区块链学习笔记[持续更新]
目录
- 资料收集
- 密码学原理
- 数据结构
- 协议
- 实现细节
- 网络
资料收集
比特币的密码学原理
cryptographic hash function
collision resitance
因为鸽笼原理，一定存在
\(x\neq y\) and \(H(x)=H(y)\)
使用brute-force找到这样的\(x\)和\(y\)但效率低
collision resitance 用来对一个message求digest，用以检测篡改
无法篡改内容而使digest不改变
collision resitance暂未被数学证明，通过大量实践证明一些哈希函数具有这个性质。如MD5曾经流行，但现在已经有方法制造哈希碰撞
应用：上传文件到云空间前取哈希值，若下载后发现digest没变，则没被篡改
hiding
哈希函数的计算是单向的。
\(x→H(x)\)可行
\(H(x)→x\)不可行（只能使用brute-force，有生之年无法求解）
digital commitment
又叫做digital equipment of sealed envelope
比如说预测股票，提前公布结果，可能会影响结果。把结果封在信封里，交给第三方信用机构保管。结果出现后启封。
密码学实现：将预测结果的哈希值公布，出现结果后再公布预测结果。
因为其hiding和cllision resitance的性质，这就实现了一个sealed envelope。
实操细节：hiding的性质，输入空间足够大，分布均匀。在输入\(x\)后拼接一个nonce值（随机），输入变为\(H(x||nonce)\)。
挖矿就是计算nonce值。
puzzle friendly
无法预先知道，想要构造的一定范围内哈希值，需要什么样的输入。
挖矿：\(H(bock head) \leq target\)
puzzle friendly 性质表面挖矿只能靠随机猜nonce。因此可以作为工作量证明。挖矿很难，而验证nonce是否符合要求很容易。
difficult to solve, but easy to veryfy
SHA-256
Secure Hash Algorithm
满足collision resistance,hiding,puzzle friendly三个性质。
账户管理
一个账户：(public key,private key)
asymmetric encryption algorithm
笔者已经熟悉对称加密和非对称加密，故此部分不作笔记。
非对称加密用于签名
很难产生相同的公私钥，概率忽略不计。目前还无通过生成已有公私钥对窃取比特币的先例。
这需要一个a good source of randomness
为了保证效率，比特币系统中通常先对message取hash，然后对hash作签名
数据结构
hash pointers
包含位置和哈希值，检测是否被篡改
Block chain is a linked list using hash pointers.
“表头” 是创世块，genesis block。最新的是most recent block。
把前一个区块的所有内容（包括该区块再前一个区块的哈希值）取哈希，是下一个区块中哈希指针的哈希值。
这样就有tamper-evident log，改变任何一个区块，后面所有区块都得跟着改。这样只需要校对最后一个区块和该区块哈希，就能校验整个区块链是否被篡改。
这样网络中部分结点就可以不保存整条链。
Merkle tree
类似binary tree，但把指针换为哈希指针。
默克尔树只要记住根节点的哈希值，就能检测所有data blocks是否被篡改。
在区块链中，每一个data block都记录了一笔交易tx。
在block header里只有merkle tree的根哈希值，在block body里有交易的具体内容。这样就能实现merkle proof。证明存在某个交易。
merkle proof
proof of membership
区块链网络中，有全结点和轻结点（比如手机的区块链钱包）。轻结点中只存merkle的根哈希就行。
轻结点向全结点发出请求，请求证明一个待证明tx的合法性，只需请求部分哈希值，就能算出根哈希值，与block header里的哈希值比较，就能得到合法性。
被请求的全结点无法伪造，因为collision resistance性质。
时间复杂度是\(\mathcal{O}(logn)\)
如果是proof of non-membership
如果传整棵树作验证，那么就是\(\mathcal{O}(n)\)
协议
中心化系统数字货币会面临double spending attack
去中心化系统面临：货币发行，如何验证货币有效性。
block header
- version
- hash of previous block header
- merkle root hash
- target
- nonce
block body
- transaction list
distributed consensus
e.g. distributed hash table
FLP impossible result
在一个asynchronous system中，网络传输迟延没有上线，即使只有一个成员是faulty，也不可能达成共识。
CAP Theorem
- Consistency 一致性
- Availability 可用性
- Partition tolerance 分区容错性
最多只能满足两个性质
Consensus in BitCoin
sybil attack
如果某个组织掌握一半的账户，就能控制区块链网络
forking attack
longest valid chain
在正常运行中也可能出现分叉，比如同时挖出矿。
后继链长的合法，另一个就是orphan block。
coinbase transaction
实现细节
transaction-based ledger
- UTXO：Unspend Transaction Output
- total inputs = total outputs(不考虑手续费)
- transaction fee
每隔21w个区块奖励减半。设计平均每10min出一个区块。
每隔4年减半。
account-based ledger
bock header
class CBlockHeader{
public:
int32_t nVersion;
char hashPrevBlock[32];//uint256
char hashMerkleRoot[32];
uint32_t nTime;
uint32_t nBits;
uint32_t nNonce;
}
挖矿
如果挖矿难度过大，可以修改coinbase的extra nonce，进而修改merkle root，增加搜索空间。
每次尝试nonce都可以认为一次Bernoulli trial。
这些Bernoulli trial组成Bernoulli process：a sequence of independent Bernoulli trial.
特点：memoryless
可以近似为Poisson process，推导出出块时间服从exponential distribution。通过调整难度，控制系统出块时间为10min左右。
- probability density
progress free，过去的尝试不影响未来的可能时间。期望挖10min，已经挖了10min，如果没挖出，期望还需要挖10min才能挖出。
如果设计出过去的工作能影响将来成功概率，那么算力强的矿工会获得不成比例的优势。
比特币的总量
geometric series
\(21万 \times 50 \times （1+\frac{1}{2}+\frac{1}{4}+...) = 2100万\)
比特币的总量一共2100万个。
挖矿求解的puzzle本身无意义，但挖矿的过程对维护比特币系统的安全性至关重要。
安全性
假设大部分算力掌握在诚实的人手里，只能说比较大的概率，记账权在诚实结点。
难以偷币，因为难以伪造签名。
扩展最长合法链
foking attack
解决办法：等六个confirmation，即1h。
最长链原则
zero confirmation
收款方使用全结点，验证交易合法后，就认为交易完成。且商家发货，会有时间延迟。被foking attack的概率极低。
selfish mining
一次性挖到六个区块，然后进行foking attack
成功率极低
网络
application layer: Bitcoin Block chain
network layer: P2P Overlay Network
加入网络需要seed node
通过TCP通信，有利于穿过防火墙
沉默一段时间即表示退出网络
原则：simple,robust but not efficient
flooding:第一次收到某消息，就转发给邻居结点。邻居节点不考虑底层实际拓扑结构，效率低。
区块不大于1MB
