區(qū)塊鏈原理-附代碼

1、區(qū)塊鏈原理詳解_billing,2017 . 01,目錄,區(qū)塊鏈簡介,1,特征及分類,2,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),3,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),4,核心問題,5,前景展望,6,3,1.區(qū)塊鏈簡介,區(qū)塊鏈技術(shù)是構(gòu)建比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)與交易信息加密傳輸?shù)幕A(chǔ)技術(shù)。它基于密碼學(xué)原理而不基于信用，使得任何達(dá)成一致的雙方直接支付，從而不需要第三方中介的參與,互聯(lián)網(wǎng)上的貿(mào)易，幾乎都需要借助可資信賴的第三方信用機(jī)構(gòu)來處理電子支付信息。這類系統(tǒng)仍然內(nèi)生性地受制于“基于信用的模式,背景,4,1.區(qū)塊鏈簡介,區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式賬本，一種通過去中心化、去信任的方式集體維護(hù)一個(gè)可靠數(shù)據(jù)庫的技術(shù)方案,定義,從數(shù)據(jù)的角度來看 區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N幾乎不可能被

2、更改的分布式數(shù)據(jù)庫。這里的“分布式”不僅體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)，也體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布式記錄（即由系統(tǒng)參與者共同維護(hù),從技術(shù)的角度來看 區(qū)塊鏈并不是一種單一的技術(shù)，而是多種技術(shù)整合的結(jié)果。這些技術(shù)以新的結(jié)構(gòu)組合在一起，形成了一種新的數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)和表達(dá)的方式,5,1.區(qū)塊鏈簡介,國際權(quán)威雜志經(jīng)濟(jì)學(xué)人、哈佛商業(yè)周刊、福布斯雜志等相繼報(bào)道區(qū)塊鏈技術(shù)將影響世界,創(chuàng)業(yè)公司r3聯(lián)合全球42家頂級(jí)銀行成立區(qū)塊鏈聯(lián)盟，包括摩根大通、美國銀行、匯豐銀行、花旗銀行、富國銀行、三菱ufj金融集團(tuán)、巴克萊銀行、高盛、德意志銀行等,動(dòng)態(tài),目錄,區(qū)塊鏈簡介,1,特征及分類,2,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),3,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),4,核心問題,5,前

3、景展望,6,7,2.特征及分類,特征,去中心，去信任 區(qū)塊鏈由眾多節(jié)點(diǎn)共同組成一個(gè)端到端的網(wǎng)絡(luò)，不存在中心化的設(shè)備和管理機(jī)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換通過數(shù)字簽名技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，無需互相信任，只要按照系統(tǒng)既定的規(guī)則進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)之間不能也無法欺騙其它節(jié)點(diǎn),開放，共識(shí) 任何人都可以參與到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，每一臺(tái)設(shè)備都能作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都允許獲得一份完整的數(shù)據(jù)庫拷貝。節(jié)點(diǎn)間基于一套共識(shí)機(jī)制，通過競爭計(jì)算共同維護(hù)整個(gè)區(qū)塊鏈。任一節(jié)點(diǎn)失效，其余節(jié)點(diǎn)仍能正常工作,2.特征及分類,特征,不可篡改，可追溯 單個(gè)甚至多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的修改無法影響其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫，除非能控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中超過51%的節(jié)點(diǎn)同時(shí)修改，這幾乎不可能發(fā)

