比特币的数据结构——中山大学软件工程学院区块链第三节课

目录

上节课回顾

SHA256

数字签名

区块“链”

区块头的数据结构

为何区块链可以防篡改？

节点类型

Merkel Proof

如何验证交易存在？

如何证明不存在？

上节课回顾

SHA256

• 碰撞阻力（Collision Resistance）：找到两个不同的输入a和b，使得H(a) = H(b)是非常困难的。

• 隐秘性（Pre-image Resistance）：给定一个输出H(a)，找出输入a是非常困难的。

• 谜题友好（Puzzle Friendliness）：“矿工公平”，找到一个特定的X以使得H(X)=Y是一个没有捷径的任务。这有助于确保矿工公平竞争。

数字签名

• 私钥签名：只有拥有私钥的人才能生成一个有效的数字签名。

• 公钥验证：任何人都可以使用公钥来验证签名是否有效。

区块“链”

是一个单向链表，链表的头是第一个区块。

• 创始区块（Genesis Block）：这是区块链中的第一个区块。

• 区块结构：

  • 区块头（Block Header）：包含该区块的元数据，如前一个区块的哈希值、时间戳等。
  • 区块体（Block Body）：包含实际的交易数据。

• 哈希指针：每个新区块都有一个哈希指针，该指针是前一个区块头的哈希值。

  • Hash Pointer *ptr := H(header)：ptr是指向前一个区块头哈希的指针。
  • Hash Pointer = { pointer_to_data, hash_value }，既包含了指针，又包含了哈希值

• 为什么只哈希区块头而不是整个区块（Header 和 Body）？

  • 因为区块头中通常包括一个字段，叫做Merkle Tree（默克尔树），它已经考虑了区块体中所有交易的哈希值。这样只需哈希区块头，就能确保整个区块（包括其交易）的完整性。

区块头的数据结构

在区块链中，区块头通常包含以下几个主要元素：

1. 版本（Version）：用于跟踪区块链软件的版本。

2. 上一个区块的哈希（Previous Block Hash）：这确保了区块之间的连续性。

3. 默克尔树根（Merkle Root）：一个用于验证交易集合完整性的数据结构。

4. 时间戳（Timestamp）：标记该区块创建的时间。

5. 难度目标（Difficulty Target）：这与挖矿过程中需要解决的数学问题有关。

6. 随机数（Nonce）：一个随机数，用于挖矿。

默克尔树（32Bytes）

              H(H(H(T1) + H(T2)) + H(H(T3) + H(T4)))
              /                                    \
     H(H(T1) + H(T2))                      H(H(T3) + H(T4))
     /                  \                  /                   \
H(T1)                    H(T2)         H(T3)                   H(T4)

用于储存在区块头里以验证所有交易的完整性。

默克尔根（Merkle Root）：上图中的最顶层哈希值。它由下面所有的交易哈希值通过特定的组合和哈希运算得到。

为何区块链可以防篡改？

1. 原理：碰撞阻力（Collision Resistance）、

2. 不可更改历史记录（Immutability）：

• 篡改之前的区块是不可能的：每一个区块都包含前一个区块的哈希。因此，更改旧区块将导致后续所有区块的哈希值都发生变化。

• 篡改最新区块也几乎是不可能的：尽管理论上最新的区块最容易受到攻击，但实际上由于网络的分布式验证和工作量证明（Proof of Work）机制，篡改也是极其困难的。

  • PoW使得篡改区块链非常困难。为了改变已经添加到区块链的信息，攻击者需要重新进行所有相关区块的PoW计算，这几乎是不可能的。

  • 但是，那个puzzle的答案是公布的，如果攻击者先拿到这个答案，再广播篡改后的区块怎么办？

• “双重支出”和“51%攻击”——篡改区块链的可行办法_MikingG的博客-CSDN博客区块链并不是理论上无懈可击的，在实际上可能也不是https://blog.csdn.net/weixin_64123373/article/details/132809254

1. 两步发布机制：

• 第一步是广播区块头：这一步已经包括了默克尔根（Merkle Root），确保交易的完整性。

• 第二步是广播区块体：这一步是在验证区块头后进行的，进一步确保数据的不可篡改性。

节点类型

1. 全节点（Full Nodes）：

• 有完整的账本：存储整个区块链的所有信息，包括每个区块头和区块体。

• 更高的安全性：由于全节点存储所有信息，它们能进行更全面的验证。

1. 轻节点（Light Nodes）：

• 只有所有区块头的信息：不存储区块体的信息，只存储区块头。

• 资源需求较低：由于只保存区块头，轻节点占用的存储空间和处理能力要远低于全节点。

• 又叫“手机钱包”，可以支撑手机中的转账。

Merkel Proof

如何验证交易存在？

        例如：别人给我转了五个比特币，我怎么知道他真的转了？

        验证Merkel根是否和手机中的相同即可。

假设交易是随机排列的，所以确认一个交易是否在树中的时间复杂度是O（n）还是O（1）？

        如果找merkel path，那就是(logn)，如果逐个比对哈希，那就是O(n),O(1)应该搞不定

如何证明不存在？

        （如果先对下面的交易排序了）

        用默克尔证明（Merkle Proof）。也是找merkel path，详见下面的链接

https://blog.csdn.net/weixin_64123373/article/details/132810549https://blog.csdn.net/weixin_64123373/article/details/132810549