区块链开发教程

 最新消息     |      2022-06-28 00:31

  区块链开发环境中这些都必须要用到git主要用于同步源码go主要是搭建go语言的编译环境因为源码是go语言编写的。点击文档说明的链接下载安装方法和环境变量的设置可以百度一大堆的参考资料基本都比较靠谱。后两个就更简单下载下来安装就行了。另外由于后面要用到ssh命令我下载了一个Cygwin64 Terminal安装选择包的时候搜索openssh然后选择这个包安装之后也需要配置环境变量具体自己百度。

  Vagrant装好之后大部分的工作就完成了然后就是部署一些东西。

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  科普向介绍请参考tutorial。技术开发教程请参考本文。本系列文章更偏向技术入门。参考网上资料根据个人理解整理而成。本文主要参考廖雪峰博客。

  中本聪2008年发布《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》宣布了Bitcoin的诞生。人类经济生活最早期是物物交换随着经济和贸易的发展迫切需要一种“一般等价物”来作为商品交换的“中介”这种一般等价物就是货币。货币由贝壳变成了金属再变成了纸币。而20-21世纪信息革命造成社会巨变货币也进一步进化成了数字货币/加密货币。比特币和网银/支付宝/微信不同的是比特币不需要一个类似银行的中央信任机构就可以通过全球P2P网络进行发行和流通。比特币通过技术手段解决了现金电子化以后交易的清结算问题。传统的基于银行等金融机构进行交易本质上是通过中央数据库确保两个交易用户的余额一增一减。这些交易高度依赖专业的开发和运维人员以及完善的风控机制。比特币则是通过区块链技术把整个账本全部公开人手一份全网相同因此修改账本不会被其他人承认。比特币的区块链就是一种存储了全部账本的链式数据库通过一系列密码学理论进行防篡改防双花。

  从现金和存款的角度看现金是M0而银行存款是M1和M2。银行存款本质上已经不是现金而是用户的资产对应着银行的负债。因为银行只记录用户在银行的资产余额因此用户A通过银行把100元转账给用户B的时候用户A的资产减少100元相应的用户B的资产增加100元银行对用户A和用户B的总负债不变。换句线c;存款是用户的“提款期权”。比特币由用户自己保存不需要经过银行。比特币解决的是现金电子化后无需中央信任机构的交易问题即M0如何通过网络进行价值传输。比特币背后对应的技术就是区块链。

  每个区块都有一个唯一的哈希标识被称为区块哈希指向上一个区块。每一个区块还有一个Merkle哈希用来确保该区块的所有交易记录无法被篡改。区块链中的主要数据就是一系列交易第一条交易通常是Coinbase交易也就是矿工的挖矿奖励后续交易都是用户的交易。

  区块本身用Block Hash——也就是区块哈希来标识。但是一个区块自己的区块哈希并没有记录在区块头部而是通过计算区块头部的哈希得到的。区块链的第一个区块又称创世区块并没有上一个区块因此它的Prev Hash被设置为00000000…000。

  Note每个新矿机加入挖矿需要硬盘存储过去的账本目前是几百个G的账本。矿池只需要计算有专门负责存储账本的设备。

  比特币采用的签名算法是椭圆曲线a;ECDSA使用的椭圆曲线是一个已经定义好的标准曲线 7 y^2x^37y2x37。比特币的私钥是一个随机的非常大的256位整数。比特币账本是全网公开的任何人都可以根据公钥查询余额只有持有私钥可以控制对应账户。

  不能直接凭空产生数或求和输入需要关联到交易一个交易对应多输入1输出

  在实际的交易中输入比输出要稍微大一点点这个差额就是隐含的交易费用gas交易费用会算入当前区块的矿工收入中作为矿工奖励的一部分

  以压缩格式的公钥为例从公钥计算地址的方法是

  挖矿每打包一个新的区块打包该区块的矿工就可以获得一笔比特币作为奖励。

  直到计算出某个特定的哈希值的时候计算结束。这个哈希和其他的哈希相比它的特点是前面有好几个0

  关于16倍的原因这里的一位0是16进制数。如果选择的hash算法足够优秀理论上遍历相邻16个数得到的hash值会遍历0-F。这里是近似计算。【在不同情形下难度也可能指bit位就是2倍而不是16倍】