4、生。區(qū)塊鏈中的每一筆交易都通過密碼學(xué)方法與相鄰兩個(gè)區(qū)塊串聯(lián)，因此可以追溯到任何一筆交易的前世今生,交易透明，雙方匿名 區(qū)塊鏈的運(yùn)行規(guī)則是公開透明的，所有的數(shù)據(jù)信息也是公開的，因此每一筆交易都對(duì)所有節(jié)點(diǎn)可見。由于節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間是去信任的，因此節(jié)點(diǎn)之間無需公開身份，每個(gè)參與的節(jié)點(diǎn)都是匿名的,2.特征及分類,分類,聯(lián)盟鏈 由若干機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起，介于公有鏈和私有鏈之間，兼具部分去中心化的特性,私有鏈 建立在某個(gè)企業(yè)內(nèi)部，系統(tǒng)的運(yùn)作規(guī)則根據(jù)企業(yè)要求進(jìn)行設(shè)定，修改甚至是讀取權(quán)限僅限于少數(shù)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)仍保留著區(qū)塊鏈的真實(shí)性和部分去中心化的特性,公有鏈 無官方組織及管理機(jī)構(gòu)，無中心服務(wù)器，參與的節(jié)點(diǎn)按照系統(tǒng)規(guī)則自

5、由接入網(wǎng)絡(luò)、不受控制，節(jié)點(diǎn)間基于共識(shí)機(jī)制開展工作,目錄,區(qū)塊鏈簡介,1,特征及分類,2,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),3,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),4,核心問題,5,前景展望,6,11,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),科普,數(shù)字簽名 數(shù)字簽名涉及到一個(gè)哈希函數(shù)、發(fā)送者的公鑰、發(fā)送者的私鑰。數(shù)字簽名有兩個(gè)作用，一是能確定消息確實(shí)是由發(fā)送方簽名并發(fā)出來的。二是數(shù)字簽名能確定消息的完整性,工作原理 發(fā)送報(bào)文時(shí)，發(fā)送方用一個(gè)哈希函數(shù)從報(bào)文文本中生成報(bào)文摘要，然后用自己的私鑰對(duì)摘要進(jìn)行加密，加密后的摘要將作為報(bào)文的數(shù)字簽名和報(bào)文一起發(fā)送給接收方，接收方首先用與發(fā)送方一樣的哈希函數(shù)從接收到的原始報(bào)文中計(jì)算出報(bào)文摘要，接著再用發(fā)送方的公鑰來對(duì)報(bào)文附加的數(shù)字

6、簽名進(jìn)行解密，如果這兩個(gè)摘要相同、那么接收方就能確認(rèn)該數(shù)字簽名是發(fā)送方的,12,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),科普,sha256 一種求hash值的加密算法,工作原理 將任何一串?dāng)?shù)據(jù)輸入到sha256將得到一個(gè)256位的hash值（散列值）。其特點(diǎn)：相同的數(shù)據(jù)輸入將得到相同的結(jié)果。輸入數(shù)據(jù)只要稍有變化（比如一個(gè)1變成了0）則將得到一個(gè)千差萬別的結(jié)果，且結(jié)果無法事先預(yù)知。正向計(jì)算（由數(shù)據(jù)計(jì)算其對(duì)應(yīng)的hash值）十分容易。逆向計(jì)算（俗稱“破解”，即由hash值計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)）極其困難，在當(dāng)前科技條件下被視作不可能,13,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),merkle tree 一種哈希二叉樹，使用它可以快速校驗(yàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的完

7、整性。在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，merkle 樹被用來歸納一個(gè)區(qū)塊中的所有交易信息，最終生成這個(gè)區(qū)塊所有交易信息的一個(gè)統(tǒng)一的哈希值，區(qū)塊中任何一筆交易信息的改變都會(huì)使得使得 merkle 樹改變,科普,工作原理 非葉子節(jié)點(diǎn)value的計(jì)算方法是將該節(jié)點(diǎn)的所有子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合，然后對(duì)組合結(jié)果進(jìn)行hash計(jì)算所得出的hash value,14,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),時(shí)間戳服務(wù)器 大多用來進(jìn)行比對(duì)以及驗(yàn)證處理，時(shí)間戳服務(wù)器是一款基于pki（公鑰密碼基礎(chǔ)設(shè)施）技術(shù)的時(shí)間戳權(quán)威系統(tǒng)，對(duì)外提供精確可信的時(shí)間戳服務(wù)。它采用精確的時(shí)間源、高強(qiáng)度高標(biāo)準(zhǔn)的安全機(jī)制，以確認(rèn)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)在某一時(shí)間的存在性和相關(guān)操作的相對(duì)時(shí)間順序，為信

