區塊鏈原理與技術

目錄

第1章密碼學基礎1

1.1哈希算法1

1.1.1基本定義1

1.1.2哈希算法種類3

1.2默克爾樹3

1.3公鑰加密方案4

1.3.1基本定義5

1.3.2安全性定義5

1.3.3橢圓曲線密碼學7

1.4數字簽名方案7

1.4.1基本定義8

1.4.2安全性定義8

1.4.3橢圓曲線數字簽名算法11

1.4.4群簽名11

1.4.5環簽名14

1.4.6盲簽名17

1.4.7門限簽名19

1.4.8多簽名20

1.4.9聚合簽名22

1.5編碼/解碼算法23

1.5.1Base58Check算法24

1.5.2EIP55: 混合大小寫校驗和地址編碼25

1.6零知識證明26

1.6.1基本定義26

1.6.2範圍證明27

1.6.3算術電路可滿足性證明29

1.7秘密分享31

1.7.1基本定義31

1.7.2Shamir的秘密分享方案31

1.7.3可驗證的秘密分享32

1.7.4公開可驗證的秘密分享321.7.5異步可驗證的秘密分享33

1.8分布式隨機數生成35

1.8.1基本定義35

1.8.2安全性定義36

1.8.3SCRAPE方案37

1.9安全多方計算39

1.9.1安全模型39

1.9.2不經意傳輸協議41

1.9.3姚氏混淆電路協議42

1.9.4GMW協議44

1.10註釋與參考文獻45

1.11本章習題46

第2章分布式系統48

2.1分布式系統架構48

2.1.1分布式系統48

2.1.2網絡模型50

2.1.3故障模型51

2.2分布式共識53

2.2.1共識問題53

2.2.2客戶端一致性54

2.2.3共識算法舉例——Raft58

2.3FLP原理與CAP原理62

2.3.1FLP原理63

2.3.2CAP原理66

2.4ACID原理與BASE原理67

2.4.1ACID原理67

2.4.2BASE原理69

2.5註釋與參考文獻70

2.6本章習題70

第3章經典分布式共識71

3.1背景介紹71

3.1.1拜占庭將軍問題71

3.1.2使用口頭消息的解73

3.1.3拜占庭容錯協議及其分類75

3.2DolevStrong協議76

3.2.1同步網絡下的共識問題76

3.2.2DolevStrong拜占庭廣播協議78

3.2.3基於DolevStrong的拜占庭協定協議80

3.2.4基於DolevStrong的狀態機復制協議81

3.3PBFT協議82

3.3.1概述82

3.3.2常規構造83

3.3.3垃圾回收84

3.3.4視圖轉換86

3.3.5協議分析87

3.4HotStuff協議89

3.4.1概述89

3.4.2基礎HotStuff協議89

3.4.3鏈接HotStuff協議91

3.4.4協議分析93

3.5HoneyBadger協議94

3.5.1異步可靠廣播95

3.5.2異步二元協定97

3.5.3異步公共子集98

3.5.4異步原子廣播100

3.6註釋與參考文獻102

3.7本章習題102

第4章比特幣104

4.1密鑰和地址104

4.1.1地址104

4.1.2密鑰105

4.1.3高級密鑰和地址107

4.2錢包107

4.2.1隨機錢包與確定性錢包108

4.2.2分層確定性錢包108

4.2.3錢包產業標準108

4.3交易110

4.3.1交易輸出110

4.3.2交易輸入111

4.3.3交易費用112

4.3.4交易腳本及語言113

4.3.5高級交易腳本115

4.4比特幣網絡117

4.4.1節點類型118

4.4.2中繼網絡118

4.4.3網絡發現119

4.4.4全節點和SPV節點120

4.4.5布隆過濾器121

4.5區塊123

4.5.1區塊結構和區塊頭部123

4.5.2區塊鏈和默克爾樹124

4.5.3測試區塊鏈126

4.6挖礦和共識協議126

4.6.1分布式共識126

4.6.2交易驗證127

4.6.3交易入塊128

4.6.4挖礦129

4.6.5區塊驗證130

4.6.6礦池131

4.6.7分叉132

4.7隔離見證133

4.7.1提出背景133

4.7.2交易結構134

4.7.3區塊擴容135

4.8註釋與參考文獻136

4.9本章習題136

第5章以太坊138

5.1區塊鏈的整體結構138

5.2密鑰與地址139

5.3錢包139

5.4交易與Gas140

5.4.1交易結構140

5.4.2交易計數Nonce141

5.4.3Gas142

5.4.4交易傳播機制143

5.4.5多重簽名交易143

5.5智能合約144

5.5.1生命周期144

5.5.2智能合約的構建144

5.5.3智能合約的安全性145

5.6以太坊虛擬機148

5.6.1定義148

5.6.2準圖靈完備150

5.7共識協議150

5.7.1工作量證明共識機制150

5.7.2權益證明共識機制151

5.7.3代理權益證明共識機制152

5.8註釋與參考文獻152

5.9本章習題152

第6章聯盟鏈153

6.1聯盟鏈介紹153

6.1.1聯盟鏈的提出153

6.1.2聯盟鏈與公鏈、私鏈的區別154

6.1.3聯盟鏈框架Hyperledger及其執行架構156

6.1.4Hyperledger Fabric基礎介紹158

6.2Hyperledger Fabric的網絡架構159

