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区块链:加密和挖矿

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比特币的加密方法

密钥对： 一种非对称加密技术，加密和解密使用不同的密钥。把一个密钥公布出去的称为公钥，另一个自己保存好，称为私钥。现实中可以使用公钥加密，私钥解密，也可以反过来。

  • 比特币使用ECDSA(椭圆曲线数字签名算法)——区块链算法的基石
    • 一种基于ECC的一种签名算法

比如：我把加密的密钥发布给所有人，大家都用这个公钥加密信息，但别人没有私钥，所以解不了密文，只有我能解，也只有我看得懂别人用我的公钥加密后发给我的密文。但因为所有人都有公钥，可能存在被拦截并且伪装成那个人给我发消息，故需要对身份进行验证，即 数字签名

一步步来看...

假设Mike要发信息给我，她也有密钥对，公钥给了我，私钥自己保存。Mike先将自己想发送的信息做个SHA或MD5的Hash，得到一个Hash串，又称为 Digest，然后Mike用自己的私钥把Digest加密，得到一段Digest的密文，这个过程叫做数字签名(Signature)，再然后Mike把要发送的信息用我的公钥加密后，连同数字签名一同发给我。

我收到之后，用我的私钥解密Mike发给我的密文，然后再用Mike的公钥解密其数字签名得到Digest。再然后，我用SHA或MD5对解开的密文做Hash。如果结果和Digest一致，则信息是Mike发给我的，即没有人更改

数字签名

但现在有个黑客偷偷地把Jack电脑上的Mike公钥换成自己的，然后截获Mike发出来的信息，用自己的密钥加密一段自己的信息，以及自己的数字签名。于是，对于Jack来说，因为他用了黑客的公钥，而不是Mike的，所以他就以为信息来自Mike，于是黑客可以 用自己的私钥伪装成Mike给Jack通信。于是黑客就可以在中间伪装成Jack或Mike来通信，这就是 中间人攻击(MITM)

怎么办？ → Mike看到有人在伪造他的公钥，他就和Jack找了个大家都相信的永不作恶的权威的可信机构来认证他的公钥。这个权威机构，用自己的私钥把Mike的公钥和其相关信息一起加密，生成一个证书。此时，Jack就可以放心地使用这个权威机构的证书了。Mike只需要在发布其信息的时候放上这个权威机构发的数字证书，然后Jack用这个权威机构的公钥解密这个证书，得到Mike的公钥，再用Mike的公钥来验证Mike的数字签名

数字证书

比特币的加密

在比特币世界中，每一笔交易的From和To都是每个用户的公钥。即用用户的公钥来做交易的账户

  • 交易的发起方只能是支付方，支付方需要用自己的私钥来加密交易信息并制作相关的交易签名
  • 网络上其他人会用你的公钥（也就是交易的支出方）来做解密来验证

Note

为什么不需要那个证书机构呢？不怕中间人攻击吗？

答: 若黑客想伪造别人的交易，他需要换掉半数以上结点上的被攻击者的公钥，太不现实

交易

  • 发起交易： A用自己的私钥为交易信息和自己的地址生成了交易的签名，然后把交易信息、自己的地址、交易签名和自己的公钥放出去，这样方便别人来验证的确是A发起的。
  • 验证交易： 使用A的公钥解密交易签名，得到交易的hash值。把交易信息和自己的地址做hash，看看是不是和签名解密后的hash值一致

PS: 比特币的地址是由我们的公钥生成的，生成规则比较复杂

比特币的挖坑

在hash算法中要保证: SHA-256( SHA-256( Block Header) ) < Target

在区块头中，可以完全自由修改的只有一个字段，就是Nonce

目标：要找到某个数字，让整个hash值 < Target

  • Target是一个数，其决定了计算出来的hash值的字符串最前面有几个零

Tips

因为hash值本身就是一串相对随机的字符串。

但想让这个随机的字符串有规律，除了使用 暴力破解，别无他法

这个称为 哈希碰撞(hash collision)，碰撞前几个位都是0的哈希值

比如我想找个数，和"yh"加起来被hash后前面有3个零，暴力算法如下：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
import hashlib
data = "yh"
n = 1
while n < 2 ** 32:
    s = data + 'n'
    hash = hashlib.sha256(str(s).encode('utf-8')).hexdigest()
    hash = hashlib.sha256(str(hash).encode('utf-8')).hexdigest()
    if hash.startswith('000'):
        print(str, hash)
        break 
    n = n + 1
PS: Win10好几分钟跑不出来结果...

控制前面有多个0的那个Target又是怎么来的呢？

  • 由Bits这个字段控制的，即 难度系数，前面需要的0越多，难度也就越大

总结来说，挖矿流程：

  1. 从网络上取得之前的区块信息
  2. 从"待记账区"中获取一组交易数据（有优先级，比如成长时间、矿工小费等）
  3. 形成区块头（计算Merkle Root并设计记账时间Timestamp等）
  4. 开始穷举Nonce，来计算区块头的hash值
    • 如果前面有18个零（ < Target ），则记账成功。否则从第一步重新开始

  5. 一旦某矿工成功打包一个区块，他就会告诉其他矿工。收到消息的矿工会停下手上的工作，开始验证，验证通过后，广播给其他矿工。故满足条件的这个难度系数成为了挖矿的关键

    • 设置这个难度系数就是为了让全网产生的区域名平均在10min一块

PS: 设置18个零，一般的电脑和服务器就不用想了，必须要算力非常非常高的机器才能搞定

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