區(qū)塊鏈技術(shù)的基本原理及現(xiàn)存需要解決的問題分析

一、區(qū)塊鏈技術(shù)

1.什么是區(qū)塊鏈？

去中心化的、分布式的、區(qū)塊化存儲的數(shù)據(jù)庫

存儲全部賬戶余額及交易流水的總賬本

每個節(jié)點有完整的賬本數(shù)據(jù)

賬本數(shù)據(jù)記錄了全部的歷史交易數(shù)據(jù)

交易數(shù)據(jù)存儲在區(qū)塊上

每個區(qū)塊包含前一區(qū)塊ID及HASH，形成鏈

2.區(qū)塊鏈基本原理

如果把區(qū)塊鏈作為一個狀態(tài)機，則每次交易就是試圖改變一次狀態(tài)，而每次共識生成的區(qū)塊，就是參與者對于區(qū)塊中所有交易內(nèi)容導(dǎo)致狀態(tài)改變的結(jié)果進行確認。

交易（Transaction）：一次操作，導(dǎo)致賬本狀態(tài)的一次改變，如添加一條記錄

區(qū)塊（Block）：記錄一段時間內(nèi)發(fā)生的交易和狀態(tài)結(jié)果，是對當前賬本狀態(tài)的一次共識

鏈（Chain）：由一個個區(qū)塊按照發(fā)生順序串聯(lián)而成，是整個狀態(tài)變化的日志記錄。

3.區(qū)塊鏈要解決的問題

如何去中心化地共享數(shù)據(jù)？

如何確保賬戶不被冒用？

如何確保賬戶余額足夠？

如何確保交易記錄不被篡改？

誰負責記賬？

怎么保障記賬者的可信？

怎么保障記賬者的積極性？

4.區(qū)塊鏈特性

去中心化

開放性（沒有限制，開源，數(shù)據(jù)公開）

去信任（僅信任機器）

自治性，集體維護

可靠的數(shù)據(jù)庫（不可更改，永遠可訪問）

匿名性，隱私保護

5.核心技術(shù)

P2P網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字簽名、區(qū)塊化數(shù)據(jù)庫，競爭記賬權(quán)、共識算法、交易回溯。

二、P2P網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)（分布式計算網(wǎng)絡(luò)）

1.自動發(fā)現(xiàn)

通過種子文件，獲取初始節(jié)點（地址及端口）

連接初始節(jié)點，獲取初始節(jié)點知道的Peer

把自己的地址及端口廣播給各個Peer

接收各個Peer廣播的地址信息，構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)的全貌或片段

2. 技術(shù)領(lǐng)域

分布式存儲、分布式計算、分布式協(xié)同

組播

流媒體

搜索引擎

3.通信協(xié)議

napster 、Gnutella、eDonkey、 Bittorrent（文件分發(fā)協(xié)議）

XMPP、Jabber（即時通信協(xié)議）

Paxos 、Gossip（分布式系統(tǒng)狀態(tài)同步協(xié)議）

JXTA

4.使用HASH算法及非對稱加密及簽名技術(shù)

每個節(jié)點、每個人有唯一的一對公鑰及私鑰

公鑰同時也是每個節(jié)點、個人的地址和賬號

私鑰是證明”我就是我“的唯一手段

HASH算法對數(shù)據(jù)進行規(guī)整

5.算法

RSA、Elgamal、D-H、ECC

SHA256、 RIMPED160

6.通常使用橢圓曲線算法生成密鑰對

比特幣密鑰長度：256位

公鑰哈希值=RIMPED160（SHA256（公鑰））

比特幣地址=1+Base58（0+公鑰哈希值+校驗碼）

校驗碼=前四字節(jié)（SHA256（SHA256（0+公鑰哈希值）））

7. 加密

發(fā)送方使用接收方的公鑰加密數(shù)據(jù)

接收方使用本方的私鑰解密數(shù)據(jù)

