『区块链』密码学原语如何应用？解析单向哈希的妙用( 二 ) |算法|技术|设计|

国密标准：国密哈希算法SM3 ，是我国制定的单向哈希算法标准，由国家密码管理局于2010年12月17日发布，其安全性和效率与SHA-2系列的SHA-256相当。

单向哈希的选型可以参考业务部署的地域性要求，建议在SM3和SHA-3之间做出选择，如果需要与现有系统进行兼容，也可酌情选用SHA-2系列中的SHA-256 。

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链式哈希结构单向哈希的用途很广泛，最直接的应用就是构造链式哈希结构，即大家所熟知的区块链，提供难以篡改的可信数据源。

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由于单向哈希的单向性，从结构上可以看出，从前一个数据块原文，很容易计算下一个数据块所用的哈希值输入，但已知一个哈希值输入，难以反推出所有可能的数据块原文。
区块链技术结合单向哈希和共识算法，当某一区块的数据共识确认后，下一区块将会记录前一区块数据的哈希值，从而实现整条链上所有数据块的难以篡改。
在隐私保护方案设计中，以区块链为代表的基于链式哈希结构的可信数据源，可以起到简化协议设计的作用，尤其对于第4论中提到的恶意模型特别有效。恶意模型下的密码学协议，为了防范内部参与者不遵守协议、随意篡改数据，不得不引入复杂的多方交互验证过程。
通过链式哈希结构，在现实系统中引入一个可信数据源，可以对关键的中间流程数据进行存证和溯源，一旦有参与方作恶，便能在第一时间检测出，且定位到对应责任方，有效保障隐私保护方案全流程的正确性。
哈希树单向哈希不仅仅能构造简单的链式哈希结构，还能根据业务需要扩展为更复杂的数据结构，其经典的形态之一便是哈希树。
哈希树常称为Merkle Tree ，最早由Ralph Merkle在1979年的专利申请中提出，为大数据量的完整性验证提供了高效灵活的解决方案。
这里的完整性验证是指，核实原始数据在使用和传输的过程中没有被篡改。
在真实的隐私保护业务中，隐私数据多为高价值数据，而且多以密文的形态保存和使用，一旦被篡改，在不知道明文的前提下，难以通过常规技术手段来有效识别真伪。
对于涉及多方协作、联合计算的隐私保护业务，隐私数据密文交换和共享通常是其中的核心流程。所以当这些隐私数据密文跨越系统边界时，数据接收方会有两方面数据检验需求：

整体完整：验证隐私数据中任意部分都未被篡改。
篡改定位：如果存在攻击，能够有效定位被篡改的数据位置，便于开展应对流程。

为了体现哈希树的设计优越性，我们以举例的形式展示其效果。
为了简化说明，以下分析假定：

发送方与接收方之间存在一个带宽有限的可信信道，如区块链上经过共识的数据，可以将简短的哈希值安全地传递给对方。
隐私数据相关的原始文件由于数据量过大，不得不通过低成本低密级信道传输，如公共网络，因此可能被攻击者篡改。

方案1：整体单次哈希
本方案中，发送方在发送原始文件之前，将所有的原始文件数据作为哈希算法的输入，计算哈希值，然后将哈希值与原始文件均发送给接收方。
当接收方收到哈希值和原始文件后，重复发送方计算哈希值的操作，然后将新计算得到的哈希值与从网络上接收到的哈希值进行比较，如果相同，就可以判断原始文件在传输过程中未被篡改。
方案2：分块多次哈希 + 哈希树
方案1对于满足整体完整需求十分有效，但对于第二条篡改定位需求就无能为力了。