# 【學習筆記】區塊鏈介紹
###### tags: `ncku` `blockchain`
---
## 1. 什麼是區塊鏈，對我們有什麼好處
區塊鏈是分散式帳本 (Distributed Ledger Technology) 的一種應用，透過分散式的節點替人們保存有用的資訊，而不依靠中央存儲節點。因此區塊鏈也可視為一種**資料庫**，並以密碼學、共識演算法等技術保障其安全、同步。

### 區塊鏈的起源 (Bitcoin)
中本聰在 2008 年發表《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》，提到了如 P2P 網路、transaction、timestamp server、密碼學等區塊鏈的核心技術。並於 2009 年一月三號產生第一個區塊，稱為創世區塊 (Genesis block)；一月九號產生第二個區塊，兩者相連誕生區塊鏈。
### 應用領域
舉凡會產生資料、保存資料、交換資料等需求的應用，都可以加入區塊鏈。
e.g., 數位貨幣、車載網路、工業控制網路等等

---
## 2. 區塊鏈的資料結構
### Transactions
在比特幣中，一個區塊裡包含多筆交易 (Transaction) 資訊，在非數位貨幣的區塊鏈應用可能不是指真實的交易，但仍會將儲存在區塊鏈中的訊息叫做 transaction。
以比特幣系統為例，為了能夠追朔每筆交易的來源以及去向，transactions 間也會串聯起來，如下圖所示。
假設今天有一個人 `Owner 1`，他要把錢付款給 `Owner 2`，他就會把 `Owner 2` 的 public key，以及這筆錢的來源 (`Owner 0`) 連起來做雜湊 (Hash) 運算，並使用他自己的 private key 簽章 (Sign)，存在該筆交易的末端。

但這邊會有一個問題是儘管 `Owner 2` 可以透過 public key 去驗證 (Verify) 知道該筆交易來自 `Owner 1`，卻無法知道他有沒有重覆花費這筆錢給其他人，因此要嘛經過一個中央管理者來確認該交易的唯一，要嘛有一套規則讓大家都能知道該交易曾經發生過，且並非重複的交易 ~~(共識演算法)~~。

### Chain-structured blockchain
以比特幣為例，區塊鏈是一條從創始區塊 (Genesis) 到最新區塊具有最長距離的主鏈組成，其他位於非主鏈上的區塊稱為 invalid block，如下圖所示。

此外，(比特幣的)區塊鏈結構是一種 timestamp server 應用，會在區塊內加入時間戳以防雙重支付的攻擊

### DAG-structured blockchain
還有另一種基於有向無環圖 (directed acyclic graph) 的區塊鏈結構，該種結構最大的不同是區塊有多個插入點，不再只有一個選項。且不再是以區塊當作區塊鏈中的基本單位，而是以交易 (transaction)，如下圖方塊所示。往後在講這個結構的區塊鏈時不會再以區塊稱之。

---
## 3. 共識演算法－區塊上鏈的機制
因為區塊鏈中的各節點都能產生新的區塊，但是以鏈狀的區塊鏈來說區塊只能一個個依序插入，此時需要有一個機制來決定插入的順序，也就是共識 (Consensus) 演算法。
### 工作量證明 (Proof-of-Work, PoW)
透過窮舉一個數字 (Nonce) 來找到一個值，使得在經過雜湊 (Hash) 函數之後的輸出能滿足需求。
> e.g., 找到一個 nonce 能使得 hash("hello World" || nonce) 輸出有 4 個 prefix 0 bit？
> Ans: When nonce = 107105, then hash(Hello World107105) = **0000**BFE6AF4232F78B0C8EBA37A6BA6C17B9B8671473B0B82305880BE077EDD9

透過不斷消耗運算資源得出正確的值之後，該區塊內容便無法任意被更改，除非重新計算能滿足需求的 Nonce。當後繼有區塊欲加入區塊鏈時，需要將當前鏈中最新區塊的雜湊值包含在該區塊當中，如下圖。

