小白学习区块链

区块链

区块链出现的原因

当前绝大多数交易：

银行在里面发挥的作用：记账，查询，有公信力的机构，对交易成功的认定。

公共账本：

基于网络，每个用户连接到网络，用于监听所有节点，有交易往上各自账本记账，所有节点的账本记录的是一样的。

工作原理：

1） 发送节点将新的数据记录向全网进行广播；

2） 接收节点对收到的数据记录信息进行校验，包括记录是否合法，校验通过后，记录被纳入到一个区块中；

3） 全网所有接收节点对区块执行共识算法（工作量证明、权益证明等）；

4） 区块通过共识算法过程后被正式纳入区块链中存储，全网节点均表示接受该区块，而表示接受的方法，就是将区块的随机散列值视为最新的区块散列值，新区块的制造将以该区块链为基础进行延长。

区块链定义

区块链(Blockchain)，本质上是一种去中心化的数据库，同时作为比特币的底层技术，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块组成的，每一个区块都包含了上一个区块的哈希值（hash），从创始区块（genesis block）开始连接到当前区块，形成块链。每一个区块都确保按照时间顺序在上一个区块之后产生，否则前一个区块的哈希值是未知的。 这些特征使得比特币的双花（double-spending）非常困难。区块链是比特币的核心创新。

狭隘定义：区块链是一个公共账本（Public ledger），一个按照时间顺序排序的交易记录

广义定义：区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。所谓共识机制是区块链系统中实现不同节点之间建立信任、获取权益的数学算法．

特性

• 去中心化（不依赖中央处理节点的处理）
• 透明性（数据记录是全网都可以看到的）
• 开放性（除一些必要的私有信息外，其他的数据都是所有人公开）
• 自治性（拥有自己的一套规范协议，任何人都不能干预）
• 信息不可篡改：准确地说，是难以篡改（默克尔树）
• 匿名性（交易双方无需公开身份，可以基于地址来交易）

区块链分类

• 公有链（如区块链，以太坊）

数剧公开，安全，透明，不可篡改，要注意因安全性带来的交易成本，系统可扩展性问题

• 共同体区块链（如fabric）

由特定企业指定的区块链节点参与方，部分的分布式，部分去中心化，可以自己设置节点规则，好处就是节点连接状态好，验证效率高，低成本，有一定的可扩展性，但是数据可篡改。

• 私有链

规模更小，几乎完全有用户决定，没有不可篡改的特性，完全私有链写入权限仅在参与者手中。

区块链有什么用

1、可以作为数字货币（比特币）

2、金融资产交易结算（交易透明，不可篡改，可溯源）

3、数字政务，可以让数据跑起来（通过智能合约可以自动处理并流转，区块链发票，还可以通过不可篡改和透明性，可溯源，扶贫金的透明使用，精准投放）

4、存证防伪（公开，透明，不可篡改，以时间戳为顺序，在知识产权领域存证）

5、数据服务（可以在保护用户隐私的前提下实现多方协作，有望解决数据垄断，数据孤岛的问题）

加密货币与密码学

1. 密码学哈希函数

   主要是介绍密码学中哈希对数据加密的安全性验证，并得出结论。要使哈希函数达到密码安全，必须具备以下三个特性。

   碰撞阻力

   如果无法找到两个值，x和y，x不等于y,而H(x)=H(y),则称哈希函数H具有碰撞阻力。

   隐秘性

   是指我们仅仅知道哈希函数的输出y = H(x)， 但却无法通过y倒推出x的值。

   谜题友好

   这一特性是指，如果一个哈希函数y = H(x)具备谜题友好性，这就意味着没有一个解决策略比只是随机地尝试x取值来求得给定y更好（矿工挖矿时的效率）

2. 哈希指针及数据结构

   哈希指针：

   不仅可以指出数据存储的位置，还可以验证数据没有被篡改过。例如区块数据中的区块hash，上一块区块hash，若是其中一个被篡改了，就无法找到上一个区块，就能够被发现

   默克尔树：

   一个类似简单理解类似二叉树的结构的树，可以将区块数据两两分组，计算其哈希值得到数据，要是途中一个被修改，merkle根以及对应的关联节点的hash值会变，这也是防止篡改的一个验证方法。快速找到篡改的点。

