北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课 --- 学习笔记 #

课程介绍： #

北京大学公开课《区块链技术与应用》由肖臻老师讲授,主要讲解区块链的基本概念和实现原理，面向广大对区块链技术和应用感兴趣的同学。通过这门课的学习，能够掌握比特币、以太坊等区块链技术的设计思路并有效解决实际问题。

课程地址：《区块链技术与应用》

课程前置基础 #

• 学过基本数据结构 （数组、链表、二叉树、哈希函数）
• 掌握了编程的基本技能

参考资料： #

• 《比特币和加密货币技术》
• 以太坊白皮书、黄皮书、源代码
• solidity文档

比特币 BTC #

先介绍一些区块链理论基础：密码学原理和数据结构

密码学原理 #

比特币被称为加密货币crypto-currency。区块链上内容都是公开的，包括区块的地址，转账的金额； 比特币主要用到了密码学中的两个功能:

1. 哈希
2. 签名

哈希函数 #

密码学中用到的哈希函数被称为cryptographic hash function:它有两个重要的性质:

1. collision(这里指哈希碰撞) resistance :例如x≠y H(x)=H(y) 两个不同的输入，输出却是相等的，这就称哈希碰撞。
   • 它是不可避免的，因为输入空间总大于输出空间。给出x，很难找到y，除非蛮力求解(brute-force)。
   • 该性质的作用:对一个message求digest。比如message取m m的哈希值是H(m)=digest 如果有人想篡改m值而H(m)不变，则无法做到。
   • 哈希碰撞无法人为制造，无法验证，是根据实践经验得来的。
2. hiding 哈希函数的计算过程是单向的，不可逆的。(从H(x)无法推导出x) hiding性质前提是输入空间足够大，分布比较均匀。如果不是足够大，一般在x后面拼接一个随机数，如H(x||nonce)。
   • 该性质的作用:和collision resistance 结合在一起，用来实现digital commitment(又称为digital equivalent of a sealed envelope) 把预测结果作为输入x，算出一个哈希值，讲哈希值公布，hiding让人们知道哈希值而不知道预测值，最后再将x公布，因为有collision resistance的性质，预测结果是不可篡改的。

除了密码学中要求的这两个性质外，比特币中用到的哈希函数还有第三个性质:

• puzzle friendly 指哈希值的预算事先是不可预测的。假如哈希值是00...0XX...X，一样事先无法知道哪个值更容易算出这个结果，还是要一个一个带入。

比特币挖矿的过程中实际就是找一个nonce，nonce跟区块的块头里的其他信息合一起作为输入，得出的哈希值要小于等于某个指定的目标预值。H(block header)≤target。block header 指块头，块头里有很多域，其中一个域是我们可以设置的随机数nonce，挖矿的过程是不停的试随机数，使得block header取哈希后落在指定的范围之内。

puzzle friendly是指挖矿过程中没有捷径，为了使输出值落在指定范围，只能一个一个去试。所以这个过程还可以作为工作量证明(proof of work)。 挖矿很难，验证很容易。(difficult to solve ,but easy to verify) ，难解、易验证

SHA-256 #

比特币中用的哈希函数叫作 SHA-256(secure hash algorithm ) 以上三个性质它都是满足的。

在比特币系统中开账户: 在本地创立一个公私钥匙对(public key ,private key)，这就是一个账户。公私钥匙对是来自于非对称的加密技术(asymmetric encryption algorithm)。

签名用的是私钥，验证签名用的是公钥。

比特币的数据结构 #

1.哈希指针 #

内容：

• 地址
• 哈希

区块链是一个链表，用哈希指针替代普通的指针，好处是可以用一个哈希记录是否之前被篡改

2.Merkle Tree #

是用哈希指针代替普通指针的二叉树

用处：提供 Merkle proof

一个比特币的示例：

区块链包括全节点和轻节点

Merkle proof #

比特币的共识协议 #

与纸质货币的不同、问题

发行量控制 #

double spending attack (双花) #

利用区块链解决这个问题。 包含2类哈希指针

• 指向之前的区块
• 指向交易（防双花）

每个交易包括

• 输入
  • 支付者公钥
  • 币的来源
• 输出
  • 收款人公钥哈希

新问题 公钥保存

bitcoin区块链内容 #

• Block header
  • version
  • hash of previous block header
  • Merkle root hash
  • target（挖矿目标）
    • H(block header)≤target (块身的正确性可由块头Merkle root保证)
• Block body
  • transaction list
  • Merkle tree

节点类别 #

• Full node (全节点)，别名（fully validating node）
• Light node (轻节点)

分布共识 (distributed consensus) #

impossibility result (不可能结论) #

• FLP impossibility result
  • 异步系统中（网络时延无上限）
  • 即使一个成员有问题也不可能取得共识
• CAP Theorem
  • CAP
    • C ： Consistency（一致性）
    • A ： Availability（可达成共识）
    • P ： Partition tolerance（分布容忍）
  • 意义：分布式系统三性质只能选两个

