区块链主要依赖五大类密码技术保障核心安全：哈希函数、非对称加密、数字签名、零知识证明（ZKP）及抗量子密码（PQC）。这些技术通过数学原理构建了区块链的不可篡改性、隐私保护与去中心化基础，以下从技术原理、应用场景及最新演进展开解析。
一、哈希函数：区块链的“数据指纹”技术
哈希函数是区块链数据完整性的基石，其核心原理是将任意长度的输入数据通过数学算法映射为固定长度的哈希值（如256位），具有三大关键特性：单向性（无法从哈希值反推原始数据）、抗碰撞性（几乎不可能找到两个不同输入产生相同哈希值）、确定性（相同输入始终生成相同哈希值）。
在区块链中，哈希函数的典型应用体现在两个层面：
- 区块链接与防篡改：每个区块头部包含前一区块的哈希值，形成链式结构。若任一区块数据被篡改，其哈希值将变化，导致后续所有区块的哈希验证失败，这也是区块链“不可篡改”特性的技术根源。例如比特币采用SHA-256算法，将区块头（含版本号、时间戳、Merkle根等）压缩为256位哈希值。
- Merkle树构建：区块链通过Merkle树（哈希二叉树）高效验证交易存在性。所有交易哈希逐层向上聚合，最终生成Merkle根并写入区块头。轻节点无需下载全量交易，仅通过Merkle路径即可验证特定交易是否属于该区块，大幅降低数据传输成本。
最新演进：针对零知识证明（ZKP）场景，传统哈希函数（如SHA-256）计算复杂度较高，新兴算法如Poseidon应运而生。Poseidon专为ZKP系统优化，通过低次多项式设计降低电路约束数量，在StarkNet等Layer2方案中已替代SHA-256，将证明生成效率提升30%以上。
二、非对称加密：区块链的“身份密钥”机制
非对称加密基于数学难题（如RSA的大数分解问题、椭圆曲线加密（ECC）的离散对数问题），核心原理是通过公私钥对实现加密与解密：私钥由用户独立保管，公钥可公开传播；数据经私钥加密后，仅对应公钥可解密，反之亦然。
其在区块链中的核心应用包括：
- 钱包地址生成：公钥经哈希处理后形成用户地址，实现“匿名化身份”。例如比特币采用ECC的SECP256K1曲线，私钥（256位随机数）通过椭圆曲线乘法生成公钥，再经SHA-256+RIPEMD-160哈希生成160位地址（如1A1zP1eP5QGefi2DMPTfTL5SLmv7DivfNa）。
- 安全通信与密钥交换：节点间通过公钥加密传输敏感数据（如交易信息），确保即使数据被监听，无对应私钥也无法破解。2023年，NIST标准抗量子算法CRYSTALS-Kyber已开始试点，其基于格密码学设计，在密钥封装（KEM）场景中替代传统ECC，抵御量子计算机的Shor算法攻击。
技术优势：相比RSA，ECC在相同安全强度下密钥长度更短（ECC-256位安全性≈RSA-3072位），计算效率提升50%以上，因此成为主流区块链的首选，如比特币、以太坊均采用ECC（比特币SECP256K1，以太坊早期采用SECP256K1，后期升级至更高效的secp256r1）。
三、数字签名：区块链的“交易防伪”工具
数字签名是基于非对称加密的延伸，核心原理是：用户通过私钥对交易数据（如转账金额、接收地址）生成签名，其他节点通过公钥验证签名有效性，确保交易的不可否认性（发送者无法抵赖）与完整性（交易未被篡改）。
主流算法及应用场景包括：
- ECDSA：椭圆曲线数字签名算法，比特币、以太坊早期均采用。其原理是通过私钥对交易哈希生成签名（含两个整数r、s），验证时通过公钥、交易哈希与r、s反推椭圆曲线点，若匹配则签名有效。但ECDSA不支持签名聚合，多笔交易需存储多个签名，增加链上存储压力。
- Schnorr签名：2021年比特币通过“Taproot”升级引入Schnorr签名，支持签名聚合——多笔交易的签名可合并为单个签名，验证时仅需一次操作。这一改进使比特币网络在升级后，多签钱包交易体积减少40%，链上吞吐量提升25%。
- BLS签名：采用椭圆曲线对（G1, G2）与配对函数，支持无限签名聚合。在以太坊共识层（Beacon Chain）中，验证者通过BLS将数十万个签名聚合成单个哈希，使区块验证效率提升100倍，成为PoS网络的核心优化技术。
四、零知识证明（ZKP）：区块链的“隐私计算”引擎
零知识证明解决了区块链“透明性”与“隐私保护”的矛盾，其核心原理是：证明者无需泄露原始数据，即可向验证者证明某个命题为真（例如“我拥有某个账户的私钥”，但无需展示私钥）。
典型技术路径与应用场景：
- zk-SNARKs（简洁非交互式零知识证明）：需提前设置“可信初始化参数”，证明体积小、验证速度快。Zcash采用zk-SNARKs实现“屏蔽交易”：转账金额、地址等敏感信息经加密后存储，仅通过ZKP证明交易合法性（如余额充足、地址有效），链上仅显示交易存在性，隐私保护强度达银行级标准。
- zk-STARKs（简洁透明非交互式零知识证明）：无需可信初始化，基于哈希函数与随机化算法，抗量子攻击能力更强。StarkNet（以太坊Layer2）通过zk-STARKs将链下交易批量压缩为单个证明上链，2023年已支持每秒3000笔交易（TPS），且证明生成时间从早期的10分钟缩短至2秒，成为主流扩容方案。
行业趋势：ZKP正从“隐私工具”向“通用计算”扩展。2023年Polygon推出zkEVM 2.0，实现EVM全兼容的零知识证明，开发者可直接部署Solidity智能合约，同时获得隐私保护与100倍吞吐量提升，推动DeFi协议（如Aave、Curve）在Layer2的隐私化部署。
五、抗量子密码（PQC）：区块链的“量子防御”体系
随着量子计算机发展，Shor算法可在多项式时间内破解RSA、ECC等传统加密的数学基础（如大数分解、离散对数），威胁区块链资产安全。抗量子密码（PQC）通过基于格密码学、哈希签名、基于码的加密等新型数学难题，构建量子安全防护。
核心标准与迁移进展：
- NIST PQC标准：2022年NIST公布第三轮标准，CRYSTALS-Kyber（密钥封装机制）与CRYSTALS-Dilithium（数字签名）成为首选算法。Kyber基于模格上的最短向量问题（SVP），密钥长度仅1088字节，在比特币测试网中已完成试点，支持抗量子密钥交换；Dilithium签名大小约2420字节，计划2028年前替代ECDSA，成为主流区块链的签名算法。
- 中国国密体系：中国区块链企业广泛采用SM2（基于ECC）、SM9（基于身份加密）等国密算法，2023年启动“量子安全迁移计划”，计划2030年前完成从SM2向格基密码（如“祖冲之”系列算法）的过渡，确保政务链、金融链等关键基础设施的量子抗性。
总结：区块链密码技术的演进趋势
区块链密码技术正从“单一安全”向“复合防护”升级：哈希函数向ZKP友好型算法迭代，非对称加密与数字签名向抗量子、高聚合方向发展，ZKP从隐私工具扩展为通用计算引擎。2023年，“ZKP+PQC”融合成为行业焦点——例如StarkNet计划2026年集成CRYSTALS-Dilithium，实现“隐私保护+量子安全”双重防护。未来十年，随着量子计算威胁临近与隐私需求深化，密码技术将成为区块链从“可信账本”向“可信计算平台”跃迁的核心驱动力。