通常使用本方面交換對稱加密的Key

8.簽名

發(fā)送方使用HASH算法計算數(shù)據(jù)的HASH值

發(fā)送方使用本方的私鑰加密HASH值，得到簽名

接收方使用HASH算法計算數(shù)據(jù)的HASH值

接收方使用發(fā)送方的公鑰解密簽名得到發(fā)送的HASH值

比較兩個HASH值的一致性

9.參考

ElGamal算法，是一種較為常見的加密算法，它是基于1984年提出的公鑰密碼體制和橢圓曲線加密體系。既能用于數(shù)據(jù)加密也能用于數(shù)字簽名，其安全性依賴于計算有限域上離散對數(shù)這一難題。在加密過程中，生成的密文長度是明文的兩倍，且每次加密后都會在密文中生成一個隨機數(shù)K，在密碼中主要應(yīng)用離散對數(shù)問題的幾個性質(zhì)：求解離散對數(shù)（可能）是困難的，而其逆運算指數(shù)運算可以應(yīng)用平方-乘的方法有效地計算。也就是說，在適當?shù)娜篏中，指數(shù)函數(shù)是單向函數(shù)。

橢圓曲線密碼體制是目前已知的公鑰體制中，對每比特所提供加密強度最高的一種體制。解橢圓曲線上的離散對數(shù)問題的最好算法是Pollard rho方法，其時間復(fù)雜度為，是完全指數(shù)階的。其中n為等式（2）中m的二進制表示的位數(shù)。當n=234， 約為2117，需要1.6×1023 MIPS 年的時間。而我們熟知的RSA所利用的是大整數(shù)分解的困難問題，目前對于一般情況下的因數(shù)分解的最好算法的時間復(fù)雜度是子指數(shù)階的，當n=2048時，需要2x1020MIPS年的時間。也就是說當RSA的密鑰使用2048位時，ECC的密鑰使用234位所獲得的安全強度還高出許多。它們之間的密鑰長度卻相差達9倍，當ECC的密鑰更大時它們之間差距將更大。更ECC密鑰短的優(yōu)點是非常明顯的，隨加密強度的提高，密鑰長度變化不大。

DH Diffie-Hellman算法（D-H算法），密鑰一致協(xié)議，是由公開密鑰密碼體制的奠基人Diffie和Hellman所提出的一種思想。簡單的說就是允許兩名用戶在公開媒體上交換信息以生成”一致”的、可以共享的密鑰。換句話說，就是由甲方產(chǎn)出一對密鑰（公鑰、私鑰），乙方依照甲方公鑰產(chǎn)生乙方密鑰對（公鑰、私鑰）。以此為基線，作為數(shù)據(jù)傳輸保密基礎(chǔ)，同時雙方使用同一種對稱加密算法構(gòu)建本地密鑰（SecretKey）對數(shù)據(jù)加密。這樣，在互通了本地密鑰（SecretKey）算法后，甲乙雙方公開自己的公鑰，使用對方的公鑰和剛才產(chǎn)生的私鑰加密數(shù)據(jù)，同時可以使用對方的公鑰和自己的私鑰對數(shù)據(jù)解密。不單單是甲乙雙方兩方，可以擴展為多方共享數(shù)據(jù)通訊，這樣就完成了網(wǎng)絡(luò)交互數(shù)據(jù)的安全通訊！該算法源于中國的同余定理——中國馀數(shù)定理。

三、區(qū)塊鏈化數(shù)據(jù)庫

1.典型特征

去中心化的、分布式的、區(qū)塊化存儲的數(shù)據(jù)庫

區(qū)塊（Header + Body）

鏈

隨機數(shù)

時間戳

包含父區(qū)塊創(chuàng)建之后、本區(qū)塊創(chuàng)建之前的全部交易；

滿足某個條件的區(qū)塊HASH；

a） SHA256（SHA256（version + prev_hash + merkle_root + nTIme + nbits + x ）） 《 TARGET

b） Target值由動態(tài)的難度系數(shù)確定，Target越小，難度越高；

2. 參考

默克爾樹是一種二叉樹，由一組葉節(jié)點、一組中間節(jié)點和一個根節(jié)點構(gòu)成。最下面的大量的葉節(jié)點包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，每個中間節(jié)點是它的兩個子節(jié)點的哈希，根節(jié)點也是由它的兩個子節(jié)點的哈希，代表了默克爾樹的頂部。默克爾樹的目的是允許區(qū)塊的數(shù)據(jù)可以零散地傳送：節(jié)點可以從一個源下載區(qū)塊頭，從另外的源下載與其有關(guān)的樹的其它部分，而依然能夠確認所有的數(shù)據(jù)都是正確的。

