比特币

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不要被学术界的思维限制了头脑，不要被程序员的思维限制了想象力。

比特币中的密码学

比特币中的哈希特性

Collision resistance (抗哈希碰撞)

没有高效的方法来人为的制造哈希碰撞

  • Collision resistance的定义：给定X，没有高效的方法找到Y，使得H(X) = H(Y)
  • Collision resistance的特性：无法用数学证明
  • MD5哈希函数：以前认为是Collision resistance，后来被鉴定为不安全的哈希函数，可通过人为的方式制造哈希碰撞
  • 比特币中使用的哈希函数：SHA-256（Secure Hash Algorithm）

Hiding

哈希的过程单向不可逆

  • Hiding的定义：输入值的空间够大，且分布均匀，取值可能性相同
    实际场景如何实现Hiding（保证分布均匀）：输入值 + 随机数（输入X || nonce随机数）后经过Hash

Puzzle friendly

事先无法知道什么样的输入能得到一个什么样的哈希值，只能一个个尝试

比如挖矿，H(nonce + block header) <= target，没有捷径，只能去尝试多个nonce来找到解 => proof of work

比特币中的账户管理

非对称加密（asymmetric encryption algorithm）：加密解密不用同一个密钥，加密用公钥，解密用私钥
去中心化，每个用户本地自己生成一组公钥和私钥，公钥相当于银行账号，私钥相当于账号密码
比特币交易过程中，为了能知道交易是由谁发起，需要用私钥将交易签名，公钥验证

两个人生成的公钥私钥相同怎么办（256位的值，产生两组相同公钥私钥的概率微乎其微）

message取hash->hash取签名

比特币的数据结构

Block chain（区块链）

本质上是一个链表，通过Hash pointers相连

Hash pointers（哈希指针）

当前区块的地址
前一个哈希指针 + 当前区块计算出的哈希值

Genesis block（创始区块）

区块链中的第一个区块

Most recent block（最近使用区块）

区块链末尾的区块，指的是最近被添加到区块链的区块

Block（区块）

每一个区块构成：

Block header

只有Block header会用Hash pointer串联

  • Version（用的是比特币哪个版本的协议）
  • Hash of previous block header（前一个区块头的hash）
  • Merkle root hash（merkle tree的根哈希，能保证Block body里的Transaction list没有被篡改）
  • Target（挖矿的难度目标阈值, H(block header) <= target, block header这里存的是目标阈值的编码nbits）
  • Nonce（随机数）
Block body
  • Transaction list（交易列表）

Merkle tree（默克尔树）

比特币中各个区块用Hash Pointer连接在一起，各个区块包含的交易信息是组织成Merkle tree的形式
Merkle tree结构：二叉树的形式，最底层是交易记录，中间层都是下一层哈希值计算出的结果，树中的root hash可以用来判断是否有一个节点发生变更，因为任何一个节点的变更都会导致root hash发生变化
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比特币节点分类

  • Full node（全节点）：保存区块的全部信息，Block header + Block body，用于验证每一个交易，又叫 Fully validating node
  • Light node（轻节点）：手机上的比特币钱包，只保存Block header（也就是只保存了Merkle tree的Root hash），无法独立验证交易的可靠性，系统中大部分节点是轻节点

如何向轻节点证明某个交易已经被写入区块链？
用户A，用户B（轻节点），转账 A –> B，A需要向B证明已经转账，如何证明：Merkle proof/Proof of menbership：证明Merkle tree包含了某个交易，时间复杂度为 O(logn)
过程详见：
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全节点把缺失信息发给轻节点，轻节点通过计算验证Root Hash相同，则代表交易已被写入到区块里

全节点发送的哈希值可能被伪造吗，来保持上层的哈希值符合要求？
不行，因为哈希满足Collision resistance的特性，无法人为制造哈希碰撞

Proof of non-menbership（证明交易记录不在树里）：

  • 全节点发送整颗merkle tree给轻节点，轻节点验证各个节点、各层有没有出现问题，如果都没问题，证明只有这些叶子节点，则只需要判断叶子节点有没有包含该交易记录。复杂度 O(n)
  • 假定叶子结点

无环的数据结构都可以用hash pointer代替普通指针

比特币的共识协议

比特币的交易过程
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比特币中区块的指针

  • 指向前一个区块
  • 指向币的来源：证明钱不是凭空捏造，是有记录的，防止Double spending

转账：A -> B A需要知道B的公钥，B也需要知道A的公钥，
签名验证的过程？不太理解
交易记录通过A的私钥加密后 – 接收方通过A的公钥解密

如何写入区块链？

账本内容需要取得分布式的共识（distributed consensus）：一致性
Cap Theorem: 只能同时满足其中两个特性
Consistency（一致性）
Availability（可用性）
Partition tolerance（分区容错性：

Paxos协议：

Consensus in Bitcoin（解决的问题：存在恶意节点，假设大多数节点好的，少部分恶意节点，如何设计一个共识协议）

  • 直接投票是否可行？女巫攻击–恶意节点生成超过半数以上的账号，获取投票权