区块链入门

2018-03-25 本文已影响188人 DavieKong

之所以站的更远，是因为站在了巨人的肩膀上

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比特币是区块链目前为止最成功的应用，自2009年上线以来，在无人管理的情况下，已经在全球7*24小时运行9年时间，成功处理几百万笔交易，支持单笔超过1.5亿美元的交易而为出现重大系统故障。

从正真意义上的安全可靠的去中心化的数字货币

截止发文位置，比特币价格为： $8,547.0

比特币的特点

去中心化没有一个中心组织来管理维护比特币，也没有任何一个个人和组织可以对交易破坏，交易请求需要得到网络中大多数参与者的共识
匿名性网络中的账户是匿名的，无法从交易信息关联到具体的个体，保护了参与者的隐私安全，但同时很难进行审查
通胀预防比特币通过挖矿来发币，发行量每四年减半，总量为 2100万枚，无法超发

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如图展示了比特币自诞生依赖的汇率（以美元为单位）

最高峰达到了近两万美元一枚

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数据来自 https://cn.investing.com/crypto/bitcoin/btc-usd

数字货币分类

数字货币是电子货币形式的替代货币。数字金币和密码货币都属于数字货币。数字货币基本可分为三大类：

1、大家非常熟悉的游戏币。最初是单机游戏中玩家所获得的游戏币，仅能在游戏中自己使用。随着互联网建立起门户和社区、实现游戏联网以来，这些数字货币便有了“金融市场”，玩家直接能够自由交易，还能进行线上线下的买卖。

2、门户网站或者即时通讯工具服务商发行的专用货币，用于购买本网站内的服务。主要代表的就是Q币，可用于QQ自己的商城内使用。

3、最具代表性的数字货币则是现在互联网上的加密数字货币，如比特币、莱特币、狗狗币等，以比特币为代表，它是一种由开源的P2P软体产生的电子货币，运用区块链技术可查询来源和流通，是一种开源加密，可流通和交易的数字货币。主要用于互联网金融投资，也可以作为新式货币直接用于生活中使用

比特币原理和设计

基本交易过程

每次发生交易，用户需要将新交易记录写入到比特币区块链网络中，等网络确认后课认为交易完成。每个交易包含输入和输出，未经使用的交易的输出（Unspent Transaction Outputs, UTXO）可以用来作为下次交易的合法输入。被使用过的交易的输出（Spant Transaction Outputs，STO）不可以作为交易的输入。
在交易过程中，转账方需要通过签名来证明自己是UTXO的合法使用者，并且通过指定输出脚本来限制未来本交易的使用者，也就是收款方。对每笔交易，转账方需要进行签名确认。并且对于名一笔交易，总输入不能小于总输出。总输入比总输出多余的部分称为交易费用（Transaction Fee），由生成本次交易区块的矿工获得。现在交易费用不能小于 0.0001BTC，交易费用越高，也就会越快会被矿工记录。同时交易费用用还能避免网络收到大量攻击。
交易金额最小单位是 “聪”，即一亿分之一比特币。

六次确认

需要注意的是，刚放进网络中的交易并非是实时得到确认的。交易存在被推翻的可能性
在手续费相同的情况下，矿工们在挖矿时候并不会主动地去确认某一个特定的交易。因为矿工们并不知道这笔交易是谁转给谁的，他们只负责优先确认奖励（手续费）高的区块交易。你所说的等长的blockchain分叉情况，是因为有时候两个挖矿者几乎同时验证出来一个区块的交易。他们同时公布到网络里，有些人用一个方法更新他们的blockchain，另一些人用另外一个方法更新他们的blockchain。如果出现这种情况，交易的顺序就会不清楚。在比特币POW算法网络中的共识规则是这样的：如果分支情况出现，那么网络上的人们继续保持两个分支，任何情况下，挖矿者只在最长的那个blockchain上工作。举个例子，有一些挖矿者先收到block A，另一些挖矿者先收到的是block B。那些收到block A的挖矿者将要继续沿着他们的分支挖矿，而其他人沿着Block B的分支挖矿。我们假设在B分支上的挖矿者先成功挖到下一个block，当他们收到这个消息后，在A分支的人会注意到现在B分支是最长的，于是就会转换到B的分支。在A分支上的工作就会迅速的停止，这样每个人就会都在同一个顺序的blockchain上工作了。所有在block A里面的待定交易将会继续保持待定状态，随后会在B分支上被放到新的block里，这样，所有的交易最终还是会被验证的。所以在比特币中，一个交易不能算作确认直到（1）它存在于最长的分支中的block里，（2）至少有5个验证过的block在其后面得到验证。这种情况，我们说这个交易有了“6个确认”。关于6个确认来验证比特币交易的真实性，6这个数字并不是硬性规定的，只是在比特币网络中，6个确认的时间充分的给了整个网络去统一block顺序的时间。如果支出方想要进行双重支付，他必须控制了非常大的算力，不然其他的挖矿者不会帮助它，因为他们都需要在最长的分支上工作才能得到奖赏。六个区块是根据该人拥有百分之一的算力刚好确认一个区块，但要进行6个区块确认的概率是100的六次平方分之一。这种情况可以说是相当于零。

