第一章基础

炒币有风险，投资需谨慎
区块链≠比特币 && 学习区块链≠学习炒币
该教程学自北大肖臻研究员的公开课《区块链技术与应用》，可能需要有些区块链的基础知识才能看懂该文章，区块链基础知识可以参考Tans的文章或者李永乐的视频。

前置知识

需要你有数组，链表，二叉树，哈希函数，密码学等方面的知识，基本算法，一定编程经验。

参考资料

BitCoin and Cryptocurrency Technologies A Comprehensive Introduction（中英文版本）
以太坊白皮书、黄皮书、源代码
Solidity文档

关键词

注意： 下述很多单词目前没有官方的翻译，没有官方翻译的单词用括号表示，全是编者自己写的，在分号后面给出解释。

cryptocurrency：加密货币；
cryptographic hash function：密码哈希函数；
collision resistance：抗碰撞；实际上代表没有好办法进行人为碰撞，只能用蛮力求解，目前也无法证明一个哈希函数的collision resistance，只能通过经验得到
message digest：消息摘要；
hiding：(隐藏)；指无法从哈希的输出推出输入，也就是输入信息是隐藏的
digital commitment / digital equivalent of a sealed envelope: 数字承诺/密封信封的数字等价物；Alice做出一个预测，并公布该预测的哈希函数输出，等到兑现预测那天再公布预测，并由世人检查该公布的预测哈希是否符合公布的哈希输出。
puzzle friendly：(迷惑友好)；无法控制输入使得输出落在某区间，也就是无法得知哪种输入更好算出某些特定的输出
proof of work：工作量证明；挖矿过程中需要对工作量进行证明
target space：（目标空间）；要求输出指定目标空间范围的哈希值
difficult to solve, but easy to verify：（难解易证）；很难去解决某个问题，但是很容易验证某个答案是否正确，在比特币设置题目的时候需要符合该特征
(a)symmetric encryption algorithm：(非)对称加密算法；
public key / private key：公钥/私钥；非对称加密中学到过的
a good source of randomness：一个好的随机源；能够产生很好效果的随机源
hash pointers：哈希指针；保存结构体的地址+哈希值。只适用于无环
genesis block：创世区块；区块链中第一个区块。
most recent block：最近的区块；区块链的最后一个区块
tamper-evident log：（防篡改日志）；假如区块链中某个区块的内容被篡改，则该块的后续所有的哈希指针都需要更改，然后每个用户只记录most recent block的哈希，则能够证明该区块链是否被更改。
Merkle tree：默克尔树；相比于binary tree(二叉树)来说，使用哈希指针代替普通指针。并且只有最底层节点是data block，其他节点都是只包含两个哈希指针的节点，根节点同样包含两个哈希值，根节点的两个哈希值组合起来可以作为区块链中一个block的哈希值。因此只需要记录根节点就可以快速验证整个数据块，并且查询的时间是 $O(lgn)$ 级别的。用途是提供Merkle proof。
data block：数据块；注意跟区块链中的block区分开来，若干个data block组成Merkle tree的最底层节点。也称之为 tx，tx也就是一次交易。
Block Chain：区块链；由一个一个区块组成的链，每个block分为block header和block body，block header包含Merkle tree中根节点的两个哈希值
Merkle proof：默克尔证明；比特币有两种节点，全节点和轻节点。全节点有整个block，但是轻节点只有block header。Merkle proof表示从待证明的tx到根节点的所有未知的哈希值，如图2-1红色所示
proof of membership/inclusion：（成员关系/录入证明）；Merkle proof可以证明Merkle tree里包含某个交易，该过程也称之为此，时间复杂度为 $O(lgn)$
proof of non-membership：（无录入证明）；与上述相反，使用Merkle proof证明Merkle tree不包含某个交易，如果叶节点排序随机，则需要 $O(n)$ 复杂度。如果叶节点按照哈希排序，则很快能够证明。
sorted Merkle tree：排序的默克尔树；默克尔树的叶节点按照哈希值排序，比特币中没有用到。
double spending attack：花两次攻击；指的是如果一种货币可以很轻松被复制（如数字货币，可以轻易复制但很难更改），那么可以复制一份来花。
BitCoin Script：比特币脚本；比特币每次交易的输出和输入都是脚本，分别成为输出脚本和输入脚本。