如此一來當有區塊內容變動時，其後繼的區塊皆能透過雜湊值去偵測出改變，也就是說若有人想要竄改其中一個區塊資訊的話，需要重新計算該區塊及其之後所有區塊的 Nonce。

使用 PoW 的系統便是看誰最快求出 Nonce 的節點方能加入到區塊鏈中，也就是說看誰運算資源最多就最有可能成功發佈區塊。

在[比特幣白皮書](https://bitcoin.org/bitcoin.pdf)提到，不同於一個IP位址有一個發佈區塊的投票權，PoW 是以一個 CPU 具一個投票權的方式，來解決掌握多個IP位址的霸權問題 ~~(但 PoW 不就只是把戰場拉到算力上嗎ˊ_>ˋ)~~
> If the majority were based on one-IP-address-one-vote, it could be subverted by anyone able to allocate many IPs. Proof-of-work is essentially one-CPU-one-vote. The majority decision is represented by the longest chain, which has the greatest proof-of-work effort invested in it. If a majority of CPU power is controlled by honest nodes, the honest chain will grow the fastest and outpace any competing chains.

### 權益證明 (Proof-of-Stake, PoS)
PoS 用加密貨幣抵押量取代礦工算力的比拚，節點不需要花大筆錢買礦機或繳交鉅額電費，相反的，他們必須花錢買加密貨幣，並將這些加密貨幣抵押在智能合約中。
簡單來說「抵押越多加密貨幣、抵押時間越長且距離上次獲得記帳權越久的節點，獲得下一次記帳權的機率越高」
> \- 引用自 [桑幣知識+](https://know.zombit.info/pos/)

節點會將幣抵押在智能合約，區塊鏈系統會透過**偽亂數**、**持有時間**來決定獲得該次記帳權的節點，該節點便能將區塊加入鏈中。
#### 優點
* 不再需要浪費運算資源
* 提高驗證區塊效率
#### 缺點
* 富者恆富
### 實用拜占庭容錯 (Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT)
在一個私有的區塊鏈中，只有幾個特別的節點能發佈區塊，它們叫做 Leader。這些 Leaders 會輪流發佈區塊，而為了確保節點間的區塊鏈能同步，他們會採多輪投票的方式來決定該區塊是否能加到鏈中，PBFT的主要流程分為 pre-prepare、prepare、commit 三個階段，如下圖所示。

下圖是一個精簡的PBFT流程，假設一個區塊鏈網路中具有 4 個 Leaders (下圖編號0~3) 節點及其他 (下圖編號C)，假設節點 C 欲發佈一個新的區塊時，會發送請求給當時主導 PBFT 的 Leader (編號0)，稱為 request 階段。
1. 編號 0 的 Leader 會將該區塊廣播給其餘 Leaders，稱作 pre-prepare 階段
2. 編號 1~3 Leaders 會去驗證該區塊是否合法，若贊成該區塊的發佈會廣播給其他 Leaders，若反對則不會發送任何訊息 (如編號 3)，稱為 prepare 階段
3. 當 Leader 收到足夠多的贊成訊息，表示本次投票同意將區塊加入到鏈中，並將自己的決定回傳給發起請求的節點 (編號 C)

#### 優點
* 在私有的區塊鏈中，較不消耗運算資源來競爭加入區塊
#### 缺點
* 多輪投票大幅增加傳輸成本

## 4. 安全威脅
區塊鏈並不是資訊安全仙丹，在 P2P 分散式系統中會遇到的威脅區塊鏈也同樣存在，如女巫攻擊 (Sybil attack)，這邊以針對區塊鏈會產生的攻擊說明。
### Transaction Privacy Leakage
發起交易需要對該交易使用密鑰 (Private Key) 進行簽章，若該密鑰被外人知道後，便可能被偽造身分進行交易。

