區塊鏈導論

目錄

第一部分區塊鏈基礎知識

第1 章區塊鏈技術簡介...................................................................... 3

1.1 什麼是區塊鏈技術................................................................. 3

1.1.1 區塊鏈技術誕生與發展概況......................................... 4

1.1.2 區塊鏈的數據結構....................................................... 5

1.1.3 區塊鏈架構................................................................. 8

1.1.4 區塊鏈技術的獨特優勢................................................ 9

1.1.5 區塊鏈的分類........................................................... 10

1.2 區塊鏈技術的主要發展階段.................................................. 12

1.2.1 區塊鏈發展歷史：1.0 與2.0 階段................................. 12

1.2.2 區塊鏈優化技術：Layer-1 和Layer-2 .......................... 15

1.3 重新認識區塊鏈系統架構..................................................... 19

1.3.1 模塊化視角看待區塊鏈系統....................................... 19

1.3.2 區塊鏈網絡............................................................... 20

1.3.3 區塊鏈共識機制........................................................ 22

1.3.4 區塊鏈賬本結構........................................................ 25

1.4 總結................................................................................... 27

1.5 課後習題............................................................................. 28

參考文獻.................................................................................... 28

第2 章常用密碼學技術.................................................................... 30

2.1 有限域及其他常用代數結構.................................................. 30

2.2 保密性：加密...................................................................... 33

2.2.1 定義及安全屬性........................................................ 33

2.2.2 對稱加密與非對稱加密.............................................. 35

2.2.3 離散對數假設與Diffie-Hellman 密鑰交換..................... 36

2.2.4 同態加密.................................................................. 37

2.3 完整性：哈希............................................................................ 37

2.3.1 UNIX 系統的密碼認證................................................................... 38

2.3.2 定義及安全屬性................................................................... 38

2.3.3 隨機預言機模型.................................................................... 40

2.3.4 基於哈希的偽隨機數生成器........................................................... 40

2.3.5 默克爾樹.............................................................................. 41

2.4 身份認證：消息認證碼、數字簽名、公鑰基礎設施..................................... 43

2.4.1 消息認證碼.......................................................................... 44

2.4.2 數字簽名............................................................................ 45

2.4.3 公鑰基礎設施................................................................... 47

2.5 零知識證明............................................................................ 48

2.5.1 算術電路.................................................................................. 49

2.5.2 R1CS .................................................................................... 50

2.5.3 從驗證到計算............................................................................... 51

2.6 安全多方計算........................................................................... 52

2.6.1 安全屬性...................................................................................... 52

2.6.2 Shamir 秘密共享........................................................................... 53

2.6.3 可驗證秘密共享............................................................................ 53

2.6.4 基於秘密共享和算術電路的安全多方計算方案................................. 54

2.6.5 基於安全多方計算的門限簽名........................................................ 55

2.7 總結.................................................................................... 57

2.8 課後習題............................................................................ 57

參考文獻.................................................................................... 59

第3 章區塊鏈共識算法..................................................................... 60

3.1 無許可區塊鏈中的共識算法......................................................... 61

3.1.1 傳統分布式共識在無許可區塊鏈中遇到困境.................................... 61

3.1.2 物理資源證明................................................................. 63

3.1.3 虛擬資源證明.................................................................. 68

3.2 拜占庭容錯共識算法.............................................................. 72

3.2.1 拜占庭容錯共識如何才能應用於區塊鏈........................................... 72

3.2.2 拜占庭容錯共識的起源：拜占庭將軍問題....................................... 73

3.2.3 拜占庭容錯共識經典實例：實用拜占庭容錯共識............................. 75

3.3 幾個不可能性原理................................................................ 80

3.3.1 所有的場景都能運行區塊鏈嗎？...................................................... 80

3.3.2 共識問題中的不可能性.................................................................. 80

3.3.3 領導者選舉中的不可能性............................................................... 84

3.3.4 無線網絡共識中的不可能性........................................................... 87

3.3.5 區塊鏈的“不可能三角”................................................................ 89

3.4 總結................................................................................. 89

3.5 課後習題.............................................................................. 90

參考文獻.......................................................................................... 91

第4 章區塊鏈典例剖析...................................................................... 92

4.1 比特幣................................................................................ 92

4.1.1 比特幣的誕生................................................................ 93

4.1.2 點對點網絡................................................................................... 94

4.1.3 未花費交易輸出模型..................................................................... 94

4.1.4 工作量證明機制............................................................................ 97

4.2 以太坊............................................................................... 99

4.2.1 區塊鏈與智能合約：超越“賬本”的想象...................................... 100

4.2.2 以太坊虛擬機：驅動“全球計算機”的引擎................................... 101

4.2.3 以太坊共識機制：從PoW 到PoS .................................................. 106

4.3 Hyperledger Fabric ............................................................ 110

4.3.1 引言：為什麼需要聯盟鏈.............................................................. 110

4.3.2 Hyperledger Fabric 準入機制........................................................ 110

4.3.3 Gossip 協議................................................................................. 111

4.3.4 共識機制..................................................................................... 113

4.4 總結.................................................................................. 114

4.5 課後習題.............................................................................. 114

參考文獻...................................................................................... 115

第二部分區塊鏈擴容技術

第5 章區塊鏈分片........................................................................ 119

5.1 區塊鏈與傳統數據庫：異同與借鑒........................................................... 120

5.1.1 數據庫分區的基本原理................................................................. 120

5.1.2 為什麼數據庫分區不能直接用於區塊鏈？....................................... 123

5.2 區塊鏈分片：解決擴展性困境.................................................................. 124