full node / light node：全节点/轻节点；系统中有两种节点，全节点又叫做fully validating node。全节点参与区块链的构造和维护，轻节点只能使用区块链。
distributed consensus：分布式共识；
distributed hash table：分布式哈希表；
impossibility result：不可能结论；分布式系统里的一个概念，最著名的是FLP，在异步系统(asynchronous)中，只要有一个成员是faulty的，那也无法达成共识。
CAP Theorem： Consistency，Availability，Partition tolerance理论；只能满足三个中的两个性质。
Paxos：（）；分布式中比较注明的一个协议
hyperledger fabric：（超级账本结构）；有些区块链并非所有人都可以访问和使用的，这个是一种非公开的区块链
sybil attack：女巫攻击；某个节点试图构建多个账户来投票，类似于刷票行为
longest valid chain：最长合法链；区块链中接受的区块应该是最长合法链的区块，用于抵御分叉攻击
forking attack：分支攻击；通过往区块链中插入区块来篡改区块链
orphan block：孤块；除了最长合法区块链之外，其他的短分支都会被丢弃，则那些块成为孤块。
coinbase transaction：（币库交易）；唯一产生新的比特币的途径，不需要指明交易来源。在一开始，每一个区块能够产生50BTC，协议中规定21w个区块后，之后每个区块产生的比特币必须减半，平均出块时间是10分钟，约4年时间出块奖励减半。
mining：挖矿；比特币争夺记账权称为挖矿，miner称为矿工
transaction-based ledger：交易式账本；比特币记账是一种基于交易的账本，对隐私保护好，但是需要对交易中的比特币进行溯源。
account-based ledger：账户式账本；以太坊记账是一种基于账户的账本
UTXO： Unspent Transaction Output，未交易输出；比特币中维护的一个数据结构
transaction fee：交易费用；交易的小费
Bernoulli trial, a random experiment with binary outcome：伯努利试验，具有二元结果的随机实验；
Bernoulli process, a sequence of independent Bernoulli trials：伯努利过程，一系列独立的伯努利实验；具有无记忆性(memoryless)
Poisson process：泊松过程；
exponential distribution：指数分布；整个系统的出块时间则会服从指数分布
progress free：；由于挖矿是无记忆性的，否则强算力的矿工会在未来会有更大的优势挖到矿。
confirmation：确认；某区块写入区块链中需要等待确认，比特币设置为6个。
selfish mining：；
ghost：；以太坊的共识协议
pool manager：矿池；挖矿中的分为矿池和矿工
almost valid block：（近乎有效的区块）；指矿池给矿工分配的难度，比真正的区块难度低，用来证明矿工的工作量。
AltCoin： Alternative Coin（替代硬币）；有些小币种需要消耗掉一些比特币才能获得
state fork：（状态分歧）；由于对比特币当前状况有分歧的分叉
deliberate fork：（故意分叉）；是故意的进行分叉，指的是分叉攻击
protocal fork：（协议分叉）；协议更改导致的分叉
hard fork：硬分叉；看第二章的分叉
soft fork：软分叉；看第二章的分叉
MULTISIG：多重签名；
smart contract：智能合约；
externally owned account：外部账户；
smart contract account：合约账户；
trie：来源于retrieval；翻译成中文是字典树或者前缀树。
Patricia trie：压缩前缀树；经过路径压缩的前缀树。
bloom filter：布隆过滤器；这是一个数据结构，可以在大集合中快速查找。只能检测一定不在里面和可能在里面，但是不支持删除操作。
uncle block：以太坊中的分叉；
bug bounty：漏洞赏金；
ASIC resistance： ASIC阻抗性；阻止对ASIC芯片的利用，一个常用的办法就是增加内存，因为ASIC芯片利用内存性能若，memory hard mining puzzle，一个早期例子是莱特币(LiteCoin)，其用基于scrypt的哈希函数。scrypt设计思想是，开设一个很大的数组，按照顺序填充伪随机数，后面每一个位置都是前一个取哈希的值得到。
IPO： Initial Public Offering，首次公开募股；
ICO： Initial Coin Offering，首次代币发行；

