Blockchain

区块链

肖臻

• 不需要不存在证明，只需要存在性证明，不要求排序

北京大学Web3公开课

1、Web3 综述 24/03/26

• Web1：只读、静态内容
• Web2：可读写交互、数据存在中心化服务器、用户生成内容：社交媒体
• Web3：可拥有
  • 区块链技术
  • 智能合约
  • 去中心化
  • 不可篡改
• 密码学是区块链底层安全的保证
  • 公钥密码学
  • 哈希函数
• 比特币
  • 去中心化电子记账系统
  • 工作量证明PoW共识机制
  • 不可篡改
• 以太坊
  • 开源、去中心化、有智能合约的区块链
  • 去中心化的全球计算机
  • 智能合约
  • PoW共识机制
  • 22年转为权益证明PoS共识机制
• 智能合约
  • 图灵完备、Solidity语言创建运行在EVM上的应用程序——智能合约
  • 去中心化
  • 代码即法律，无需第三方
  • 无需准入
  • 可组合
• 加密钱包
  • Web3，使用加密钱包管理链上资产
  • 助记词/私钥：谁拥有，就拥有资产
  • 公钥：链上地址、用户名
• DeFi（去中心化金融）
  • 建立在区块链、智能合约平台上的金融类产品工具
  • 去中心化交易所DEX
  • 链上借贷
  • 稳定币
• NFT
  • 非同质化代币
  • 不能互换，独特数字代币
  • 门槛低
  • 链上艺术品/头像
  • 虚拟房产
  • 链上凭证
  • NFT交易所
• DAO
  • 去中心化自治组织
  • 与公司制相对
  • 通过智能合约保持运转的组织

2、密码学基础 24/03/28

• 数字签名
  • 私钥签名，公钥验证
  • ECDSA（椭圆曲线数字签名算法）
• 区块链中的密码学
  • 钱包地址
    • 每个钱包地址都是一个公私钥对
    • 私钥 产生 公钥
    • 公钥 产生 地址
    • 私钥是证明你拥有账户的唯一方式
      • 不要复制私钥/助记词
  • 交易
    • 每个交易就是一条message
  • 哈希算法
    • 除了暴力枚举以外没有其他挖矿方法
    • pow靠hash出块
    • 维护最长链（链式结构）
    • 前改后都改
    • 枚举哈希很难，所以很难对抗全网算力
  • Merkle Tree
    • 快速确认某个值是否在某个集合中的数据结构
    • 用于区块存储交易、发行白名单

3、以太坊和Layer2

• Layer2（加速）
  • 交易批量打包压缩
  • 状态转移确认
  • 交易不用在以太坊Layer1上执行，在链下执行完上传就行
  • Rollup把状态更新提交到主链的智能合约
    • 智能合约的验证并不用执行交易
    • Optimistic Rollups
      • 欺诈性证明
      • 假设正确，有人发现不对可以发布证明，验证主链错误，恢复Rollups之前状态，惩罚、奖赏
      • 用挑战期来保护数据正确性（时间太长）
      • 激励验证
      • OPTIMISM
        • 单轮交互式欺诈式证明
      • ARBITRUM
        • L2上的多轮 L1上一轮
        • 不断拆分存在争议的部分
        • 切分出一个最小的不能拆分的单位，发送给L1，最后确定争议的胜者（智能合约的可组合性？）
        • 分成200份 优化 缩小范围
          • 并不减少复杂度
        • 多伦交互式证明，窗口争议期更长，
    • zk-Rollups（基于零知识证明的Rollup扩容方案）
      • 有效性证明（不需要挑战期）
        • 目前的zk-rollup通用计算能力较差
      • 提交的时候就带着证明
      • 更安全，当场验证
      • 依赖的证明很复杂
      • 目前无法和EVM完全兼容
      • 零知识证明
        • 证明者向验证者证明一个陈述是正确的，而无需透露除该陈述是正确的之外的其他信息
        • 证明者负责计算交易并聚合成零知识证明
        • 验证者证明其有效性
        • 数学基础：同态加密（公私钥签名验证）
    • zk-SNARK
      • 证明者向验证者一次性发送一个较细 无需交互
      • 验证速度快 存储空间小
      • 应用：
        • Zcash 用其来隐藏具体交易信息
        • Filecoin
    • zkSync 基于SNARKs
      • 链上存储 链下存储
      • EVM兼容，把智能合约转换操作码来实现Solidity兼容

4、智能合约

5、DEFI 去中心化金融

6、Web3应用

7、去中心化安全

MOOC

c1 什么是区块链和区块链思维

c2 比特币分布式账本初探

• 在比特币中，公钥用于接收比特币，私钥用于生成其对应地址上支付此特币所必需的签名，以唯一确定这些比特币的所有权。具体到比特币地址的生成，其实是先产生私钥，私钥通过椭圆曲线算法这种不可逆的函数来产生公钥，公钥经过一系列不可逆的运算再来产生地址。

