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随着近几年区块链技术的迅速发展#xff0c;越来越多的行业正在将区块链技术应用到实际中去。例如#xff0c;金融、物流、交易所等行业都开始尝试使用区块链技术来替代传统技术。伴随着区块链迅速发展的期间#xff0c;诞生了比特币#xff08;BTC#xff09;、以太…背景
随着近几年区块链技术的迅速发展越来越多的行业正在将区块链技术应用到实际中去。例如金融、物流、交易所等行业都开始尝试使用区块链技术来替代传统技术。伴随着区块链迅速发展的期间诞生了比特币BTC、以太币ETH等新兴资产吸引了来自世界各地的投资者。 近期在了解web3项目技术同时学习区块链的相关技术特地跟大家分享下比特币相关知识。
比特币概述
比特币是基于区块链技术的第一个去中心化应用它可以追溯到2009年创立时。在过去几年比特币已经成为全球金融市场上受关注的新兴资产吸引了来自世界各地的投资者。 比特币的发展背后是一种技术即区块链技术。通过使用数字签名和分布式数据库技术这种技术可以保证交易的安全性、不可篡改性和去中心化。
中心化与去中心化架构区别 去中心化的货币架构实现币的所有权掌握在个人手上相比于法币转账交易更加自由并且交易过程不需要花费如此多的资源不需要成立银行记账、转账、确认等一堆程序只需要家中有一台电脑就可以完事转账时间正常情況几小时内搞定如果肯多出一點手续费那10分钟内便可完成。
比特币与密码学
比特币BitCoin虽然被称为加密货币crypto-currency但它本身是不加密的区块链上内容都是对外公开包括区块的地址转账的金额等。它的”加密性“主要借助密码学中的”哈希“与”签名“两操作来实现的。
比特币主要用到了密码学中的两个功能: 哈希与签名
Hash算法Cryptographic Hash Function
Collision Resistance抗碰撞性不可人为创造产生hash碰撞: 例如 x≠y H(x)H(y) 两个不同的输入输出却是相等的这就称哈希碰撞。它是不可避免的因为输入空间总大于输出空间。比如给出x很难有高效的办法找到y使得H(x)H(y)除非穷举求解(brute-force)。客观来说哈希碰撞无法找到人为制造的方法但不是所有的函数都具有这个特性例如MD5可以人工找到哈希碰撞。hiding隐藏、不可逆 哈希函数的计算过程是单向的不可逆的。(从H(x)无法推导出x) hiding性质前提是输入空间足够大分布比较均匀。如果不是足够大一般在x后面拼接一个随机数如H(x||nonce)。 比特币中用到的哈希函数还有第三个性质: puzzle friendly 指哈希值的预算事先是不可预测的。假如哈希值是00…0XX…X一样事先无法知道哪个值更容易算出这个结果还是要一个一个带入。
比特币中用的哈希函数叫作SHA-256(secure hash algorithm )以上三个性质它都是满足的。 签名比特币签名采用的是非对称的加密技术即本地生成一个公私钥对(public key ,private key)对外表示为一个账号。 假如A想向B转10个比特币A把交易放在区块链上别人怎么知道这笔交易是A发起的呢?这就需要A要用自己的私钥给交易签名其他人收到这笔交易后要用A的公钥去验证签名。签名用私钥验证用公钥用的仍然是同一个人的。创建账户产生相同公私钥的可能性微乎其微所以大量创建账户来窃取其他人账户是不可行的。
比特币的数据结构
比特币系统中使用的数据结构主要是以下两种
哈希指针hash pointersmerkle树merkle tree
哈希指针用于区块之间的连接作用而merkle tree用于每个区块内部交易之间的连接作用。哈希指针与merkle tree的关系如下图所示
哈希指针Hash Pointers
普通指针与Hash指针
普通指针存储的是某个结构体在内存中的地址。假如P是指向一结构体的指针那么P里面存放的就是该结构体在内存中的起始位置。
哈希指针除了要存地址之外还要保存该结构体的哈希值H(x) 。这样的好处是:从这个哈希指针不仅可以找到该结构体的位置同时还能够检测出该结构体的内容有没有被篡改因为我们保存了它的哈希值。
区块链和普通的链表
比特币中最基本的结构就是区块链区块链就是一个一个区块组成的链表。区块链和普通的链表相比有什么区别: 用哈希指针代替了普通指针(B block chain is a linked list using hash pointers) 区块链第一个区块叫作创世纪块(genesis block) 最后一个区块叫做最近产生的区块(most recent block) 每一个区块都包含指向前一个区块的哈希指针。 普通链表可以改变任意一个元素对链表中其他元素是没有影响的。而区块链是牵一发而动全身如果区块链中任一块被修改则后面所有的区块都要发生变动因为后一个区块头部存储是前面所有区块求H()后的值所以只需要保存最后一个哈希值就可以判断区块链有没有改变。针对这一特性比特币没有要保存所有区块的内容可以只保留最近的几千个区块。如果要用到以前的区块可以向系统中其他节点要这个区块。假设整个区块链当中有些节点是有恶意的它给出块算出它的哈希值与保留的区块的哈希值对比即可判断是否为异常节点。 由上图可看到区块链系统中的的每个节点可以获得最近一个区块的哈希值H(recent block)从而就可以追溯到创世纪块。