6.2.1組織結構與通道建立159

6.2.2身份認證與角色分配162

6.2.3排序服務流程165

6.2.4隨機化數據傳播協議與私有數據傳播167

6.3Hyperledger Fabric的重要概念170

6.3.1對等節點170

6.3.2賬本172

6.3.3控制策略175

6.3.4鏈碼及工作方式176

6.4Hyperledger項目拓展及應用177

6.4.1Hyperledger的共識算法組件177

6.4.2Hyperledger社區子項目介紹177

6.4.3Hyperledger解決方案實例178

6.4.4聯盟鏈的應用前景180

6.5註釋與參考文獻181

6.6本章習題181

第7章區塊鏈安全技術183

7.1共識層攻擊183

7.1.1零雙花攻擊183

7.1.2N確認雙花攻擊185

7.1.3自私挖礦攻擊186

7.1.4扣塊攻擊和扣塊後的分叉攻擊190

7.1.5長程攻擊192

7.1.6權益竊取攻擊194

7.2網絡層攻擊195

7.2.1日蝕攻擊195

7.2.2女巫攻擊196

7.3數據層攻擊197

7.3.1簽名延展性攻擊197

7.3.2時間劫持攻擊198

7.4註釋與參考文獻198

7.5本章習題199

第8章區塊鏈隱私保護技術200

8.1隱私與匿名的區別200

8.2混幣服務與匿名支付通道201

8.2.1概述201

8.2.2CoinJoin202

8.2.3Mixcoin202

8.2.4CoinShuffle203

8.2.5CoinParty204

8.2.6TumbleBit205

8.2.7Bolt206

8.2.8方案比較207

8.3基於環簽名的隱私保護207

8.3.1概述207

8.3.2CryptoNote協議208

8.3.3門羅幣209

8.4基於零知識證明的隱私保護211

8.4.1概述211

8.4.2zkSNARKs212

8.4.3ZeroCash213

8.5註釋與參考文獻215

8.6本章習題216

第9章區塊鏈去隱私化技術217

9.1區塊鏈隱私與匿名217

9.1.1概述217

9.1.2交易法218

9.1.3利用離線信息218

9.1.4交易溯源技術218

9.1.5賬戶聚類技術220

9.1.6跨賬本去隱私化222

9.2實例一: 比特幣在線支付去隱私化223

9.2.1整體攻擊流程223

9.2.2用戶在線支付信息監測223

9.2.3去交易隱私化攻擊224

9.2.4去身份隱私化攻擊225

9.3實例二: 跨賬本去隱私化226

9.3.1典型的跨賬本交易流程226

9.3.2著名的跨賬本交易平臺——ShapeShift227

9.3.3跨賬本追蹤框架CLTracer227

9.3.4CLTracer交易數據發現模塊228

9.3.5跨賬本地址聚類啟發式229

9.3.6CLTracer平臺擴展模塊230

9.4註釋與參考文獻231

9.5本章習題231

第10章區塊鏈擴容技術232

10.1背景介紹232

10.1.1區塊鏈可擴展性問題232

10.1.2鏈下擴容方案234

10.1.3鏈上擴容方案235

10.2閃電網絡236

10.2.1序列到期可撤銷合約236

10.2.2哈希時間鎖定合約238

10.2.3密鑰存儲239

10.3虛擬支付通道239

10.3.1賬本通道240

10.3.2虛擬通道241

10.3.3安全屬性243

10.4BitcoinNG244

10.4.1關鍵塊與領導選舉244

10.4.2微塊245

10.4.3確認時間及酬金245

10.5ByzCoin246

10.5.1概述246

10.5.2系統模型247

10.5.3稻草人協議: PBFTCoin247

10.5.4完全構造247

10.5.5安全性分析250

10.6ELASTICO251

10.6.1系統模型251

10.6.2完全構造252

10.6.3安全性分析253

10.7OmniLedger254

10.7.1概述254

10.7.2系統模型256

10.7.3稻草人協議: SLedger256

10.7.4完全構造256

10.7.5安全性分析259

10.8以太坊2.0259

10.8.1概述259

10.8.2Casper FFG261

10.8.3信標鏈262

10.9註釋與參考文獻262

10.10本章習題263

第11章智能合約264

11.1智能合約概述264

11.1.1智能合約概念264

11.1.2智能合約原理265

11.1.3智能合約語言265

11.1.4智能合約與以太坊虛擬機271

11.2智能合約安全274

11.2.1Solidity相關漏洞274

11.2.2以太坊虛擬機相關漏洞281

11.2.3Blockchain相關漏洞282

11.2.4智能合約安全漏洞分析工具284

11.3智能合約隱私289

11.3.1智能合約隱私概念289

11.3.2Enigma291

11.3.3Hawk297

11.3.4Ekiden305

11.4智能合約分布式應用程序311

11.4.1分布式應用程序概念311

11.4.2分布式金融312

11.4.3分布式交易所314

11.4.4分布式藝術315

11.5註釋與參考文獻316

11.6本章習題317

參考文獻320