區塊鏈技術與應用（一）
一、課程簡介
區塊鏈不等於比特幣。比特幣是基於區塊鏈技術的一種加密貨幣。
學習參考資料：
１、比特幣白皮書中文版
２、以太坊白皮書中文版＋註釋
３、以太坊黃皮書
4、Solidity官方文件（v8.0）
二、密碼學原理
比特幣是一種加密貨幣（crypto-currency）。區塊鏈上所有的交易內容都是公開的，包括賬戶地轉賬金額等。
在比特幣系統中，主要運用了密碼學中的兩個功能，一個是雜湊，一個是簽名。
1.雜湊
密碼學中使用的雜湊函式有兩個重要性質。
①雜湊碰撞（cryptographic hash function）
雜湊碰撞是指兩個輸入透過雜湊函式計算出來的雜湊值相等。雜湊碰撞比較常見，比如在雜湊表中，不同的輸入可能會被對映到同一個雜湊位置。
- 雜湊碰撞的作用：
低效的解決雜湊碰撞的方法：暴力剖解(brute-force),遍歷所有輸入的可能性，找到雜湊碰撞的輸入。這種方法工作量太大、低效。 效率太低！！！
注意：雜湊碰撞是不可避免的，因為輸入空間大於輸出空間。雜湊碰撞是客觀存在的，沒有什麼高效的方法人為地去製造雜湊碰撞。（MD5加密演算法已經可以被人為地計算出雜湊。）
②不可逆性（hiding）
不可逆性是指雜湊函式的過程是單向的，不可逆的。這個性質成立的前提是輸入的空間要足夠大，使得暴力破解的方法不可行，而且輸入的分佈要比較均勻，各種取值的可能性都差不多。
- 不可逆性的作用：
可以和雜湊碰撞結合在一起，用來實現雜湊函式將預測結果加密，實際結果釋出後將預測結果和實際結果對比，能夠使人信服預測結果是在實際釋出前預測的（digital commitment or digital equivalent of sealed envelope）。sealed envelope現實意義是指如果一個人預測結果，但是不能提前公開，因為只要公開，不論預測結果對錯，都會影響現實世界的變化。但是可以將預測結果交給第三方公證，待事實結果釋出後，公開並比較預測結果與事實結果。【簡單理解解釋：把預測結果放到一個信箱，待開箱後，判斷真實結果和之前預測的結果是否一致。】
③Puzzle Friendly
雜湊值的計算事先不可預測，只根據輸入很難預測出輸出。如果需要找出一個雜湊值存在某個範圍內，只能透過一個一個運算才能找出。
Puzzle friendly這個性質保證了比特幣系統中，只能透過挖礦獲得比特幣。
挖礦就是找一個隨機數nonce，nonce和區塊頭裡其他資訊合在一起作為輸入，取出一個雜湊來，那個雜湊值要小於某個指定的目標預值，只能透過一個一個試，才能找出在範圍中的值。挖礦的過程沒有捷徑，只能透過大量的一個一個試nonce，才能找到符合要求的值，這個過程叫做工作量證明（POW，proof of work）。
當有人找到了符合要求的nonce釋出出去後，其他人要驗算是否符合要求只需要算一次雜湊值是否小於目標預值。挖礦很難，驗證很容易。這個性質叫做difficult to solve,but easy to verify。
比特幣中用的雜湊函式叫做SHA-256。SHA是指secure hash algorithm，滿足雜湊函式的三個性質。
雜湊碰撞和puzzle friendly性質有一定聯絡，但不完全一樣。
2.比特幣系統中的賬戶管理
比特幣是去中心化的，每個使用者可以自己開設賬戶，不需要任何人批准。開戶的過程就是創立一對公鑰和私鑰。
公私鑰概念來源於非對稱加密體系（asymmetric encryption algorithm）。
最早的加密體系是對稱加密（symmetric encryption algorithm） ，傳送方和接收方事先商量好一個金鑰（encryption key），傳送方將資訊加密後傳送給接收方，接收方收到後用金鑰解密，對稱加密的前提是能有個安全的通道，將金鑰安全地分發給通訊方。（弱點：金鑰分發不方便）
比特幣中的公鑰私鑰作用：使用者簽名。
