區塊鏈入門

https://hackmd.io/p/ryBUHHXff#/

李家安

交大資工 大三

calee@cs.nctu.edu.tw

• NCTU CSCC TA
• 網路安全策進會

Outline

• 區塊鏈簡史
• 拜占庭問題
• hash & Crypto
• 數位簽章
• 簡介橢圓曲線
• 區塊鏈細節
• ethereum / bitcoin

區塊鏈簡史

$$

• What is money
• Why need money
• How to define money
• Who can create money

區塊鏈是

• 自治
• 可追溯
• 數字貨幣
• 分散式賬本
• 分佈式的點對點(P2P)網路系統。
• 沒有中央服務器
• 所有節點共同維護帳本
• 透過挖礦來獲取比特幣。

比特幣是要解決什麼問題 ?

• 雙重支付 (雙花)
• 不可竄改
• 錢的真實性，非偽造 - 利用基於密碼學的數位簽章
• 以往中心化銀行的存在，容易遭受駭客攻擊
• 分佈式計算的難題 - 拜占庭將軍問題

Time line

• 1983 ecash，首個匿名化的數字加密貨幣，非分散式
• 1997 Hashcash，解決郵件系統中 DoS 攻擊問題，首次提出 PoW
• 1998 B-money，將 PoW 引入數字貨幣生成過程中，首個面向去中心化設計的數字貨幣，未能實現
• 2008/10/31 Bitcoin: 化名 Satoshi Nakamoto （中本聪)，提出: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
• 2009 Bitcoin 公開代碼，1/3 正式生成創世區塊

• 2009/10/31: 第一個區塊鏈交易所出現
• 2010/5/22: 第一比實體 Bitcoin 交易，用 10,000 BTC 買一塊 pizza
• 2011/2/9: 1 BTC = 1 USD
• 2013/11/28: 1 BTC = 1000 USD
• 2013/12: Ethereum 白皮書
• 2014/4/18: XMR 誕生
• 2015/7/30: Ethereum 創世區塊
• 2016/10/28: z-cash 上線

• 2017/4/1: 日本宣布 bitcoin 為合法貨幣
• 2017/5/4: 1 BTC = 1,500 USD
• 2017/8/2: Bitcoin 硬分叉，Core / Cash
• 2017/7: Ethereum DOA 事件硬分叉，ETH / ETC
• 2017/9/2: 1 BTC = 5,000 USD
• 2017/9/15: 中國封殺 bitcoin，關閉所有中國交易所
• 2017/12/1: 1 BTC = 10,000 USD

拜占庭問題

中國將軍問題

• 在戰場上，有兩個將軍用通訊的方式，要討論該進攻還是撤退，訊息是透過信使傳遞，中皆有可能迷路、掉包、被假造，該如何約定一個協定，可以確保就算遇到這樣的問題，還是可以達成協定

拜占庭(將軍)問題

• 假設有一組將軍，各自統領著拜占庭軍隊的一部分，包圍了一個敵軍城市。將軍之間只能靠信使進行通訊。但為了攻占這個城市,他們必須就作戰計劃達成一致。 問題在於，一個或多個將軍已可能發生叛變,並試圖誤傳信息以破壞作戰計劃。
• 因此問題是：如何讓忠誠的將軍，達成行動一致性；以及，這支軍隊可存在多少已叛變的將軍而仍可正常地統一作戰？

拜占庭(將軍)問題

• 拜占庭問題之所以難解，在於任何時候系統中都可能存在多個提案
• 比特幣的區塊鍊網絡在設計時提出了創新的 PoW（Proof of Work） 算法思路。一個是限制一段時間內整個網絡中出現提案的個數（增加提案成本），另外一個是放寬對最終一致性確認的需求，約定好大家都確認並沿著已知最長的鏈進行拓寬。系統的最終確認是概率意義上的存在。這樣，即便有人試圖惡意破壞，也會付出很大的經濟代價（付出超過系統一半的算力）。

PoW

• 制一段時間內整個網絡中出現提案的個數（增加提案成本），另外一個是放寬對最終一致性確認的需求，約定好大家都確認並沿著已知最長的鏈進行拓寬。系統的最終確認是概率意義上的存在。這樣，即便有人試圖惡意破壞，也會付出很大的經濟代價（付出超過系統一半的算力）。
• 用經濟利益避免節點作惡

Hash & Crypto

hash function (雜湊)

