分享

更多

   

比特币与区块链核心技术:交易与算法

2018-03-04  深度视讯

比特币和区块链的核心起源于中本聪的论文(Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System),其中有一部分描述非常关键,解释了交易 Transactions 是什么。

比特币与区块链核心技术:交易与算法

中本聪论文截图

  1. 虽然数字签名(Digital signatures)部分解决了电子现金系统的问题,但是仍然需要第三方的支持才能防止双重支付(double-spending)的话,那么这种系统也就失去了存在的价值。

  2. 将一枚电子货币定义为数字签名链( a chain of digital signatures)。电子货币从所有者转移给下一个人是通过,所有者使用私钥,对交易 Transactions 和下一个人的公钥进行数字签名 digital signatures,并将数字签名附在这枚电子货币(数字签名链)的后面。收款人对数字签名进行检验,就能校验自己是否收到了电子货币。

  3. 在每一笔交易 Transactions 结束后,这枚电子货币就要被造币厂回收,而造币厂将发行一枚新的电子货币;而只有造币厂直接发行的电子货币,才算作有效,这样就能够防止双重支付 double-spend。

总结就是:

讲清楚了诞生的电子货币交易的基础是数字签名(digital signatures)。

讲清楚了比特币中的电子货币是什么、如何交易的原理。

讲清楚了比特币创建和销毁电子货币流程,保证电子货币唯一。

数字签名

在密码学上,喜欢用 Alice 和 Bob 两个虚拟人物来举例的。Alice 代表路人 A,Bob 代表路人 B。后文会经常用到。

在现实世界中,交易达成基于的是文字形式的签名。比如,Alice 给一张 'Alice 给 Bob 的 100 元' 的支票签名后,并把通过秘书,将这张签名后的支票给了 Bob, Bob 找专家验证签名无误后,确认了本次交易。在互联网上,交易达成基于的是数字签名。

数字签名(digital signatures)是基于非对称加密实现的。先来看下维基百科关于非对称加密的定义:非对称加密(asymmetric cryptography),是密码学的一种算法,它需要两个密钥,一个是公钥,另一个是私钥;一个用作加密的时候,另一个则用作解密。一般公钥用作加密,私钥用作解密,使用其中一个密钥把明文加密后所得的密文,只能用相对应的另一个密钥才能解密得到原本的明文;甚至连最初用来加密的密钥也不能用作解密。

比特币与区块链核心技术:交易与算法

非对称算法体系

非对称算法

私钥、公钥、地址在目前看来就是一串(几乎)不可能碰撞的字符串,可以用四个等式来说明

k = random() (0 < k="">< n;="" n="1.158" *="" 10^77)k="k" *="" g="" (g="" 为椭圆曲线密码学的一个常数)a="Hash.ripemd160(Hash.sha256(K))A" =="" base58(0="" +="" a="" +="">

从 k(私钥) 到 K(公钥) 到 A(地址) 的过程,由密码学保证其不可逆。

代码如下:

const crypto = require('crypto');var EC = require('elliptic').ec;var ec = new EC('secp256k1');var BN = require('bn.js');var bs58 = require('bs58');class PrivateKey { constructor() { this.bn = this.generateKey(); this.compressed = true; this.network = Networks.defaultNetwork; } generateKey() { let condition; let bn; do { // 随机生成 1 ~ 2^256 之间的数字,并以 hex 这种编码格式显示。 // hex :一种编码格式,将每个字节编码为两个十六进制字符 // privateHex: 'ceea0ada327fc521e9c5ba704a002f56c95de6bffc83901aa2290fc882c4c218' const privateHex = crypto.randomBytes(32).toString('hex'); // privateHex 是字符串类型,字符串格式是没法直接比较大小的,所以要转化为数字类型。 // 但是 js 中最大的安全数是 Number.MAX_SAFE_INTEGER = 9007199254740991,根本不够表示一个 private 值。 // 所以用到了 BN 这个库,对比 private。BN 即大数 Big Number。 bn = new BN(privateHex, 16) // max = const max = new BN(ec.curve.n.toArray()) // 实际上 private 要比 max 小 // max 是一个常数 n=1.158 * 10^77,略小于2^256 // 由比特币所使用的椭圆曲线的阶 // 当 bn < max="" 成功生成私钥="" condition="bn.lt(max)" }="" while="" (!condition);="" return="" bn;="" }}class="" publickey="" {="" constructor(privatekey){="" 椭圆曲线乘法可以从私钥计算得到公钥="" 是不可逆转的过程:k="k" *="" g="" 其中k是私钥,g是被称为生成点的常数点,而k是所得公钥。="" this.point="ec.curve.g.mul(privateKey.bn)" this.compressed="privateKey.compressed" this.network="privateKey.network" }="" 这一块没有找到对应文档="" tobuffer="" ()="" {="" var="" xbuf="this.point.getX().toBuffer({" size:="" 32="" });="" var="" ybuf="this.point.getY().toBuffer({" size:="" 32="" });="" var="" prefix;="" if="" (!this.compressed)="" {="" prefix="new" buffer([0x04]);="" return="" buffer.concat([prefix,="" xbuf,="" ybuf]);="" }="" else="" {="" var="" odd="ybuf[ybuf.length" -="" 1]="" %="" 2;="" if="" (odd)="" {="" prefix="new" buffer([0x03]);="" }="" else="" {="" prefix="new" buffer([0x02]);="" }="" return="" buffer.concat([prefix,="" xbuf]);="" }="" };}class="" address="" {="" constructor(publickey){="" publish="" key="" to="" bitcoin="" address(内部地址)="" this.hashbuffer="Hash.ripemd160(Hash.sha256(publicKey.toBuffer()))" this.network="publicKey.network" this.type="Address.PayToPublicKeyHash" }="" 生成用户见到的比特币地址="" base58check="" encoding="" tostring="" ()="" {="" 比特币地址的前缀是0(十六进制是0x00)="" const="" version="new" buffer([0])="" const="" payload="this.hashBuffer" 1.="" add="" version="" prefix="" const="" addversionprefix="Buffer.concat([version," payload])="" 2.="" hash(version="" prefix="" +="" payload)="" const="" checksum="Hash.sha256(Hash.sha256(addVersionPrefix)).slice(0," 4)="" 3.="" add="" first="" 4="" bytes="" as="" checksum="" const="" addchecksum="Buffer.concat([addVersionPrefix," checksum])="" 4.="" encode="" in="" base-58="" return="" bs58.encode(addchecksum);="" }}address.paytopublickeyhash='pubkeyhash' ;address.paytoscripthash='scripthash' ;class="" networks="" {}networks.defaultnetwork='livenet' ;class="" hash="" {}hash.sha256="function(buf)" {="" return="" crypto.createhash('sha256').update(buf).digest();};hash.ripemd160="function(buf)" {="" return="" crypto.createhash('ripemd160').update(buf).digest();};const="" privatekey="new" privatekey()console.log(privatekey)const="" publickey="new" publickey(privatekey)console.log(publickey)const="" address="new">