协议 #

• Paxos 协议
  • C+P
  • A 小概率会有问题
• Consensus in BitCoin
  • 假设 大部分节点好的
  • 公式方法
    • 人头投票
      • Sybil attack
      • 创建大量节点投票
    • 算力投票
      • forking attack（分叉攻击）
      • 选择最长合法链 - orphan 孤儿
      • 
    • block reward（挖矿奖励） 唯一产生新币的方式
    • hash rate
      • 每秒可以试多少个hash
      • 决定投票权重

比特币系统的实现 #

账本 #

irrevocable ledger（不可篡改账本）；

模式分为 transaction-based ledger(基于交易)、account-based ledger(基于账户)

transaction-based ledger(基于交易) #

• BitCoin 模式
• 记录交易
• 不记录账户余额
• UTXO 数据库

UTXO 数据库 #

• Unspent Transaction Output（未被花掉的交易的输出）
• 由全节点维护（全节点的本地内存中）
• 元素
  • 交易的哈希值
  • 是交易中第几个输出
  • 每个交易可能有多个输出、可能有多个输入
    • total inputs = total outputs （一般情况）
    • total inputs > total outputs
      • transaction fee (交易费) 激励矿工打包自己的交易
• 目的：检测 double spending

account-based ledger(基于账户) #

以太坊模式

区块链的例子 #

Difficulty

• 每2016个block更新一次
• 保证出块时间是十分钟左右
• 单靠 nonce 可能无法满足 difficulty 要求

Blok header #

改变 hashMerkleRoot，每个区块链都有铸币交易

• 无输入
• 输出自己几个币
• 铸币交易 CoinBase 域可以写任何东西
  • 64 bitc
  • 挖矿两层循环

实例 #

• 输入输出用脚本来指定
• 验证交易（配对）、提供币
  • Input Scripts（本交易）
  • Output Scripts （U TXO 中的）

挖矿概率分析 #

每次挖矿 Bernoulli trial #

a random experiment with binary outcome

挖矿过程 Bernoulli process #

• 数学性质
  • a sequence of independent Bernoulli trials。 memoryless
  • 近似为 Poisson process
  • progress free 过去的努力无用
• 出块时间：服从 exponential distribution（指数分布）

比特币奖励 #

geometric series(几何分布)。21w * 50 + 21w * 25 +.... =2100w

BitCoin is secured by mining #

挖矿安全性 #

不可能偷币 #

无法伪造签名

可能双花 #

• 靠分叉
• 防范
  • 等几个区块确认
    • 杜绝普通
    • 不杜绝
    • 
  • 一小时
  • zero confirmation
    • 意思
      • 发出即可，不用写入区块
      • 
    • 可行原因 （交易有冲突，接受先发出的）

selfish mining #

• 
• 要求大量算力
• 可以减少挖矿竞争； 别人比你少知道一个块

比特币网络 （工作原理） #

application layer #

BitCoin Block chaim

network layer #

• P2P Overlay Network ，所有节点对等
• 加入需要种子节点(seed node)
• 加入与退出
  • 进入不需要通知，启动客户端自动加入
  • 推出不需要通知，一段时间无响应自动被去除

设计原则 #

• simple
• robust
• but not efficent

运行流程 #

• 收到信息
• 检查合法性
• 标记该信息为收到过，并转发给邻居节点
  • 邻居节点自由选取 与 物理空间（地理） 和 网络空间（网络拓扑）的组织结构无关
• 再次收到同样信息不管
• 冲突交易与网络延迟
  • 收到交易加入未完成集合
  • 若交易冲突，通过下一个区块的结果
    • 若区块记录的交易是本地先到的
    • 若区块记录的交易是本地后到的
  • 

限制 #

• 区块大小最大 1M；传播最长时间：几十秒
• 可能一些合法交易一些节点根本收不到
• 可能一些节点转发非法交易
• 可能一些信息到不同节点的顺序不同

比特币的挖矿难度调整 #

目标阈值 #

• H(block header) ≤ target
• 和挖矿难度 difficulty 成反比

哈希算法 #

SHA-256：secure hash 256

挖矿难度 #

difficulty_1_target #

最简单的情况的挖矿难度（target极大）

为什么要调挖矿难度？ #

• 控制挖矿时间为一个块十分钟，不调会越挖越快
  • 可以不是十分钟吗？可以，以太坊为15秒；需要新的公式协议
  • ghost；给予叔块（orphan block）奖励；uncle reward
• 越挖越快怎么了？
  • 更容易分叉
    • 分叉成为常态
    • 可能出现2分叉以上的分叉；10分叉
    • 分叉过多危害
      • 系统不易达成共识
      • 系统安全性变差
        • 总算力（特别是诚实节点）被分散
        • 更易被51%（恶意节点可能只需要总算力的11%即可完成攻击）

调整规则 #

• 频率
  • 2016 个 block
  • 2 周
• 公式：
  • actual time ：2016个block实际用时
  • expected time ： 2016*10min≈2星期
  • target不会增减4倍以上 ：0.5周~8周
• 若攻击者不调；诚实者可通过block header中nBit变量判断出该区块不合法