• 單方向的 function (不可回推)
• hash 結果不同，原來的元素一定不同
• collision (碰撞)
• ex. mod 2, mod 10, mod 7
• 常見有：md5, sha-256, sha-512, sha-3, …
• 應用：checksum、MAC、hash table、資料壓縮
• http://temp.crypo.com/index.htm

密碼 (crypto)

• crypto != hash，要可以還原
• 對稱式加密
• 非對稱式加密

對稱式

• 加密與解密用同一把 key
• 速度比較快
• ex. 凱薩加密

非對稱式

• 加密與解密用不同把 key
• (RSA) 有任一把 key (p) 都無法推出另一把 key (q)
• (ECC) 公鑰無法推出私鑰
• 用一把 key (p) 可以，也只可以，由另一把 key (q) 解密
• 定一其中一個是 public key，送給全世界，另一個是 private key 自己保管
• ex. RSA, ECC

數位簽章

• public key 加密，private key 簽章
• 簽名時，文件與私鑰簽章一起送出
• 驗證時，用公鑰還原簽章，看看還原解果是否與文件相符合
• 

橢圓曲線 ECC

• 公鑰 = 私鑰 * G
• G: 生成點，bitcoin 的生成點是固定的
• secp256k1 標準的橢圓曲線
• \(y^2=(x^3+7)\) over \(F_p\)
• \(y^2\mod p = (x^3+7)\mod p\)
• \(p = 2^{256}-2^{32}-2^9-2^8-2^7-2^6-2^4-1\)
• 無窮點對 (0)
• 加法定義\(P_1=P_2+P_3\)
• \(K=k*G\)

區塊鏈細節

私鑰、公鑰、地址、錢包

• 交易雙方、礦工 需要 (才能收錢啊 XDD)
• 錢包是內涵 私鑰、公鑰、地址 的應用程序 (非必要)
• Base58Check

挖礦是什麼 ?

• HASH(要存的value+要猜的nounce)，要符合條件
• 解決數學上的難題(SHA-256)，以太幣為 SHA-3
• 同時驗證交易
• 由系統給予挖礦者比特幣當作獎勵
• 動態調整難度
• 平均每10分鐘會有新的區塊出現 ，以太幣大約15秒

POW (Proof Of Work) 工作量證明

• 共識決演算法
• 非中本聰首創
• 決定區塊鍊產生分叉(fork)，要跟隨哪條鏈。

Transcation (Tx 交易)

• 分成輸入和輸出
• 每筆的輸入都是之前的輸出
• 可以有多個輸入和多個輸出。
• 通常輸入的總和會大於輸出，中間的差額為給礦工的手續費。
• 通常越高手續費的交易會越快被驗證
• 沒辦法退款 ，只可以進行反向交易
• 支出者用私鑰對輸入進行數位簽章
• 支出者用接受者的公鑰包裝輸出

Transcation Example

如何避免被竄改

• 每個區塊都會跟前一個區塊有關，行成一條鍊。
• 因此更改一個區塊，之後的區塊也要跟著修改
• 交易被收入區塊，過了60分鐘通常就會認為已經無法竄改，即6個區塊的時間。

交易竄改和深度的關係

越深的區塊越難竄改

如果改277316 ， 277317 和277318 都要有對應的修改。

隱密性

每筆的交易都是公開，且網路上有多份相同的帳本，這樣何來的隱密性呢?

• 一個人可以持有多個公開地址。
• 只要別把錢換成現實貨幣，沒人可以知道這個地址是誰所擁有的。
• 因此近年勒索軟體又開始復甦，也是因為比特幣(或模仿幣)。

區塊鏈的更多應用

• bitcoin script
• ethereum smart contract
• ICO
• telegram / Steemit
• 詐欺 (X
• …

挖礦

需要

• 挖況軟體 (nicehash, geth, xmr-stack, RDD)
• 地址
• 硬體 (PC, 顯卡, cpu)

礦池

• http://minexmr.com/
• https://zcash.flypool.org
• https://whl-tw.gpumine.org/
• https://eth-tw.gpumine.org/

節點

買幣(投資)

• 認識的人
• Maicoin
• BitoEX
• Bitexc
• …

資訊

• BLOCKCHAIN
• Etherscan
• XXX explorer

參考資料

• wiki
• mastering in bitcoin
• Merkle Tree
• 比特币开发者指南
• 区块链技术指南
• 區塊鏈開發指南
• 理解區塊鏈，不能不知道密碼學
• 區塊鏈如何運作
• 國網中心 葉羅堯 博士
• 其他資源