数字签名是非对称加密的一种应用方式。数学上,可以通过一个简单公式来表示,整个数字签名的大概流程如下:

hash: x = hash(data)

send: s(x) and data

------- network -------

receive: s(x) and data

verify: d(s(x)) = x = hash(data)

  1. Alice 需要转 200 元电子货币给 Bob。Bob 需要一种手段,验证该交易是来自 Alice,且 Alice 不能抵赖。

  2. Alice 写好交易信息 data: Alice 给 Bob 200 元电子货币。

  3. Alice 使用哈希算法生成交易信息的哈希值 x = hash(data)。

  4. Alice 通过通过随机数生成器生成一对秘钥,其中一个作为公钥 d,一个作为私钥 c。

  5. Alice 使用私钥 c 对交易信息 x 进行签名,得到数字签名 s(x)。

  6. Alice 使用互联网将数字签名 s(x) 和交易信息 data 传递给 Bob。

  7. Bob 使用公钥 d,对数字签名进行解密 d(c(x)) 得到交易信息哈希值 x。

  8. Bob 用公钥 d 解密数字签名 s(x) 的值得到交易信息的哈希值 x。

  9. Bob 用哈希算法生成交易信息的哈希值 hash(data)。

  10. 如果 Bob 生成的交易信息的哈希值 hash(data) 等于 Alice 生成的交易信息的哈希值 x ,那么 Alice 拥有私钥,否则 Alice 没有私钥。

  11. 如果 Alice 抵赖,任何人都可重复 Bob 的校验步骤,并确认交易 data:Alice 给 Bob 200 元电子货币。

比特币与区块链核心技术:交易与算法

数字签名

电子货币

那么如何定义这 200 元的电子货币呢?回到A Peer-to-Peer Electronic Cash System。

将一枚电子货币定义为数字签名链( a chain of digital signatures)。电子货币从所有者转移给下一个人是通过,所有者使用私钥,对交易 Transactions 和下一个人的公钥进行数字签名,并将数字签名附在这枚电子货币(数字签名链)的后面。收款人对数字签名进行检验,就能校验自己是否收到了电子货币。

比特币与区块链核心技术:交易与算法

在比特币源码中,将电子货币定义为数字签名链,只要 Alice 在电子货币后签名,就相当于这枚电子货币属于了 Bob。这个过程基于的就是前面提到的数字签名。

到现在为止,基本已经把比特币交易的整体思路讲清楚了。还有很多细节问题,要深入到源码层面去讲,比如

  • 如何把电子货币分割?比如,Alice 给 Bob 100 元,Bob 要找给 Alice 90 元。

  • 如何把电子货币整合起来?比如,Alice 有两个 50 元电子货币,想换成一个 100 元的电子货币。

  • 如何统计现存有效的电子货币?比如,Alice 和 Bob 分别有多少电子货币。

  • 如何创建、销毁电子货币?比如,Alice 支付给了 Bob 100 元,交易结束后那么 Alice 的电子货币就要被销毁,而 Bob 的电子货币需要被创建。

基于这样一套非对称体系,在比特币网络中来组合交易,交易被广播到了整个网络并被包含在了区块中,一个交易可以包含多个输入和输出。为了更好的理解交易,我们可以把比特币交易看成是像流水一样的货币流,且具有如下的特点:

每个交易就相当于是一个中转节点,每个交易的输入货币和输出货币数量是相同的;也就是说,流入每个交易节点的货币流需要全部留出这个交易节点;在比特币核心代码中(Bitcoin Core) ,和bitcoin交易Transactions相关的所有关键类参考如下。:

比特币与区块链核心技术:交易与算法

交易源码框架

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,请点击这里 或 拨打24小时举报电话:4000070609 与我们联系。

    猜你喜欢

    0条评论

    发表

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多