比特币算力增长 #

• 算力：
• 挖矿难度：
• 难度调整曲线：
• 出块时间曲线：
• 指数增长

比特币挖矿 #

节点特性 #

先回顾一下全节点与轻节点

全节点 #

• 一直在线
• 在本地磁盘上维护完整的区块链信息
• 在内存维护UTXO集合；以便快速检验交易的正确性
• 监听比特币网络上的交易信息；验证每个交易的合法性
• 决定哪些交易会被打包到区块
• 监听其他矿工挖出的区块；检验合法性
• 挖矿
  • 决定沿着哪条链挖下去；最长合法链
  • 出现等长分叉时选择哪个分叉；先听到的

轻节点 #

• 不可以
  • 一直在线
  • 保存整个区块链
  • 保存全部交易
  • 检验大多是交易的合法性
  • 检验网上发布的区块的正确性
  • 检验哪个是最长合法链
• 可以
  • 保存区块头
  • 保存与自己相关的交易
  • 检验与自己相关交易的合法性
  • 检验挖矿难度；有头
  • 检测哪个是最长连

综上：

挖矿设备 #

• CPU
• GPU
• ASIC 芯片
  • 名称：Application Specific Integrated Circuit
  • 只能挖一种币
    • 由于mining puzzle
    • 可能多币公用mining puzzle (merge mining) ； 新币引流
• Alternative mining puzzle；使得通用设备也可以挖矿

矿池 #

运行模式 #

• 矿主承担全节点的其他功能
• 哈希值分配给矿工计算
• 

利益分配 #

• 通过矿工的工作量分配 => share
  • almost valid block
  • 降低难度后挖出的区块:：70个0 → 60个0
  • 不可偷区块奖励； 铸币交易的目标账户是矿主

使51%攻击更容易 #

• 可以召集算力； on demend mining
• 不用自己拥有大量算力

大型矿池可发动的攻击 #

• 分叉攻击
• Boycott(封锁账户)
  • 不包含指定账户 A 的所有交易
  • 
    • 自己不包含 A 相关交易
    • 见到 A 相关交易立刻分叉
    • 普通矿工从此也不敢打包 A 相关交易了

比特币脚本 #

交易结构 #

交易结构如下

其中output：

• 左 Output
  • 之前某交易的 Output
  • 此交易的输入
• 右 Output ： 此交易的输出

input script 与 output script：

• 比特币脚本只有堆栈；没有内存空间、变量
• 基于站的语言；stack base laguage

交易结构：

• locktime
  • 交易的生效时间
  • 等多少个区块才可以被写入区块链
• blockhash 所在区块的哈希值
• comfirmations 已经有多少个确认区块了
• time 交易产生的时间
• block time 区块产生的时间
• vin
  • 数组
  • 
    • txid：作为输入的交易的 id
    • vout：该交易的第几个输出
    • scriptSig：输入脚本
• vout
  • 数组
  • 
    • value
      • 金额
      • 此处单位为比特币
    • n： 序号（第几个输出）
    • scriptPubKey
      • asm：输出脚本操作
      • reqSigs：该输出需要几个签名才可兑现
      • type： 输出的类型
      • address： 输出的地址

交易过程 #

脚本形式 #

P2PK #

• Pay to Public key
• 脚本
• 执行
  • 1
  • 2
  • 3

P2PKH #

• Pay to Public key Hash；最常用
• 脚本
• 执行
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4

P2SH #

• Pay to Script Hash

• 脚本

  • serialized redeemscript；脚本
  • Sig；运行脚本需要的签名

• 执行

• 样例

  • 1
  • 2

• 为什么需要P2SH；支持多重签名

  • 不使用P2SH
    • 脚本
      • 内容
        • 
          • CHECKMULTISIG；检验多重签名
          • X： Bitcoin 中 CHECKMULTISIG 执行存在 bug会从栈中多弹出一个元素
        • 给出的M个签名的顺序要和他们在N个公钥中的相对顺序一致
      • 执行
    • 问题：不同交易商指定的 N M 不同
      • 麻烦
      • 由用户自行加入购物交易输出脚本
  • 使用P2SH; 脚本
    • 内容：
    • 执行：
      • 1
      • 2

Proof of Burn #

• 说明
  • 
    • return 直接报错
    • 之后内容无意义
  • 用于销毁比特币
    • 小币种需要销毁一定的 Bitcoin 才可以得到该币种。 Altcoin： Alternative coin(替代币)
    • 用于向区块链写入内容；所有人都可以
• 实例
• 
• 全部作为交易费
• 对全节点友好； 不用在 UTXO 中记录该交易

总结 #

• 功能有限；无循环
• 使用简单；CHECKMULTISIG

比特币分叉 #

类型 #

• state fork
  • 起因：对当前区块状态产生意见分歧
  • 正常
  • 故意
    • deliberate fork
    • 例如 forkign attack
• protocd fork
  • 起因：协议升级
  • 根据协议内容不同
    • 硬分叉(hard fork)
    • 软分叉(soft fork)

