比特币知识解析：比特币的底层区块链技术到底是什么？

比特币的底层区块链技术到底是什么？ 近年来各种技术层出不穷，大数据、云计算、人工智能等相关技术异常火爆，比特币的火爆也引起了人们的关注。 这也大大增加了其他人对比特币底层技术——区块链技术的兴趣。 2015年被称为区块链技术元年，距比特币火爆至今已有两年多时间，人们对区块链技术的热情并未消退。 那么，比特币的底层区块链技术是什么？ ？

1. 区块链技术

1、什么是区块链？

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的一种新型应用模式。 所谓共识机制是区块链系统中不同节点之间建立信任、获取权益的数学算法。 区块链（Blockchain）是比特币的一个重要概念。 它本质上是一个去中心化的数据库。 比特币的底层技术。 区块链是一系列使用密码学方法相互关联的数据块。 每个数据块都包含比特币网络交易的信息，用于验证其信息的有效性（防伪）和生成下一个块。

2. 区块链基本原理

如果将区块链作为状态机，每笔交易都是一次改变状态的尝试，每一次共识产生的区块都是参与者对区块中所有交易内容引起的状态改变的确认结果。

事务：引起账本状态变化的操作，比如增加一条记录

Block：记录一段时间内发生的交易和状态结果，是对当前账本状态的共识

Chain：由区块按发生顺序串联而成，是整个状态变化的日志记录。

三、区块链要解决的问题

如何以去中心化的方式共享数据？ 如何保证账户不被冒用？ 如何保证账户余额充足？ 如何保证交易记录不被篡改？ 积极性？

4. 区块链特性

分散的

由于采用分布式记账和存储，没有中心化的硬件和管理机构，任何节点的权利和义务都是平等的。 系统中的数据块由全系统具有维护功能的节点共同维护。

得益于区块链去中心化的特点，比特币也具有去中心化的特点。

开放性

系统是开放的。 除了交易各方的加密隐私信息外，区块链数据对所有人开放。 任何人都可以通过开放的接口查询区块链数据并开发相关应用，整个系统信息高度透明。

自治

区块链采用基于共识的规范和协议（比如一套公开透明的算法），使整个系统中的所有节点在去信任的环境中自由、安全地交换数据，让对“人”的信任变信任在人们”。 机器信任，没有人为干预是行不通的。

信息不可篡改

一旦信息被验证并添加到区块链中，它将被永久存储。 除非能同时控制系统中超过51%的节点，否则在单个节点上修改数据库是无效的，区块链的数据是稳定的。 高可靠性和可靠性。

匿名

由于节点之间的交换遵循固定的算法，其数据交互不需要信任（区块链中的程序规则会自行判断该活动是否有效），因此交易对方不需要通过公开来让对方信任自己他们的身份。 对信用的积累很有帮助。

2. P2P网络与通信技术（分布式计算网络）

1.自动发现

通过种子文件获取初始节点（地址和端口），连接到初始节点，获取初始节点已知的Peer，将自己的地址和端口广播给各个Peer，接收各个Peer广播的地址信息，构造网络的全貌或片段。

二、技术领域

分布式存储、分布式计算、分布式协作

组播

流媒体

搜索引擎

3、通讯协议

napster、Gnutella、eDonkey、Bittorrent（文件分发协议）

XMPP、Jabber（即时通讯协议）

Paxos、Gossip（分布式系统状态同步协议）

JXTA

4.采用HASH算法和非对称加密及签名技术

每个节点和每个人都有一对唯一的公钥和私钥

公钥也是每个节点和个人的地址和账号

私钥是证明“我就是我”的唯一手段

HASH算法对数据进行正则化

5.算法

RSA、Elgamal、DH、ECC

SHA256、RIMPED160

6.密钥对通常使用椭圆曲线算法生成

比特币密钥长度：256 位

公钥散列 = RIMPED160(SHA256(公钥))

比特币地址=1+Base58(0+公钥哈希值+校验码)

百科知识：

比特币和货币的本质有什么区别？ 比特币从诞生之日起就注定不可能成为真正的货币。 它创造的不是财富，而是惊人的泡沫。 它不仅不是高科技金融创新，而是黑交易和洗钱的地下通道。金钱真正的价值在于你可以在现实生活中使用它

校验码=前四个字节(SHA256(SHA256(0+公钥哈希值)))

7.加密

发送方用接收方的公钥加密数据

接收方用自己的私钥解密数据

通常使用这方面来交换对称加密密钥

8.签名

发送方使用HASH算法计算数据的HASH值

发送方使用自己的私钥加密HASH值得到签名

接收方使用HASH算法计算数据的HASH值

接收方使用发送方的公钥解密签名得到发送的HASH值

比较两个HASH值的一致性

9.参考

ElGamal算法是一种比较常见的加密算法，它基于1984年提出的公钥密码体制和椭圆曲线加密体制，既可用于数据加密又可用于数字签名，其安全性取决于计算离散对数的难题在有限域上。 在加密过程中比特币和区块链的本质，生成的密文长度是明文的两倍，每次加密后的密文中都会生成一个随机数K。 离散对数问题的几个性质主要用在密码中：求解离散对数（可能）是困难的，使用平方乘法可以有效地计算其逆指数运算。 也就是说比特币和区块链的本质，在真群 G 中，指数函数是单向函数。

