区块链基础学习笔记

一、简介

本人第二次尝试学习区块链。之前已经把肖臻老师的课看了一遍，杂七杂八的视频、博客也看了不少。不过在做完了一个IPFS-以太坊相关的项目后，发现之前很多没有用过的知识都已经忘掉了，而一些用过的知识也有了新的理解，固再次从基础学习区块链。笔记长时间更新，参考资料出处都会标注在文末。

二、笔记

1、比特币

1、密码学原理

比特币被称为加密货币，但是比特币的交易内容并不加密，所有交易被公开。

1.hash散列算法

定义

一般翻译做散列、杂凑，或音译为哈希，是把任意长度的输入（通过散列算法变换成固定长度的输出，该输出就是散列值。

性质

1. hash碰撞时，不同输入、相同输出的情况是存在的，但是暴力求解难度极大。 hash无法从理论上被验证，只能通过实践破解。(例子:MD5曾被认为很安全，现在已经可被人为碰撞)
2. 不可逆。已知输出，只能通过暴力求解找输入
3. 在比特币中用到的hash，无法通过改变输入，达到指定hash，只能通过随机。比特币中，通过 数据+随机数的内容，要求指定hash。没有得到答案的捷径。

虽然挖矿很难，但是验证十分容易，只需要求一次hash

比特币中使用的是SHA256

利用

1. 通过对数据求hash，可以验证数据是否被篡改。
2. 加密信封。一个人预测股市，为了不对股市进行影响，不能公布预测结果。这时如果对预测结果取hash，并进行公布，人们无法知道具体内容，但是在第二天，预测者公布预测内容，人们可以进行验证。

实际操作中会在预测内容后加一个随机数，以保证内容足够随机。

2.加密、签名

此章节本来为'签名'，但是肖臻老师讲的不太详细，读了几篇博客文章，深有体会，连接放在下面。(参考资料2)

在比特币中创建账户，只需要一对公私钥。公私钥的概念来源于非对称加密。

对称加密：加密解密使用同一套密钥。在传输数据可能被窃听的条件下，必须保证密钥的安全分发。

非对称加密：用一对密钥。公钥公开，私钥保密。公钥加密后，私钥可以解密；私钥加密后，公钥可以解密。

在比特币中，公钥相当于账户，私钥相当于密码，而产生一对相同公私钥的几率极小，固比特币中公私钥既能代表账户。

一切问题的根本，就是无法保证网络中传输的信息不被窃听。若信息被窃听，一是会泄露信息，二是窃听者可以将信息篡改继续发送。由此，信息发送者和窃听者之间展开了一场军备竞赛。

还是引用这个经典例子，情侣Alice和Bob希望进行通信，Bob希望给Alice发消息，而第三者Eve希望干涉这个过程

Bob最先使用了「对称加密」。Bob和Alice事先了解了加密方式，在传输信息前将信息加密，密文传输后进行解密。这样Eve即使截获了信息，也不知道信息的具体内容。但是这只是小情侣之间的密语，我们伟大的互联网可无法提前商定好加密方式，固对称加密pass。

Bob转而使用了「非对称加密」。Alice将自己的公钥公开，Bob用Alice的公钥加密后，将密文传输给Alice，Alice用自己的私钥解密。通过非对称加密，我们解决了窃听的问题，不过，仍有问题存在。因为Alice的公钥是公开的，我们的Eve将自己的消息用公钥加密，发送给了Alice，Alice收到了两条消息，并没有办法判断哪条消息是Bob发送的。

Bob更进一步使用了「数字签名」。Bob在发送消息时，用自己的私钥对消息的hash计算一个签名，并同步发送。值得注意的是，我们是对消息的hash计算签名，而非消息本身。原因有二：1、hash更短，计算更快。2、任何人都可以用Bob的公钥将签名溯源，若是对消息本身计算签名，则可以计算出消息本身。Alice在收到消息后，首先用Bob的公钥解开签名，得到一个hash；再用自己的私钥解密密文，得到明文，对明文取hash。若这两个hash相同，则可以证明这是Bob发来的，没有被更改的信息。

这一段我懒得画图，主要是我自己理清思路，你如果没看懂建议去看我发的博客。

2、数据结构

1.hash指针

普通指针存储的是某结构体在内存中的起始位置。hash指针除了存储位置，同时存取hash值。这样可以保证结构体内容不被篡改。

区块链中，用hash指针代替了普通指针。

第一个区块，叫做创世区块。最后一个区块是最近产生的区块。每一个区块都包含一个指向上一个区块的指针。这个hash指针的hash是用整个区块的内容，包括指针内容算出来的。

只要检测最后一个hash值，就可以检测整个区块链内容是否变化。所以很多节点只需要保存部分区块，前面的保存hash即可。

2.Merkle tree

比特币区块中的交易被组织成了Merkletree的形式，根hash值被保存在区块头中。

区块链分为全节点和轻节点。全节点保存所有的交易信息，轻节点只保存根hash值。当我们需要验证一个交易时，从全节点请求一组hash，只用进行几次hash运算即可。

3、比特币协议

花两次攻击：

我们可以用签名的方式保证一张数字货币的内容不被更改，但是每张数字货币非常容易被复制，之后被花多次。

中心化解决方法：

给每张货币编号，中心化服务器记录每张货币的去向。

去中心化解决方法：

每个交易，指向货币来源的交易。

交易包括块头和块身。

块头：

1. 版本
2. 货币来源区块的地址hash
3. Merkletree的hash
4. 挖矿难度值
5. 随机数

块身：

1. 交易列表

节点分类：

1. 全节点：拥有所有区块记录
2. 轻节点：拥有部分区块记录

区块链中的共识机制：投票

女巫攻击：创建大量的账号进行投票，从而控制投票权

简单的直接投票不可行

比特币中并非用账号数量投票，而是使用算力进行投票

三、参考资料

内容	备注	链接	序号
北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课	区块链基础	https://www.bilibili.com/video/BV1Vt411X7JF	1
一文彻底搞懂加密、数字签名和数字证书！	加密、签名、证书	https://segmentfault.com/a/1190000024523772	2