硬分叉(hard fork) #

• 情况
  • 加入新功能
    • 且旧区块依然合法
    • 对于旧协议新区块不合法
  • 需要大量算力同意
  • 只有有人不同意就会永久分叉
• 例子

  • 更改 Bitcoin 区块大小限制

    • 更改原因： 不改时交易吞吐量低
      • 1M 只有 4000个交易
      • 用10min
      • 7 tx/sec
    • 1M → 4M
    • 

  • ETH 与 ETC

    • 情况： 以太坊硬分叉，分为 ETH 与 ETC 两种合法货币
    • 问题：
      • 分叉前一个币变两个币且都合法
      • 由于公私钥相同，一个链上的交易在另一个链上依然合法，可以被在另一条链上重放
      • 
    • 解决：两条链各带一个 chain ID

软分叉(soft fork) #

• 情况
  • 加入新功能
    • 且旧区块不合法
    • 对于旧协议新区块合法
  • 需要大量算力同意
  • 就算小部分节点不同意也不会永久分叉
• 例子
  • 更改 Bitcoin 区块大小限制（假设）
    • 1M → 0.5M
    • 
  • 给 coinbase 域添加规定
    • coinbase 铸币交易的自由填充域
    • 提案
      • 把 UTXO 组织成 Merkel tree
      • coinbase 域 8bit 后的内容填充 UTXO 根哈希
      • 方便查看账户余额
  • P2SH：Pay to Script Hash
    • 新节点两阶段验证
    • 旧节点只验证第一阶段

课堂问答 #

• 如果私钥被偷怎么办？ 立刻新建账号转走余额
• Proof of burn 为什么抛出错误也可以被写入区块链？ 抛出错误的是输出脚步，根本不会被执行
• 区块链大小变化历史：

比特币的匿名性 #

BTC的匿名力度到底如何 #

• 并不是完全无名，而是匿名； pseudonymity(使用假名)
• BTC安全性不如全匿名银行
  • 所有人都可以查bitcoin账本
  • 一般人无法查银行
• 可以建立不同公钥地址的关联
  • 同一个交易的不同输出可能是同一个人
  • 通过交易的必要性找到找零的地址
  • 
• 与现实生活发生关系的时候可以链接人和账户
  • 与真是货币互换
  • 买东西；几次特定交易筛选后很容易将账户与人彻底关联
  • silk road 两度被抓

匿名的目的区分 #

向谁保密身份

• 保密容易
• 向fbi保密难

如何提高保密性 #

• 提高网络层匿名性 （多路径转发）
  • 实现：数据包发出的路上多次转发
  • 原理：只要一个节点不告诉别人谁发给他的就无法追查
• 提高应用层匿名性 （coin mixing）
  • 实现：把币发给服务中心，多次交易后换成一堆与自己无关的别人的币
  • 问题
    • 可根据数额和时间被破解
    • coin mixing服务中心可能收币跑路
  • 实际使用
    • 在线钱包有一定Coin mixing 性质
    • 交易所有一点的coin mixing 性质
      • 卖币
      • 提币
      • 换币

匿名困难的原因 #

• 区块链公开
• 区块链不可篡改 （一个交易暴露身份永远清不掉）

零知识证明 #

同态隐藏

• 
  • xy一点也不碰撞； 若E(x)=E(y) 则x=y
  • 加密不可逆
• 盲签方法：
• 零币和零钞
  • 设计动机：Bitcoin
    • 可以提供匿名性
    • 不可消除关联性
  • 
    • 只要证明花的是真的币 不用交代花的是哪一个币

比特币引发的思考 #

哈希指针 #

指针如何指

• 其实没有指针只有哈希
• 全节点把所有区块存在一个（key，value）数据库中
  • 大多为levelDB
  • value为区块
  • key为区块哈希
• 通过哈希可以直接找到区块

区块链 #

• 截断私钥的方式共享账户会降低账户安全性
• 应该用多重签名来共享账户

分布式共识 #

为什么比特币系统可以绕过分布式共识中那些不可能的结论

• Bitcoin 并没有真正达到共识；如果算力强甚至可以回滚到创世块
• 理论中的假设并不一定适用于现实模型； 没有真正的异步服务器；例：打电话

Bitcoin 的稀缺性 #

稀缺的东西不适合做货币

• 货币需要通胀
• 不然富者越富

量子计算 #

Bitcoin 是否会被冲击

• 量子计算离使用很远
• Bitcoin 地址用的不是公钥，是公钥的哈希
  • 哈希函数会损失信息
  • Bitcoin 一个地址不要用多次，每次转账剩余的钱转到一个新账户更安全；防止有钱的账户公钥泄露被量子计算偷钱

