1Expect:a9993e364706816aba3e25717850c26c9cd0d89dResult:a9993e364706816aba3e25717850c26c9cd0d89dTest: FIPS 180-2 C.2 and RFC3174 7.3 TEST2Expect:84983e441c3bd26ebaae4aa1f95129e5e54670f1Result:84983e441c3bd26ebaae4aa1f95129e5e54670f1Test: RFC3174 7.3 TEST4Expect:dea356a2cddd90c7a7ecedc5ebb563934f460452Result:dea356a2cddd90c7a7ecedc5ebb563934f460452Test: FIPS 198a A.1Expect:4f4ca3d5d68ba7cc0a1208c9c61e9c5da0403c0aResult:4f4ca3d5d68ba7cc0a1208c9c61e9c5da0403c0aTest: FIPS 198a A.2Expect:0922d3405faa3d194f82a45830737d5cc6c75d24Result:0922d3405faa3d194f82a45830737d5cc6c75d24Test: FIPS 198a A.3Expect:bcf41eab8bb2d802f3d05caf7cb092ecf8d1a3aaResult:bcf41eab8bb2d802f3d05caf7cb092ecf8d1a3aaTest: FIPS 198a A.4Expect:9ea886efe268dbecce420c7524df32e0751a2a26Result:9ea886efe268dbecce420c7524df32e0751a2a26Test: FIPS 180-2 C.3 and RFC3174 7.3 TEST3Expect:34aa973cd4c4daa4f61eeb2bdbad27316534016fResult:34aa973cd4c4daa4f61eeb2bdbad27316534016f
使用 SHA-1 實做雜湊現金機制
有了上述的 SHA-1 雜湊函數程式之後，我們就可以來實作「雜湊現金」(hashcash) 系統了。
在以下程式中，主程式會從零開始一直向上調整 nonce 的值，直到找到一個 nonce 可以產生 24 bit (或說 3 個 byte 或 6 個十六進位值) 以上的前導零，才會停止程式並輸出該包含 nonce 的文件與雜湊摘要值。
檔案：hashcash.c
執行結果：
D:\Dropbox\Public\web\codedata\code\sha1>gcc hashcash.c -o hashcashD:\Dropbox\Public\web\codedata\code\sha1>hashcashCurrent local time and date: Mon Dec 16 19:33:03 2013msg=from:abc@gmail.com to:ccckmit@gmail.com title=hello! nonce=13973878hash=00000016aa26951d1653fe515f112fe41d8ebd45Current local time and date: Mon Dec 16 19:34:27 2013
您可以看到上述程式花了「1 分 24 秒」，從 nonce=0 開始向上不斷測試，直到 nonce=13973878 才找到了第一個符合有24 bit 前導零 nonce ，也就是總共測試了一千三百多萬次才發現符合條件的含 nonce 文件，這也就是雜湊現金(hashcash) 機制的實務用法。
一但找到符合這個條件的文件之後，就可以通過測試，假如這種雜湊現金是用來過濾垃圾郵件用的，那麼接收端就可以檢查這封郵件 “from:abc@gmail.com to:ccckmit@gmail.com title=hello! nonce=13973878″ 的接收者是否為自己，然後再檢查其雜湊值是否真的有 24 bit 的前導零，如果有的話就代表對方已經花了足夠的 CPU 時間 (換句話說就是已經付了「雜湊現金」，有付的人其信件就可以被接受了)。
同樣的，比特幣也是如此，如果一個人花 CPU 時間幫「比特幣網路」計算出符合條件的 nonce 值，那麼他就可以得到對應的代價，也就是一些「比特幣」，這也就是所謂的「挖掘比特幣」了。
