區(qū)塊鏈技術(shù)中的各種底層技術(shù)介紹

一、區(qū)塊鏈技術(shù)

1.什么是區(qū)塊鏈？

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

存儲(chǔ)全部賬戶余額及交易流水的總賬本

每個(gè)節(jié)點(diǎn)有完整的賬本數(shù)據(jù)

賬本數(shù)據(jù)記錄了全部的歷史交易數(shù)據(jù)

交易數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)塊上

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(shí)生成的區(qū)塊，就是參與者對(duì)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)。

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

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(duì)當(dāng)前賬本狀態(tài)的一次共識(shí)

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

如何去中心化地共享數(shù)據(jù)？

如何確保賬戶不被冒用？

如何確保賬戶余額足夠？

如何確保交易記錄不被篡改？

誰負(fù)責(zé)記賬？

怎么保障記賬者的可信？

怎么保障記賬者的積極性？

4.區(qū)塊鏈特性

去中心化

開放性（沒有限制，開源，數(shù)據(jù)公開）

去信任（僅信任機(jī)器）

自治性，集體維護(hù)

可靠的數(shù)據(jù)庫(kù)（不可更改，永遠(yuǎn)可訪問）

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(kù)，競(jìng)爭(zhēng)記賬權(quán)、共識(shí)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(dòng)發(fā)現(xiàn)

通過種子文件，獲取初始節(jié)點(diǎn)（地址及端口）

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

把自己的地址及端口廣播給各個(gè)Peer

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

分布式存儲(chǔ)、分布式計(jì)算、分布式協(xié)同

組播

流媒體

搜索引擎

3.通信協(xié)議

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

XMPP、Jabber（即時(shí)通信協(xié)議）

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

JXTA

4.使用HASH算法及非對(duì)稱加密及簽名技術(shù)

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

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

私鑰是證明”我就是我“的唯一手段

HASH算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)整

5.算法

RSA、Elgamal、D-H、ECC

SHA256、 RIMPED160

6.通常使用橢圓曲線算法生成密鑰對(duì)

比特幣密鑰長(zhǎng)度：256位

公鑰哈希值=RIMPED160（SHA256（公鑰））

比特幣地址=1+Base58（0+公鑰哈希值+校驗(yàn)碼）

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

7. 加密

發(fā)送方使用接收方的公鑰加密數(shù)據(jù)

接收方使用本方的私鑰解密數(shù)據(jù)

通常使用本方面交換對(duì)稱加密的Key

8.簽名

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

發(fā)送方使用本方的私鑰加密HASH值，得到簽名

接收方使用HASH算法計(jì)算數(shù)據(jù)的HASH值

接收方使用發(fā)送方的公鑰解密簽名得到發(fā)送的HASH值

比較兩個(gè)HASH值的一致性

9.參考

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(duì)數(shù)這一難題。在加密過程中，生成的密文長(zhǎng)度是明文的兩倍，且每次加密后都會(huì)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(duì)數(shù)問題的幾個(gè)性質(zhì)：求解離散對(duì)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)。

橢圓曲線密碼體制是目前已知的公鑰體制中，對(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)度變化不大。

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(jiǎn)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(duì)密鑰（公鑰、私鑰），乙方依照甲方公鑰產(chǎn)生乙方密鑰對(duì)（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(duì)稱加密算法構(gòu)建本地密鑰（SecretKey）對(duì)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(duì)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(duì)方的公鑰和自己的私鑰對(duì)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(guó)的同余定理——中國(guó)馀數(shù)定理。

三、區(qū)塊鏈化數(shù)據(jù)庫(kù)

1.典型特征

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

區(qū)塊（Header + Body）

鏈

隨機(jī)數(shù)

時(shí)間戳

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；

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(dòng)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(duì)比特幣的長(zhǎng)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(chǔ)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(zhǎng)。簡(jiǎn)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(jìng)爭(zhēng)及獎(jiǎng)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(jìng)爭(zhēng)記賬權(quán)的做法：

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

競(jìng)爭(zhēng)的過程就是看誰最先計(jì)算出滿足條件的HASH值

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

計(jì)算的結(jié)果必須得到大部分節(jié)點(diǎn)的認(rèn)可（共識(shí)算法），才會(huì)成為新的區(qū)塊。實(shí)際算法中，如果該區(qū)塊位于最長(zhǎng)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

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(shí)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(jìng)爭(zhēng)成功的記賬節(jié)點(diǎn)獎(jiǎng)勵(lì)

a ） 給予每個(gè)區(qū)塊挖礦者直接的“現(xiàn)金”獎(jiǎng)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(huì)有2^256種輸出，如果我們進(jìn)行2^256+1次輸入，那么必然會(huì)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(huì)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(tái)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(huì)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(duì)不允許的，所以當(dāng)?shù)V工發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈分叉之后，會(huì)選擇最長(zhǎng)的一條繼續(xù)計(jì)算，短的那條區(qū)塊鏈會(huì)被丟棄。這里的長(zhǎng)短，不是簡(jiǎn)單意義上的長(zhǎng)短，而是工作量證明合計(jì)值最大的那個(gè)鏈。