• 私钥持有者，是比特币的拥有者

• 钱包：用来装密钥的容器，不包含具体几个比特币

  • 钱包装了一系列密钥用于完成比特币交易
  • 钱包地址（银行账户）公开、私钥：银行卡密码

• 持有比特币：拥有特定比特币的地址（银行账户）

• 需要知道余额需要到区块链计算

• 交易

  • 第一笔是矿工挖矿所得
  • 之后都有一个或者多个输入、一个或者多个输出
  • 输入：谁给A的币的地址
  • 数目：币数目
  • 输出：B的地址
  • 每一个交易输入，都和之前的某个交易输出关联
  • 本质：包含输入值和输出值的数据结构
    • 输出是对之前输入的引用
    • A给B转账的时候，加了公钥脚本（使用输出的必须是Bob本人）
    • 签名需要用私钥，私钥对应的公钥才能验证签名通过
      • B签名后，其他人可以用Bob提供的公钥验签

• 某个地址，具有多个比特币，其实是钱包根据未花费的交易输出算出来的

• 地址是公钥的hash 多方签名

• 私钥生成公钥，公钥生成地址

  • 公钥加密的内容只能用私钥解密，利用公钥可以生成比特币地址
  • 私钥签名，公钥验签名
  • 公私钥生成以及签名算法都基于椭圆曲线算法

• 避免假账

  • 私钥签名，公钥验证
  • 签名过的交易信息广播，广泛验签
  • 接受信息，生成区块，组装（默克尔树）

• 哈希指针

• 双花问题（利用UTXO解决）

  • 一笔钱被花了多次
  • 比特币以交易输出（TXO）的形式存在
  • 输入输出配平（12 = 2（给别人） + 10（给自己））
  • majority attack （实现双花）

• 算力

  • 用来衡量哈希运算能力的指标（每秒能进行多少次hash运算）
  • 矿工通过算力解答加密难题，把转账信息放到区块中，完成这笔转账
  • 51%攻击，控制算力

• 共识算法：规定了下一个新区块由哪个矿工生成

  • 工作量证明 pow 通过工作结果证明完成一定的工作量（不对称性）
    • 容易重算，不容易得到
  • 权益证明
  • 委托工作量证明
  • 实用拜占庭容错算法

• 区块的链接

  • 元数据：难度、时间戳和nonce
  • 找到区块：hash or 区块高度（不能唯一表示）

• 共识算法规定下一个新区块由哪个矿工生成

  • 区块包含交易记录，生成的矿工获得比特币奖励

c3 从分布式信息系统视角分析比特币

• 分布式系统随意分布空间位置，没有控制整个系统的主机
  • 系统资源被所有计算机共享，可以用系统中其他资源
    • CPU 文件 打印机
  • 任意两台计算机可以通信交换信息
• 分布式系统
  • 信息发布与传输：任意节点都可以发起，相邻交互，全网公开
  • 记账：根据共识机制完成工作量设定获得记账权，可以溯源，不可篡改
  • 存储：每个节点有完整本地数据存储，实时更新
    • 选择完整or部分存储
  • 一致性
• 一致性
  • 原子提交协议，引入多个leader机器
  • leader机器故障？
  • 保证一定数量的机器能够运行，利用共识机制
• Paxos
  • 解决分布式一致性问题
  • Proposer 提议者
    • 利用更大的ID抢占临时访问权 避免思索
  • Acceptor 批准者 完全对等独立
  • Learner 学习者 学习value
• 拜占庭将军问题
  • 可能出现丢失or错误的不可靠信道，如何通过消息传递的方式达到一致性
  • 要求
    • 所有忠诚接受相同命令，恶意消息不被接受
    • 发送命令的将军忠诚，忠诚将军遵守
  • 选择正确的人（不同共识算法不同），加大造价成本
• 拜占庭容错算法（BFT）
  • 类似于POW
  • PBFT（实用拜占庭容错算法）
    • 复杂度指数级降低到多项式级
    • 失效节点不超过1/3保证信息可靠
    • 通信次数换取可靠性

c4 智能合约和区块链操作系统

• 以太坊：开源的有智能合约功能的公共区块链平台，以太币（ETH），以太虚拟机（EVM）

• 智能合约：脚本代码（计算机程序定义 自动执行的承诺和协议）

• 以太坊的优化：图灵完备、可编程的底层系统（区块链网络）

• 共识：POW+POS 矿工和持币者利益平衡

• 以太坊智能合约：代码（合约功能）和数据（合约状态的集合），存在于特定地址，依靠EVM以二进制形式在区块链运行

• 智能合约

  • 数据库合约：数据存储，允许其他合约crud
  • 管理员合约：在数据库合约上运行，批量读写
  • 合约管理合约：管理其他合约
    • 跟踪所有合约/组建，处理通信，简化模块设计
  • 应用逻辑合约：包含应用程序的特定代码
  • 公用合约：执行特定任务，被其他合约无限制调用
    • 少依赖，少空间

