Blockchain
区块链
RED PRECIOUS STONE Series
2016.9
October 31, 2008
RED PRECIOUS STONE Series
比特币 核心概念
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一种面向p2p的数字货币系统
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采用数字签名解决密码安全性（SHA256）
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创造性削减了数字货币系统中的double spend攻击问题
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Q1. 什么是数字货币？
电子现金 ? 数字货币 ?
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Q2. 什么是double spend（双花攻击）？
- 节点C有{a}个币，先向节点A购买价值{a}的货物，然后再向B购买同样价值的货物，如果系统先后分别承认两笔交易合法的话，这样C就有可能只花{a}个币，买了价值2{a}的货物，即一钱二用（double spend attack）
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Q3. 为什么会发生双花攻击？
- 实质是交易顺序的一致性共识问题
- 分布式系统的CAP原则
- 数字货币系统在形式上是一个公共网络下的AP系统
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Q4. 如何保证分布式系统的最终一致性？
- Byzantine Generals Problem [1982]
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（续）Q4. 如何保证去中心化系统的最终一致性？
- 假设节点的总数为N，其中问题节点数量为F，则理论上可能满足一致性的条件是：N ≥ 3F + 1
-
即当问题节点数少于总数三分之一时，实现最终一致性的问题被证明是理论可解的（但怎么解？）
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Q5. 比特币如何解决一致性共识问题？
- 并没有
- 比特币系统创建的区块链技术，通过结合人类社会的现行规则体系，尝试迂回突破理论证明的制约，使一致性得以在N ≥ 2F + 1的条件下得到了保证，从而大幅提高了系统安全性
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Q6. 比特币的未来？
- 实验目的已经达到
- 由于独特的发行机制，比特币基本不受任何政府控制
- 目前央行绝不会认可未经批准发行的数字货币
- 投机客的涌入，导致比特币的区块链实现受到了空前挑战，整个网络目前趋近于中心化，交易确认速度缓慢（数小时到数天时间）
- 核心开发者逐渐流失，自我改进机会渺茫
更多信息请关注：http://slides.com/hanyi8000/blockchain
Blockchain in Bitcoin
第一条区块链
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任何一笔交易信息将被全网广播
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区块生成
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生成的合法区块将被全网广播
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所有合法区块构成全局唯一的链
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“合法区块生成/验证机制是保证最终一致的基础，而Bitcoin采用了基于Proof of Work（工作量证明）体系。”
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PoW的前世今生
- Cynthia Dwork and Moni Naor[1993]提出运用经济手段防御DoS攻击
- 那些年，12306的验证码
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（续）PoW的前世今生
- Adam Back[1997]提出Hashcash算法，基本思想是要求发起者承担一定程度的计算任务，且其正确性易由第三方快速验证
- Bitcoin区块链中实现的Hashcash算法：
- 假设系统给定一个目标数T，寻找一个SHA256随机数M，使M<T
- 如果当前目标数为2＊＊192，那么在SHA256随机数中找到M的概率约为2＊＊192/2＊＊256，即1/2＊＊64
- 也就是说，使用随机数找到合法的M平均需要2＊＊64次计算
- 当Bitcoin客户端找到合法的M，则成功生成一个区块，并广播全网
- 所有客户端只接收最长链长上生成的区块，该区块就是最新的合法区块
- 系统每隔2016个区块会根据全网算力调整目标数，即Hashcash的难度值，使理想情况下的区块生成速度维持在10分钟左右
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设想双花攻击
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Bitcoin区块链的技术劣势
- PoW基本保证了最终一致性，但由于Hashcash计算过于纯粹依赖CPU，专用硬件设备（矿机）的出现导致了算力出现集中（大于50%的概率大大增加）的可能
- Bitcoin的发行奖励机制保证了整个网络的算力，但矿工的逐利性导致大型矿池接连出现（矿池会向网络内广播一个最新区块的hash，池内矿工会同时接着该区块继续计算Hashcash，这样矿池内每位矿工挖到矿的概率是均等的），从而导致生成的合法区块分支减少，交易确认缓慢，交易手续费增加
- 由于涉及大量矿工利益，目前Bitcoin的任何技术改进工作几乎都已经停滞不前（因为矿工拒绝使用修正后的Bitcoin客户端软件），核心开发者面临大量流失
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Blockchain: Challenges & Applications
比特币以外的区块链：挑战与应用
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神奇的区块链
Decentralized system
Trustworthy computing
?
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神奇的区块链
Decentralized
Trustworthy
system
computing
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面临的挑战
- 改进共识方法和完善理论证明
- 实现工业化
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共识方法和理论证明
- 拜占庭容错系统
- PoW只是冰山一角
- 共识机制成为研究热点：跨越多个高难度学科（Consensus Research）
- Proof of Stake/Delegated Proof of Stake
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（续）共识方法和理论证明
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工业化的挑战
- 承载全人类高频行为信息量的可行性
- 目前根本无法抵御洪水攻击
- 块生成速度越来越慢
- 吞吐能力逐渐降低
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工业化的挑战：解决途径 I
- 拥抱中心化，在保证交易不可逆的前提下，开发维护成本高，交易费用高
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工业化的挑战：解决途径 II
- 增加网络设计的健壮性，例如引入路由节点，变成混合型网络，避免全网广播带来的破坏性
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工业化的挑战：解决途径 III
- 私有网络
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Blockchain架构的应用方向
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公有链Public chain
- 基于bitcoin的链内应用
- 与bitcoin无关的开放性区块链，如全功能区块链Ethereum
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Blockchain架构的应用方向
- 国家、巨头紧盯的目标
- 银行间清算/结算（R3已在顶级银行联盟间测试中）
- 股权结构的透明化（Nasdaq试点中）
- 国家数字货币发行/交易（中国央行正在研究发行数字货币）
- 巨头们（顶级投行、商业银行、证券交易所、R3、IBM、思科、埃森哲、Intel、VMware等各行各业的龙头企业）已齐聚Linux基金会，希望能率先统一行业标准——Hyperledger
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Ethereum
以太坊: 公共区块链项目
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以太坊的理念
- 把Bitcoin built-in script转变为图灵完备的语言
- 为公共去中心化应用提供共识服务平台
- 在构建系统的同时进行形式化证明（Yellow paper）
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核心功能
- 自定义脚本语言Solidity （Javascript like languages）
- 基于内存困难的PoW：Ethash
- 近期以硬分叉替换PoW的PoS：Casper
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图灵完备与计算安全性
- EVM的单位计算消耗：Gas
- 作为交易费用，由交易发起者设置Gas单价（对应以太币），并且进行支付
- Miner可以在客户端设置可以接受的最小Gas单价，但是不合理的单价将导致在挖矿时处于劣势（块生成速度变慢）
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Casper：基于PoS的Ethereum共识确认机制
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- 网络中的任何人都能申请成为验证人，并且需要在网络上提交一笔保证金
- 验证过程是用私钥签名一个块，并向网络广播投票选其为有效的块
- 网络会综合所有验证人的投票数，以获得多数票为有效块。命中的验证人能获取一部分交易费。同时投票给无效块的验证人将失去该笔交易费
- 合作博弈与非合作博弈
以太坊的应用方向
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TRUSTLESS CROWDSALE
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带有匿名性的自治组织
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其它去中心化应用
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域名注册系统
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存储
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保险及其它金融衍生品
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点到点的无欺诈赌博
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去中心化的网络bbs
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民主选举 e-Vox
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以太坊的应用方向
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Bitcoin 1.0, 2.0, 3.0
Bitcoin & Virtual currencies
Smart Contract
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