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区块链学习体系

2023-04-12 13:59:45   2  举报

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AI智能生成

区块链学习体系，包含基本区块链架构，功能，问题等

区块链

区块链架构

区块俩功能

技术架构

作者其他创作

大纲/内容

区块链得历史

密码朋克

亚当·贝克：哈希算法（hashcash）

工作量证明抵抗ddos攻击

1998年戴伟 B-money协议

协议一：转账需要向全网广播，并使用私钥签名

缺点：没有考虑双重花费问题

协议二：引入服务器节点

只有服务器才能记账，普通用户不能记账。随后，服务
器节点再用网络链接起来。用户发生转账后，使用随机节点验证
是否出现了双重花费的问题

1998~2005 尼克·萨博智能合约技术 - 推动以太坊诞生

数位黄金

1、引入工作量证明

2、时间戳排序

3、通过拜占庭方式防止双重花费

比特币的诞生

2004 哈尔·芬尼 RpoW 可复用工作量证明

通过计算进行获取token

2008/10/31中本聪

论文《比特币：一种点对点的电子现金系统》

比特币创世块财政大臣正处于第二次救助银行的边缘

比特币技术特点

点对点网络

时间戳

加密技术

工作量证明（POW）

比特币的相关概念

币

总量2100万

每个区块的出块奖励是12.5BTC，每四年减半一次

2018年1月13日标志着比特币生态系统一个重要的里程碑，因为已经挖出的比特币总数达到了1680万，这个里程碑确实具有重要意义，因为它已转化为迄今为止挖出的比特币总量的80%。

挖矿

what

计算哈希的过程叫挖矿

why

获取奖励

出块奖励

手续费

how

创建区块

区块中包含的交易都是合法的

区块哈希要小于等于一个目标值

hash（block header + 随机数）<=target

挖矿难度

出块时间=10分钟

挖出区块的速度≈10分钟

挖出区块的速度=算力/挖矿难度

挖矿难度=difficulty_1_target / target

账户比特币中没有账户的概念，只有账本，相当于只有来源、目标、金额，没有钱包总余额，总余额需要自己进行计算

交易

UTXO -- Unspent Transaction Output

input 输入交易的来源地址

output 交易的目标地址

TX 代表交易

U 指的是 Unspent，也就是未消费

Coinbase 交易

是什么

简单来说 coinbase 就是系统生成的币。“Coinbase 交易”也叫做 “Generation 交易”，也就是“生成交易”，这是因为其他的普通交易中，都是去转账已有的比特币，而这个交易是专门从无到有的去生成新的比特币的。精确一点说，coinbase 就是“生成交易”中的 input 。

包含的数据

input--coinbase

output 指向矿工地址

最多100字节的数据。可以存储任意数据。中本聪在这一块儿写下了 The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks （泰晤士报03/Jan/2009财政大臣濒临对银行的第二次救助）这句话