3. 数字签名

   公私钥体系及Hash函数实现：

   交易验证

   私钥与验证信息一般是交易信息，生成签名，公钥对应公钥进行解密

信息的加密

使用公钥作为身份加密，只有拥有私钥的人才能进行解密，查看对应信息

比特币结构

• 区块头

  区块头由三组区块元数据组成。首先是一组引用父区块哈希值的数据，这组元数据用于将该区块与区块链中前一区块相连接。第二组元数据，即难度、时间戳和nonce，与挖矿竞争相关 。第三组元数据是merkle树根[4]（一种用来有效地总结区块中所有交易的数据结构）。

  大小	字段	描述
  4字节	版本	版本号，用于跟踪软件/协议的更新
  32字节	父区块哈希值	引用区块链中父区块的哈希值
  32字节	Merkle根	该区块中交易的merkle树根的哈希值
  4字节	时间戳	该区块产生的近似时间（精确到秒的Unix时间戳）
  4字节	难度目标	该区块工作量证明算法的难度目标
  4字节	Nonce	用于工作量证明算法的计数器

• 区块体

  主要包含的是交易的数据。交易的数量，input,output

  比特币定义一开始大小为1MB。

比特币工作流程：

1. 新的交易向全网所有节点广播；
2. 每个节点（主要是矿池节点）将收集到的新交易打包到一个区块；
3. 每个节点（主要是各矿工）为此区块寻找能满足难度的POW工作量证明；
4. 当某个矿工找到满足难度POW，矿工区块头数据交给矿池由其打包好区块广播给所有节点；
5. 在验证区块中所有交易都是有效的且无双花冲突后，众节点才会接受这个区块为新区块；
6. 各节点尤其矿池节点为表达已接受这新区块，会将此新区块的哈希作为前一区块哈希加入到其尝试打包的下个区块的区块头中。

奖励机制

1、区块奖励：旷工通过挖矿获得奖励。

2、交易费：任何交易制造者可以让自己输出比输入小，少的那部分作为将交易放入区块的交易费（在比特币被挖完后，比特币系统的主要工作动力）

常见问题

• 什么是区块链最长链?最长链共识

比特币白皮书规定，节点永远认为最长链是正确的区块链，并将持续在它上面延长。分叉链会被抛弃，但是交易数据会根据是否合法，若合法，则会进入新的区块中，或者进入交易等待池，不合法的交易则会被抛弃掉。

• 51%攻击

所谓51%的攻击，就是利用比特币网络采用PoW竞争记账权和“最长链共识”的特点，使用算力优势生成一条更长的链“回滚”已经发生的“交易行为”。

就是掌握51%的算力，矿工挖矿时，如果掌握了51%的算力，意味着他可以掌握最长链的控制权，可以修改之前的所有交易等等。但是他这样做意味着他要放弃之前已经正确区块的奖励，而且这样做的价值不大，因为这样造成比特币不安全，也就会使得整个比特币下跌，造成就算修改了最长链，也获得不到最大的利益。

• 双重支付攻击

比如Alice–>bob交易,花了5Btc,此时Alice还用这一笔比特币跟自己控制的另外一个账号交易5btc，这样可能出现最长链出现分叉。

解决方法，就是bob要在收到6个确认后才认为支付有效，才给ALice发货，否则bob自己认定交易的失败。这样就算这笔交易被写进最长连，bob也不会有损失。

共识机制：

所谓共识，简单理解就是指大家都达成一致的意思。其实在现实生活中，有很多需要达成共识的场景，比如开会讨论，双方或多方签订一份合作协议等。而在区块链系统中，每个节点必须要做的事情就是让自己的账本跟其他节点的账本保持一致

举例说明：

用简单的话来说就是：因为区块链的每个节点是一样的，没有所谓的老大，这个时候要想所有节点跟着某个节点一起记录，需要一定的大家默认的机制推选出这个老大。

主要有：

• 工作量证明

PoW（Proof of Work，工作量证明）—主要代表：比特币所谓的比特币挖矿就是通过计算符合某一个比特币区块头的哈希散列值争夺记账权。这个过程需要通过大量的计算实现，简单理解就是你进行的计算量大（工作量大），你就有大概率获得记账权。缺点：耗能；