8、息系統(tǒng)中的時(shí)間防抵賴提供基礎(chǔ)服務(wù),科普,15,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),本章節(jié)后續(xù)內(nèi)容，均以比特幣網(wǎng)絡(luò)特性展開闡述,16,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),任何機(jī)器都可以運(yùn)行一個(gè)完整的比特幣節(jié)點(diǎn)，一個(gè)完整的比特幣節(jié)點(diǎn)包括如下功能： 錢包，允許用戶在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行交易 完整區(qū)塊鏈，記錄了所有交易歷史，通過特殊的結(jié)構(gòu)保證歷史交易的安全性，并且用來驗(yàn)證新交易的合法性 礦工，通過記錄交易及解密數(shù)學(xué)題來生成新區(qū)塊，如果成功可以賺取獎(jiǎng)勵(lì) 路由功能，把其它節(jié)點(diǎn)傳送過來的交易數(shù)據(jù)等信息再傳送給更多的節(jié)點(diǎn),除了路由功能以外，其它的功能都不是必須的,17,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),交易過程,18,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),交易過程,第2步

9、：a將交易單廣播至全網(wǎng)，比特幣就發(fā)送給了b，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將收到的交易信息納入一個(gè)區(qū)塊中,第1步：所有者a利用他的私鑰對(duì)前一次交易（比特貨來源）和下一位所有者b簽署一個(gè)數(shù)字簽名，并將這個(gè)簽名附加在這枚貨幣的末尾，制作成交易單,要點(diǎn)：b以公鑰作為接收方地址,要點(diǎn)：對(duì)b而言，該枚比特幣會(huì)即時(shí)顯示在比特幣錢包中，但直到區(qū)塊確認(rèn)成功后才可用。目前一筆比特幣從支付到最終確認(rèn)成功，得到6個(gè)區(qū)塊確認(rèn)之后才能真正確認(rèn)到帳,19,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),交易過程,第3步：每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過解一道數(shù)學(xué)難題，從而去獲得創(chuàng)建新區(qū)塊權(quán)利，并爭取得到比特幣的獎(jiǎng)勵(lì)（新比特幣會(huì)在此過程中產(chǎn)生,要點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)反復(fù)嘗試尋找一個(gè)數(shù)值，使得將該數(shù)值、區(qū)塊

10、鏈中最后一個(gè)區(qū)塊的hash值以及交易單三部分送入sha256算法后能計(jì)算出散列值x（256位）滿足一定條件（比如前20位均為0），即找到數(shù)學(xué)難題的解。由此可見，答案并不唯一,第4步：當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)找到解時(shí)，它就向全網(wǎng)廣播該區(qū)塊記錄的所有蓋時(shí)間戳交易，并由全網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)核對(duì),要點(diǎn)：時(shí)間戳用來證實(shí)特定區(qū)塊必然于某特定時(shí)間是的確存在的。比特幣網(wǎng)絡(luò)采取從5個(gè)以上節(jié)點(diǎn)獲取時(shí)間，然后取中間值的方式作為時(shí)間戳,20,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),交易過程,第5步：全網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)核對(duì)該區(qū)塊記賬的正確性，沒有錯(cuò)誤后他們將在該合法區(qū)塊之后競爭下一個(gè)區(qū)塊，這樣就形成了一個(gè)合法記賬的區(qū)塊鏈,要點(diǎn)：每個(gè)區(qū)塊的創(chuàng)建時(shí)間大約在10分鐘。隨著全網(wǎng)