默克爾樹協(xié)議對比特幣的長期持續(xù)性可以說是至關(guān)重要的。在2014年4月，比特幣網(wǎng)絡(luò)中的一個全節(jié)點-存儲和處理所有區(qū)塊的全部數(shù)據(jù)的節(jié)點-需要占用15GB的內(nèi)存空間，而且還以每個月超過1GB的速度增長。簡化支付確認（SPV）協(xié)議允許另一種節(jié)點存在，這樣的節(jié)點被成為“輕節(jié)點”，它下載區(qū)塊頭，使用區(qū)塊頭確認工作量證明，然后只下載與其交易相關(guān)的默克爾樹“分支”。這使得輕節(jié)點只要下載整個區(qū)塊鏈的一小部分，就可以安全地確定任何一筆比特幣交易的狀態(tài)和賬戶的當前余額。

四、記賬權(quán)競爭及獎勵制度（挖礦）

1.概述

為防止可預(yù)期的記賬節(jié)點被控制或攻擊，導(dǎo)致錯誤記賬行為，區(qū)塊鏈技術(shù)采用競爭記賬權(quán)的做法：

任何一個節(jié)點均可以參與記賬，因而記賬節(jié)點無法預(yù)期，也就不容易被控

競爭的過程就是看誰最先計算出滿足條件的HASH值

每次計算必須以最后1個有效的區(qū)塊為起點，必須消耗大量的計算機CPU，增加偽造記賬數(shù)據(jù)的成本

計算的結(jié)果必須得到大部分節(jié)點的認可（共識算法），才會成為新的區(qū)塊。實際算法中，如果該區(qū)塊位于最長的區(qū)塊鏈上，則為正式被認可的區(qū)塊，也即大部分節(jié)點認可計算結(jié)果，并愿意在該結(jié)果下繼續(xù)計算

這個過程被稱為挖礦，或工作量證明（POW）。參與挖礦的節(jié)點稱為礦工，協(xié)同挖礦的礦工聯(lián)合體稱為礦池

a ） 以前1區(qū)塊為起點，計算滿足條件的HASH值；

b ） 將計算的結(jié)果廣播給其他節(jié)點；

c ） 其他節(jié)點驗證計算結(jié)果無誤時，認可該結(jié)果，并以該結(jié)果為起點重新進行計算；

d ） 單位時間內(nèi)達到共識認可要求時，該區(qū)塊成為正式認可的區(qū)塊。

這個過程被稱系統(tǒng)為鼓勵挖礦的積極性，給予競爭成功的記賬節(jié)點獎勵

a ） 給予每個區(qū)塊挖礦者直接的“現(xiàn)金”獎勵。例如，比特幣網(wǎng)絡(luò)給予25個比特幣，以太坊給予5個以太幣；

b ） 以太坊：納入該區(qū)塊的交易的手續(xù)費，由發(fā)起節(jié)點和記賬節(jié)點分成（發(fā)起75%，記賬25%）。

2. 參考

比特幣使用的SHA256算法，會有2^256種輸出，如果我們進行2^256+1次輸入，那么必然會產(chǎn)生一次碰撞；甚至從概率的角度看，進行2^130次輸入就會有99%的可能發(fā)生一次碰撞。不過我們可以計算一下，假設(shè)一臺計算機以每秒10000次的速度進行哈希運算，要經(jīng)過10^27年才能完成2^128次哈希！這時要考慮一種情況：如果同時有兩個礦工各自得到一個正確答案，并各自生成了一個區(qū)塊廣播出去會發(fā)生什么呢？這時候在區(qū)塊鏈上同一個位置就有了兩個區(qū)塊，所謂的“分叉”就出現(xiàn)了。分叉是絕對不允許的，所以當?shù)V工發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈分叉之后，會選擇最長的一條繼續(xù)計算，短的那條區(qū)塊鏈會被丟棄。這里的長短，不是簡單意義上的長短，而是工作量證明合計值最大的那個鏈。