区块链 - 理论导论

一、背景

区块链不是单一的技术，而是多种技术的组合。 在区块链应用和比特币中，比特币的诞生离不开“密码朋克”组织。

Cypherpunk：一个电子邮件组； 群里囊括了众多密码学天才和计算机精英：维基解密的创始人、BitTorrent 的作者、WWW 的发明者、智能合作的提出者、Facebook 的创始人、比特币之父中本聪。

小组讨论的主题是：数学、计算机技术、加密技术、数字货币。

密码朋克中的一系列技术伏笔给了中本聪发明比特币的巨大灵感。

①Adam Back发明了Hashcash，使用工作量证明POW，这是比特币的核心要素；

② 时间戳确保数字文件的安全，是比特币协议之一；

③戴维发明了B-money，强调点对点交易，记录不可更改，点对点交易技术也用在了比特币上；

④ 哈尔芬尼推出“加密现金”；

在这种技术的铺垫下，中本聪发布了“比特币：一种点对点电子现金系统”。

比特币底层技术：

区块链的起源：由于比特币系统中的数据是逐块存储的，块之间通过Hash连接，形成了区块链。

2、应用场景

资产：数字资产发行、支付、交易、结算； 记账：股权交易、供应链金融、商业积分； 不可篡改的应用程序：众筹、医疗证明、存在证明； 点对点应用：共享经济、物联网； 隐私命名特性的应用：匿名交易；

3. 比特币：

1、比特币是一种数字货币；

什么是货币？ 货币是具有一定价值的一般等价物；

一般等价物：铜币、金银-->银票-->法币（纸币）

一般等价物本身，如纸币、钞票比特币解决了什么问题，本身没有价值。 它们之所以可以作为货币使用，是因为人们认可它。 那么，一串数字是否也可以作为货币呢？ 这是数字货币。

2、比特币的优势，它的信任从何而来：

①财产只在自己掌控之中，不会像银行里的钱一样被冻结；

② 无通货膨胀风险，比特币总量2100万枚，只会升值；

③ 没有假钞，因为需要别人认可；

④ 良好流通，全球流通，点对点交易；

3、比特币也是一个去中心化的记账系统；

通常，中心化系统将所有数据存储在中心服务器中，但比特币数据不存在中心服务器中，而是将数据存储在记账网络中的各个节点中； 假设每个节点相当于一台电脑，那么记账数据会存储在每个人的电脑里，每台电脑都有账本数据，那么如果一个人的账本和别人的账本不一样，谁的账本为准呢？ 这是比特币相关的原理知识，请看后面的内容。

① 如何验证账本？ 哪个分类帐有效？

②所有权问题？ 如何证明谁拥有货币？

③为什么要记账？

④ 以谁的账本为准？ （共识机制）

4.如何验证账本？

有人会说，比较所有的账本，少数服从多数； 方法可行，但数据量大，效率太低。

Hash哈希函数：Hash(原始信息)-->摘要信息

哈希特征：

① 相同的原始信息，使用相同的哈希函数，总能得到相同的摘要信息；

②原始信息的任何细微变化都会通过哈希函数导致“无法识别”的摘要信息；

③ 汇总信息不可逆推为原始信息；

MD5是一个hash函数，用来比较文件下载后是否损坏；

根据Hash的特性，可以验证账本的有效性！

哈希（原始信息）==摘要信息

通过比较汇总信息来验证账本！ ！ ！

接下来的会计处理如下：

在新账本Hash之前，会加入上一个账本的哈希值作为参数：这样每次只需要验证最后一个哈希值，就可以判断整个链上的所有账本是否正确。

账本校验摘要：每个节点在校验数据时，只需要校验最后一个区块的摘要信息即可。 如果最后一个区块的汇总信息检查正确，则说明整个区块链的账本是正确的，可以完成。 高效的账本验证！

5. 账户归属问题（比特币系统中如何确定账户中的比特币归谁所有？）

我们先来看中心化系统——银行系统如何确定所有权：

银行系统：用户（银行卡+密码）---->交易

银行卡被人盗用怎么办？ 第三方（银行）介入以验证交易是否由您执行。 如果银行卡所有者不履行，银行将取消交易。

但比特币系统是一个去中心化的点对点交易系统，没有第三方参与，那么所有权如何保障呢？ ？ ？

1. 比特币解决方案：

在比特币系统中，一个账户---->由一个地址来表示，一个地址就是一个账户； 一笔交易实际上是将比特币从一个地址转移到另一个地址； 在整个交易过程中，没有任何个人信息；

