区块链基础知识

区块链技术基础

什么是区块链技术？

1. 运行区块链客户端的计算节点彼此可以相互通信。
2. 每个节点维护一个账本。
3. 每个节点的收支记录都会广播给其他节点。
4. 筛选出一个节点作为一段时间的总记录。
5. 其它节点接收该被选中的节点的记录，和自己账本对照后，没有问题则进行存储。
6. 被选中的节点会因为这段时间付出的劳动而获得一定的报酬。
7. 节点通过非对称加密的公钥来表示身份，通过加密来传递数据。

区块链的组成模块

1. 区块链账本。区块链账本用来记录数据，区块分为区块头和区块体，区块头会存储上一个区块的哈希值，这样各个区块就串联起来，区块头通过梅克尔根关联记录的交易事务。如果修改链中的某个数据块，则会导致该数据块无法链入区块链账本，在其它节点中验证时会被发现，所以区块链账本可以防止对数据的篡改。
2. 共识机制。一种筛选算法，可以选出特定的节点，该节点会作为大家对账的参考。
3. 密码算法。其中包括，计算区块hash值得算法，计算区块中交易事务的hash值和梅克尔根的算法，创建账户、签名交易的算法等。
4. 脚本系统。脚本系统驱动着节点收发数据，通过实现不同功能的脚本来实现不同的业务。
5. 网络路由。在由这些节点组成的网络中，没有固定节点路由服务器，所以每个节点都起到了路由服务者和使用者的角色，通过路由进行数据的交换。

什么是挖矿

挖矿就是竞争获得区块的打包权，通过计算打包获得报酬。

什么是难度值？

难度值描述了获得打包权的门槛，计算所得结果要小于该难度值才有机会获得打包权，每段时间整个系统会更新难度值，保持10分钟就能计算出一个区块的速度。

初始难度值很大，很容易竞争获得，如下是0号区块链的难度值：

0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF

值越大越容易满足，随着计算能力提升，为了保持每10分钟创建一个区块的速度，值会逐渐减小，也越来越难满足。初始难度值表述信息如下，bits是上述值的压缩值，可以通过0x00FFFF*2^(8*(0x1D-3)恢复上述值（近似值）。将0号区块的难度作为1，当前difficulty为初始难度值除以当前难度值：

"nonce": 2083236893, 
"bits": "1d00ffff", 
"difficulty": 1

如何获得打包权？

每笔交易都会通过广播的形式发送给其它节点，所以计算节点会拉取一段时间内缓存的交易记录，然后采用如下公式计算：

SHA256(SHA256(version + prev_ hash + merkle_ root + ntime + nbits + nonce)) < TARGET

如果计算出的值小于TARGET，也就是目标难度值，就算成功了。参数解释如下：

想要小于目标难度值，需要不断的尝试各种参数组合，这个过程消耗大量计算资源。一旦计算成功，就会广播新的区块，其它客户端验证通过后会写到自己的区块链账本中。

什么是挖矿？

当获得打包权后，整个区块链系统会给予该客户端账户一定的奖励，这个奖励就是打包的交易事务的第一条记录，这个奖励相当于发行新的货币。整个比特币的数目是有限的，每隔4年奖励的比特币减半，真到2140年所有的比特币将被挖完，到时挖矿的收入来源为交易的手续费。
多个节点符合条件这么办？

如果同时多个节点计算出符合条件的区块，则会一起广播，最后传播最广，处于最长链中的区块将会被保留。

比特币地址如何生成

1. 随机数生成器产生一个随机数作为私钥。
2. 私钥作为参数，用SECP256K1算法生成公钥，SECP256K1算法是一种椭圆曲线算法。但是无法从公钥计算出私钥。
3. 计算公钥哈希值。通过SHA256和RIPEMD160计算公钥的哈希值，确保数值的唯一性。
4. 将地址版本号连接到公钥哈希值，比特网主版本号为0x00，然后两次SHA256取得前四个字节作为校验值。
5. 将版本号+公钥哈希值+校验值连接起来，进行BASE58编码，最后得到比特币地址。

比特币如何验证一个交易

SPV钱包的验证过程：

1. 下载完整的区块链头数据，头数据中包含梅克尔根。
2. 计算出想要验证交易的哈希值。
3. 根据哈希值找到对应的区块头。
4. 获取计算梅克尔根所需要的哈希值。
5. 计算梅克尔根。
6. 对照梅克尔根是否正确。
7. 根据所在区块高度位置，可以确定该交易得到了多少确认。

