Blockchain入门
0x01 Intro
区块链(blockchain)是一个不可篡改的，分布式，去中心化账本，没有谁是账本的主人，因为人人都是账本的主人，大家的账本写的东西都一模一样，记着大家所有人的资产信息。（这大概是我们对它的基本认知）
区块链里，每一个区块里放的是一堆交易记录（即账），记账时会把上一个区块中的信息（交易序号，记账(交易)时间，交易记录）作为原始信息，hash之后的值与本次的账页信息结合在一起，就成了一个区块（这个数据结构类似于链表——简单地说，既能够存储来自上一个节点的数据，也能够连接下一个节点）。
依此类推，下一个块记录了上一个块的hash信息，因此在链变得相当长的时候，想要对其进行篡改就变得十分困难。
可以认为，不可篡改性由hash值、链长度、全网算力所保证。
我们看一个区块的示例：
从上到下的框分别为：
- 本块的哈希值
- 本块的出生时间
- 高度（从创世以来第几个块）
- 随机数
- 打包这个块的奖励（6.25btc）
0x02 比特币运行概述
首先：货币具有：
- 价值尺度（货币是表现价值的材料）
- 流通手段（多少货币量合适？纸币作为货币符号的产生）
- 贮藏手段（出售商品是为了用货币形式代替商品形式而非购买商品，货币硬化为储藏货币）
- 支付手段
- 世界货币
等等属性。
在货币由贝壳、贵金属向纸币演化的过程中，其仍然具有价值尺度和流通手段职能的原因是由政府强制发行，并且由政府信用背书。
银行的存在原因则是提供一个可信赖的记账（维护）机制。
然而，货币之所以成货币，主要是有人认可其价值尺度的职能，政府的背书和强制发行不过是为了做普遍推广，进而强化统治和管理。
这里，政府和银行相当于中心化的认证和维护组织。
而区块链-比特币不需要类似政府和银行的中央信任机构，就可以通过全球P2P网络进行发行和流通，这一点听上去有点不可思议，但比特币正是一种通过密码学理论建立的不可伪造的货币系统。
你可以通过它向世界上任何人汇款，而无需中央机构来发行帐户或处理付款。
比如传统的金融汇款需要双方使用同平台的账户，所有的交易由平台的系统来控制。e.g. 支付宝和微信支付。
比特币通过技术手段实现了去中心化，解决了现金电子化以后交易的清结算问题。
0x03 P2P
P2P一般被称为点对点网络或者对等网络。在P2P网络环境中，彼此连接的多台计算机之间都处于对等的地位，各台计算机有相同的功能，无主从之分，一台计算机既可作为服务器，也可以作为工作站。这和传统的Client/Server模式很不一样。
特点
- 直接交互
P2P就是直接将人们联系起来，让人们通过互联网直接交互。P2P使得网络上的沟通变得容易、更直接共享和交互，真正地消除中间商。 - 去中心化
P2P另一个重要特点是改变互联网现在的以太网站为中心的状态、重返“非中心化”，并把权力交还给用户。 - 性能拓展
对等网络是对分布式概念的成功拓展，它将传统方式下的服务器负担分配到网络中的每一节点上，每一节点都将承担有限的存储与计算任务，加入到网络中的节点越多，节点贡献的资源也就越多，其服务质量也就越高。 - 鲁棒性
P2P架构天生具有耐攻击、高容错的优点。由于服务是分散在各个节点之间进行的，部分节点或网络遭到破坏对其它部分的影响很小。P2P网络一般在部分节点失效时能够自动调整整体拓扑（节点的排列方式），保持其它节点的连通性。P2P网络通常都是以自组织的方式建立起来的，并允许节点自由地加入和离开。 - 隐私保护
在P2P中，所有参与者都可以提供中继转发的功能，因而提高了匿名通讯的灵活性和可靠性，能够为用户提供更好的隐私保护。
0x04 数字签名
不对称加密、数字签名的技术原理可以从任何一本计算机网络教科书中找到。
这里我们只简述一下原理：
我如何证明一个文件是我写的：我先对文件算一个Hash值，然后用我的私钥加密这个哈希生成数字签名，然后别人用我的公钥解开之，再把原文件做一个哈希，两个哈希值相比对就知道这个文件是不是我写的了。