交易發起方用自己的私鑰對交易進行簽名，其他人收到交易後用發起方的公鑰去驗證簽名是否正確。產生兩個相同公私鑰的賬戶的可能性微乎其微。生成公私鑰的過程是隨機源。（a good source of randomness）
非對稱加密使用接收方的公鑰和私鑰，公鑰加密，私鑰解密。
注意：加密和解密是用的同一個人的公鑰和私鑰
好處：加密公鑰不需要保密，私鑰儲存在本地，解決了對稱加密中金鑰分發不方便的問題。
比特幣中使用的簽名演算法，不光是生成私鑰的時候要有好的隨機源，之後每一次簽名的時候也要有好的隨機源。只要有一個簽名的過程中的隨機源不好，就有可能洩漏私鑰。
三、比特幣中的資料結構
1.雜湊指標（hash pointers）
普通的指標儲存的是某個結構體在指標中的地址，雜湊指標要儲存地址和雜湊值。
比特幣中最基本的資料結構就是區塊鏈。區塊鏈是一個個區塊組成的連結串列。
區塊鏈與其他普通連結串列的區別：
- 區塊鏈用雜湊指標代替了普通指標。
- 區塊鏈的一個雜湊指標改變會影響到其他雜湊指標，普通指標變化不會影響其他的指標。【多米諾效應】
- 每一個區塊都保留了指向前一個區塊的雜湊指標
雜湊指標的內容是把整個區塊的內容取雜湊。
區塊鏈資料結構的好處：
透過這種資料結構可以實現 tamper-evident log（防篡改log,後一個區塊儲存了前一個區塊的雜湊值，前一個區塊修改了區塊的內容，雜湊值會改變，後一個區塊會找不到前一個區塊的雜湊指標，所以就要修改後一個區塊的雜湊指標，以此類推，系統保留的雜湊指標也需要修改，就只需要記住系統中保留的雜湊，就可以檢測任何一個部位的修改。系統中任意一個區塊的雜湊值發生改動，最終儲存的這個區塊的雜湊值也會發生改動。即“牽一髮而動全身”=>多米諾骨牌效應）
比特幣可以根據這個性質，只儲存最近的幾個區塊雜湊。如果需要找之前的區塊，可以使用雜湊指標找到正確的區塊。
2.默克爾樹(merkle tree)
Merkle tree 和 binary tree 的區別：
用雜湊指標代替了普通的指標
B樹的特點：資料值存放在葉子結點
Merkle tree的好處：只要記住根雜湊就可以檢測出對樹中任何部位的修改。
比特幣當中各個區塊用雜湊指標連線在一起，每個區塊所包含的交易是組織成Merkle tree的形式。每層資料塊是一個交易->葉子節點。每個區塊分為兩部分，塊頭（block header）和塊體（block body），根據雜湊值儲存在塊頭中，即這個區塊所包含的所有交易組成的Merkle tree的根雜湊值是儲存在這個區塊的塊頭中，但是塊頭中沒有交易的具體內容，只有根雜湊值。塊體中有交易的列表。
Merkle tree的用途：提供Merkle proof
比特幣中的節點分為兩類：
全節點：儲存整個區塊的內容，包括塊頭和塊體，有交易的具體資訊
輕節點：只儲存塊頭，如手機上的比特幣錢包。
如何向輕節點證明某個交易是寫入到區塊鏈中？
使用Merkle proof,找到交易所在的位置。（從交易一直往根節點的路徑就是Merkle proof。）
輕節點向某個全節點發出請求，請求一個能夠證明交易被包含在這個Merkle tree的Merkle proof,全節點收到請求後，只要全節點請求的雜湊值(紅色的)發給輕節點即可，輕節點可以透過這些雜湊值在本地計算出SPV本地計算雜湊值（綠色的），首先算出交易的雜湊值，再和旁邊紅色雜湊值拼接可以算出上一層雜湊，依次類推出整棵樹的根雜湊值。輕節點把根雜湊值和塊頭的雜湊值比較就可以知道交易是不是在Merkle tree裡。輕節點收到Merkle proof後只要從下往上驗證，沿途的雜湊值都是正確的，即可證明。
注意:查詢雜湊值只能查詢某個交易的從下往上分支的雜湊，不能查詢其他分支的雜湊。這種證明叫做proof of membership或者proof of inclusion,即可證明Merkle tree包含了某個交易。時間複雜度是O(logn)