### 51% Attack
51% 攻擊並不能夠將別人的錢，轉成自己的錢 (因為這得取得數位簽章，也就是密鑰)，而是可以把付出去的錢拿回來，重複使用那筆錢 (Double-spending)。

當「攻擊者的計算能力達全網一半以上 (51%)」，換句話說是攻擊者拳頭比其他全部人加起來還要大時，有大於一半的機率能夠取得新增區塊的權利 (記帳權)，也就能「控制區塊鏈」。

以比特幣來說，攻擊者在獲得記帳權後會在區塊鏈中進行一次交易 **`A`** (將新增的區塊廣播出去)，然而攻擊者同時保有一個不對外廣播的秘密塊鏈，在這個祕密的區塊鏈是花同樣的錢做其他的交易 **`B`**。因為攻擊者具有一半以上的算力，只要攻擊者把祕密區塊鏈的長度大於原本的主鏈時，便將該區塊鏈廣播出去。

因為在鏈狀結構 (Chain-structured) 的區塊鏈中，最長的 (或稱工作量最多) 的鏈稱為主鏈，若攻擊者將較長的秘密區塊鏈發佈出來，其他節點會將交易 **`B`** 及其之後的交易視為合法，原本含交易 **`A`** 的鏈會被視為無效，但攻擊者仍擁有經過交易 **`A`** 得到的商品。
> ref [Crypto51](https://www.crypto51.app/about.html)、[桑幣知識+](https://know.zombit.info/51%E6%94%BB%E6%93%8A/)、[知乎](https://zhuanlan.zhihu.com/p/73951414)

最近發生過較大型的 51% Attack 事件發生在 2020 年 8/6 的以太坊經典 (Ethereum Classic) 。造成 4268 個區塊重組以及造成 168 萬美金的 double-spending
> ref [Ethereum Classic Attacker Successfully Double-Spends $1.68M in Second Attack: Report](https://www.coindesk.com/ethereum-classic-attacker-successfully-double-spends-1-68m-in-second-attack-report)

---
## 其他區塊鏈的介紹
### 以太坊
以太坊是一個具有**智慧合同 (Smart Contract)** 功能的區塊鏈，2013-2014 年間由比特幣的程式設計師開發，有時被稱作下一代加密貨幣與去中心化應用平台。

智慧合同 (Smart Contract) 用意與現實中的合同（契約）無異，不過是合同呈現的方式不同。透過合同可以建立交易的規範、對象、金額。若把智慧合同比擬成募資平台（[嘖嘖](https://www.zeczec.com/)），consumer 與 provider 之間透過嘖嘖交易，consumer 把錢交給嘖嘖保管，而 provider 也相信嘖嘖會付錢給他們。
而將智慧合同結合區塊鏈的最大用意就是消除第三方的存在(募資平台)，讓 consumer 與 provider 能夠直接進行交易，同時又能確保交易不會被任一方反悔、竄改。
### IOTA
IOTA 是目前使用 DAG 結構區塊鏈最著名的組織之一，於 2015 年左右發明，其區塊鏈稱為 Tangle，原因是 DAG 結構的區塊鏈看起來就像是纏結一樣

---
## 學習資源
> 區塊鏈的白皮書，及入門所需理解的各種知識

**Bitcoin**
[【白皮書】Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System](https://bitcoin.org/bitcoin.pdf)
[Bitcoin 軟體開發](http://davidederosa.com/basic-blockchain-programming/)

**IOTA - IOTA 1.0/1.5**
[【白皮書】The Tangle](https://assets.ctfassets.net/r1dr6vzfxhev/2t4uxvsIqk0EUau6g2sw0g/45eae33637ca92f85dd9f4a3a218e1ec/iota1_4_3.pdf)

**Ethereum**
[【白皮書】Ethereum Whitepaper](https://ethereum.org/en/whitepaper/)

**密碼學**
[ECC](https://andrea.corbellini.name/2015/05/17/elliptic-curve-cryptography-a-gentle-introduction/)

**共識演算法**

###