5.2.1 區塊鏈擴展性問題的表現.............................................................. 124

5.2.2 區塊鏈分片技術的簡介................................................................. 125

5.3 區塊鏈分片的核心機制............................................................................ 127

5.3.1 主流的分片配置方案.................................................................... 127

5.3.2 分片配置的核心：隨機數生成方法................................................ 129

5.4 跨片交易：分片世界的協同難題.............................................................. 131

5.4.1 ACID 特性：跨片交易的保障........................................................ 132

5.4.2 協調一致的“鎖定—提交”方案.................................................... 132

5.4.3 另辟蹊徑——跳出“原子提交”的思維定式................................... 134

5.5 分片重置：應對節點變化與安全威脅........................................................ 135

5.5.1 分片重置初步嘗試........................................................................ 135

5.5.2 更高效的分片重置........................................................................ 136

5.5.3 更安全的分片重置........................................................................ 137

5.6 總結.............................................................................. 138

5.7 課後習題........................................................................... 138

參考文獻.............................................................................. 139

第6 章區塊鏈賬本結構............................................................................ 141

6.1 鏈式區塊鏈賬本...................................................................................... 141

6.1.1 為什麼要用哈希鏈？..................................................................... 141

6.1.2 最長鏈原則.................................................................................. 143

6.1.3 貪心最重子樹原則........................................................................ 146

6.2 圖式區塊鏈賬本...................................................................................... 148

6.2.1 從鏈式區塊鏈到圖式區塊鏈.......................................................... 149

6.2.2 IOTA Tangle ............................................................................... 150

6.2.3 DAG-Rider .................................................................................. 152

6.3 區塊鏈賬本存儲優化............................................................................... 156

6.3.1 數據裁剪..................................................................................... 157

6.3.2 數據壓縮..................................................................................... 158

6.3.3 分級存儲..................................................................................... 158

6.3.4 糾刪碼存儲.................................................................................. 159

6.4 總結................................................................................. 160

6.5 課後習題.............................................................................. 160

參考文獻........................................................................................ 161

第7 章跨鏈互操作............................................................................ 162

7.1 跨鏈技術簡介........................................................................... 163

7.1.1 信息孤島問題與跨鏈技術.............................................................. 163

7.1.2 跨鏈行為與分類........................................................................... 164

7.1.3 跨鏈模型與特性........................................................................... 166

7.2 跨鏈機制............................................................................... 168

7.2.1 基於公證人的跨鏈機制................................................................. 169

7.2.2 基於分布式私鑰控制的跨鏈機制.................................................... 170

7.2.3 基於中繼鏈的跨鏈機制................................................................. 173

7.2.4 哈希時間鎖合約........................................................................... 177

7.3 總結.................................................................................. 181

7.4 課後習題............................................................................ 182

參考文獻................................................................................... 183

第8 章鏈下擴容................................................................................. 184

8.1 鏈下通道............................................................................... 184

8.1.1 支付通道..................................................................................... 185

8.1.2 狀態通道..................................................................................... 189

8.1.3 鏈下支付通道網絡........................................................................ 191

8.2 鏈下計算.............................................................................. 197

8.2.1 基於零知識證明的鏈下計算.......................................................... 197

8.2.2 基於可信硬件的鏈下計算.............................................................. 200

8.2.3 基於安全多方計算的鏈下計算....................................................... 201

8.3 總結................................................................................. 202

8.4 課後習題............................................................................... 203

參考文獻..................................................................................... 204

第三部分區塊鏈安全與隱私

第9 章區塊鏈中的激勵機制.............................................................. 207

9.1 博弈論與激勵機制.................................................................................. 208

9.1.1 博弈論概述.................................................................................. 208

9.1.2 經典博弈論模型........................................................................... 209

9.1.3 激勵機制設計.............................................................................. 213

9.2 為什麼區塊鏈需要激勵機制..................................................................... 214

9.3 主流區塊鏈系統中的激勵機制.................................................................. 216

9.3.1 比特幣中的激勵機制.................................................................... 216

9.3.2 以太坊中的激勵機制.................................................................... 220

9.3.3 復雜激勵機制設計........................................................................ 223

9.4 總結.................................................................................... 225

9.5 課後習題............................................................................. 225

參考文獻.................................................................................... 227

第10 章區塊鏈主要安全威脅與對策.................................................................... 228

10.1 區塊鏈中常見的攻擊及其對策................................................................ 229

10.1.1 網絡層...................................................................................... 229

10.1.2 共識層...................................................................................... 232

10.1.3 合約層...................................................................................... 235

10.1.4 量子優越性............................................................................... 239

10.2 區塊鏈安全性證明方法.......................................................................... 240

10.2.1 區塊鏈的安全屬性..................................................................... 240

10.2.2 通用可組合安全證明.................................................................. 242

10.3 總結................................................................................... 245

10.4 課後習題............................................................................... 246

參考文獻...................................................................................... 246

第11 章區塊鏈隱私保護與監管技術.................................................................... 248

11.1 隱私保護技術：匿名支付與隱私計算...................................................... 248

11.1.1 Zerocash：支持匿名支付的區塊鏈.............................................. 249

11.1.2 基於零知識證明的智能合約隱私計算.......................................... 251

11.1.3 基於可信執行環境的智能合約隱私計算....................................... 252

11.2 區塊鏈監管技術：可修改區塊鏈............................................................. 252

11.2.1 基於變色龍哈希的可修改區塊鏈................................................. 253

11.2.2 基於共識的可修改區塊鏈........................................................... 258

11.3 總結.................................................................................... 261

11.4 課後習題.............................................................................. 261

參考文獻...................................................................................... 262