  实际的难度是根据bits由一个公式计算出来比特币协议要求计算出的区块的哈希值比难度值要小这个区块才算有效

  注意难度值越小说明哈希值前面的0越多计算难度越大。(难度值不等于计算难度。

  比特币网络的难度是不断变化的它的难度保证大约每10分钟产生一个区块而难度值在每2015个区块调整一次如果区块平均生成时间小于10分钟说明全网算力增加难度也会增加如果区块平均生成时间大于10分钟说明全网算力减少难度也会减少。因此难度随着全网算力的增减会动态调整。

  比特币设计时本来打算每2016个区块调整一次难度也就是两周一次但是由于第一版代码的一个bug实际调整周期是2015个区块。根据比特币每个区块的难度值和产出时间就可以推算出整个比特币网络的全网算力。目前全网算力超过了100EH/s而单机CPU算力不过几MGPU算力也不过1G所以单机挖矿的成功率几乎等于0。比特币挖矿已经从早期的CPU、GPU发展到专用的ASIC芯片构建的矿池挖矿。

  当某个矿工成功找到特定哈希的新区块后他会立刻向全网广播该区块。其他矿工在收到新区块后会对新区块进行验证如果有效就把它添加到区块链的尾部。同时说明在本轮工作量证明的竞争中这个矿工胜出而其他矿工都失败了。失败的矿工会抛弃自己当前正在计算还没有算完的区块转而开始计算下一个区块进行下一轮工作量证明的竞争。比特币总量被限制为约2100万个比特币初始挖矿奖励为每个区块50个比特币以后每4年减半。

  如果两个矿工在同一时间各自找到了有效区块注意这两个区块是不同的因为coinbase交易不同所以Merkle Hash不同区块哈希也不同。但它们只要符合难度值就都是有效的。这个时候网络上的其他矿工应该接收哪个区块并添加到区块链的末尾呢答案是都有可能。通常矿工接收先收到的有效区块由于P2P网络广播的顺序是不确定的不同的矿工先收到的区块是有可能的不同的。这个时候我们说区块发生了分叉

  在分叉的情况下有的矿工在绿色的分叉上继续挖矿有的矿工在蓝色的分叉上继续挖矿

  总有一个分叉首先挖到后续区块这个时候由于比特币网络采用最长分叉的共识算法绿色分叉胜出蓝色分叉被废弃整个网络上的所有矿工又会继续在最长的链上继续挖矿。

  由于区块链虽然最终会保持数据一致但是一个交易可能被打包到一个后续被孤立的区块中。所以要确认一个交易被永久记录到区块链中需要对交易进行确认。如果后续的区块被追加到区块链上实际上就会对原有的交易进行确认因为链越长修改的难度越大。一般来说经过6个区块确认的交易几乎是不可能被修改的。

  比特币的支付实际上并不是直接支付到对方的地址而是一个脚本这个脚本的意思是谁能够提供另外一个脚本让这两个脚本能顺利执行通过谁就能花掉这笔钱。比特币交易的输出是一个锁定脚本而下一个交易的输入是一个解锁脚本。必须提供一个解锁脚本让锁定脚本正确运行那么该输入有效就可以花

  最后执行OP_CHECKSIG指令它使用栈顶的两份数据第一份数据被看作公钥第二份数据被看作签名这条指令就是用公钥来验证签名是否有效。根据验证结果成功存入1失败存入0。最后当整个脚本执行结束后检查栈顶元素是否为0如果不为0那么整个脚本就执行成功这笔交易就被验证为有效的。

  因为比特币的脚本不含条件判断、循环等复杂结构。上述脚本就是对输入的两个数据视作签名和公钥然后先验证公钥哈希是否与地址相同再根据公钥验证签名这种标准脚本称之为P2PKHPay to Public Key Hash脚本。

  当小明给小红支付一笔比特币时实际上小明创建了一个锁定脚本该锁定脚本中引入了小红的地址。要想通过解锁脚本花费该输出只有持有对应私钥的小红才能创建正确的解锁脚本因为解锁脚本包含的签名只有小红的私钥才能创建因此小红事实上拥有了花费该输出的权利。