奖励

出块奖励

手续费

双花问题

what

同样一笔数字资产被重复支付，即同样一笔钱被花掉两次或多次

why

为什么有双花问题？

记账前双花

记账后的双花

how

怎么解决双花问题

时间戳、utxo、共识机制等进行解决

1、首先每笔交易都要先确认对应比特币之前的情况，要检查它是否存在于用户的UTXO中。如果不在那么该交易会被系统拒绝

2、果用户用同一笔UTXO付给两个人，系统中的节点只确认先接收到的那一笔。

3、当两笔时间上很接近的交易被不同节点确认，区块链将发生分叉。剩余节点选择在他们认为的最长链上构建新的区块。

4、当其中一笔交易被6个节点确认后，它将成为系统最长链，可以认为这笔交易获得了最终的确认。

在算力大的情况下，比特币不能解决双花问题

公有链的浪潮

比特币诞生后

区块链技术

点对点网络

时间戳

加密技术

工作量证明

区块链应用场景

1、资产相关应用

数字银行等

2、记账相关应用

股权交易等

3、基于区块链交易不可篡改的特点相关的应用

溯源、众筹、医疗证明等

4、基于区块链点对点特点相关的应用

共享经济、物联网等

5、基于区块链隐私匿名的特点相关的应用

保密交易等

POS诞生-点点币

提出人：sunny king 和 scott nadal

点对点使用权益证明的加密货币

重要概念：权益证明（Proof of stake），通过持币用户给网络提供安全性。不需要通过耗电量进行

DPOS诞生

股份制权益证明

以太坊诞生

去中心化应用平台

智能合约

1995 尼克·萨博

以信息化方式传播、验证或执行合同的计算机协议
允许在任何一个没有第三方的情况下，进行可信任、可追踪、不可逆转的交易

Dapp

去中心化应用

用区块链当服务器、数据库

以智能合约为逻辑

区块链的概念和原理

区块

区块头 80字节区块头会生成32位hash

版本（4字节）

preHash （上一个区块的hash 32字节）

merkle根（32字节）

时间戳（4字节）

难度目标（4字节）

随机数（4字节）

区块体

numTransactionsBytes 交易数量占用的字节数

numTransactions 区块内存储的交易数量

transactions 区块内存的多个交易数据

区块链

概念：每一个区块可以包含一笔以上的交易，每个区块都会与另一个区块产生连接【Linking】，每个区块都会包含上个区块的hash值，所有被连接在一起的区块被称为链【Chain】。

存证

哈希上链--间接存证技术

源数据做摘要，将哈希值写入了区块链

优点：占用空间小

缺点：源数据和链分开存储，容易丢失

应用：视频存储，将视频进行哈希计算，将哈希值进行上链。

直接上连--直接存证

将重要信息直接进行上链

去中心化

去中心化意味着资料会分布到多个节点，所有的节点会共同维护整个分布式数据库，没人可以说自己的区块才是合法有效的区块，多数人验证后的区块才是合法有效的区块，超过50%的节点验证过的区块才是合法有效的区块，每个节点必须存储所有区块，每一个节点都可以协助验证区块的有效性。

分类

公有链

是一个完全开放的分布式系统。公有链中的节点可以很自由的加入或者退出，不需要严格的验证和审核，比如比特币、以太坊、EOS等。共识机制在公有链中不仅需要考虑网络中存在故障节点，还需要考虑作恶节点，并确保最终一致性。

联盟链

是一个相对开放的分布式系统。对于联盟链，每个新加入的节点都是需要验证和审核的，比如Fabric、BCOS等。联盟链一般应用于企业之间，对安全和数据的一致性要求较高，所以共识机制在联盟链中不仅需要考虑网络中存在故障节点，还需要考虑作恶节点，同时除过确保最终一致性外，还需要确保强一致性。

私有链

是一个封闭的分布式系统。由于私有链是一个内部系统，所以不需要考虑新节点的加入和退出，也不需要考虑作恶节点。私有链的共识算法还是传统分布式系统里的共识算法，比如zookeeper的zab协议，就是类paxos算法的一种。只考虑因为系统或者网络原因导致的故障节点，数据一致性要求根据系统的要求而定。

共识机制

what：所谓“共识机制”，是通过特殊节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认；对一笔交易，如果利益不相干的若干个节点能够达成共识，我们就可以认为全网对此也能够达成共识。

why：实现不同账本节点上的账本数据的一致性和正确性。

目标：使所有的诚实节点保存一致的区块链视图，同时满足两个性质：
1）一致性。所有诚实节点保存的区块链的前缀部分完全相同。
2）有效性。由某诚实节点发布的信息终将被其他所有诚实节点记录在自己的区块链中。