• 区块链虚拟机

  • 自动兼容所有硬件
  • 本质实现将硬件层or系统层进行抽象，隐藏底层实现细节，实现快速应用部署
  • 将高级语言程序转换成CPU相关指令
  • 语言 业务分离
  • 提供原始API为了编写智能合约的需要
  • ABI：其他应用要知道本合约提供的借口以及数据结构
  • 流程
    • 高级语言和API编写智能合约
    • 编译成byte codes 并同时生成ABI
    • 测试后就可以利用byte codes 进行交易

• 以太坊虚拟机

  • Solidity 面向合约 类似JS 静态语言
    • 基于账户而不是UTXO
    • address类型 定位用户 定位合约 定位合约代码
    • 合约本身也是一个账户
    • 再去中心化网络运行
    • 强调 合约 函数 的调用方式
    • 异常机制，全部回撤，保证原子性
    • REMIX（IDE）
  • Solidity
    • 版本申明
    • 引用文件
    • 路经相关
    • 在实际编译器中的使用
    • 代码注释
    • 文档注释
  • 合约结构
    • 状态变量
    • 函数（可执行单元）
    • 函数的修饰符：声明时修改语义
    • 事件（日志提供的便利借口）
    • 结构体类型
    • 枚举类型

• 以太坊的共识机制

  • POW
    • 前沿
    • 家园
    • 大都会
  • POS
    • 宁静
  • Casper
    • 基于保证金的经济激励共识协议

• 挖矿

  • 生成钱包（地址 可获取）
  • 电脑（显卡 主板电源决定稳定程度）
  • 挖矿软件（xxx）

• EOS

  • 加密货币令牌 区块链操作系统
  • 为去中心化公司打造智能合约平台
  • 实现分布式横纵向扩展

  • 目标
    - 成为支持工厂模式的去中心化操作系统
    - 每秒处理百万笔级别的交易

蚂蚁课程

区块链系统开发与应用（初级）

区块链核心概念

• 区块链本质是去中心化的（账本）数据库

  • 中心化
    • 单点失效 系统无法使用
    • 隐私保护性差
    • 信息泄漏
    • 诚信问题
  • 去中心化
    • 避免单点失效
    • 公开透明
    • 不可篡改
    • 可追溯

• 链块式结构：假象式区块链（时序的链块式结构）

  • 如今成为行业
  • 技术
    • 密码学（签名让交易不可抵赖 可信 ）
      • 私钥才能签名
    • 数据结构
    • 分布式存储
    • P2P网络
    • 共识算法
    • 博弈论

• 区块链分类与架构相关术语

  • 分类
    • 划分1（节点的加入、退出是否需要区块链系统的许可）
      • 许可链
        • 根据权限的主体是否集中
          • 联盟链（只允许一个节点介入网络的半开放式区块链）
          • 私有链（企业或组织部署，权限严格内部控制）
        • 如蚂蚁链
      • 非许可链（公有链）
        • 开放程度最高，任何人可以参与
        • 加密货币
        • 可以参与网络共识
  • 架构相关术语
    • 一个区块 一页账目 包含多笔交易
    • 利用链连起来，时序，时间戳
    • DAG（有向无环图）
      • 区块链的变种 也算区块链系统
    • P2P网络
      • 去中心化 每个主机都可以看成服务器和客户端

• 区块链常用术语

  • 智能合约
    • 智能合约之于区块链
    • 相当于SQL之于数据库
  • 协议
    • 共同遵从的一组约定
  • 双花
    • 把一笔资金花出去2次或多次
    • 想要成功 一定要分叉（因为不可能在同一个区块、时序问题会避免同链）
    • 算力或资金足够强大
  • 共识算法
    • 各分布节点对事务或状态的验证、记录、修改等行为达成一致确认的算法
    • 伏笔 共识算法章节才有
  • 数字签名
    • 附加在数据单元上的数据or对数据进行密码变换
    • 数据单元的接受者可以确认来源和完整性，防止伪造抵赖
  • 国密算法（国产加密算法）
    • 加密算法
      • 非对称
        • RSA Elgamal ECC
      • 对称
        • AES DES
    • 国产加密算法 国家密码局认定
      • SM1对称
      • SM2非对称
      • SM3消息摘要算法
      • SM4无限局域网标准的分组数据方法