比特币如何管理交易记录

比特币中交易事务的模型为UTXO（Unspent Transaction Output），未花费事务输出。用户拥有的UTXO相当于他的资产，UTXO只记录用户获得的比特币，一个未花费事务输出只能被使用一次。

一笔交易分为输入和输出。在A转10个比特币给B的事务中，整个模型运转如下：

1. A账户有两个UTXO，分别是5个比特币和6个比特币。
2. A找出自己名下满足10个比特币的UTXO，可以由多个未花费事务组成（5+6），这些UTXO作为输入。
3. 输出则是B获得10个比特币的UTXO，A获得1个比特币（找零）的UTXO。

区块链技术的意义

1. 数据不可篡改。
2. 分布式存储，数据在多地存有备份。
3. 匿名性。通过地址来标识用户，而地址是通过公钥生成，所以仅仅通过该地址无法获取其背后的真实用户。
4. 价值专递。自成体系的信任机制，工作量表明比特币是有价值的，比特币可以在任何比特币节点传递。
5. 自动网络共识。一个交易被其它所有节点见证，自动的达成了共识。

区块链的发展

什么是合约？

合约是大家行为的共同准则，少数人的不守约对整个系统不造成影响。

在比特币中，所有节点都遵循合约来处理每笔转账交易。比如A将100比特币转账给B，则A所在节点需要验证使用的UTXO是否属于A，并且保证里面有足够的钱给B，然后将该交易记录广播给其它所有节点，其它节点会验证A用作输入的UTXO是属于A的，且真实存在的（查看交易记录签名），并且这笔转账输入和输出是持平的，验证成功后才将该交易记录进区块链。如果部分节点没有按照上述过程转账和验证，但是整个系统最终会保证结果的正确。

密码算法

哈希计算

哈希计算的特性：

1. 输入长度是任意长度
2. 输出是固定长度
3. 计算过程是有效率的

哈希函数为了满足密码学上的安全性，需要满足如下条件：

1. 抗冲突。两个不同的输入产生了相同的输出，这就产生了冲突。为了满足安全性，哈希函数需要保证找出两个输出相同的输入是很困难的，需要付出很大的时间代价。
2. 信息隐藏。获得了哈希函数的输出，不能倒推出输入。
3. 难题友好性。在已知结果需要满足的条件下，很难找出输入满足该条件。

常见的哈希算法：MD5，SHA1，SHA2，SHA3。

区块链中用到的哈希计算：

1. 区块链哈希。区块链中会对区块头进行哈希计算，得出该区块的哈希值。该哈希值会作为下一个区块的一部分被保存，所以该哈希值起到了一个指针的作用，将各个区块链接起来。这保证了每个区块被加入链后不可被修改。
2. 梅克尔树。梅克尔根用来验证区块中交易记录是否正确。比特币中的梅克尔根是一个二叉梅克尔树，首先对交易事务的哈希值两两结对计算出新的哈希值，然后将新的哈希值两两结对计算出下一个哈希值，依次递归，只到算出最后一个哈希值，从而构成了一个哈希树。梅克尔树可以验证交易记录的完整性。

非对称加密算法

常用的非对称加密算法：

1. RSA。RSA算法的公钥和私钥是一对大质数，从公钥和密文恢复明文的难度等价于分解两个大质数之积，质数越大破解难度越大。但是计算速度较慢。
2. 椭圆曲线密码算法。安全性高、生成公钥方便，存储空间小。比特币中使用的是SECP256k1算法。

编码解码算法

1. ASCII编码。常用的字节编码。
2. Base64编码。用64个字符来表示二进制文件，所以每3个字节被表示为4个字符，不足3个字节的补x00。
3. Base58编码。去掉了Base64中一些容易混淆，如0，O，I，1和容易转义的+、/。
4. Base58Check。在Base58的基础上加上了校验码，比特币在生成地址时最后就采用了Base58check，可以在接收到地址时进行校验，如果计算出的校验值和接收到的校验值不同，则认为数据无效。