以太坊 ETH #

以太坊概述 #

与 Bitcoin 的不同：

• 挖矿时间变化
  • 减为15s一块
  • 使用ghost共识协议
• mining puzzle 变化
  • memory hard mining puzzle
    • 内存要求高
    • 限制了ASIC芯片的使用；ASIC resistance
  • 权力证明替代工作量证明； proof of work → proof of stake
• 支持智能合约
  • smart contract； decentralized contract
  • 相较普通合约的优势
    • 用司法手段维护合同比较困难；特别是涉及国家很多的小合同；众筹
    • 一旦设立无法更改；且自动执行；无法扯皮

以太坊账户 #

与BTC不同 #

• BTC 基于 transaction-based ledger
  • 花钱要说来源
  • 一次必须花光一分钱
• ETH 基于 account-based ledger
  • 和普通转账体验类似
  • 天然防御 double spending attack
  • 新的攻击方式；replay attck(重放攻击)； 解决：给每个账户的交易案发生顺序编号
  • 可开发金融衍生品；financial derivative
• 为什么要新建一套账户体系？
  • Bitcoin 作为货币，主要目的是隐藏身份
  • ETC 要支持智能合约，需要参与者有较为稳定的身份

账户类型 #

• externally owned account(外部账户)
  • 内容：
    • balance
    • nonce； 交易计数器
• smart contract account(合约账户)
  • 内容：
    • balance
    • nonce
    • code
    • storage
  • 特性
    • 不由公私钥对控制
    • 不可凭空发出交易

以太坊数据结构 #

需求 #

• 完成账户地址到账户状态的映射
• 要包含的内容
  • 地址；160bits
    • 40个16进制数
    • ETH-数据结构
  • 状态
    • balance
    • nonce
    • code
    • storage
• 需要的功能； 差账户余额的证明
• 尝试
  • 哈希表；不满足
  • 账户 Merkel tree
    • 不排序：区块需要包含所以账户信息 内容太多，块太大
    • 排序：加入新节点代价太大（若为奇数，半棵树要重构）

结构 #

键的存储(key,value) #

设计过程 #

• trie 树(前缀树)
• Patricia tree(Patricia trie)(路径压缩前缀树)
• Merkel Patricia tree

成品 #

• Modified MPT
  • Extension Node：路径压缩节点
  • Branch Node：分支节点
  • Leaf Node：叶节点(结束)
  • 链接用哈希指针
    • next node (Extension Node)
      • 1 7 f (Branch Node)
• 区块链规划
  • 执行：全节点对于新区块；建立一个只有修改的账户的新MPT其他直接链接到上个区块的MPT
  • 原因：
    • ETH容易分叉
    • 方便分叉到不对的链后快速回滚接上正确节点

以太坊代码中的数据结构 #

块头：

• ParentHash：前一个区块头的哈希值
• UncleHash：叔区块根哈希
• Coinbase：矿工地址
• Root：状态树根哈希
• TxHash：交易树根哈希
• ReceiptHash：收据树根哈希
• Bloom；Bloom filter ；与收据树相关
• Difficulty：挖矿难度
• Time：时间戳
• MixDigest：对 Nonce 进行一些运算后得到的哈希值
• Nonce：挖矿的随机数

区块：

• header ：指向 block header 的指针
• uncles：指向叔块们的指针数组
• transactions：交易列表

区块链上的真正内容：

• Block 的前三项

值的存储(key,value) #

方法：序列化后存储；RLP

• Recursive Length Profix
• 方法：nested array of bytes
• 特性：
  • 任何东西都转换为一串字符数组储存
  • 字符数组可以嵌套

以太坊交易树和收据树 #

收据树 #

• 产生：每个交易会生成一个收据
• 功能：方遍查询智能合约执行结果
• bloom filter
  • 用处：查找指定元素是不是在集合中
  • 实现：
    • 将集合用哈希函数生成一个很小的摘要
      • 
    • 通过一组哈希实现多次过滤
  • 实际应用：
    • 每个交易收据包含一个bloom filter；记录：
      • 交易类型
      • 地址
      • ...
    • 块头包含所有bloom filter的并集
    • 查找信息时可以通过使用块头的bloom filter直接过滤掉大量无关区块

以太坊运行过程 #

• 交易驱动的状态机(transaction-driven state machine); 状态转移必须是确定的
• 问题:为什么区块链state tree中不止保存与本区块相关交易的状态？
  • 查找一个账户余额变得困难
  • 特别如果交易涉及新账户，则需要一直找到创世块才可以知道结果

代码数据结构 #

• bloom filter 长度为2048位
• ...自己看

以太坊GOHST协议 #

产生原因 #

• 分叉是常态
• 若分叉常见
  • 矿池挖出的区块成为最长合法链的概率很大
  • 矿池在网络中位置好，多个矿工同时出块可能矿池的块先到
  • 由于上述原因：一份算力成长可能带来多份收益(Centralization bias 集中偏见)