• 区块链的匿名性和开放性

  • 技术特征
    • 匿名性 开放性 可追溯 不可篡改 共识 完整 自治 不可抵赖….
  • 匿名性
    • 只需要加密货币地址进行交易，不知道个人信息（如是谁 资产）
    • 违法行为的保护伞
    • 级别划分
      • 基础：知道是谁，就可以查交易
      • 高级：知道是谁，也查不到所有转账信息
      • 极致：只有私钥持有者才能看到对应地址交易行为
  • 开放性 （参与程度）
    • 账目、组织结构、生态
    • 公有链 联盟链 私有链

• 区块链的可编程和可追溯

  • 进化
    • 可编程货币
    • 可编程金融（通过智能合约生产金融衍生产品）
    • 可编程社会（不仅仅是货币和金融衍生品）
  • 智能合约并不是一定要在区块链系统中运行
    • 区块链是最合适的环境
  • 可追溯性
    • 加入链中的交易记录永久存储
    • 交易记录绑定交易者信息、完整记录、可追溯、不可被摧毁
      • 一头牛从出生到被食用
      • 农产品
    • 基于区块链溯源的优势
      • 安全性有效提高
      • 记录不可篡改
      • 数据透明度高 容易追溯

• 区块链的不可篡改性

  • 在开放的网络实现一个可信的账本、数据安全是第一要务
  • 数据安全：账本不可损坏和不可篡改
  • 不可篡改的技术实现
    • 1、分布式多点记账 P2P
    • 2、链块式结构（重点是防碰撞的hash函数）
      • 区块内包含时间戳、交易信息、前和本块hash
    • 默克尔🌲
      • 区块分为区块头和区块体
      • 区块的hash由前一块hash、随机数、树根、时间戳作为输入获得
        • 记录在区块头
      • 通过只同步区块头来减少流量和存储、
        • 利用默克尔🌲来验证数据安全可靠（因为区块头和体分开）
        • 平衡二叉树
        • 叶子结点都是交易数据
        • 非叶子结点是下属节点作为输入得到的hash
          • 某个交易信息改了，树根也改了，快速定位篡改
        • 可以快速验证交易是否属于这个区块

• 区块链其他技术特征

  • 数据完整性
    • 精确 可靠
    • hash函数（是否修改） 数字签名（修改者身份） P2P网络（多点数据备份）
  • 自治性
    • 通过区块链协议和特性本身达到自治
  • 集体维护性
    • 各个参与方基于协议共同维护区块链系统
    • 由于开放 自治 必然需要集体维护
    • 可信交易
    • 提升可扩展性和健壮性
  • 不可抵赖性
    • 行为不可抵赖：数字签名
    • 发生时间不可抵赖：时间戳

• 区块链系统架构概述

  • 架构
    • 应用层：封装应用场景和案例
      • 传统应用部署在区块链平台（冷链、等等）
    • 合约层：封装脚本、算法、智能合约
      • 无需第三方
      • 可编程的基础
      • 不止转账 记账也是 智能合约控制
    • 通信层：节点间通信的通信协议
      • RPC HTTP IPC等
    • 共识层：对区块数据的有效性达成共识
      • 进行验证的交易数据通过共识机制来决定记账权
      • 得到符合条件的hash值，就可以记账
    • 通道层：联盟链中确保隐私安全（跨组织数据信任）
      • 需要隔离 也需要复用
    • 网络层：区块链网络中节点与节点之间的信息交流方式
      • P2P组网机制
      • 数据传播机制
        • 全网广播 验证 临近节点
      • 数据验证机制
        • 格式 输入输出 数字签名
    • 数据层：存储区块链基础数据
    • 不同链不同结构

区块链系统开发与应用（高级）

共识机制

• BFT拜占庭共识
  • 区别两军问题，两军问题在于可信信道
  • 拜占庭信道无问题，问题在于如何达成共识
  • 忠诚的将军让别的将军收到自己的真实意图
    • 仅仅靠一致性，就能解决吗？
      • 由于叛徒的存在，可能一致没有进攻
      • 不该进攻却又一致进攻
      • 需要看客观事实
  • 形式化：一致性、正确性
  • 一个发送命令的将军要发送一个命令给其他n-1个将军
    • 所有忠诚的接受命令的将军遵守相同的命令
    • 如果发送命令的将军也是忠诚的
      • 所有忠诚的接受命令的将军遵守所接受的命令
      • 在分布式系统中非常有挑战性
  • 问题修复
    • 口头协议
      • 实现简单 算法复杂 需要克服更多困难
      • 知道谁发的 能被正确发 知道缺少的消息
      • 少于1/3 可解
      • 不能追本溯源
    • 书面协议
      • 实现困难 算法简单 无需克服很多困难
      • 知道谁发的 能被正确发 知道缺少的消息+签名不可伪造 否则发现
      • 所有消息追本溯源 采用即可
      • 忠诚将军必定一致
        • 书面协议在实际情况下的问题可以通过区块链解决
• POW共识
• POS共识

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