區(qū)塊鏈技術(shù)

 1.什么是區(qū)塊鏈？

1.    去中心化的、分布式的、區(qū)塊化存儲的數(shù)據(jù)庫

2.    存儲全部賬戶余額及交易流水的總賬本

3.    每個(gè)節(jié)點(diǎn)有完整的賬本數(shù)據(jù)

4.    賬本數(shù)據(jù)記錄了全部的歷史交易數(shù)據(jù)

5.    交易數(shù)據(jù)存儲在區(qū)塊上

6.    每個(gè)區(qū)塊包含前一區(qū)塊ID及HASH，形成鏈

  2.區(qū)塊鏈基本原理 

如果把區(qū)塊鏈作為一個(gè)狀態(tài)機(jī)，則每次交易就是試圖改變一次狀態(tài)，而每次共識生成的區(qū)塊，就是參與者對于區(qū)塊中所有交易內(nèi)容導(dǎo)致狀態(tài)改變的結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。

1. 交易（Transaction）：一次操作，導(dǎo)致賬本狀態(tài)的一次改變，如添加一條記錄

2. 區(qū)塊（Block）：記錄一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的交易和狀態(tài)結(jié)果，是對當(dāng)前賬本狀態(tài)的一次共識

3. 鏈（Chain）：由一個(gè)個(gè)區(qū)塊按照發(fā)生順序串聯(lián)而成，是整個(gè)狀態(tài)變化的日志記錄。

 3.區(qū)塊鏈要解決的問題

1. 如何去中心化地共享數(shù)據(jù)？

2. 如何確保賬戶不被冒用？

3. 如何確保賬戶余額足夠？

4. 如何確保交易記錄不被篡改？

5. 誰負(fù)責(zé)記賬？

6. 怎么保障記賬者的可信？

7. 怎么保障記賬者的積極性？

 4.區(qū)塊鏈特性

1. 去中心化

2. 開放性（沒有限制，開源，數(shù)據(jù)公開）

3. 去信任（僅信任機(jī)器）

4. 自治性，集體維護(hù)

5. 可靠的數(shù)據(jù)庫（不可更改，永遠(yuǎn)可訪問）

6. 匿名性，隱私保護(hù)

 5.核心技術(shù) 

P2P網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字簽名、區(qū)塊化數(shù)據(jù)庫，競爭記賬權(quán)、共識算法、交易回溯。

二、P2P網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)（分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)）

 1.自動發(fā)現(xiàn)

1. 通過種子文件，獲取初始節(jié)點(diǎn)（地址及端口）

2. 連接初始節(jié)點(diǎn)，獲取初始節(jié)點(diǎn)知道的Peer

3. 把自己的地址及端口廣播給各個(gè)Peer

4. 接收各個(gè)Peer廣播的地址信息，構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)的全貌或片段

 2. 技術(shù)領(lǐng)域

1. 分布式存儲、分布式計(jì)算、分布式協(xié)同

2. 組播

3. 流媒體

4. 搜索引擎

 3.通信協(xié)議

1. napster 、Gnutella、eDonkey、 Bittorrent（文件分發(fā)協(xié)議）

2. XMPP、Jabber（即時(shí)通信協(xié)議）

3. Paxos 、Gossip（分布式系統(tǒng)狀態(tài)同步協(xié)議）

4. JXTA

 4.使用HASH算法及非對稱加密及簽名技術(shù)

1. 每個(gè)節(jié)點(diǎn)、每個(gè)人有唯一的一對公鑰及私鑰

2. 公鑰同時(shí)也是每個(gè)節(jié)點(diǎn)、個(gè)人的地址和賬號

3. 私鑰是證明”我就是我“的唯一手段

4. HASH算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)整

 5.算法

1. RSA、Elgamal、D-H、ECC

2. SHA256、 RIMPED160

 6.通常使用橢圓曲線算法生成密鑰對

1. 比特幣密鑰長度：256位

2. 公鑰哈希值=RIMPED160(SHA256(公鑰))

3. 比特幣地址=1+Base58(0+公鑰哈希值+校驗(yàn)碼)

4. 校驗(yàn)碼=前四字節(jié)(SHA256(SHA256(0+公鑰哈希值)))

7. 加密

1. 發(fā)送方使用接收方的公鑰加密數(shù)據(jù)

2. 接收方使用本方的私鑰解密數(shù)據(jù)