挖矿的重要功能：

1. 发行新的货币
2. 维系系统的支付功能
3. 通过算力保障系统安全

• 权益证明

PoS（Proof of Stake，权益证明）

就是通过持有币的数量以及持有币的天数，形成币天，币天大小就是交易的者被选为验证者的几率，从而可以创建下一个区块。若被选上验证着，在完成验证后，后有一定的奖励，若是验证者有欺诈嫌则会惩罚失去一部分权益，在保证失去权益大于交易利息的前提下就可以保证验证者能诚实的完成交易验证。

—主要代表：点点币简单理解就是根据资产的多寡分配获取记账权的概率，类似股份公司中的股东。

相比工作量证明更加的去中心化，因为工作量证明的话，富人获取到记账的概率不变，但是他可以购买更多机器设备来提升自己的算力，就是可能出现矿池，如果掌握较大的算力，对于整个系统来说是不安全的。

优点：不需要浪费算力，进行51%攻击·的代价更高

劣势：权益粉碎攻击：钱越多越不会攻击，钱越少，越会想去攻击，因为本身币不多，不怕损失，这可能带来给币带来价值降低。

• 股份授权证明

它的原理是让每一个持有比特股的人进行投票，由此产生101位代表 , 我们可以将其理解为101个超级节点或者矿池，而这101个超级节点彼此的权利是完全相等的，帮我们进行验证与记账，系统会生成少量代币作为奖励。就如同我们人大代表制度，如果代表不履行她们应尽的职责，就会被除名，dpos中，代表的职责就是记账，若是记错账或者多次不记账，就会选出新的节点代替他们。

瑞波共识协议等等

SPV

SPV与轻钱包的区别

轻钱包的作用是查看与管理自身的资产信息，它只保存区块上与自己的相关的交易信息，但还是得下载每个新区块的所有信息再进行解析找到与自己相关的数据。只是无需全部保存到本地。

而SPV只需要保存区块头信息就可以进行支付的验证技术，省去下载所有区块的数据，区块头的大小比较小，可以减少下载存储的压力。（交易验证和支付验证的区别，交易验证过程比较复杂，包括账户余额验证，双重支付判断等，需要由保存完整的区块信息的验证节点完成）

SPV 流程

0. 从网络上获取并保存最长链的所有block header至本地；
1. 计算该交易的hash值tx_hash；
2. 定位到包含该tx_hash所在的区块，验证block header是否包含在已知的最长链中；
3. 从区块中获取构建merkle tree所需的hash值；
4. 根据这些hash值计算merkle_root_hash；
5. 若计算结果与block header中的merkle_root_hash相等，则交易真实存在。
6. 根据该block header所处的位置，确定该交易已经得到多少个确认。

SPV的功能扩展

以太坊对SPV功能进行的拓展，每个区块头并非只包含一棵交易树，而是包含三棵默克尔树，它们的功能和定义如下

默克尔交易树：保存交易信息，用于验证交易支付是否真实存在包含于区块链中

默克尔收据树：保存某个地址的历史事件的实例，合约是否执行等等

默克尔状态树：保存了账户名称，账户余额信息等等。

以上可以不仅实现对支付的快速验证，还可以快速判断交易是否完成，查询账户的余额，名称等。实现了SPV的良好扩展。

SPV面临问题

1. SPV与区块链的去中心化有一定矛盾，而且SPV不能独立构成区块链
2. 交易的可锻性攻击，SPV根据交易ID(也就是Hash)查找对应区块进而根据默克尔树进行支付验证，但是，在交易过程中，生成交易ID可能被篡改，但是因为椭圆曲线数字签名的算法问题，及修改签名的某个字节导致签名不同也可以验证成功，这样的话，被修改后的交易ID被修改，然后通过SPV支付验证时就会显示找不到即为支付，在可锻性攻击中，正常交易ID,与篡改的交易Id都存在网络中，若是篡改的错误交易id先被处理，就会出现再次支付的“双花”问题。

侧链

侧链（sidechains）实质上不是特指某个区块链，而是指遵守侧链协议的所有区块链，该名词是相对与比特币主链来说的。侧链协议是指：可以让比特币安全地从比特币主链转移到其他区块链，又可以从其他区块链安全地返回比特币主链的一种协议。

那侧链到底是什么?我们为什么需要侧链?