谁能使用该地址进行支付，谁就拥有该账户的所有权。

2.密码---->私钥

比特币系统中的私钥相当于银行系统中银行卡的密码；

① 比特币中的一个地址对应一个私钥； 地址和私钥不对称；

②可以通过私钥获取地址：

Hash(Hash(fun(private key))) ——> 地址

③无法从私钥推导出地址：

④谁有私钥就可以支付；

那么，在私钥泄露的情况下，如何证明自己拥有某个地址的私钥呢？ ？ ？

3. 非对称加密技术（对交易进行签名）

（一）签名过程：

① 对交易进行哈希处理得到摘要；

Hash（交易信息/转账记录）——>汇总信息

② 用私钥对摘要进行签名；

Sign(摘要信息,私钥)——>签名信息

(2)广播交易：

签名后，支付节点在全网广播。 广播内容包括交易信息和签名信息，让其他节点验证交易。 广播是一个循环过程。 其他节点验证通过后，同时向周围节点广播；

4.验证：

其他节点收到广播后，开始验证付款人用私钥对摘要进行签名后是否生成签名信息：

verfiy(签名信息, 付款人地址) ————> 交易摘要

5. 签名与验证：互逆运算

签名是一个加密过程：签名（摘要信息，私钥）——>签名信息

验证时的一个解密过程：验证（签名信息，付款人地址）——>摘要信息

6. 为什么要记账？ 工作证明：

记账：是一个Hash打包过程，消耗资源比较多；

记账需要消耗资源，所以系统之所以需要记账，是因为系统会对参与记账的账户给予一定的奖励； 由于记账的随机性，也被称为记账即挖矿；

一、挖矿过程：

① 每次记账，系统先发放一定数量的比特币到记账账户；

②目前每个记账发行12.5个比特币，每个比特币价值>4000RMB；

③ 大家都在争着记账。 如果大家一起记账，就会出现记账不一致的情况，需要制定规则；

2.规则：

①一段时间内，只有一个人可以预订成功，当前时间段为十分钟左右；

② 通过解决密码学问题（工作量证明），竞争获得唯一的记账权；

③其他节点只是复制上一步的记账结果；

3. 工作证明：

①记账：Hash（最后一个Hash值，交易记录集）=23434WEG3

② 这个记账太简单了，每个人都能记账成功； 为了保证一段时间内只有一个人可以完成记账：需要增加记账的难度，所以比特币要求Hash值必须以N个0开头。 目前是18，从0开始；

③因此引入随机数，不断改变随机数，得到不同的Hash值，匹配符合条件的值；

Hash（最后一个Hash值，交易记录集合，随机数）= 0000000000000000002346ffkw324lf23lsfe23f43t3455f

交易集：

一种。 收集并广播未记录在账本中的交易；

b. 交易有效性验证；

C。 为自己添加转账交易（挖矿奖励）；

4.工作量分析

区块：区块#512884

哈希值：0000000000000000002243f4g45g3463sl3424l89fd231583nrkf92i3a3823i98i409o9o32f5rf1wedf6tg

Hash值以18个0开头，Hash值为十六进制数；

那么得到0的概率是1/16。 理论上，你需要尝试16次。 要得到两个0，需要尝试16*16次。 然后你需要得到一个18个0开头的数字。 理论上需要尝试1618次；

七、共识机制

既然记账有奖励，就会有很多人参与挖矿，而且有可能两个节点同时记账，同时完成工作量证明，那么用谁的块呢？ 为了解决这个问题，比特币采用了一种通用的识别机制，节点的工作量需要被其他节点识别才有效。 共识机制如下：

1. 如果两个节点同时完成工作量证明，则每个节点只同意累计工作量最大的区块链，延伸最长的链；

2.分叉方案：无论哪个节点接收到广播，都会打包到该节点的链上。 如果同时出现两条相同长度的链，则两条链会相互竞争，总有一条链先完成工作量证明；

如上，两个节点#2345A和#2345B同时完成了工作量证明。 两条链的长度相同。 此时#2345A和#2345B这两个节点同时向网络中的其他节点广播。 在这条链上继续打包，收到#2345B的节点在#2345B链上打包，网络传输速度不一样比特币解决了什么问题，所以最终#2345A和#2345B两条链之间，总会有超越的另一条链，例如#2346B，则该链有效；

8.总结

1. 比特币是一个没有第三方参与的点对点区域中心通信系统；

2. 账号验证有问题？ 因此引入Hash函数来验证账本的有效性； 每次只需要比较上一次的fast Hash值是否正确即可。 如果最后一个区块的哈希值是正确的，那么整个链的账本都是正确的；

3.所有权问题？ 如何判断账户中的比特数属于谁？

Signature：Hash（交易信息）-->摘要信息，sign（摘要信息+私钥）-->签名信息

验证：verify(地址+签名信息)-->判断是否等于Hash(交易信息)

4、为什么要记账？记账是消耗资源的，可以得到系统的奖励

5、工作量证明：引入随机数，增加记账难度，匹配符合比特币条件的Hash值；

Hash（前一个Hash值，交易记录集，随机数）== 18个0开头的Hash值

6、共识机制：每个节点的工作量只有被其他节点认可才有效，每个节点只认可累计工作量最长的链；