3. 通常使用本方面交換對稱加密的Key

 8.簽名

1. 發(fā)送方使用HASH算法計(jì)算數(shù)據(jù)的HASH值

2. 發(fā)送方使用本方的私鑰加密HASH值，得到簽名

3. 接收方使用HASH算法計(jì)算數(shù)據(jù)的HASH值

4. 接收方使用發(fā)送方的公鑰解密簽名得到發(fā)送的HASH值

5. 比較兩個(gè)HASH值的一致性

 9.參考

1. ElGamal算法，是一種較為常見的加密算法，它是基于1984年提出的公鑰密碼體制和橢圓曲線加密體系。既能用于數(shù)據(jù)加密也能用于數(shù)字簽名，其安全性依賴于計(jì)算有限域上離散對數(shù)這一難題。在加密過程中，生成的密文長度是明文的兩倍，且每次加密后都會在密文中生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)K，在密碼中主要應(yīng)用離散對數(shù)問題的幾個(gè)性質(zhì)：求解離散對數(shù)（可能）是困難的，而其逆運(yùn)算指數(shù)運(yùn)算可以應(yīng)用平方-乘的方法有效地計(jì)算。也就是說，在適當(dāng)?shù)娜篏中，指數(shù)函數(shù)是單向函數(shù)。

2. 橢圓曲線密碼體制是目前已知的公鑰體制中，對每比特所提供加密強(qiáng)度最高的一種體制。解橢圓曲線上的離散對數(shù)問題的最好算法是Pollard rho方法，其時(shí)間復(fù)雜度為，是完全指數(shù)階的。其中n為等式(2)中m的二進(jìn)制表示的位數(shù)。當(dāng)n=234, 約為2117，需要1.6×1023 MIPS 年的時(shí)間。而我們熟知的RSA所利用的是大整數(shù)分解的困難問題，目前對于一般情況下的因數(shù)分解的最好算法的時(shí)間復(fù)雜度是子指數(shù)階的，當(dāng)n=2048時(shí)，需要2x1020MIPS年的時(shí)間。也就是說當(dāng)RSA的密鑰使用2048位時(shí)，ECC的密鑰使用234位所獲得的安全強(qiáng)度還高出許多。它們之間的密鑰長度卻相差達(dá)9倍，當(dāng)ECC的密鑰更大時(shí)它們之間差距將更大。更ECC密鑰短的優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的，隨加密強(qiáng)度的提高，密鑰長度變化不大。

3. DH Diffie-Hellman算法(D-H算法)，密鑰一致協(xié)議，是由公開密鑰密碼體制的奠基人Diffie和Hellman所提出的一種思想。簡單的說就是允許兩名用戶在公開媒體上交換信息以生成”一致”的、可以共享的密鑰。換句話說，就是由甲方產(chǎn)出一對密鑰（公鑰、私鑰），乙方依照甲方公鑰產(chǎn)生乙方密鑰對（公鑰、私鑰）。以此為基線，作為數(shù)據(jù)傳輸保密基礎(chǔ)，同時(shí)雙方使用同一種對稱加密算法構(gòu)建本地密鑰（SecretKey）對數(shù)據(jù)加密。這樣，在互通了本地密鑰（SecretKey）算法后，甲乙雙方公開自己的公鑰，使用對方的公鑰和剛才產(chǎn)生的私鑰加密數(shù)據(jù)，同時(shí)可以使用對方的公鑰和自己的私鑰對數(shù)據(jù)解密。不單單是甲乙雙方兩方，可以擴(kuò)展為多方共享數(shù)據(jù)通訊，這樣就完成了網(wǎng)絡(luò)交互數(shù)據(jù)的安全通訊！該算法源于中國的同余定理——中國馀數(shù)定理。

 三、區(qū)塊鏈化數(shù)據(jù)庫

 1.典型特征

1. 去中心化的、分布式的、區(qū)塊化存儲的數(shù)據(jù)庫

2. 區(qū)塊（Header + Body）

3. 鏈

4. 隨機(jī)數(shù)

5. 時(shí)間戳

6. 包含父區(qū)塊創(chuàng)建之后、本區(qū)塊創(chuàng)建之前的全部交易；

7. 滿足某個(gè)條件的區(qū)塊HASH；

a) SHA256(SHA256(version + prev_hash + merkle_root + ntime + nbits + x )) < TARGET

b) Target值由動態(tài)的難度系數(shù)確定，Target越小，難度越高；

  2. 參考

• 默克爾樹是一種二叉樹，由一組葉節(jié)點(diǎn)、一組中間節(jié)點(diǎn)和一個(gè)根節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。最下面的大量的葉節(jié)點(diǎn)包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)是它的兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)的哈希，根節(jié)點(diǎn)也是由它的兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)的哈希，代表了默克爾樹的頂部。默克爾樹的目的是允許區(qū)塊的數(shù)據(jù)可以零散地傳送：節(jié)點(diǎn)可以從一個(gè)源下載區(qū)塊頭，從另外的源下載與其有關(guān)的樹的其它部分，而依然能夠確認(rèn)所有的數(shù)據(jù)都是正確的。

