区块链与加密货币

Posted 2021-09-21 你代码写的像诗

文章目录

• • 区块链的目的
  • 理解加密货币的本质
  • 去中心化
  • • 工作量证明
    • • 问题
  • 附录
  • 参考链接

对区块链和加密货币做了下简单研究，这里记录下。

区块链的目的

区块链的实质是公共账本，目的是降低交易中的信任成本

1. 公共账本中，如何验证一笔交易是否是交易双方的真实意愿，而非伪造的交易？

   电子签名。

   电子签名的生成原理

   几个要素：

   • 私钥 $sk$
   • 公钥 $pk$
   • 加密函数 $Sign$
   • 验证函数 $Verify$
   • 信息本身 $Message$
   • 签名$Signature$

   $Sign(Message,sk)=Signature$

   为什么要使用私钥和信息本身生成签名？

   • 使用私钥可以保证只有私钥持有人能够生成该签名

   • 使用信息保证了其他人不能把签名简单地复制到另一条信息里，来伪造签名

   $Verify(Message,Signature,pk)=True/False$

   用来验证签名是否是由$pk$所对应的$sk$生成的。

   由于生成假签名（只能借助$Verify$函数和公钥暴力破解）难度极大，因此如果$Verify$函数返回true，就可以认为该签名是由私钥的拥有者生成的。

2. 如何防止有人在公共账本上使用正确的信息和签名，重复记账？

   每笔交易信息中都包含独一无二的id即可。

理解加密货币的本质

Tips

• 每种加密货币都是一个公共账本

• 货币的本质是交易的历史

去中心化

公共账本保存在哪里？ 添加新交易记录的规则是什么？

公共账本保存在所有用户手里，当一笔交易发生，必须广播给所有用户，并在所有账本中添加记录。

那么问题来了，如何保证所有用户的账本记录的交易是一样的，并且顺序也相同呢？ 这是区块链技术的核心问题。中本聪关于比特币的论文解决的就是这个问题，他的解决方案是工作量证明。
比特币的公共账本结构大致如下：

由串起来的区块组成（所以又被称为区块链），每个区块包含了前一块的哈希，多条交易记录，和一个工作量证明。只有计算出工作量证明的人，才能打包区块并向全网广播该区块。

工作量证明

工作量证明是接在一段交易记录后的一个数，记为$w$。$w$需要满足以下条件：可以使得交易记录+$w$这段信息的$Hash$值的前$n$位值为0。(对于比特币来说，$n$是变化的，以保持平均约10分钟产生一个区块。以太坊约15秒)

工作量证明的特点

1. 计算$w$所需算力很大，但验证$w$的正确性很简单。

这就使得如果篡改了交易记录，则需要花费大量的算力去计算新的$w$

由于每个区块都加入前一块的Hash值，因此更改了任一历史区块，或者互换了两个区块，后续区块的工作量证明均需重新计算。

总结下打包一个区块的流程：

1. 一笔交易发生，并向全网广播了这笔交易

2. 所有节点（俗称“矿工”）开始计算$w$

3. 某一个节点计算出了$w$,则打包区块并向全网广播该区块

   在比特币协议中，打包成功的节点可以在该区块的末尾添加一笔特殊交易，即给自己的奖励。该笔交易无需签名。因此每打包成功一个区块，系统中的比特币都会增加。

问题

1. 收到不同的区块链广播，选择相信哪个？

   选择相信最长的那一个。如果区块链长度相同，则等待新的区块产生，使得其中的某一条链最长。（假设有人想伪造一个区块，则后续区块的工作量证明均需要重新计算，构成一条“伪造链”。除非伪造者拥有超过全网50%的算力，否则“伪造链”的长度迟早被其他矿工计算得到的链超过）

附录

密码哈希函数（比如SHA256）的特点

1. 输入任意长度，输出是固定长度

2. 计算hash值的速度比较快

3. 防碰撞特性

   任意两个不同的输入值 $x、y$，使得 $$Hash(x)=Hash(y)$$是困难的。 注意这里强调是“困难”的，而非“不可能“的。完全没有哈希碰撞，在理论上不可能

4. 单向性

   难以从$Hash(x)$反推$x$

5. puzzlefriendly

   无法从输入数据，判断输出到底是什么样子。这意味着你无法通过控制输入值x来获得想要的输出值$H(x)$，比如无法预先判断哪些输入会使得一个hash值前K位是0。

参考链接

• https://www.bilibili.com/video/BV11x411i72w?spm_id_from=333.999.0.0

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/139310385