1.侧链提供主链缺乏的功能。

比如比特币网络没有智能合约，就可以通过侧链来实现这一功能。闪电网络是比特币的侧链，是专为比特币提供服务的，类似于给比特币做“抵押贷款服务”，扩展比特币的业务范围和影响力。

2.主链的运行效率低，可以将主链部分功能转移到侧链来实施。

闪电网络的闪电币是跟比特币绑定的，用BTC转账，有很多问题产生，转账慢，时间长，手续费还贵。但你用闪电币就不一样了，它可以做到转账快还没有手续费，如果不需要了又可以换回比特币，而且还可以提供更多便捷服务。

闪电网络

起源：比特币发展，交易量越来越多，但是区块体积有1MB的大小限制，因此区块的空余空间越来越小。

清算系统：相信第三方记账，因为低的交易量权重不大，很难进入区块导致无法上链。

现金系统：根据交易量调整区块大小，会有短时间的交易堵塞

最终扩容为2MB

微支付通道：解决合并交易的问题

微支付通道：用于缩短支付的交易数量，使得高频，小额度交易成为可能，任何多次交易会缩减至两笔。

（减轻网络负担，减少手续费，因为i每一笔支付都需要手续费）

具体工作流程

场景前提：A与B进行交易，比如A向B购买东西。花100元买100G的数据文件。为保证双方权益，采用多次交易，

简单来说就是

1. A将一笔钱放到一个多重签名的地址（简单理解为一个账号），账号上的钱收款方需要指定的多个人的私钥。

2. A再次发起一个退款交易，目的是退回上述的钱，保证自己的钱能够退回。需要有收款方的签名，这还有一个锁定时间，在锁定时间未达成交易，钱会退回。

3. 进行交易，A可以多次建立交易，收款方按自己最大利益来决定收哪次的。

缺点：币在通道的流通是单向的。

闪电网络：解决微支付通道，交易无法双向的问题，本身闪网络是一个去中心化的系统，无须信任第三方即可实现实时的、海量的交易

主要通过RSMC解决交易中币的单向流动的问题，主要通过多重签名输出以及sequence的延迟进块形成窗口惩罚期。HTLC解决了币跨节点传递的问题。

闪电网络

比特币的交易网络最为人诟病的一点便是交易性能：全网每秒 7 笔的交易速度，远低于传统的金融交易系统；同时，等待 6 个块的可信确认导致约 1 个小时的最终确认时间。

比特币的区块链机制自身提供了很好的可信保障，但是很慢；对于大量的小额交易来说，不需要高的可信性？闪电网络通过智能合约来完善链下的交易渠道。

核心的概念主要有两个：RSMC（Recoverable Sequence Maturity Contract）和 HTLC（Hashed Timelock Contract）。前者解决了链下交易的确认问题，后者解决了支付通道的问题。

RSMC，通俗点讲，就是等到Sequence Number满足条件了，进行履约。

所以翻译成中文就是：可撤销的、基于Sequence成熟度的合约。

RSMC解决的问题
（1）双向支付，而不是单通道
（2）1方中途退出，另外1方要立即拿回钱，而不是等到nLockTime到期才能拿回钱。 同时，应该对主动退出方实行惩罚。
（3）保证交易双方，任何1方都不能抵赖、反悔。

RSMC交易过程详解

Step1: 同微支付通道1样，生成1个保证金交易(Funding Transaction）。不过和微支付通道的区别是，这里是双向支付。所以双方，各拿1笔钱出来，打入这个公共账户。如图：

Step2: 同微支付通道类似，为这笔钱生成退款交易（Refund Transaction）。双方可以各自拿回自己的0.5比特币。

备注：和微支付通道一样，实际过程是，双方完成了Step2之后，才会把Step1的交易广播出去。以防钱被死锁在公共账号里面！！！

一句话：如果Alice主动中断交易（把C1a + RD1a广播到了区块链上），Bob立马拿回自己的钱，Alice则要等到Sequence Maturity之后，才能拿回钱（Alice被轻微惩罚了）。反之亦然！！

Step3: Alice与Bob开始交易
假设Alice要付给Bob 0.1 比特币，那么公共账号里面的资金分配，就从0.5/0.5，变成了0.4/0.6。

过程如下：
Alice生成了C2a与RD2a，C1a与RD1a废除；
同样，Bob生成了C2b与RD2b, C1b和RD1b废除。

重点：
如何保证Alice不反悔（不让Alice把C1a与Rd1a广播到区块链上去？）同样，如何保证Bob不反悔（不让Bob把C1b与Rd1b广播到区块链上去？）