实现机制 #

uncle block：

• 实现
  • 叔父区块拥有 7/8 的出块奖励
  • 包含叔的块可以额外拿 1/32 的出块奖励
  • 一个块最多两个叔
  • 包含叔块但不包含叔的交易
    • 甚至不检查交易合法性
    • 检查是不是一个合法发布的区块；是不是符合挖矿难度
• 用处：招安其他的链
• 问题
  • 若有第三个叔无法包含
  • 若挖出来之前都没叔出现，则拿不到额外奖励
  • 矿池竞争，故意不让竞争对手当叔
• 改进一
  • 
  • 认叔叔不限辈分，可以回溯；若不限制辈分则可以；不停产生合法分叉等着之后被友军包含
• 改进二
  • 
  • 必须与当前区块在 7代 内有共同祖先
  • 好处：鼓励提早合并

实例 #

• 
  • 叔区块列表
  • 每个叔一行
• 
  • 包含叔的块

以太坊挖矿算法 #

挖矿意义 #

Block chain is secured by mining

ASIC resistance #

方案 #

• memory hard mining puzzle
  • 原因：
    • ASIC 芯片在运算时性能爆炸；并行计算等方法
    • 但内存读写速度很难有大的代差
  • 例子
    • 使用 Scrypt 作为哈希函数
      • 用于 LiteCoin
      • Scrypt
        • 
        • 过程：
          • 开一个大数组
          • 按顺序填一些伪随机数；第一个填一个种子节点生成的随机数；之后每个数是前一个的哈希
          • 解 puzzle 时；每次读取一个数；读取的数与上个读取的数相关
        • 好处：若数组够大；不在内存保存数组会带来巨大的计算开销
        • 坏处：对轻节点 memory hard
    • 以太坊
• proof of stake；就算我是吓唬人又如何？

弊端 #

调集大量挖矿算力变得容易；不用买矿机 云计算就够

以太坊 #

两个数据集 #

• 16M cache(轻节点保存)
• 1G dataset(DAG)(全节点保存)
• 定期增长

运行 #

• cache 的生成同 LiteCoin
• 生成更大的数组
  • 在 cache 中读取256次，这256个数经过运算生成一个数填入 dataset； 类似 LiteCoin 解puzzle
  • 循环上述操作直到 dataset 满
• 解 puzzle
  • 用 blcok header 和 nonce 算出值，映射到 dataset 中的位置
  • 读取该位置与该位置相邻位置的数
  • 继续运算出下一个要读取的位置
  • 比较最终得到的128个数的 hash 和目标难度

ethash算法伪代码 #

• 生成 cache
  • 通过 seed 生成 cache
  • 
  • 过程：
    • cache中元素按序生成：每个元素产生时与上一个元素相关
    • 每隔30000个块会重新生成seed：(对原来的seed求哈希值)；利用新的seed生成新的 cache；
    • cache的初始大小为16M；每隔30000个块重新生成时增大初始大小的 1/128——128K
• 通过 cache 生成 dataset中第 i 个元素
  • 
  • 过程：
    • datase (DAG) 初始大小 1G；每隔30000个块更新,同时增大初始大小的1/128；8M
    • 通过 cache 中的第 (i% cache_size)个元素生成初始的mⅸ
      • 两个不同的 dataset元素能对应同一个 cache中的元素
      • 为了保证每个初始的mix都不同, i 也参与了哈希计算
    • 循环256次
      • 每次通过 get_int_from_item 根据当前的mⅸ值求得下一个要访问的cache元素的下标
      • 用这个 cache 元素和 mix 通过 make_item 求得新的 mix 值；由于初始的mⅸ值不同所以访问 cache 的序列也都不同
    • 返回mⅸ的哈希值,得到第 i 个 dataset中的元素
    • 多次调用这个函数,就可以得到完整的dataset
• 生成 dataset
  • 
  • 反复调用 calc_dataset_item 生成完整 dataset；共full_size个元素
• 挖矿与验证
  • 矿工挖矿
    • 
    • 通过 heade和 nonce求出一个初始的mix
    • 进入64次循环
    • 根据当前的mix值求出要访问的 dataset的元素的下标；full_size 为 dataset 的 size
    • 临时计算出用到的 dataset
    • 最后返回mix的哈希值，用来和 target比较
  • 挖矿与验证

ASIC resistance #

• 挖矿法
• proof of stake

币种的金钱属性 #

• pre-mining
  • 创始人先挖(相当于拿股票)
  • Genesis 部分：
    • 
• pre-sale； 卖 pre-mining 的币(相当于众筹)

以太币趋势 #

• 算力分布：
• 币值：
• 市值：
• HashRate(所有矿工每秒计算哈希次数)：

以太坊挖矿难度调整 #

公式 #

• H ：当前区块
• Hi ：区块序号
• D(H) ：本区块的难度
• P(H)Hd ：父区块难度
• x * ζ2 ：
  • 
  • x ：
    • 调整力度
    • 父区块难度的 1/2048
  • ζ2 ：
    • y ：与父区块 uncle 数有关
      • 父区块有uncle y=2
      • 父区块无uncle y=1
    • 
      • Hs ：当前区块时间戳
      • P(H)Hs ：父区块时间戳
      • Hs-P(H)Hs ：出块时间
• ε 难度炸弹：
  • 
  • 设立原因：方便之后转入 proof of stake；挖矿指数性变难
    • Hi ：当前区块序号
    • -3000000
      • proof of stake 没弄出来，差点把自己炸死
      • 争取了一年半
      • 效果：