how

评价一个共识机制的优劣

安全性:能否有效防止二次支付，私自挖矿

扩展性:当系统成员和待确认交易数量增加时，所带来的系统负载和网络通信量的变化，通常以网络吞吐量来衡量

性能效率:每秒可以处理的交易数量

资源消耗:达成共识过程中，所要消耗的CPU、内存等计算资源

共识机制有哪些

BFT （Byzantine Fault Tolerance）算法

PBFT （Practical Byzantine Fault Tolerance）实用拜占庭容错算法

POW（工作量证明机制）

https://blog.csdn.net/qq_38491875/article/details/109029306

POS（权益证明机制）

https://blog.csdn.net/qq_38491875/article/details/109045776

POW+POS（混合共识机制）

DPOS（股份授权证明）

CFT算法

PAXONS算法

RAFT算法

Pool验证池

Ripple瑞波共识协议

涉及的技术

数字签名与数字证书

公钥加密，私钥解密

私钥加签，公钥验签

性质

签名是不可伪造的

签名是可信的

签名是不可复制的

签名消息是不可篡改的

分布式自治组织（DAO）

概念

作用

1、分布式组织可以尽最大可能地去除审查程序，实现资源利用的最大化

2、分布式组织可以避免员工信息被边缘化，让公司实现更好地创新发展

3、分布式组织能够提高办事效率，让结果更加可信。

技术架构

应用层

智能合约

资产管理

交易记录

治理方式

共识算法

物理网络

p2p网络

基础设施

tcp/ip

预言机BlockChain Oracle

what

18 年 11 月 6 日，中国人民银行发布的《区块链能做什么？不能做什么？》
区块链外信息写入区块链内的机制，一般被称为预言机 (oracle mechanism)

来源

Oracle 最初是来源于古希腊宗教，意为“神谕、先知、预言”

预言机（英语：oracle machine），又称谕示机

区块链为什么需要预言机

一般智能合约的执行需要触发条件，当智能合约的触发条件是外部信息时（链外），就必须需要预言机来提供数据服务，通过预言机将现实世界的数据输入到区块链上，因为智能合约不支持对外请求

也就是说智能合约不能进行 I/O（Input/Output，即输入/输出），所以它是无法主动获取外部数据的，只能通过预言机将数据给到智能合约。

预言机的应用

假设通过某个 DApp 购物平台购买某件物品快递过来的时候，真实世界中的快递寄送或到达信息，就可以通过 Oracle 把数据传递到链上，然后触发链上的智能合约，然后用自己的私钥确认收到了快递，并完成付款。

解决方案

Oraclize为以太坊提供中心化预言机服务

ChainLink：以太坊上第一个去中心化预言机解决方案

欧链 OracleChain：EOS 上的第一个去中心化预言机解决方案

DOS Network：支持多条主流公链的去中心化预言机服务网络

链分叉

什么是分叉？

普遍地来讲，在大众认知内的分叉往往指的是在原有区块链基础上，按照不同游戏规则分裂出另外一条区块链，相应的一个币变成两个币

分叉形成的原因

纯粹的意外

意见上的不合

技术上的分叉

DIKW模型

是什么 -- 计算机学习模型

W：wisdom，智慧

K：knowledge，知识

I：information，信息

D：data，数据

举例：

A城市本周下雨三天，多云四天；B城市本周七天都是晴天。A城市本周平均温度是18℃；B城市本周平均温度是25℃。

B城市和A城市相比晴天的天数更多；B城市比A城市的平均温度要高7℃。

天气和温度可能存在某种关联。

如果今天早上下雨，那么今天的温度可能就会更低，可能需要多带一件衣服出门。

应用

基于DIKWP模型的区块链共识方法

安全多方计算Secure Multi-party Computation, MPC

what

属于隐私计算技术，是一个协议

姚氏百万富翁

安全多方计算是指在无可信第三方的情况下，多个参与方协同计算一个约定的函数，并且保证每一方仅获取自己的计算结果，无法通过计算过程中的交互数据推测出其他任意一方的输入和输出数据

数学模型：f( x1 , x2 , x3 , ... xn ) = f ( y1 , y2 , y3 , ... yn )

安全多方计算不是指某一单独协议, 而是一些关键技术的集合，常采用技术有

基于安全多方计算的技术

零知识证明(Zero-Knowledge Proof)

1984年《交互式证明系统中知识的复杂性》发表时间 1989年

定义：在不执行甚至不知道执行的具体内容时验证计算结果是否正确

举例：如何向色盲证明两个球是不一样的颜色

基于概率验证的方式，验证者基于一定随机性向证明者证提出问题。如果证明者都能给出正确答案，则说明证明者大概率拥有他所声称的“知识”

证明者能够在不像验证者提供任何有用的信息的情况下，使验证者相信某个论证是正确的。

三个重要性质

完备性

可靠性

零知识性

两个关键词

不泄露信息

证明论点有效

为什么认为区块链是可信的？因为基于逻辑、计算、数据

零知识证明在区块链中的应用

门限签名（Threshold Signature Scheme ，TSS）

定义

是一种加密数字签名协议，在一组签名者中间，一部分签名者可以代替整个组对消息进行签名。这能极大的提升数字签名系统的安全性和隐私性。

签名流程

1、定义n（所有签名者数量）和t（门限值），至少t+1个签名者参加签名

2、参与人员一同生成一份公私钥，每个参与人获得一份相同的公钥（PK）和属于自己的一部分私钥（sk1）,（sk2）...

