区块链学习

比特币中的密码学

比特币主要应用了密码学中的两个技术:哈希、签名

哈希

哈希函数性质:
collision resistance:很难人为的制造哈希碰撞,也就是说很难人为去制造一个哈希值一样的输入。
hiding:从哈希值无法反推到输入(前提是输入空间足够大,且分布均匀)。
puzzle friendly:很难通过输入值来预测哈希输出。
比特币中使用的哈希函数:SHA-256。

签名

在比特币中,创建一个账户只用在本地创建一个公私钥对即可。私钥用于签名,认证比特币中的交易身份。

比特币中的数据结构

区块链

用哈希指针所形成的链表:


区块链.jpg

上图就是一个小型区块链,最左边的区块是系统中产生的第一个区块,叫做创世纪块,最右边的区块是最近产生的区块。每一个区块分为两部分:块头和块身。每一个区块都包含指向前一个区块的哈希指针(前一个区块整个取哈希),存在块头里。最后一个区块也有一个哈希指针,保存在系统里。
使用哈希指针的好处是,只要我们保存好系统里最后一个区块的哈希指针,就可以防止任何人试图修改整条区块链任何位置的信息(改了任何地方,都会导致与系统里保存的最后一个区块的哈希指针对不上)。有了这个性质后,比特币中有些节点就不一定要保存整条区块链的内容了,比如说它可以只保存最近的几千个区块,以前的区块就不用存了。如果要用到以前的区块,可以向系统中的其它节点要这些区块,并且可以通过哈希指针判断其它节点提供的区块是否正确。

Merkle tree

Mercle tree.jpg

在比特币中,各个区块通过哈希指针连接在一起,每个区块所包含的交易是组织成一个Merkle tree,如上图,蓝色的链表就是一个小型的区块链,而下方就是其中一个区块里的Merkle tree,树的最底层就是每一笔的交易,对这些交易取哈希,然后形成的二叉树就是一个Merkle tree。树的根哈希值存在对应区块的块头里,而具体的交易信息则存在块身里

比特币里的节点分为两类,一类是全节点,它包含整个区块的信息。另一类是轻节点(手机钱包),它只保存了块头,所以它并不知道本区块具体有哪些交易。当轻节点需要证明它所在区块里存在某笔特定交易时,如上图,它会向某个全节点请求可以证明黄色交易存在的Merkle proof(相邻路径的哈希值,也就是红色的哈希值,如果这个交易不存在,这个Merkle proof肯定是不存在的,但有人可能会冒充),然后轻节点会自己计算上图绿色的哈希值,最后计算出根哈希值,并与存在块头里的根哈希值进行比较,如果哈希值一样,则说明这笔交易存在
另外一提,轻节点如何证明A交易不存在?对Mercle tree的叶子节点按哈希值大小排序,然后算出A交易的哈希值,然后向全节点所要与这个哈希值相邻的两个交易的Merkle proof,如果轻节点通过这两个proof可以计算出正确的根哈希值,则说明这两个交易在Merkle tree里本就是相邻的,不存在A交易。比特币并不支持这样的方法,因为它的叶子节点不是有序的。

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