以太坊发展四个阶段 #

下调奖励：对之前的矿工公平

• Forntier
• Homestead
• Metropolis
  • Byzantium
  • Constantinople
• Serenity

代码 #

基础 #

• bigTime：当前区块时间戳
• bigParentTime：父区块时间戳

炸弹 #

-2999999；依照的是父区块

难度统计 #

• 难度：
• 出块时间：
• Total Difficulty：
  • Total Difficulty：
    • 所在链总难度
    • 最长合法链为最难合法链

权益证明 #

提出原因 #

Proof of work 费电

Bitcoin #

• 能耗趋势

  • 比特币挖矿能耗（单位 TWH = 10^9 KWH）

• 分析:

  • 能耗
    • 69.95 TWH
    • 相当于智利整个国家的能耗
    • 647w个 美国家庭能耗
    • 占世界能耗 0.31%
    • 每个交易1000度电;34.26个家庭能耗
  • 利润
    • $60亿（利润）
    • $34亿（能耗）

Ethereum #

• 能耗趋势
  • 
• 分析
  • 能耗
    • 19.78 TWH
    • 冰岛年能耗
    • 54w个美国家庭
    • 每个交易67度电; 2.25个美国家庭
    • 占世界能耗 0.09%
  • 利润
    • $50亿（利润）
    • $23.7亿（能耗）

费电好处 #

好多电本来也是过剩产能

Proof of stake (virtual mining) #

• 开发时
  • 留钱给开发者
  • 或出售众筹
• Proof of Deposit: 用冻结币一段时间的方法降低挖矿难度
• 优势
  • 省电
  • Proof of work 维护区块链的资源不是闭环
    • Proof of work是从外界买到的
      • 矿机
      • AltCoin Infanticide; Infant(婴孩)
    • Proof of stake 被攻击会很爽。。
• 问题: 分叉两边下注
• ETH 中的协议：Casper the Friendly Finality Gadget (FFG)
  • 意义：包含在 Finality 中的交易不会被取消
  • 实现：
    • Validator(验证者)
      • 投入一定保证金（抵押）
      • 正常完成任务可以获得奖励
      • 如果不作为使得系统无法达成统一会被扣保证金 （惩处）
      • 如果胡作非为（两边下注）会被扣完保证金 （惩处）
      • 验证者有任期
        • 任期之间有等待期
        • 等待期时可以对验证者工作进行评估举报 （上述**（惩处）** 方式）
        • 等待期结束正常的验证者可以取回保证金和奖励
      • 被扣的钱直接销毁
    • 每100个 block 为一个 epoch
      • 对epoch进行投票
        • 2/3 保证金同意才算有效
        • 两阶段(two-phase commit)
          • Prepare Message ；2/3
          • Commit Message ； 2/3
        • 
      • 优化后 50 block一组epoch
        • 本次投票为前一次的 Commit Message 为本次 Prepare Message
        • 连续两次投票通过才算通过
        • 
• EOS 中的协议：DPOS：Delegated Proof of Stake
  • 投票选21个超级节点
  • 超级节点产生区块

以太坊智能合约 #

定义 #

• 运行在区块链上的一段代码
• 代码的逻辑定义了合约的内容

内容 #

• balance： 余额
• nonce ： 交易次数
• code ：合约代码
• storage ： 存储（一颗MPT）

实例 #

如何调用Smart Contract #

外部账户调用 #

• 
  • sender：发送者
  • To contract ： 目标合约
• 对合约发起转账交易极为调用
• 在data注明调用的函数； 红色

合约调用 #

• 直接调用
  • 地址转为合约类型调用
    • 
    • 被调用合约异常 调用者异常
  • 直接用地址call
    • 
    • 被调用者异常，call返回 false 调用者不异常
  • dalegatecall
    • 
• fallback函数

Smart Contract 创建和运行 #

• 创建合约
  • 外部帐户发起一个转账交易到0X0的地址
  • 转账的金额是0,但是要支付汽油费
  • 合约的代码放在data域里
• 智能合约运行在EVM( Ethereum Virtual Machine)上； 增强可移植性
• 执行
  • 以太坊是一个交易驱动的状态机
  • 调用智能合约的交易发布到区块链上后
  • 每个矿工都会执行这个交易
  • 从当前状态确定性地转移到下一个状态
• gas fee
  • 
  • 不可知是否会死循环
  • 交易数据结构
    • 
      • Price：单位gas 费
      • GasLimit：最多愿意付多少
      • Recipient：收款地址
      • Amount：转账金额
      • Payload：data域
  • 执行
    • 先扣 Price * GasLimit
    • 多退 少回滚
• 错误处理
  • 智能合约中不存在自定义的try- catch结构
  • 一旦遇到异常,除特殊情况外,本次执行操作全部回滚
  • 可以抛出错误的语句
    • assert(bool condition)如果条件不满足就抛出 ；用于内部错误
    • require(bool condition)如果条件不满足就抛掉；用于输入或者外部组件引起的错误
    • revert()终止运行并回滚状态变动
• 嵌套调用
  • 
    • call不会回滚
    • 转成合约类型会回滚
• Gas
  • Gas Limit ：每个区块可以被上调下调 1/1024
  • 怎么扣
    • 全节点收到调用的时候从本地减掉目标账户汽油费
    • 之后执行合约，多退少补
  • 发布到区块链上的交易不一定都是成功执行的； 要扣崽种们的gas fee
  • 弊端
    • 没挖出矿的白花了运行合约的计算资源
    • 算力小的节点特别吃亏
• Receipt 数据结构
  • 
    • Status：交易执行情况