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：基于账户的分布式账本
- 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(FFG)
- 智能合约

第二章

见区块链技术与应用2

第三章

见区块链技术与应用3

第四章 Solidity

介绍

可以查看官方教程，编译器集成开发环境采用Remix IDE。本文只对Solidity做一个简单的入门教程，并且姑且认为读者具有Java、C/C++、Python、JavaScript等编程语言的基础。

与Java运行于JVM相类似，Solidity运行在EVM上。EVM是提供基本的指令集，且最长寻址位为256，因此EVM基本数据类型中最长数据类型所占比特数为256。

开始

下面是一个简单的例子，将介绍一个最基本的Solidity语言需要包括哪些例子与一些基本的结构，该文件保存为 hello.sol。注意，该例子并没有实际的意义，仅仅作为教学而使用。

// SPDX-License-Identifier: GPL-3.0
pragma solidity >=0.4.21 <0.9.0;
/**
 * 这是一种多行注释写法
*/
constract SimpleExample{
	uint count;
	address host;
	mapping(address => uint) balances;
	
	struct User{
		uint weight;
		bool voted;
	};
	
	constructor(uint i){
		count = i;
		host = msg.sender;
	}
	
	function add(uint i) returns (uint) {
		require(count == msg.sender, "Only the host can call this function!");
		count += i;
		return count;
	}
	
	function bid() public payable {
		emit bidOccurred(12);
	}
	
	event bidOccurred(uint increase);
	error contractEnded(uint time);
}

// SPDX-License-Identifier: GPL-3.0：这是声明该合约遵循的开源协议，编译器会读取这一行。由于区块链上所有内容任何人都可以获取，合约代码同样也不例外。因此，合约代码作为开源代码需要添加开源协议。
pragma solidity >=0.4.21 <0.9.0;：这是告诉编译器该合约代码需要的版本，为了兼容性而设置。
constract SimpleExample{ ... }：定义了一个constract，姑且把它认为是其他编程语言中的class
constract内部的代码，将在下一节展开讲

数据结构

我们仍然使用上一节中的SimpleExample例子，这一节将会介绍上述出现的常用数据类型以及结构。本教程的内容将比官网的介绍缩减不少，更多详解请查看官网数据类型章节。

uint：这表示一个无符号整数，此外，还有uint256等等。更多关于整数类型的介绍，请查看官网整型
address：这是一个地址类型，为Solidity预设的基本数据类型，保存着一个以太坊地址，该地址占20个字节。地址类型
mappint(KeyType => ValueType)：表示一个映射类型，与其他编程语言中的map类似，是KeyType到ValueType的一个映射。
struct：表示定义一个结构体，可以类比于C语言的结构体。
constructor：表示该constract的构造函数，并且只在该合约创建时执行一遍。由区块链的知识可以得知，合约是作为交易的data域写入区块链的，写入时会执行一遍合约，此时将会执行一遍constructor函数。
function [name]([parameters list]) [Modifier] [returns (returnDataType)] { function body }：这是一个函数定义的基本结构
- 其中大部分函数的名字将不会省略，除了一些特殊的函数，如fallback()函数；
- Modifier代表一些对函数的修饰；
- [returns (returnDataType)]表示声明返回类型，注意其中 returns中是有一个s的；
- {function body}表示函数体；
- 整个函数的结构与JavaScript函数定义非常相似，但在一些细节地方有所区别。
event eventName(parameters list);表示一个事件，如果使用emit eventName(parameters list);可以发送一个事件，在区块链上与之相关的区块都会收到该事件。
error errorName(parameters list);表示一个事件，如果使用revert errorName(parameters list);可以终止代码的执行，并且复原到原始状态，并返回错误给调用者。

第五章区块链的应用

问：保险放到区块链上，因为区块链只需要一个小时转账。

答：保险理赔慢不是因为转账慢，而是理赔内容需要人工审核。这方面，区块链无法加速。

问：区块链做防伪溯源。

答：把蔬菜所有环节都放到区块链上，区块链无法检测线下的欺骗，本身写入区块链是假内容。

问：互不信任实体进行共识本身是伪命题。

答：区块链无法进行线下的信任，比特币只是支付方式，但是商业模式并不是去中心化的，所以很多东西都是中心化与去中心化相结合的。

问：区块链的不可篡改性

答：共识协议没有设定更改方式会导致退款等功能无法实现，辨析：退款不属于回滚交易，只是增加一笔交易，比特币也是可以达到同样的效果。

问：法律监管与保护，缺乏监管，不受中心化的干涉

答：没有监管并不一定是好的，有时候是需要中心化的监管与保护，所以中心化既有监管，也有保护。从另一个角度说，法律上的监管与保护跟支付措施无关的，而且各个国家与地区的监管与保护不一样。

问：所有地方都要推崇比特币

答：比特币并不是与传统货币相竞争的关系，比特币是一个很好的跨国跨地区支付方式，所以在咖啡店实行比特币支付的方式是意义不大的。信息交互很方便，但是价值交互不方便。Information can flow freely on the Internet, but payment cannot.

问：智能合约只有程序员看得懂

答：程序正在改变世界，Software is eating the World. 目前出现的安全漏洞，以后会有解决方案的。

问：民主一定是正确的吗，丘吉尔说过： Democracy is the worst form of Government except for all those other forms that have been tried from time to time.

答：民主不是最好的，但也不是最坏的。集中不是最好的，但也不是最坏的。多数人不一定代表正确性。不能跟风去中心化，并不是去中心化一定就是好的。

第六章总结

学习技术，学习思想，不学习炒币。去中心化与中心化，民主与集中。不应该有谁对谁错。

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比特币以太坊区块链

区块链技术及应用

https://lmzyoyo.top/archives/blockchaintechnology

作者

雨探青鸟

发布于

2023-06-24

更新于

2023-06-30

许可协议

CC BY 4.0