这需要引入惩罚机制！！
在Alice生成C2a/RD2a之前，他要把自己在C1a里面的私钥 Alice2发给Bob；同样，Bob把自己的C1b里面的私钥Bob2发给Alice。

这样，各自会生成一个惩罚交易：

如上图所示：Alice把秘钥Alice2给了Bob，Bob会为C1a生成1个惩罚交易BR1a，攥在自己手里，以防Alice反悔。

假设Alice反悔，也就是把C1a + RD1a广播出去了，Bob就把BR1a广播出去！！ BR1a由于没有Sequence，肯定会先于RD1a执行，所以结果是RD1a不会被执行，BR1a执行了。造成的结果是，Alice拿不回钱，Bob会把Alice的0.5 比特币全转账到自己账户里面，这就是对Alice的惩罚。

反之亦然，会为C1b生成BR1b。

一句话：BR1a是Bob攒在手里的Alice的把柄，BR1b是Alice攥在手里的Bob的把柄，任何1方都不敢把旧的交易广播出去。也就是一旦达成了C2a/RD2a + C2b/RD2b，1就废除了。

Step4: 同微支付通道一样，双方最终完成了交易，把Step3里面，最后1次更新，广播到网络上，各自得到自己的钱。最后1次的，sequence = 0，双方都立即拿到自己的钱。

总结

通过上面的过程分析，我们可以看出，RSMC设计的很巧妙：
（1）通过双方各自往同1个公共账号打钱，实现了双向支付。
（2）Alice拿回钱的时候，没有直接打回到她自己的账号里面。而是打到1个新的公共账号 Alice2 & Bob，然后再用一个有sequence number的 RD1a最终拿回钱。通过这点，实现了谁主动中断，谁延迟退钱。
（3）双方协商新1轮的时候，都把自己上1轮的私钥给对方，相当于把自己的把柄给了对方，这样双方都不敢反悔。
虽然Alice把私钥给了对方，但Alice不广播C1a，那对方的处罚交易BR1a也不会执行。
Alice广播了C1a，对方就基于广播的交易执行处罚交易BR1a；
Alice不广播C1a，对方也就没机会执行处罚交易BR1a。
反之亦然！

智能合约

定义：就是一段写在区块链上的代码，一旦某个事件触发合约中的条款，代码即自动执行。也就是说，满足条件就执行，不需要人为操控。

• 智能合约与传统合约的对比

1、手自动对比：智能合约自动判断触发条件，强制执行程序命令；然而传统合约需要人工自我去判断触发条件，然后线下沟通，执行力方面和准时性不如智能合约。另外智能合约适用范围很广，区块链网络可以链接全球，传统合约受限于局部。

2、成本对比：传统合约在设计之初成本要低于智能合约系统，长远上去看，智能合约的执行成本低于传统合约，计算机程序自动执行，判断运行成本低。

3、处罚方式：智能合约属于事前预定规则，自动执行，传统合约属于事后执行，在智能合约里，参与者抵押的是数字原子化资产，一旦违约，参与者资产会被没收；传统的合约，需要通过其他手段去惩罚违约者。

区块链的无法删除，修改，只能新增，保证了历史的可追溯，以及去中心化让智能合约有了可能。

区块链可以避免恶意行为对合约正常执行的干扰。

• 智能合约的运用

房屋租赁，差价合约，储蓄钱包，金融借贷，设立遗嘱等等。

HyperLedger

关于Hyperledger Fabric

Hyperledger Fabric是一个许可的基于商业的区块链构架(permissioned blockchain infrastructure)。主要解决商业性的区块链需求。

首先，所有节点都会有一个共享账本，它会把商业的合约、合同封装起来，放在账本里，根据条件自动触发信息，没有人为操作步骤，能保证公平公正性。

其次是，隐私性。联盟链有不同的角色不同的权限，不同的角色操作不同的数据，隐私性功能可以及时保护数据。

其三，是信任机制更好。各个节点之间，无需身份确认，即可建立信任关系。

Fabric，有几个关键术语。

Chaincode：是指链码，运行在区块链上的智能合约;Transaction：

交易，对智能合约中函数的调用，修改Iedger与state;WorldState:数据库中存储的K-V，即交易的实际操作数据;

Peer:维护账本的网络实体，分为背书节点和记账节点;Endorsement：

背书，节点对交易模拟执行结果签名;Commitment：

提交，节点对区块校验并写入账本。

交易流程图：文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-836711.html

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