账户和地址

比特币采用非对称加密算法，用户自己保留私钥，对自己发出的交易进行签名确认，并公开公钥。
比特币账户地址并非就是公钥，而是公钥经过一系列（HASH160，或先进行HASH256然后RIPEMD160）及编码运算后产生的160位（20字节）的字符串。

交易

一次交易包含的信息

付款人地址
付款人对交易的签名
付款人资金来源交易的ID，哪个交易的输出作为本次交易的输入
交易金额，与输入的差额作为交易费用
收款人地址
收款人公钥
时间戳

网络中的节点收到交易信息后进行检查：

交易是否已经处理过
交易是否合法，包括地址是否合法，发起交易者是否是输入地址的和发拥有者，是否是UTXO
交易的输入之和是否大于输出之和
检查通过后，则讲交易标记为合法未确认交易信息，并在网络中广播

交易脚本

脚本是保障交易完成的核心机制，每个交易包含输出脚本和认领脚本。
输出脚本用来限制谁可以花费这笔钱，输入脚本则用来证明自己可以满足条件。

比特币区块包含的内容

4字节的区块大小信息
80字节的区块头信息
- 版本号，4字节
- 上一个区块头的HASH256 Hash值：链接到一个合法的块上，32字节
- 包含所有签证过的交易的Merkle树根的哈希值，32字节
- 时间戳，4字节
- 难度指标，4字节
- Nonce 4字节，PoW问题的答案
交易个数计数器： 1~9字节
所有交易的具体内容，可变长
验证区块头信息，就可以验证区块的完整性，而无需获取具体的交易内容（ SPV simple payement verification 简答交易验证）的原理

区块整体结构

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区块头结构

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说明：

版本、父区块头哈希值和Merkle根采用的是小端格式编码，即低有效位放在前面。
时间戳表示的是自1970年1月1日0时0分0秒以来的秒数，1231731025秒转为十六进制值为0x496AB951，然后采用小端格式编码表示为0x51b96a49。
难度目标486604799转化为十六进制值为0x1d00ffff，该值采用小端格式编码。而当前区块的难度值0x1d00ffff需要采用一种特殊的编码方式才能正确转化为目标哈希值。
随机数nonce表示的随机数值转化为十六进制为0x709E3E28，然后采用小端格式编码表示为0x283e9e70。

区块结构详细解析参看https://www.jianshu.com/p/5c09f7d708e2

挖矿

挖矿的基本原理

最初的时候，我们用电脑CPU就可以挖到比特币，比特币的创始人中本聪就是用他的电脑CPU挖出了世界上第一个创世区块。然而，CPU挖矿的时代早已过去，现在的比特币挖矿是ASIC挖矿和大规模集群挖矿的时代。
回顾挖矿历史，比特币挖矿总共经历了以下五个时代：

CPU挖矿→GPU挖矿→FPGA挖矿→ASIC挖矿→大规模集群挖矿挖矿芯片更新换代的同时，带来的挖矿速度的变化是：CPU（20MHash/s）→GPU（400MHash/s）→FPGA（25GHash/s）→ASIC（3.5THash/s）→大规模集群挖矿（3.5THash/s*X）