智能合约可以得到的信息 #

• 区块链信息：
• 调用信息：
• 地址类型：
  • transfer
    • 失败回滚
    • gas上限2300
  • send
    • 失败return false
    • gas上限2300
  • call.value()
    • 失败return false
    • gas为本次剩余gas

例子：简单拍卖 #

• 版本一（有错）

  • 
  • 

• 版本二

  • 还是有错：
  • 修改方式：
    • 先清零再转账
    • 不用 call 转账
  • 版本二·改：
    • 

以太坊 The DAO #

提出理念 #

• DAO Decentralized Autonomous Organization (去中心化自治组织)
• DAC Decentralized Autonomous Corporation (去中心化自治公司)

实例 #

The DAO

• 设计理念
  • 功能
    • 众筹投资; ETH换代币
    • 按代币民主投票
    • 投资后可以返现
  • 取回收益
    • split DAO
    • child DAO
    • 用于拆分出独立系统；拆分后的系统投资给自己；锁定28天之后获得退款
• 代码
  • 
    • 重入
• 问题
  • 
• 补救
  • 锁定账户
    • 增加大家都不能和The DAO 相关账户交易的新规则；软分叉
    • 问题：出现不合规定(和 The DAO 发生交易的)交易不收崽种们的gas fee ，被攻击了
  • 将TheDAO 所有钱打到一个新合约，新合约退钱
    • 所有矿工挖到第192w个区块的时候自动把TheDAo中的钱转走（硬转 不用签名）
    • 问题：
      • 投票的人很少
      • 很多人不认可多数人对
      • 导致很多人留在旧链；ETC；Ethereum Classic

以太坊 反思 #

以太坊 反思以及智能合约

• Is smart contract really smart?(智能合约智能吗？） Smart contract is anything but smart
• 不可篡改性是双刃剑
  • Irrevocability is a double edged sword
  • 有错难改
    • 不可改代码
    • 不可阻止对合约的调用
• Nothing is irrevicable(没有什么是不可篡改的)
• Solidity 语言
  • Is solidity the right programming language?（Solidity 语言设计上有问题）
    • 与人的思维模式不同，容易出错；给别人转账还会调用别人的函数
    • 语言验证目标；formal verification；证明代码只能做指定的事
  • 编写智能合约的语言要有什么特点
    • 不一定图灵完备
    • 但能实现目标功能
  • 解决方法：智能合约模板
• 为什么开源的bug还没人发现？
  • Many eyeball fallacy
    • 没人愿意看
    • 觉得大家都看了
  • 要检查
• What does decentralization mean?(去中心化代表什么？)
  • 之所以可以成功硬分叉是因为大部分矿工（90%）同意分叉
  • 用去中心化的方式修改规则
  • 分叉也是区中心化系统的用户权力；恰恰是民主的体现
• decentralized ≠ distributed(去中心化不是分布式) 智能合约 为 State machine
  • state machine
    • 目的是容错
      • 几台计算机重复相同操作
      • 一台机子故障其他顶上
      • 机子越多越慢
    • 最初应用场景；mission critical applications
      • air traffic contril
      • stock exchange
      • space shuttle
  • 是用来达成共识的

以太坊 美链 #

背景 #

ERC20

• Ethereum Request for Comments
• 代币发行规范

Beauty Chain(一种代币) #

ICO #

代币以智能合约的形式运行在以太坊平台上

问题 #

• 
• 
  • 溢出攻击

攻击细节 #

• 参数
  • 
    • [0]： _receivers 数组的存储地址为 0x40 = 64 从 [2] 开始
    • [1]： __value 巨大
    • [2]： 数组长度 2
    • [3]： 地址
    • [4]： 地址
• 交易
  • 
• 攻击结果
  • 

反思 #

数字运算要考虑溢出；SafeMath库

以太坊 总结 #

应用：

• 不可：
  • 保险理赔
  • 有机蔬菜
• 使用去中心化技术的商业模式不一定不是中心化
• 没有法律保护
• 应该用在已有系统解决的不太好的地方；全球之间的支付
  • 价值随信息传播
  • Information can flow freely on the Internet, but payment cannot
• 支付低效
  • 不该与已有系统竞争
  • 效率在增加
  • 效率要比较才知道（历史环境） 比如电报
• 程序不易读
• If the business model is bad. it's still bad on the Internet；同样适用于 区块链