密码算法具体的应用

1. 生成账户地址。利用公钥生成地址和作为账号，用私钥验证账号。
2. 价值转移保卫。用私钥签名交易，他人用公钥验证交易是本人发出。用他人公钥加密交易数据，只有接受者才能解密数据。
3. 完整性证明。通过哈系数来校验区块数据。
4. 零知识证明。为了证明自己对某笔交易的所有权，只需要解码交易中部分内容，就能证明所有权，而不需要提交自己的密码来验证。

共识算法

FLP定理（信道可靠，节点失效）

在网络可靠，存在节点失败的最小化异步模型中，不存在可以解决一致性问题的确定算法。

CAP定理

分布式计算不可能同时保证一致性、可用性和分区容错性。

• 一致性。所有节点在同一时刻，所处状态相同。
• 可用性。系统可以正常被访问。
• 分区容错性。因为网络故障导致节点被划分为不可联通的几块，但系统仍能正常使用。

两军问题（信道不可靠）

A->B<-CA和C需要联合攻击B才能取得胜利，所以双方需要约定一个确定的时间发起进攻，两方的信使都需要经过B，所以信使可能被B截获。A发送消息给C，C需要发送确认告诉A消息到达，如果不发送确认，A同样会认为消息被B截获；同样，A收到C的确认后，同样需要发送确认消息给C，否则C会认为消息被B截获。如此往复，导致A和C无法达到最终的一致。

两军问题的关键点在于两点之间的信道传输不可靠。

拜占庭将军问题（信道可靠，节点不失效，节点产生错误数据）

N个将军通过传令兵传递消息，并且需要达成一致的计划，但是这N个将军中存在叛徒，会故意发送假的消息来扰乱计划。已经证明，如果背叛的将军超过了1/3，则不可能达成一致的计划。

如何实现共识

既然保证一致性存在上述问题，那么如何实现一套实际可用的的共识算法？

激励机制：采用一定的激励机制，依据博弈论，每个节点会最大化自己的利益，最后大部分节点会依照规则行事。

随机性：拜占庭问题是每个将军通过协调达到一致，如果有一个大将军做出最后决定，那么问题就会简单很多。在去中心化的系统中，如何选出这个“大将军”呢？

• 根据计算力，PoW共识。
• 根据资源，PoS共识。

常用的共识算法：

• PoW。如，比特币。
• PoS。如，PeerCoin。
• DPoS。
• Paxos。如，ZooKeeper。
• PBFT。
• Raft。如，etcd。

以下是对部分共识算法的简单介绍。

Paxos算法

Paxos算法解决的是非拜占庭问题，存在失败节点，但没有恶意节点。

算法分为提案者、接收者。提案者发出提案，由接收者投票，超过半数则认为提案通过。

在处理多个提案者、多个接收者场景的时候，采用了“两阶段提交”的方案：准备阶段解决对哪个提案做出表决，提交阶段确认提案是否通过。

Raft算法

该算法通过选出一个“大将军”角色的方式来解决一致性问题。容错数目为(n-1)/2。

1. 没有“大将军”时会发起选举，每个人进行投票，票数居多的成为“大将军”。
2. 出现平票时选举失败，每人被分配一个随机的睡眠时间，睡眠者只能投票，无法被选举。第一个醒的人会发起新一轮的选举。
3. 被选出的“大将军”和每个人保持心跳，一旦“大将军”失效，则需要进行新的选举。
4. 由“大将军”负责下发指令，村长收到上级指令后会向所有人发送指令，等接收到超过半数的反馈后，“大将军”向上级确认数据已经接收。“大将军”接收到上级的响应后，会通知所有人数据已提交。

PBFT算法

Pbft算法的基本流程主要有以下四步，f表示错误节点数目。容错数目为n/3。

1. 客户端发送请求给主节点。主节点为随机挑选出来的。
2. 主节点广播请求给其它节点，节点执行 pbft 算法的三阶段共识流程。
3. 节点处理完三阶段流程后，返回消息给客户端。
4. 客户端收到来自f+1个节点的相同消息后，代表共识已经正确完成。

PBFT算法多应用于联盟链中，它达成共识的延时为秒级，基本满足商业要求。

PoW工作量证明算法

算法流程：

1. 向所有节点广播交易；
2. 每个节点收到交易信息并放入块中；
3. 每一轮，获得打包权的节点广播它保留的块；
4. 其它节点验证块中的交易无误后接收该区块；
5. 其它节点将接收的区块的哈希值放入他们创建的区块中，以表示承认该区块的正确性。