3、对于一条公共的待签名的消息，每个签名者把自己的签名结果发送给一个中间管理者，把所有签名汇集起来得到真正的签名
sig(msg) = sig(sk1,msg) 1+ sig(sk2,msg)2 +sig(sk3,msg)3... ）

4、验证阶段：使用公钥对签名进行验证，因为公钥是公开的，所以验证阶段不必进行多方计算

优点

高容错性：门限签名不会产生单点故障，各个签名者拥有一部分私钥，需要多个签名者一起做恶才会成功。

灵活性：在不更改公私钥的前提下，可以增加或者减少签名者，能够更好的对各部分私钥进行管理。

共享和分享：各部分私钥由不同人保管，任何时候各部分私钥不会聚合在一起，有效的分散了风险。

高效率：当各个签名者对消息完成了签名，多方计算就已经结束了。网络上各个节点能够对消息进行验证，因为公钥是公开的。而且各个签名节点不会暴露出来，也提高了安全性。门限签名支持RSA, ECDSA, EdDSA 和 Schnorr等加密算法。

应用

目前门限签名主要应用在钱包上。传统钱包主要使用助记词来生成私钥，并对交易进行签名。对于门限签名的钱包，每个参与者的钱包都有自己独立的助记词。门限签名并不会增加任何成本，最终也只会进行一次签名和签名验证，和传统钱包和多签钱包是一样的。

同态加密（Homomorphic Encryption，HE）

定义

第一个构造出全同态加密（Fully Homomorphic Encryption）的Craig Gentry给出的直观定义是：
一种不需要访问数据本身就可以加工数据的方法

加密过程举例（以云计算应用场景为例）

1、Alice对数据进行加密。并把加密后的数据发送给Cloud；

2、Alice向Cloud提交数据的处理方法，这里用函数f来表示；

3、Cloud在函数f下对数据进行处理，并且将处理后的结果发送给Alice；

4、Alice对数据进行解密，得到结果。

优点

对所有数据进行加密处理，参与方们接收到的是密文，无法推理出原始数据信息，保障了数据层面的安全

缺点

计算效率低

应用

在实际应用中，为了提高计算效率，参与方们一般采用半同态加密，半同态加密可以在密文上做加法和乘法运算

混合网络（MN，Mix-Network）

秘密共享

比特承诺

不经意传输（oblivioustransfer）

联邦学习（Federated Learning）

定义

联邦学习本质上是一种分布式机器学习框架，其做到了在保障数据隐私安全及合法合规的基础上，实现数据共享，共同建模。它的核心思想是在多个数据源共同参与模型训练时，不需要进行原始数据流转的前提下，仅通过交互模型中间参数进行模型联合训练，原始数据可以不出本地。这种方式实现数据隐私保护和数据共享分析的平衡，即“数据可用不可见”的数据应用模式。