  谁能够提供一个数据它的hash256等于6fe28c0a…谁就可以花费这笔输出。所以解锁脚本实际上只需要提供一个正确的数据就可以花费这笔输出。

  比特币的脚本通过不同的指令还可以实现更灵活的功能。例如多重签名可以让一笔交易只有在多数人同意的情况下才能够进行。最常见的多重签名脚本可以提供3个签名只要任意两个签名被验证成功这笔交易就可以成功。

  由此催生出了智能合约当一个预先编好的条件被触发时智能合约可以自动执行相应的程序自动完成数字资产的转移。保险、贷款等金融活动在将来都可以以智能合约的形式执行。智能合约以程序来替代传统的纸质文件条款并由计算机强制执行将具有更高的更低的信任成本和运营成本。

  在钱包程序中钱包管理的是一组私钥对应的是一组公钥和地址。钱包程序必须从创世区块开始扫描每一笔交易如果

  遇到某笔交易的某个Output是钱包管理的地址之一则钱包余额增加

  遇到某笔交易的某个Input是钱包管理的地址之一则钱包余额减少。

  如果刚装了一个新钱包导入了一组私钥在钱包扫描完整个比特币区块之前是无法得知当前管理的地址余额的。怎么加速计算

  对区块链进行查询之前先扫描整个区块链重建一个类似关系数据库的地址-余额映射表。一开始这是一个空表。每当扫描一个区块的所有交易后某些地址的余额增加另一些地址的余额减少两者之差恰好为区块奖励

  扫描完所有区块后我们就得到了整个区块链所有地址的完整余额记录查询的时候并不是从区块链查询而是从本地数据库查询。大多数钱包程序使用LevelDB来存储这些信息手机钱包程序则是请求服务器由服务器查询数据库后返回结果。

  可见比特币的区块链记录的是修改日志而不是当前状态。

  不用区分大小写因为编码用的字符表没有大写字母

  只有私钥持有人才能正确地签名所以只要签名是有效的tx本身就应该固定下来。在ECDSA签名算法上算法基于私钥计算的签名实际上是两个整数记作(r, s)但由于椭圆曲线c;(r, -s mod N)实际上也是一个有效的签名N是椭圆曲线的固定参数之一。换句线c;对某个交易进行签名总是可以计算出两个有效的签名并且这两个有效的签名还可以互相计算出来。

  黑客可以在某一笔交易发出但并未落块的时间内对签名进行修改使之仍是一个有效的交易。注意黑客并无法修改任何输入输出的地址和金额

  整个交易的哈希被改变了。如果修改后的交易先被打包虽然原始交易会被丢弃且并不影响交易安全但这个延展性攻击可用于攻击交易所。要解决延展性攻击的问题有两个办法一是对交易签名进行归一化Normalize。因为ECDSA签名后总有两个有效的签名(r, s)和(r, -s mod N)那只接受数值较小的那个签名为此比特币引入了一个SCRIPT_VERIFY_LOW_S标志仅接受较小值的签名。另一个办法是把签名数据移到交易之外这样交易本身的哈希就不会变化。不含签名的交易计算出的哈希称为wtxid为此引入了一种新的隔离见证地址。

  出于保护隐私的目的同一用户如果控制的UTXO其地址都是不同的那么很难从地址获知某个用户的比特币持币总额。但是管理一组成千上万的地址意味着管理成千上万的私钥管理起来非常麻烦。

  HD,Hierarchical Deterministic意思是分层确定性。先确定根私钥root然后根据索引计算每一层的子私钥

  HD钱包采用的计算子私钥的算法是一个扩展的512位私钥记作xprv它通过SHA-512算法配合ECC计算出子扩展私钥仍然是512位。通过扩展私钥可计算出用于签名的私钥以及公钥。

  从xprv及其对应的xpub可计算出真正用于签名的私钥和公钥。之所以要设计这种算法是因为扩展公钥xpub也有一个特点那就是可以直接计算其子层级的扩展公钥

  只要确定了扩展私钥xprv即可根据索引计算下一层的任何扩展私钥

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