节点以最长的链为合法的链。节点在收到一个他人的区块后可以选择拒绝，或者基于该区块继续挖矿。如果选择拒绝，则不得不自己计算出一个正确的区块，但是会导致该自己另起炉灶的链不会长于主流的链，所以自己构造的链不会得到承认；根据“不利原理”，节点会积极的接收其他人广播的区块，并且基于该区块接着挖矿。

PoW的特点：

1. 完全去中心化；
2. 性能消耗高，效率低；
3. 达成共识的周期较长；
4. 1/2的容错率。

PoS股权权益证明

PoS不像PoW，任何人都可以参与产生区块，而是事前需要投入一些利益在区块链中，投入越多则越被信任。整个流程如下：

1. 加入PoS机制的成为持币人，成为验证者validator；
2. 根据持币的多少挑选一个给予打包区块的权利；
3. 如果没有在规定时间内计算出新的区块，则选择下一个节点给予打包权；
4. 打包成功后进行广播，被大家接受后可以获得一定的利息，这个利息通过持币数量和币龄决定，每次打包成功后，会清零币龄。

DPoS

委托权益人证明机制（Delegated Proof of Stake），在PoS的基础上进行了改造，每个持币人可以选出代表来代替自己计算、验证区块链，代表因此会收到一定的酬劳，代表可以主动退出、或被淘汰。该算法减少了参与节点的数量，减少了节点响应的时间，提高了交易效率。

区块链遇到的问题

区块扩容

比特币的区块限制在1M，导致记录的交易数量很少，限制了比特币在大规模快速交易中的应用，所以提出了两种方案来解决这个问题：

1. 区块扩容。将区块大小设置的大一些。
2. 隔离见证。从区块中去掉见证交易合法性的签名。

由于比特币是无中心化的，让所有节点进行改造是不可能的，并且这些节点的拥有者对改造的意见也不相同。所以节点的不同选择会导致整个链分叉，从而形成两种区块链。

侧链

为了让资产可以在不同区块链之间转移而提出了侧链的概念，主、侧链之间的转移步骤如下：

1. 在比特币主链上锁定一定的比特币，在侧链上激活对等的资产；
2. 侧链按照自己的游戏规则交易这些资产；
3. 相应的，侧链可以冻结相应的资产，将比特币归还到主链。

闪电链

为了加快交易速度，减少对主链的压力，提出了闪电网的概念。闪电网是在主链外开辟快速交易通道，临时记录一段时间的频繁交易，定期将最后结果提交到主链。

区块链存在的问题

分叉

由于部分节点采用新版本的合约，而导致和老版本的节点不兼容，导致区块链分叉为老节点产生的区块链和新节点产生的区块链，如果一直保持这种状况，则会导致整个区块链分裂为两个系统，形成“各玩各的”局面。

除了版本差异导致的分叉，还有可能是网络问题导致部分节点被孤立起来，从而这些被割裂的节点组成一个小的区块链系统，产生的区块链和主链也会产生较大差异。在某个时刻这部分节点重新加入主链，则整个系统需要耗费一些代价来弥合原来产生的分歧。

51%算力

如果一个人拥有了区块链超过一半的算力，他就拥有了大多数的打包权，那么他就可以在对交易打包时进行作弊，从而从中牟利。

拥有算力优势的人还可以拒绝一些交易记录，使得一些交易长时间无法完成。

如果拥有算力优势的人采用一些手段违反当初的约定，这会打击其他人挖矿的积极性，对整个区块链产生负面的影响。

私钥丢失

私钥丢失代表着在整个区块链中所拥有的财富丢失，目前还没有办法找回。

交易确认延迟

非所有的交易会被立刻打包进区块，一笔交易需要耗费一定的时间才能被计入区块链。交易被确认前是缓存在内存中的，打包区块需要时间进行计算，并且区块有大小限制，即使被打包进区块还要被大多数节点接受，所以一笔交易本最终确认周期较长。

有的节点会根据手续费来控制打包的顺序，所以普通的交易更难被打包进区块了。

不断膨胀的区块链

随着交易数量的日积月累，承载记账功能的区块链数据会越来越多，对这些数据的查询和存储会越来越困难。