区块链技术与应用 - 记录

白狼杰洛特
138 阅读5分钟

课程简介

课程基本信息

  • 假设在本科阶段学过基本的数据结构和算法，掌握编程的基本技能
    • 数组、链表、二叉树、哈希函数
  • 参考资料
    • BitCoin and Cryptocurrency Technologies: A comprehensive Introduction
    • 以太坊白皮书、黄皮书、源代码
    • Solidity 文档

课程大纲：比特币

  • 比特币
    • 密码学基础
    • 比特币的数据结构
    • 共识协议和系统实现
    • 挖矿算法和难度调整
    • 比特币脚本
    • 软分叉和硬分叉
    • 匿名和隐私保护

课程大纲：以太坊

  • 以太坊
    • 概述：基于账户的分布式账本
    • 数据结构：状态树、交易树、收据树
    • GHOST协议
    • 挖矿：memory-hard mininig puzzle
    • 挖矿难度调整
    • 权益证明
      • Casper the Friendly Finality Gadget （FFG）
    • 智能合约
  • 总结与展望

比特币中的密码学原理

1. 概述

  • 比特币：被称为 “加密货币”，实际上是不加密的，转账金额是公开的。
  • 密码学功能：比特币主要使用了两个密码学功能：哈希（Hash）和签名（Signature）。

2. 哈希函数

  • 定义：密码学中使用的哈希函数称为 cryptographic hash function。

  • 主要性质：

    • Collision Resistance：无法高效地找到两个不同的输入使其哈希值相同。

      • 碰撞是客观存在的，因为输入空间远大于输出空间。
      • 没有高效的方法找到两个不同的输入，使它们的哈希值相等。

    • Hiding：哈希值的计算过程是单向的，无法从哈希值反推出原始输入。

      • 需要输入空间足够大，才能确保暴力求解的方法不可行。

    • Puzzle Friendly：哈希值的计算过程是不可预测的，没有捷径，只能一个一个尝试输入。

      • 在比特币挖矿过程中尤为重要，作为工作量证明（Proof of Work）的基础。

  • 常见哈希函数：SHA-256，满足上述三个性质。

3. 哈希函数的应用

  • 检测信息篡改：

    • 对信息求哈希值，作为信息摘要（digest）。
    • 改变信息内容会导致哈希值变化，无法找到相同哈希值的不同信息。

  • 实现数字信封（Digital Envelope） ：

    • 预测结果公开问题：预测结果不能提前公开，但需要验证其准确性。
    • 哈希值应用：将预测结果作为输入计算哈希值并公开哈希值。第二天公布预测结果，利用 collision resistance 和 hiding 性质验证其真实性。

4. 签名

  • 定义：通过公钥和私钥对对消息进行签名和验证。

  • 非对称加密体系：公钥加密，私钥解密。

    • 生成账户：生成一对公钥和私钥，公钥公开，相当于银行账号；私钥保密，相当于账户密码。
    • 签名验证：私钥签名，公钥验证签名。

5. 比特币系统中的账户管理

  • 去中心化：无需任何人批准，本地生成公钥和私钥对即代表一个账户。

  • 交易验证：

    • 交易签名：发布交易时用私钥签名。
    • 签名验证：其他人用公钥验证签名的正确性。

6. 随机源的重要性

  • 随机源质量：生成公私钥和每次签名时都需使用高质量的随机源。
  • 攻击风险：如果随机源不够好，可能出现相同的公私钥对，增加被攻击的风险。

7. 哈希和签名的结合

  • 操作流程：

    • 先对消息进行哈希处理。
    • 再对哈希值进行签名，确保消息完整性和真实性。

比特币中的数据结构

哈希指针

  • 概念: 哈希指针不仅存储某个结构体在内存中的地址，还保存这个结构体的哈希值。
  • 好处:
    • 定位结构体的位置
    • 检测结构体内容是否被篡改
  • 链表实现: 用哈希指针代替普通指针，每个区块包含前一区块的哈希值和数据。
    • 创世纪块 (Genesis block): 系统中产生的第一个区块。
    • 最后区块: 最近产生的区块。
哈希指针 = 前一区块的哈希值 + 当前区块的数据

哈希指针的优点

  • 篡改检测: 任何一个区块内容被改动，所有后续区块的哈希值都会变化，从而使得保存的最后哈希值也发生变化。
  • 安全性: 保留最后的哈希值可以检测到整个链表中任何位置的改动。

Merkle树

  • 结构:
    • 叶节点: 数据块的哈希值。
    • 内部节点: 两个子节点的哈希值拼接再取哈希值。
根哈希值 = 叶节点1的哈希值 + 叶节点2的哈希值
  • 优点:
    • 只需记住根哈希值，就能检测出对树中任何部位的修改。

比特币中的区块

  • 区块头 (Block header):
    • 包含根哈希值，不包含具体交易信息。
  • 区块体 (Block body):
    • 包含交易的具体列表。

Merkle Proof

  • 概念: 验证某个交易是否在区块中的证明。
  • 过程:
    • 通过传递交易至根节点的路径上的哈希值，清节点可以验证交易是否包含在区块中。
验证步骤:
1. 清节点收到Merkle Proof。
2. 验证路径上每个节点的哈希值。
3. 对比根哈希值和区块头中的根哈希值。

证明交易不存在

  • 无序叶节点: 没有高效的方法证明不存在。
  • 有序叶节点: 按照哈希值排序后，可以提供证明。
证明步骤:
1. 找到应在的叶节点位置。
2. 验证相邻两个节点到根节点的路径。

哈希指针的应用

  • 无环数据结构: 只要数据结构无环，都可以用哈希指针代替普通指针。
  • 有环数据结构: 会出现循环依赖问题，无法使用哈希指针。

总结

  • 哈希指针和Merkle树是比特币中最基本的数据结构，保证了区块链的安全性和篡改检测能力。
  • Merkle Proof提供了验证交易包含性的方法，支持全节点和轻节点之间的数据验证。
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