11、算力的不斷變化，每個(gè)區(qū)塊的產(chǎn)生時(shí)間會(huì)隨算力增強(qiáng)而縮短、隨算力減弱而延長。其原理是根據(jù)最近產(chǎn)生的2016年區(qū)塊的時(shí)間差（約兩周時(shí)間），自動(dòng)調(diào)整每個(gè)區(qū)塊的生成難度（比如減少或增加目標(biāo)值中0的個(gè)數(shù)），使得每個(gè)區(qū)塊的生成時(shí)間是10分鐘,目錄,區(qū)塊鏈簡介,1,特征及分類,2,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),3,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),4,核心問題,5,前景展望,6,22,4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),區(qū)塊鏈,區(qū)塊鏈以區(qū)塊為單位組織數(shù)據(jù)。全網(wǎng)所有的交易記錄都以交易單的形式存儲(chǔ)在全網(wǎng)唯一的區(qū)塊鏈中,23,4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),區(qū)塊是一種記錄交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊主體組成，區(qū)塊主體只負(fù)責(zé)記錄前一段時(shí)間內(nèi)的所有交易信息，區(qū)塊鏈的大部分功能都由區(qū)塊頭實(shí)現(xiàn)

12、,區(qū)塊,24,4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),區(qū)塊頭,版本號(hào)，標(biāo)示軟件及協(xié)議的相關(guān)版本信息 父區(qū)塊哈希值，引用的區(qū)塊鏈中父區(qū)塊頭的哈希值，通過這個(gè)值每個(gè)區(qū)塊才首尾相連組成了區(qū)塊鏈，并且這個(gè)值對(duì)區(qū)塊鏈的安全性起到了至關(guān)重要的作用 merkle 根，這個(gè)值是由區(qū)塊主體中所有交易的哈希值再逐級(jí)兩兩哈希計(jì)算出來的一個(gè)數(shù)值，主要用于檢驗(yàn)一筆交易是否在這個(gè)區(qū)塊中存在 時(shí)間戳，記錄該區(qū)塊產(chǎn)生的時(shí)間，精確到秒 難度值，該區(qū)塊相關(guān)數(shù)學(xué)題的難度目標(biāo) 隨機(jī)數(shù)(nonce)，記錄解密該區(qū)塊相關(guān)數(shù)學(xué)題的答案的值,25,4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在當(dāng)前區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈后，所有礦工就立即開始下一個(gè)區(qū)塊的生成工作。 把在本地內(nèi)存中的交易信息記錄到區(qū)塊主體中

13、 在區(qū)塊主體中生成此區(qū)塊中所有交易信息的 merkle 樹，把 merkle 樹根的值保存在區(qū)塊頭中 把上一個(gè)剛剛生成的區(qū)塊的區(qū)塊頭的數(shù)據(jù)通過 sha256 算法生成一個(gè) 哈希值填入到當(dāng)前區(qū)塊的父哈希值中 把當(dāng)前時(shí)間保存在時(shí)間戳字段中 難度值字段會(huì)根據(jù)之前一段時(shí)間區(qū)塊的平均生成時(shí)間進(jìn)行調(diào)整以應(yīng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不斷變化的整體計(jì)算總量，如果計(jì)算總量增長了，則系統(tǒng)會(huì)調(diào)高數(shù)學(xué)題的難度值，使得預(yù)期完成下一個(gè)區(qū)塊的時(shí)間依然在一定時(shí)間內(nèi),區(qū)塊形成過程,26,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)例,攔截騷擾電話的區(qū)塊由區(qū)塊頭及該區(qū)塊所包含的交易列表組成。區(qū)塊頭的大小為103字節(jié)，由4字節(jié)的版本號(hào)、32字節(jié)的上一個(gè)區(qū)塊的散列值、32字節(jié)的me

14、rkle root hash、15字節(jié)的時(shí)間綴（當(dāng)前時(shí)間）、4字節(jié)的當(dāng)前難度值、15字節(jié)的隨機(jī)數(shù)組成。區(qū)塊包含的交易列表則附加在區(qū)塊頭后面,27,代碼實(shí)例,*向量容器中的設(shè)置騷擾號(hào)碼(交易)結(jié)構(gòu)體*/ typedef struct long crank_call; int times; int type; veccrankstru; /*寫入本地文件的結(jié)構(gòu)體*/ typedef struct cblock static const int current_version=2016;/當(dāng)前版本 int nversion;/版本號(hào) long hashprevblock;/上一個(gè)塊的hash值 lo