不对整个文件直接哈希的原因是不对称加密的开销太大了。
区块链的实际记录中，是用私钥对交易数据（transaction data）做数字签名，并且放在记录后面。
签名和交易必须匹配，不然会被拒绝。
0x05 块
每一笔交易都会经过P2P网络被广播给矿工们。
然后，矿工把这些交易打包，放入候选块（candidate block）中，接着把候选块添加到区块链中。
这个候选块中除了交易数据以外，还会有一些元数据，例如块头（block header），包括是版本、上一个区块的信息、交易数、时间戳、目标值。
元数据：我们如果把块当成windows里的一个文件的话，元数据就是这个文件的属性。
元数据包括：
- version：协议类型
- last block：上一个块的标识（哈希）
- merkle root：对本块的哈希，确保它无法被更改
- time：时间戳
- target：目标值，和挖矿有关，根据全网算力进行调整
- nonce：一个整数，后面会说
0x06 如何将候选块放到区块链中？
还记得我们的第一张图吗？那张图中的nonce也是一个元数据，矿工的目标是：改变这个nonce的值，确保整个区块的哈希值的前m个二进制位是0。这个m在不同的时间会有不同的选取方法。随着时间的发展，算力会不断提升，矿工会不断入场，m肯定会越来越大。调整m的目的在于使得区块产生的平均时长大约为10min。原因会在后文“最长链原则”相关内容中给出。
哈希函数是高度离散的函数，离散到我们可以认为它的结果的每一个二进制位都是服从0-1分布，即可以看作对随机输入产生随机输出。因此，前m位每一位为0的概率可以认为是近似独立的。
一旦找到满足条件的nonce，就可以近似地认为这个块打包完成，添加到区块链上了。
0x07 Nodes
节点是运行着比特币程序的计算机，它连接着其他运行着相同程序的计算机，形成网络（network）。所以在运行程序时，它将连接到其他节点并开始下载区块的完整副本（包含所有已验证交易的文件）。之后，程序将开始从其他节点接收交易并在网络上中继给其他节点。
这里的node说的不是用户，倒像是矿工，因为比特币用户似乎只负责写交易记录，而矿工会收集和广播交易…
节点的作用有三个：
- 遵循规则
只有交易的所有信息都正确无误时，交易才会被储存并中继到其他的块。（比如转账的人的账户的余额必须大于花费数才能被认证） - 传递信息
包括两类：一，刚进入的未确认的交易。二、已确认的交易，信息公开可查 - 确认并且保存交易的副本
每个节点都有一个用于储存交易信息的副本，如果它是最新的，那么它就会被分享出去。每个节点会信息共享，让每个节点都有最新的数据。
因此，比特币网络被称为P2P网络。
0x08 挖矿
挖矿：把交易添加到区块链的过程
每个节点都会共享新的交易信息，它们会被暂时储存在交易池中。
挖矿的过程就是确认交易完成的过程。详见0x06。
对了，那个不停试错的过程叫做工作量证明。
那为什么挖矿的过程是必须的呢？
因为这是让之前的交易尘埃落定的手段，是数字货币用于防止欺诈的方法。
举例：张三投机取巧，在A区用10块钱买了啤酒，然后马上在B区用这个10块钱买披萨（double-spending）.因为还没有完成记录和广播，所以这个钱似乎可以复用（x
为了防止这样的欺骗（fraud），张三必须先买啤酒，确认后再买披萨。否则由于节点确认的规则，二者都会被拒绝成立。
也就是说，区块链不允许一个用户同时存在没有被记到块里的两个记录。
0x09 交易（Transactions）
交易是区块链的核心概念之一。一条交易记录了钱数、发送者的公钥、接收者的公钥。
这里的公钥可以理解为地址address，是全局唯一的。
交易的信息就像上图一样变成了一个字符串，然后被广播到矿工的P2P网络中。
0x0a 交易的过程
我们平时花钱和这个不一样，每次转账之后，余额都会立马减少。