通过哈希指针的链式结构也可以知道区块内容是否被篡改因为只要某个区块A被篡改它的哈希值就会改变它之后区块B的哈希指针就不会指向A了这样系统会很快知道A被篡改。或者篡改者从区块A一直改到最新区块到最后最新区块的哈希值也会改变跟系统中保存的最近区块哈希值H(recent block)对比也就很快发现是否被篡改。
Merkle Tree树形结构
Merkle tree跟二叉树很类似只不过把普通指针同样换成了哈希指针。
Merkle tree在每个区块内部将各个交易连接起来了如下图所示 这个树的最下面是的叶子节点是区块体block body里的所有交易每个交易取哈希值相邻交易的哈希值结合起来一起取哈希层层往上取哈希直到得到最后一个哈希值这个哈希值也就是根哈希值root hash并存在区块头block header。
从上面分析得到只要记住了根哈希值root hash就可以检测出对树的任何节点的修改。要想改变其他节点的哈希值同时保证根哈希值的不变就必须人为制造哈希碰撞但通过哈希的性质知道这是不可能的。
Merkle tree 的作用提供Merkle proof
Merkle proof是Merkle tree内的从最底层的某个交易出发到最顶部根哈希的一条路径。如上图中最下面的黄色交易开始到最底部的路径就是一个merkle proof。
在比特币区块链网络中有很多节点包括计算机、手机、矿机、服务器等等。在所有节点中分为全节点和轻节点。
全节点full node保存了区块的所有内容区块头和区块体。
轻节点light node只保存了区块头比如手机中的比特币钱包。
问题如何向一个轻节点证明某个交易是写入区块链的? 假设某个轻节点想知道图中黄色的交易是否包含在了merkle tree里面。该轻节点没有包含交易列表没有这颗merkle tree的具体内容只有一个根哈希值。这时轻节点向一个全节点发出请求请求证明黄色的交易被包含在这颗merkle tree里面的merkle proof由交易者提供。全节点收到这个请求之后只需要将图中标为红色的这三个哈希值发给轻节点即可。
有了这些哈希值之后轻节点可以在本地计算出图中标为绿色三个哈希值。
首先算出黄色交易的哈希值即它正上方的那个绿的哈希值然后跟旁边红色的哈希值拼接起来可以算出上层节点绿色的哈希值。然后再拼接再算出上层绿色哈希值再拼接就可以算出整棵树的根哈希值。轻节点把这个根哈希值和block header里的根哈希值比较一下就能知道黄色的交易是否在这颗merkle tree里。 全节点在merkle proof里提供的这几个哈希值就是从黄色的交易所在的节点的位置到树根的路径上用到的这些哈希值。轻节点收到这样一个merkle proof之后只要从下往上验证沿途的哈希值都是正确的即可。(验证时只能验证该路径的哈希值其他路径是验证不了的即该图中红色的哈希值是验证不了的)
这样是否不安全呢? 假如黄色交易被篡改它的哈希值发生了变化那能不能调整旁边红色的哈希值使得它们拼接起来的哈希值是不变的呢? 不行根据collision resistance这是不可行的。
问题如何证明merkle tree里面没有包含某个交易?
1.全节点将整个区块所有交易信息发给轻节点这样可以证明某个交易不在区块中但这是非常不高效的方法且比较笨的方法。
2.思路还是根据merkle proof计算根哈希值轻节点向全节点对这个交易发出请求全节点为了证明此交易不在区块链中。
全节点只需以下这样做即可
对区块中所有交易的哈希值进行排序然后计算要证明的交易的哈希值根据二分查找法来确定这个交易哈希值的位置再将此位置相邻的2个交易merkle proof发送给轻节点。
轻节点只需以下这样做即可
轻节点收到merkle proof后根据merkle proof计算得到最后的根哈希值root hash若计算得到的根哈希值跟本地的区块头中的根哈希值比较一样则证明此交易一定不在区块链中因为如果在的话最后计算出来的根哈希值比较必然是不一样的。
可以把整棵树传给轻节点轻节点收到后验证树的构造都是对的每一层用到的哈希值都是正确的说明树里只有这些叶节点要找的交易不在里面就证明了proof of non-membership。问题在于它的复杂度是线性的θ(n)是比较笨的方法。
如果对叶节点的排列顺序做一些要求比如按照交易的哈希值排序。每一个叶节点都是一次交易对交易的内容取一次哈希按照哈希值从小到大排列。要查的交易先算出一个哈希值看看如果它在里面该是哪个位置。比如说在第三个第四个之间这时提供的proof是第三个第四个叶节点都要往上到根节点。如果其中哈希值都是正确的最后根节点算出的哈希值也是没有被改过的说明第三、四个节点在原来的merkle tree里面确实是相邻的点。要找的交易如果存在的话应该在这两个节点中间。但是它没有出现所以就不存在。其复杂度也是log形式代价是要排序。排好序的叫作sorted merkle tree。比特币中没有用到这种排好序的merkle tree因为比特币中不需要做不存在证明。
总结
通过上面可以看到比特币区块链中数据结构的核心是哈希值这样可以保证数据的不可篡改性这也就符合区块链的性质安全性、不可篡改性等。
通过整个链的哈希指针和单个区块的Merkle Tree可以看到区块链中设计的精妙之处都是环环相扣的正所谓牵一发而动全身只要区块链一旦形成很难改变。
参考文档
https://www.youtube.com/playlist?listPLnTPdMjBRmAYehJkVbAXqxO-0cc9ALC6V