区块链扩容

隔离见证：链上扩容

延展性攻击

what

隔离见证英文全名为Segregated Witness简写为Segwit。它是区块链扩容的一种方法。

why

目前交易量大，且每个块儿小（1MB）。按照每笔交易250B，平均每10分钟产生一个区块。导致交易量无法提升。每秒最多可处理7笔交易。

how

新增witness，提取各个scriptSig

优缺点

优点

提高了交易确认的性能，因为单位时间内区块打包交易数增加了。

解决了延展性攻击(Malleability Attack)问题，因为隔离(剥离)了见证数据之后的交易被创建是无法变更的。

减少了个人转账手续费(Fee)，由于隔离见证后，每笔交易剥离了见证数据，所以单笔交易的容量减少，手续费公式：Fee = 单笔交易容量 x 单位容量手续费定价。

使用的软分叉技术，区块间具有更好的兼容性。

减少了算法的计算复杂性，签名验证优化，在隔离见证之前，生成签名需要大量的hash操作，隔离见证升级签名函数，那么就减少了算法的计算复杂性。

缺点

提高了对存储空间的要求，传播效率降低，可能会导致全网孤块率和空块率大幅上升。

对见证数据交易费用打1/4的折扣，但实际上见证数据更加难验证（验证签名消耗更多CPU时间）。

增加了技术负债，以软分叉形式实现的Segwit，带来了全新的交易格式和区块使区块的形式更加复杂，这种负面影响只能通过未来的升级消除，所以就是个负债。

IPFS

what

InterPlanetary File System 点对点的分布式文件系统

是一个网络协议

优点

永久的、去中心化保存和共享文件

点对点超媒体：P2P 保存各种各样类型的数据

版本化：可追溯文件修改历史

内容可寻址：通过文件内容生成独立哈希值来标识文件，而不是通过文件保存位置来标识。相同内容的文件在系统中只会存在一份，节约存储空间

对标HTTP

http

过于中心化

站点数据不能长期保存

没有版本管理

文件基于位置寻址

IPFS

分布式存储

文件可以被切分成小的分块，分散到不同节点上存储，需要的时候分别从不同节点获取

有数据不可篡改和时间戳的特性

基于内容寻址

所有存储的文件都计算一个哈希值。获取文件时，根据哈希值直接去哈希表中查找文件在哪儿，直接下载

区块链项目越来越多的采取IPFS作为存储解决方案
IPFS 技术通过哈希加密为海量数据生成不可篡改的永久 IPFS 地址，并将地址信息储存在区块链上。这样相当于将原始数据简化成 IPFS 地址后再上链，在不牺牲去中心化和安全性的前提下扩充单个节点信息储存容量，从而提升整体网络的可扩展性,为解决区块链中的“不可能三角”问题提供可行方案。

闪电网络：链下扩容

为什么有闪电网络？

太慢了

有点贵

what

由Joseph Poon和Thaddeus Dryja在2015年提出。该项目的主要想法是设计一种链下支付协议，用于解决比特币面临的可扩展性问题。

闪电网络如何工作？

BTC

节点数

过程

1、和交易方付费建立起连接通道，同时预存比特币到支付通道中（多重签名钱包）

2、在建好的通道中进行转帐，此时转账会立即到账

3、关闭通道或保留通道

4、再次交易时，可以创建新通道或使用上次保留通道，将保留的通道加入中转节点。因为开启新通道的费用高于使用中转节点费用，所以一般都是保留通道

5、需要提现时，关闭通道。账户结束按数据在比特币网络上发布。交易上链。

保证链下安全

闪电网络之所以“闪电”，是将大部分交易放到链下来实现。链下交易的安全则智能合约、加密算法、数字签名等等技术来进行保证

优点

减少比特币网络流量

降低转账成本

通过使用双向支付通道，闪电网络可以实现近乎实时交易

可适用于小额支付

局限性

接收方不在线上则无法进行闪电网络支付

网络参与者可能需要定期监控支付通道，保证资金安全

不适用于大额付款，由于网络以来许多的多重签名钱包，因此可能没有足够的余额来充当大额支付的中间人

创建和关闭支付通道需要审计链上交易，通常需要手动操作和更高的交易费用

目前发展趋势

截至 2021年11月14日，比特币全网已经拥有了7408个闪电网络节点，4万多个channel，闪电网络总容量也达到了1000BTC，折合4百万美元，并且这些数字还在保持高速增长。

分片：最有可能实现的区块链扩容

核心思想

区块链分片的核心思想是分而治之，将公链网络中的所有节点划分为不同分组，每个分组称为一个分片。原本公链中所有节点所做的任务都是相同的，现在将任务分配到不同分片，每个分片处理不同的任务，分片之间并行处理，以此提升公链性能。