椭圆曲线密码体制是目前已知的公钥体制中每位加密强度最高的体制。 解决椭圆曲线上离散对数问题的最佳算法是Pollard rho方法，其时间复杂度为 ，完全呈指数级。 其中 n 是等式 (2) 中 m 的二进制表示的位数。 当n=234时，约2117，需要1.6×1023 MIPS年。 著名的RSA使用大整数分解的难题。 目前一般情况下最好的因式分解算法的时间复杂度是次指数级的。 当n=2048时，需要2x1020MIPS年。 也就是说，当RSA密钥使用2048位时，使用234位的ECC密钥获得的安全强度要高很多。 它们之间的密钥长度最多相差9倍，ECC密钥越大，它们之间的差距就越大。 较短的 ECC 密钥的优势非常明显。 随着加密强度的增加，密钥长度变化不大。

DH Diffie-Hellman算法（DH算法），一种密钥共识协议，是由公钥密码体制的创始人Diffie和Hellman提出的一种思想。 简单地说，它允许两个用户在公共媒体上交换信息，以生成一个可以共享的“一致”密钥。 也就是说，甲方产生一对密钥（公钥，私钥），乙方根据甲方的公钥生成乙方的一对密钥（公钥，私钥）。 这是数据传输保密的底线和基础。 同时，双方使用相同的对称加密算法构造本地密钥（SecretKey）来加密数据。 这样，A、B双方交换本地密钥（SecretKey）算法后，公开自己的公钥，使用对方的公钥和刚刚生成的私钥加密数据，就可以使用对方的公钥和自己的自己的私钥来加密数据。 解密。 不仅是甲乙双方，还可以扩展到多方共享数据通信，从而完成网络交互数据的安全通信！ 该算法源于中国同余定理——中国剩余定理。

3. 区块链数据库

一、典型特征

去中心化、分布式、块存储数据库

块（标题+正文）

链

随机数

时间戳

包含父块创建之后和本块创建之前的所有交易；

区块满足一定条件的HASH；

a) SHA256(SHA256(version + prev_hash + merkle_root + ntime + nbits + x ))

b) Target值由动态难度系数决定，Target越小，难度越高；

2.参考

Merkle 树是由一组叶节点、一组中间节点和一个根节点组成的二叉树。 底部的大量叶子节点包含基础数据，每个中间节点是其两个子节点的哈希，根节点也是其两个子节点的哈希，代表默克尔树的顶部。 Merkle 树的目的是允许块数据被零散地传递：一个节点可以从一个源下载块头，从另一个源下载与它相关的树的其他部分，并且仍然能够确认所有数据都是正确的.

Merkle 树协议可以说对比特币的长期可持续性至关重要。 2014 年 4 月，比特币网络中的一个全节点——存储和处理所有区块的所有数据的节点——需要 15GB 的内存空间，并且以每月超过 1GB 的速度增长。 简化支付验证 (SPV) 协议允许存在另一种节点。 这样的节点被称为“轻节点”，它下载区块头，使用区块头来确认工作证明，然后只下载与其交易相关的“默克尔树”分支。 ”。这允许轻节点通过仅下载整个区块链的一小部分来安全地确定任何比特币交易的状态和账户的当前余额。

4.记账权竞争及奖励制度（挖矿）

1 概述

为了防止可预见的记账节点被控制或攻击，导致错误的记账行为，区块链技术采用了记账权竞争的方式：

任何节点都可以参与记账，因此记账节点不可预测，不易被控制

竞争的过程就是看谁先计算出符合条件的HASH值

每次计算都必须从最后一个有效区块开始，消耗大量计算机CPU，增加造假记账数据的成本

计算结果必须得到大多数节点（共识算法）的认可才能成为新的区块。在实际算法中，如果该区块位于最长的区块链上，则为正式认可的区块，即大多数节点认可该计算结果并愿意根据结果继续计算

这个过程称为挖矿，或工作量证明（POW）。参与挖矿的节点称为矿工，协作挖矿的矿工联盟称为矿池

a) 从上一个区块开始，计算满足条件的HASH值；

b) 将计算结果广播给其他节点；

c) 当其他节点验证计算结果正确时，会接受该结果并根据该结果重新计算；

d) 当在单位时间内满足共识批准要求时，该区块成为正式批准的区块。

这个过程称为系统鼓励挖矿的积极性和奖励记账成功的节点

a) 给每个区块矿工一个直接的“现金”奖励。 例如，比特币网络给出了 25 个比特币，而以太坊给出了 5 个以太币；

b) 以太坊：包含在区块中的交易手续费在发起节点和记账节点之间平分（发起75%，记账25%）。

2.参考

比特币使用的 SHA256 算法有 2^256 个输出。 如果我们进行2^256+1次输入，必然会发生碰撞； 即使从概率的角度来看，也会有99%的几率发生碰撞。 但是我们可以计算一下，假设一台计算机以每秒10000次的速度进行哈希运算，那么完成2^128次哈希需要10^27年！ 这时候，我们需要考虑一种情况：如果同时有两个哈希值，当矿工们各自得到正确答案，各自产生一个区块并广播出去时会发生什么？ 这时候，区块链上的同一个位置出现了两个区块，所谓的“分叉”就出现了。 分叉是绝对不允许的，所以当矿工发现区块链分叉时，他们会选择最长的继续计算，而最短的区块链将被丢弃。 这里的长度不是简单意义上的长度，而是总工作量证明值最大的链。

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百科知识：

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