挖矿速度，专业的说法叫算力，就是计算机每秒产生hash碰撞的能力。也就是说，我们手里的矿机每秒能做多少次hash碰撞，就是算力。算力就是挖比特币的能力，算力越高，挖得比特币越多，回报越高。在比特币的世界里，大约每10分钟会记录一个数据块。所有的挖矿计算机都在尝试打包这个数据块提交，而最终成功生成这个数据块的人，就可以得到一笔比特币报酬。最初，大约每10分钟就可以产生50个比特币的比特币报酬。但是该报酬每4年减半，现在每10分钟比特币网络就可以产生25个比特币。而要成功生成数据块，就需要矿工需要找到那个有效的哈希值，而要得到正确的哈希值，没有捷径可以走，只能靠猜，猜的过程就是计算机随机hash碰撞的过程，猜中了，你就得到了比特币。

挖矿的过程

挖矿过程就是求出一个能够填充本区块头的随机值，让区块头的哈希散列值符合某一个标准。

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我们通过一个故事来理解挖矿

我手上现在有一张面值100元的人名币。（比特币）
谁关注公众号我就给谁。
但是需要在评论里面猜出这张钱的编号才行。（挖矿，随机填充数值求解）

自己想尽办法猜，猜中得100元全款——个人挖矿

出钱召集一些人来一起猜——矿场

召集认识不认识的人一起来猜，通过猜测的次数，按比例分配这100元——矿池

PoW挖矿算法原理及其在比特币、以太坊中的实现

http://blog.51cto.com/11821908/2059711

共识机制

PoW 与 PoS

POW的方法最直观——哈希函数是密码学上计算难度经过反复验证的东西，所以用它来做证明是最有效不过的。每发一条消息（上传一个区块）的时候，你要证明你付出了一定的算力，你的证据就是某串你加在区块里的无意义字符串，而加上这个字符串之后，你的区块的哈希值正好小于某个数。哈希函数的特性告诉我们，你没有任何取巧的方法可以做到这一点——唯一的可能是，你真的一个一个字符串地去试了。所以，我们知道你确实付出了很多的代价才能给出这么一个字符串。

然而，POW不是没有缺陷，除了大量消耗能源之外，POW的另外一个问题是它的价值回路必须要通过外部输入。也就是说，采用POW的数字货币仍旧不是理想状态的数字货币，因为它们的安全性不直接与使用者相关，而是要通过矿工这个媒介（这个请见我的专栏）。

于是POS就被提出来了。POS的设想是非常好的——采用POS的货币的安全性直接与使用者相关，省去了矿工这个媒介。POS简单说就是，每当发表一条消息的时候，不用证明你付出了什么代价，而要证明你拥有一定数量的钱。而拥有钱代表着，如果你作弊损害了这个系统的安全性，你的钱会贬值，这变相地让你付出了代价。这东西更好的一点是，如果采用POS，实际上连挖矿奖励都不需要，因为POS实际上不需要付出任何代价。

需要注意的是，POW基本上原理都类似，而且，说到POW基本上就指的是比特币那种。可是POS是一类共识算法，或者说是一类共识算法的设计思想，而不是一个，最早采用POS的是peercoin，于是几乎所有的科普文章都把Peercoin的POS当做是POS的定义。这是不对的——因为Peercoin的POS是有漏洞的，漏洞简单说就是——越有钱的人，作弊付出的代价就越大，所以51%攻击在POS里面更不可行。

然而，对于没钱的人而言，他们没代价可付，所以一些恶意行为对于他们是有益的，这就会导致著名的公地悲剧。这种叫Nothing-at-stake attack（无利益攻击），所有POS算法，必须有对付这种攻击的机制，否则就不能用。目前，还没有一个区块链真正采用了POS，所以POS仍旧是一个缺乏足够实践检验的机制。但是从理论上来看，Ethereum的casper，ALGORAND和Ouroboros是几个比较成熟的POS算法。至于POS的一个变种DPOS，实际上是解决Nothing-at-stake attack（无利益攻击）的另一种方式——没钱的滚蛋，只有有钱才能参加共识。所以，DPOS的本质实际上是一个中心化的共识机制。