为什么需要扩容？需要解决区块链的不可能三角

区块链存在一个不可能三角--即无法同时满足可扩展性、去中心化、安全性。这三个。只能同时选择其中两个。比特币就选择了去中心化和安全性。因此需要扩容

扩容方式

链上扩容

增加区块容量

描述：增加区块容量提升公链性能

不足：会导致空块率和分叉率

隔离见证

描述：将非必要的签名信息移除区块，使区块容量降低

不足：性能只能提升一倍，提升幅度有限

DAG技术

描述：有向无环图，将原始的链结构改为网状结构，大幅提升并发性能

不足：安全性和一致性上未得到验证

更改共识机制

不足：现阶段没有完美解决三元悖论的共识算法

分片技术

描述：将全网工作量分配到各个分片中进行并行处理，提升公链性能

不足：开发难度大

链下扩容（所有的链下扩容暂时没有在安全上有充分的保证，不适合处理关键交易）

状态通道

侧链

侧链协议本质上是一种跨区块链解决方案。通过这种解决方案，可以实现数字资产从第一个区块链到第二个区块链的转移，又可以在稍后的时间点从第二个区块链安全返回到第一个区块链。其中第一个区块链通常被称为主区块链或者主链，每二个区块链则被称为侧链。最初，主链通常指的是比特币区块链，而现在主链可以是任何区块链。侧链协议被设想为一种允许数字资产在主链与侧链之间进行转移的方式，这种技术为开发区块链技术的新型应用和实验打开了一扇大门。

技术支持：双向锚定（Two-way Peg）技术。双向锚定实现的最大难点是协议改造需兼容现有主链，也就是不能对现有主链的工作造成影响

单一托管模式

联盟模式

SPV模式

驱动链模式

混合模式

跨链

链下计算

分片类型

网络分片

在网络层将全网节点划分到不同的分片中，网络分片是交易分片和状态分片的基础。

交易分片

将全网交易划分到不同的分片中验证和打包，全网多个分片可以同时打包和验证不同的交易，并行处理，从而提升全网的整体性能。

状态分片

将完整的账本信息分别存储到各个分片当中，各个节点不再存储完整的区块链状态信息，每个分片内各自维护部分的账本信息。

区块链攻击

女巫攻击

51%攻击

跨链技术

公证人机制（中心化，依赖第三方）

区块链A和B本身是不能直接进行互操作的，那么他们可以引入一个共同信任的第三方作为中介，由这个共同信任的中介进行跨链消息的验证和转发。很多时候，这个公证人/中介就是交易所。其优点在于支持异构的区块链跨链，缺点在于有中心化风险，只能实现交换不能实现转移。

哈希锁定（ HTLC 去中心化但限制较多）

Alice随机构建一个字符串s，并计算出其哈希h；
Alice将h发送给Bob；
Alice通过合约锁定自己的1个BTC资产，设置一个较长的锁定时间T1, 再设置了获取该BTC的条件：Bob提供h的原始值s;
Bob锁定50ETH到自己的合约，设置一个相对较短的锁定时间T2(T2 < T1)。再设置50ETH的获取条件：Alice提供h的原始值s；
Alice将字符串s发送到Bob的合约获得50个ETH;
Bob观察到步骤5中Alice的s值，将其发送给Alice的合约成功获取1个BTC; 至此完成资产的交换。
如果超时，则锁定的资产返回原主。
从上述的过程可以看出哈希时间锁定合约有一些约束条件：

双方必须能够解析双方的合约内部数据，例如s，例如锁定资产的证明等；
哈希锁定的超时时间设置时需要保证存在时间差，这样在单方面作弊时另一方可以及时撤回自己的资产。

侧链技术

侧链是相对于主链而言的，最初的侧链提出是针对比特币做新特性的测试和研发。侧链相对主链而言能够验证和解析主链中的区块数据和账本数据。侧链实现的基础技术是双向锚定（Two-way Peg），通过双向锚定技术可以将数字资产在主链上进行锁定，同时将等价的资产在侧链中释放。相反当侧链中相关资产进行锁定时，主链上锚定的等价资产也可以被释放。

中继链技术

Cosmos

实现跨链得数字资产交易

Polkadot

实现通用得跨链通信

核心技术视频

开源的区块链框架

go-ethereum

以太坊协议官方go实现

Hyperledger Fabric

由Linux基金会发起创建的开源区块链分布式账本，是一个提供分布式账本解决方案的平台，适用于不同的场合，采用模块化架构提供可切换和可扩展组件，包括共识算法、加密安全、数字资产、智能合约和身份鉴权等服务。

EOSIO