15、ng hashmerkleroot;/賬本hash unsigned long ltime;/創(chuàng)建塊時(shí)的時(shí)間 unsigned int ibites;/下一個(gè)工作需要的難度系數(shù) unsigned int inonce;/nnonce值 cblock *next/上一個(gè)區(qū)塊的指針 vector ivec; cblock,28,代碼實(shí)例,class cblockheader public : static const int current_version=2016;/當(dāng)前版本 int nversion;/版本號(hào) long hashprevblock;/上一個(gè)塊的hash值 long hashme

16、rkleroot;/hash樹的根節(jié)點(diǎn) unsigned long ltime;/創(chuàng)建塊時(shí)的時(shí)間 unsigned int ibites;/下一個(gè)工作需要的難度系數(shù) unsigned int inonce;/nnonce值 cblockheader *next/上一個(gè)區(qū)塊的指針 ; typedef struct long crank_call; int times; int type; veccrankstru; class cblock:public cblockheader public: std:vector ivec; /騷擾電話信息向量容器,目錄,區(qū)塊鏈簡介,1,特征及分類,2,區(qū)塊

17、鏈網(wǎng)絡(luò),3,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),4,核心問題,5,前景展望,6,30,5.核心問題,區(qū)塊頭包含一個(gè)隨機(jī)數(shù)，使得區(qū)塊的隨機(jī)散列值出現(xiàn)了所需的0個(gè)數(shù)。節(jié)點(diǎn)通過反復(fù)嘗試來找到這個(gè)隨機(jī)數(shù)， 這樣就構(gòu)建了一個(gè)工作量證明機(jī)制,工作量證明,工作量證明機(jī)制的本質(zhì)是一cpu一票，“大多數(shù)”的決定表達(dá)為最長的鏈，因?yàn)樽铋L的鏈包含了最大的工作 量。如果大多數(shù)的cpu為誠實(shí)的節(jié)點(diǎn)控制，那么誠實(shí)的鏈條將以最快的速度延長，并超越其他的競爭鏈條。如果想要修改已出現(xiàn)的區(qū)塊，攻擊者必須重新完成該區(qū)塊的工作量外加該區(qū)塊之后所有區(qū)塊的工作量，并最終趕上和超越誠實(shí)節(jié)點(diǎn)的工作量,31,5.核心問題,同一時(shí)間段內(nèi)全網(wǎng)不止一個(gè)節(jié)點(diǎn)能計(jì)算出隨機(jī)數(shù)，即

18、會(huì)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中廣播它們各自打包好的臨時(shí)區(qū)塊（都是合法的,分叉,某一節(jié)點(diǎn)若收到多個(gè)針對(duì)同一前續(xù)區(qū)塊的后續(xù)臨時(shí)區(qū)塊，則該節(jié)點(diǎn)會(huì)在本地區(qū)塊鏈上建立分支，多個(gè)臨時(shí)區(qū)塊對(duì)應(yīng)多個(gè)分支。該僵局的打破要等到下一個(gè)工作量證明被發(fā)現(xiàn)，而其中的一條鏈條被證實(shí)為是較長的一條，那么在另一條分支鏈條上工作的節(jié)點(diǎn)將轉(zhuǎn)換陣營，開始在較長的鏈條上工作。其他分支將會(huì)被網(wǎng)絡(luò)徹底拋棄,32,5.核心問題,雙花，即二重支付，指攻擊者幾乎同時(shí)將同一筆錢用作不同交易,雙花,每當(dāng)節(jié)點(diǎn)在把新收到的交易單加入?yún)^(qū)塊之前，會(huì)順著交易的發(fā)起方的公鑰向前遍歷檢查，檢查當(dāng)前交易所用的幣是否確實(shí)屬于當(dāng)前交易發(fā)起方，此檢查可遍歷到該幣的最初誕生點(diǎn)（即產(chǎn)生它的那塊區(qū)塊源）。雖然多份交易單可以任意序的廣播