• 默克爾樹協(xié)議對比特幣的長期持續(xù)性可以說是至關(guān)重要的。在2014年4月，比特幣網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)全節(jié)點(diǎn)-存儲和處理所有區(qū)塊的全部數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)-需要占用15GB的內(nèi)存空間，而且還以每個(gè)月超過1GB的速度增長。簡化支付確認(rèn)（SPV)協(xié)議允許另一種節(jié)點(diǎn)存在，這樣的節(jié)點(diǎn)被成為“輕節(jié)點(diǎn)”，它下載區(qū)塊頭，使用區(qū)塊頭確認(rèn)工作量證明，然后只下載與其交易相關(guān)的默克爾樹“分支”。這使得輕節(jié)點(diǎn)只要下載整個(gè)區(qū)塊鏈的一小部分，就可以安全地確定任何一筆比特幣交易的狀態(tài)和賬戶的當(dāng)前余額。

四、記賬權(quán)競爭及獎勵(lì)制度（挖礦）

 1.概述 

為防止可預(yù)期的記賬節(jié)點(diǎn)被控制或攻擊，導(dǎo)致錯(cuò)誤記賬行為，區(qū)塊鏈技術(shù)采用競爭記賬權(quán)的做法：

1. 任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以參與記賬，因而記賬節(jié)點(diǎn)無法預(yù)期，也就不容易被控

2. 競爭的過程就是看誰最先計(jì)算出滿足條件的HASH值

3. 每次計(jì)算必須以最后1個(gè)有效的區(qū)塊為起點(diǎn)，必須消耗大量的計(jì)算機(jī)CPU，增加偽造記賬數(shù)據(jù)的成本

4. 計(jì)算的結(jié)果必須得到大部分節(jié)點(diǎn)的認(rèn)可（共識算法），才會成為新的區(qū)塊。實(shí)際算法中，如果該區(qū)塊位于最長的區(qū)塊鏈上，則為正式被認(rèn)可的區(qū)塊，也即大部分節(jié)點(diǎn)認(rèn)可計(jì)算結(jié)果，并愿意在該結(jié)果下繼續(xù)計(jì)算

5. 這個(gè)過程被稱為挖礦，或工作量證明（POW）。參與挖礦的節(jié)點(diǎn)稱為礦工，協(xié)同挖礦的礦工聯(lián)合體稱為礦池

a ) 以前1區(qū)塊為起點(diǎn)，計(jì)算滿足條件的HASH值；
b ) 將計(jì)算的結(jié)果廣播給其他節(jié)點(diǎn)；
c ) 其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果無誤時(shí)，認(rèn)可該結(jié)果，并以該結(jié)果為起點(diǎn)重新進(jìn)行計(jì)算；
d ) 單位時(shí)間內(nèi)達(dá)到共識認(rèn)可要求時(shí)，該區(qū)塊成為正式認(rèn)可的區(qū)塊。

 這個(gè)過程被稱系統(tǒng)為鼓勵(lì)挖礦的積極性，給予競爭成功的記賬節(jié)點(diǎn)獎勵(lì)

a ) 給予每個(gè)區(qū)塊挖礦者直接的“現(xiàn)金”獎勵(lì)。例如，比特幣網(wǎng)絡(luò)給予25個(gè)比特幣，以太坊給予5個(gè)以太幣；
b ) 以太坊：納入該區(qū)塊的交易的手續(xù)費(fèi)，由發(fā)起節(jié)點(diǎn)和記賬節(jié)點(diǎn)分成（發(fā)起75%，記賬25%）。

 2. 參考

• 比特幣使用的SHA256算法，會有2^256種輸出，如果我們進(jìn)行2^256+1次輸入，那么必然會產(chǎn)生一次碰撞；甚至從概率的角度看，進(jìn)行2^130次輸入就會有99%的可能發(fā)生一次碰撞。不過我們可以計(jì)算一下，假設(shè)一臺計(jì)算機(jī)以每秒10000次的速度進(jìn)行哈希運(yùn)算，要經(jīng)過10^27年才能完成2^128次哈希！這時(shí)要考慮一種情況：如果同時(shí)有兩個(gè)礦工各自得到一個(gè)正確答案，并各自生成了一個(gè)區(qū)塊廣播出去會發(fā)生什么呢？這時(shí)候在區(qū)塊鏈上同一個(gè)位置就有了兩個(gè)區(qū)塊，所謂的“分叉”就出現(xiàn)了。分叉是絕對不允許的，所以當(dāng)?shù)V工發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈分叉之后，會選擇最長的一條繼續(xù)計(jì)算，短的那條區(qū)塊鏈會被丟棄。這里的長短，不是簡單意義上的長短，而是工作量證明合計(jì)值最大的那個(gè)鏈。

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