区块链技术与应用（1 BTC - 密码学原理）
北京大学肖臻老师公开课《区块链技术与应用》，可以直接点击查看视频。
1. 课程简介
- 课程参考资料：
- BitCoin and Cryptocurrency TechnologiesA Comprehensive Introduction
- 以太坊白皮书、黄皮书、源代码
- Solidity 文档
- 课程大纲
比特币
- 密码学基础
- 比特币的数据结构
- 共识协议和系统实现
- 挖矿算法和难度调整
- 比特币脚本
- 软分叉和硬分叉
- 匿名和隐私保护
以太坊
- 概述：基于帐户的分布式账本
- 数据结构：状态树、交易树、收据树 -
- GHOST 协议挖矿: memory-hard mining puzzle
- 挖矿难度调整
- 权益证明.
- Casper the Friendly Finality Gadget(FFG)
- 智能合约总结与展望
2. BTC - 密码学原理
比特币，被称为加密货币（Crypto-currencg）。但其实加密货币是不加密的，区块链上所有内容都是公开的包含交易记录、交易金额、交易内容甚至源代码都面向全网开放。比特币中主要用到了密码学的两个原理，哈希和签名。
哈希 hash
密码学中用到的哈希函数被称为 cryptographic hash function: 它有两个重要的性质:
① collision resistance (这里指哈希碰撞): 例如 x≠y H (x)=H (y) 两个不同的输入，输出却是相等的，这就称哈希碰撞。它是不可避免的，因为输入空间总大于输出空间。给出 x，很难找到 y，除非蛮力求解 (brute-force)。
该性质的作用：对一个 message 求 digest，比如 message 取 m，m 的哈希值是 H (m)=digest 如果有人想篡改 m 值而 H (m) 不变，则无法做到。哈希碰撞无法人为制造，无法验证，是根据实践经验得来的。
② hiding 哈希函数的计算过程是单向的，不可逆的。(从 H (x) 无法推导出 x) hiding 性质前提是输入空间足够大，分布比较均匀。如果不是足够大，一般在 x 后面拼接一个随机数，如 H (x||nonce)。该性质的作用：和 collision resistance 结合在一起，用来实现 digital commitment (又称为 digital equivalent of a sealed envelope) 把预测结果作为输入 x，算出一个哈希值，讲哈希值公布，hiding 让人们知道哈希值而不知道预测值，最后再将 x 公布，因为有 collision resistance 的性质，预测结果是不可篡改的。
除了密码学中要求的这两个性质外，比特币中用到的哈希函数还有第三个性质:
③puzzle friendly 指哈希值的预算事先是不可预测的。假如哈希值是 00…0XX…X，一样事先无法知道哪个值更容易算出这个结果，还是要一个一个带入。
比特币挖矿的过程中实际就是找一个 nonce，nonce 跟区块的块头里的其他信息合一起作为输入，得出的哈希值要小于等于某个指定的目标预值。H (block header)≤target。block header 指块头，块头里有很多域，其中一个域是我们可以设置的随机数 nonce，挖矿的过程是不停的试随机数，使得 block header 取哈希后落在指定的范围之内。
puzzle friendly 是指挖矿过程中没有捷径，为了使输出值落在指定范围，只能一个一个去试。所以这个过程还可以作为工作量证明 (proof of work)。挖矿很难，验证很容易。(difficult to solve ,but easy to verify)
比特币中用的哈希函数叫作 SHA-256 (secure hash algorithm) 以上三个性质它都是满足的。
签名
在比特币系统中开账户:
在本地创立一个公私钥匙对 (public key ,private key)，这就是一个账户。公私钥匙对是来自于非对称的加密技术 (asymmetric encryption algorithm)。加密用的公钥，解密用的私钥。
两人之间信息的交流可以利用密钥 (encryption key)，A 将信息加密后发给 B，B 收到后用密钥解密，因为加密和解密用的是同一个密钥，所以叫对称加密。前提是有渠道可以安全地把密钥分发给通讯的双方。因此对称加密的缺点就是密钥的分发不方便，因为在网络上很容易被窃听。非对称密钥是用一对密钥而不是一个，加密用公钥，解密用私钥，加密和解密用的都是接收方的公钥和私钥。公钥是不用保密的，私钥要保密但是私钥只要保存在本地就行，不用传给对方。公钥相当于银行账号，别人转账只要知道公钥就行，私钥相当于账户密码，知道私钥可以把账户上钱转走。公钥和私钥是用来签名。
假如 A 想向 B 转 10 个比特币，A 把交易放在区块链上，别人怎么知道这笔交易是 A 发起的呢？这就需要 A 要用自己的私钥给交易签名，其他人收到这笔交易后，要用 A 的公钥去验证签名。签名用私钥，验证用公钥，用的仍然是同一个人的。创建账户产生相同公私钥的可能性微乎其微，所以大量创建账户来窃取其他人账户是不可行的。
我们假设产生公私钥时有一个好的随机源 (a good source of randomness)，产生公私钥是随机的，如果随机源不好，就有可能产生相同的公私钥。比特币中用的签名算法，不仅是生成公私钥的时候要有好的随机源，之后每一次签名时也要有好的随机源。只要有一次签名用的随机源不好的话，就有可能泄露私钥。
参考笔记：