比特币不一样，每笔交易分别存储，需要的时候再把它们整合。
但是如果凑不出这么巧的组合怎么办？
比特币的解决办法是让剩下的部分左手倒腾到右手。
此外，为了真正确保这个交易由address1发起，由address2接收，钱数还是那么多，address1总共需要对信息做下列处理：
- 生成一条交易记录
- 对交易记录做哈希，然后对哈希值用自己的私钥做签名
- 再用address2的公钥对哈希值做签名
原理如下：
- address1用自己的私钥对交易签名加密得到i，确保信息是address1写的
- 用address2的公钥再对交易签名加密得到j，确保钱是给address2的
这样一来，全网的任何人都可以解密i确定它的真实性，而只有address2可以通过解密j花这笔钱。
总的流程图大概如下：
0x0b 求解难度
网络的平均块时间是在n个块数后评估的，如果大于预期块时间，则工作证明算法的难度会降低，如果小于预期块时间，则难度会增加。比特币以10min为标准，并且每隔2016个区块（即大约每2周）重新评估一次难度级别。
我们记起始区块的难度为1。为了保持相对稳定，每次调整的范围在原来的1/4到4倍。
（到了20年7月的难度大约是17345亿…
0x0c 最长链原则
为了让区块链能拓展下去（挖矿），需要让刚产生的区块广播到网络中的其他节点，避免重复无用的挖矿造成资源浪费和标准混乱。
因此，如果生成区块难度太小的话，块的出现速度太高，就可能会出现两个人同时挖完的情况，即出现竞争链。此时，我们需要链重组。只有一条链能够保留，其余全部作废。重组之后，矿工就能集中算力来做有用功了。
最长链的判断标准是工作量。一般而言拥有更多的区块的链工作量越大，但是每一条链的工作量是这条链的每个区块计算难度的和。
由于区块链虽然最终会保持数据一致，但是，一个交易可能被打包到一个后续被孤立的区块中。所以，要确认一个交易被永久记录到区块链中，需要对交易进行确认。如果后续的区块被追加到区块链上，实际上就会对原有的交易进行确认，因为链越长，修改的难度越大。一般来说，经过6个区块确认的交易几乎是不可能被修改的。
如何保持最长链并剪去短链？
假设O后面接着A和B两个区块，则在时间线上下一个生成的区块C必然会接到A或者B上（这样的结果可能是后面有两群矿工在拼算力）。假设一群矿工算出来了C接在A上，则A-C就自动成为最长链
形成的区块最先建立在哪一个区块上，它就会被确认为最长链的一部分。例如下图中的绿色区块。下图中的蓝色区块则会被拆掉，交易记录被重新放在交易池中等待被重新记录上链。
由于区块链虽然最终会保持数据一致，但是，一个交易可能被打包到一个后续被孤立的区块中。所以，要确认一个交易被永久记录到区块链中，需要对交易进行确认。如果后续的区块被追加到区块链上，实际上就会对原有的交易进行确认，因为链越长，修改的难度越大。一般来说，经过6个区块确认的交易几乎是不可能被修改的。
修改已经被确认的块有且仅有一个可能：从创世节点开始再造一条。而这样的做法就需要修改者拥有全网一半以上的算力，才能从头造块，追上此前的区块链并且取而代之。
采用最长链，会让每一个块变得不可代替，进而保护的一致的、真是的分布式账本。如果有人想覆盖某一个交易，那么他需要重新建立最长链，但是不仅区块的高度已经非常大了，而且还有非常多的矿工在延申最长链，单个算力是几乎不可能完成的。即使是巨大算力的攻击，也需要付出高昂的代价。
0x0d 奖励机制
在实际的交易中，每一笔交易会被扣除一些手续费，作为矿工奖励的一部分。
0x0e 参考文献传送门
https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1207298049439968
https://learnblockchain.cn/
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