理论

定义

  • 狭义上指将数据区块以时间顺序存储作为数据结构，以密码学方式保证不可篡改和伪造的分布式帐本
  • 广义上指以块链式数据结构存储数据，以分布式节点共识算法更新和新增数据，以密码学方式保证数据访问以及传输的安全性，以自动化脚本构建的智能合约，编程和操作数据的分布式基础架构和计算范式
  • 区块链是一种数据存储形式，具有高安全性以及去中心化，可以在交易中省去第三方，节省成本
  • chain of block是一种将数据作为区块通过哈希链接成链的结构，区块链是通过密码学，p2p等技术维护这个数据结构安全性，完整性等的综合技术体系

特点

去中心化是区块链最本质的特征

安全保证

采用最长链原则，挖矿的难度，全网矿工共同挖矿，预设协议要求hash值具有特殊性保证了想要修改历史数据是很困难的。

区块链的信任机制

  •  比特币系统的信任机制：在比特币蔓延全球之后，没有个体或者机构可以占据所有矿工算力的百分之五十一，但是算力太集中也会很大程度拥有比特币的话语权，会降低区块链的去中心化程度
  • 以太坊的信任机制：记账的概率比重需要支付以太坊的虚拟货币作为保证金，从而增大恶意记账的代价，以此背书来作为信任机制，但是依赖于核心技术的运维团队等，也会降低区块链的去中心化程度
  • 联盟链的信任机制：参与者进入管控，参与者身份明确，参与者在现实生活中可被信任，交易记录可审计，回溯，交易代价可补救，恶意交易造成的损失巨大，区块链本身数据难篡改，易验证，故而可信

分类

公有链

部署在全网，任何一台联网计算机都可以作为一个节点参与，不利于监管

私有链

拥有者是一个主体或者个人，部署，安全，公平，以及管理等都由这个主题或者私人制定

联盟链

是部分人参与治理的区块链，参与者的身份需要经过验证，在保证安全性的同时，保证了合规经营，可监管等特性，适合金融，司法等政府部门希望纳入监管，保证安全的领域

 

结构

区块链是将区块以时间顺序存储的数据结构

区块

  1. 区块主要由区块身和区块头构成
  2. 区块的哈希值又区块头计算得到

区块头

  • 区块版本号：表明协议的版本情况
  • 父区块签名：除了创世块，每一个区块都包含上一个区块的签名，以此来证明两个区块是存在链接的
  • MerkleRoot hash：将交易信息构建成一个merkle树（以交易数据块作为叶子节点，通过计算叶子节点的哈希值后组合成为父节点数据，父节点数据计算出来哈希值后又作为父节点的父节点的数据，以此类推，可以计算出根节点的哈希值），merkle树的根hash值就是Merkle Root hash，由于hash值的敏感性，所以这个值可以看作区块包含的交易信息的指纹
  • 随机数：是区块信息中可以更改并且不改变信息意义的数据，只能由数字构成，修改nonce的意义是为了使得数据形成的签名是符合该区块链的预设协议的
  • 时间戳：创建预备节点的时间，一般精确到秒
  • 目标hash：与挖矿难度挂钩，目标hash越低，挖矿难度越高，修改随机数后获得的hash值低于目标hash的新区快才可能是合法区块

区块身

  • 交易计数器
  • 交易详细信息

 

名词解释

挖矿

  •  在元数据以及交易信息不变的情况下，通过修改nonce,使得一整个字符串的hash值是符合预设协议规定的格式，比如以六个0开头等
  • 随着挖矿难度的增加，修改nonce不一定可以得到合法区块，还可以调整出块奖励交易中的coinbase部分，这部分也被称作extra nonce

 

最长合法链原则

每一个矿工都有权限往现有链条上新增区块，但是节点只认最长合法链，其他的分支会被抛弃

 

分叉

  • 分叉分为软分叉和硬分叉
  • 软分叉：协议出现更新后，旧协议产生的区块新协议认为不合法，新协议产生的区块旧协议认为合法，那么旧协议会一直尝试产生区块，但是上链后不被更新后的节点认可，如果更新后的节点算力占了多数，那么旧协议节点就会一直尝试产生区块，但是区块上不了链，后又从新协议节点产生的最长合法链维护，但是仍然上不了链。
  • 硬分叉：协议更新后，旧协议认为新协议不合法，那么新协议一旦产生了新区块，新协议维护的链就不被旧协议节点认可，旧协议就会一直维护自己的链，此时会产生永久性的分叉，直到协议更新

 

状态树

  • 以太坊中的状态数是一颗MPT树，通过将地址逐位遍历的方式构建的树，比如两个地址的前面十位相同，那么两个地址的前面十位便是同一路径，当两个地址的十一位不同后，便出现了分支
  • 每个节点保存一个地址位，比如第十层的节点都保存地址的第十位，节点中存储的内容包括账户信息，比如余额或者是合约账户保存合约内容以及合约执行状态等
  • 有时候一条路径到底都只表示一个账户的地址，没有出现分叉，就会浪费很多个节点，只保存一个地址位，却要浪费一个节点，所以为了节省空间，会将一条没有分叉的路径合成一个节点，节点中存储了多个地址位作为key。

交易树

将交易作为叶子节点构建的Merkle树，可以有效防止交易内容被纂改

收据树

在以太坊中，交易不止是转账，还有合约执行等复杂的数据，所以为了方便查询，每次交易会产生一个收据，可以合成收据树，收据树中的节点是和交易树中的节点一一对应的。 

Bloom Filter

在以太坊中，为了方便查找采用的一种无关区块过滤方式。将一个集合中的单个数据通过运算H后产生一个128以内的数字，在区块头中放置一个128位的数字，每个数据运算过后得到n，就将第n位置1，这样在查询的时候可以先通过H方法计算某个数据得到m，查看区块头中的Bloom字段中的m位是否为1，如果是0，那么这个区块中肯定不包含目标数据，但是如果是1，那就可能包含，因为有可能是产生碰撞，但是接下来再继续查询，也可以过滤掉大量无用的区块，节省查询时间。

 

疑问

 1.区块链数据的难篡改的特性保证了数据存储的安全，怎么从账户的信息方面保证数据的访问安全？

 答：账户的账号以及密码管理和登录等与其他系统类似，没有特别的创新。

2.基于账户的区块链系统的具体含义

 答：比特币系统中，是地址拥有未消费的比特币，生成地址的密钥拥有消费这部分比特币的能力。而基于账户的系统指的是，系统中存在一棵存储账户信息的树，系统的其他信息存在的目的大多是服务这个账户树上的账户。

3.基于UTXO时，UTXO存储在哪，是每次需要知晓余额的时候去区块遍历么

 答：猜测是UTXO普通存储，只不过使用的时候可以去区块中查找相应交易，验证UTXO是否符合。

 4.比特币中时间戳是指区块哈希值还是指事实上的时间戳，在大话区块链中，比特币中的时间戳为了保证交易顺序防止双重支付，对时间戳看得很重，似乎是将区块之间的链接哈希看作了时间戳交给矿工验证，所以比特币的交易信息中有没有时间戳，矿工验证交易是看区块哈希还是看时间戳。

 

参考

https://baike.baidu.com/item/%E5%8C%BA%E5%9D%97%E9%93%BE/13465666?fr=aladdin

https://www.miyoushe.com/ys/article/31771874

https://www.jb51.net/blockchain/801891.html

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1671528398516092015&wfr=spider&for=pc