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深度解析:比特幣原理與核心技術

比特幣原理

比特幣歷史

2008年11月1日,中本聰在“metzdowd.com”網站的密碼學郵件列表中發表了一篇論文,題為《比特幣:一種點對點式的電子現金系統》。論文中詳細描述瞭如何創建一套去中心化的電子交易體系,且這種體係不需要創建在交易雙方相互信任的基礎之上。很快,2009年1月3日,他開發出首個實現了比特幣算法的客戶端程序並進行了首次“採礦”(mining),獲得了第一批的50個比特幣。這也標誌著比特幣金融體系的正式誕生。

2010年12月5日,在維基解密洩露美國外交電報事件期間,比特幣社區呼籲維基解密接受比特幣捐款以打破金融封鎖。中本表示堅決反對,認為比特幣還在搖籃中,禁不起衝突和爭議。七天後的12月12日,他在比特幣論壇中發表了最後一篇文章,提及了最新版本軟件中的一些小問題,隨後不再露面,電子郵件通訊也逐漸終止。

比特幣原理

中本聰是一個偉大的集成者,之所以這樣說是因為比特幣很多的核心技術並不是中本聰發明的,而是中本聰巧妙地把他們結合在了一起……

比特幣原理

比特幣原理與核心技術

1、非對稱加密技術

2、點對點傳輸技術

3、哈希現金算法機制

非對稱加密技術

說到非對稱加密技術我們就不得不提一下對稱加密技術,百度是這樣解釋的:所謂對稱加密(也叫私鑰加密)指加密和解密使用相同密鑰的加密算法。有時又叫傳統密碼算法,就是加密密鑰能夠從解密密鑰中推算出來,同時解密密鑰也可以從加密密鑰中推算出來。

而在大多數的對稱算法中,加密密鑰和解密密鑰是相同的,所以也稱這種加密算法為秘密密鑰算法或單密鑰算法。

它要求發送方和接收方在安全通信之前,商定一個密鑰。

對稱算法的安全性依賴於密鑰,洩漏密鑰就意味著任何人都可以對他們發送或接收的消息解密,所以密鑰的保密性對通信的安全性至關重要。

是不是看的很懵懂,沒關係,我們來舉一個小例子:假設特工甲給特工乙發送這樣一段密函“明天按照B計劃進行任務”,由於對稱加密使用同一個密碼,所以他們必須提前溝通好密碼是什麼。

但這樣會產生了問題,既然加密和解密是同一串密碼,那麼特工甲和特工乙在傳輸密碼過程中被人監控了怎麼辦?密碼洩露了怎麼辦?於是,非對稱加密技術應運而生。

1976年,美國學者Whitfield Diffie和Martin Hellman發表了“New Direction in Cryptography”論文,為解決信息公開傳送和密鑰管理問題,提出一種新的密鑰交換協議,允許在不安全的媒體上的通訊雙方交換信息,安全地達成一致的密鑰,這就是“公開密鑰系統”,開創了密碼學研究的新方向。

非對稱加密技術和對稱加密技術最大的不同就是有了公鑰和私鑰之分。非對稱加密算法需要兩個密鑰:公開密鑰(publickey)和私有密鑰(privatekey)。公開密鑰與私有密鑰是一對,如果用公開密鑰對數據進行加密,只有用對應的私有密鑰才能解密;如果用私有密鑰對數據進行加密,那麼只有用對應的公開密鑰才能解密。公鑰是公開的,私鑰是保密的。

由於不涉及私鑰的傳輸,整個傳輸過程就變得安全多了。後來又出現了具備商業實用性的非對稱RSA加密算法以及後來的橢圓曲線加密算法(ECC),這些都奠定了加密算法理論的基礎,但是美國國家安全局NSA最初認為這些技術對國家安全構成威脅,所以對這些技術進行了嚴密的監控,知道20世紀90年代末NSA才放棄了對這些技術的監控,這些非對稱技術才最終走入了了公眾的視野。

說到這裡我們就要膜拜一下中本聰了。2013年9月,斯諾登事件告訴大家NSA暗地裡偷偷控制加密國際標準,偷偷地監視著大家……所幸中本聰並不信任NSA公佈的加密技術,所以使用的並不是NSA的標準,而是一條鮮為人知的曲線,全世界只有極少數的程序躲過了這一漏洞,而比特幣就是極少數程序的其中之一。

這項技術對應到比特幣場景中就是比特幣的地址和私鑰。

點對點傳輸技術

讓點對點傳輸技術走進公眾視野的是創立Napster的Shawn Fanning和Sean Parker,事情發生在1998年。18歲的Shawn Fanning剛剛入學美國波士頓東北大學,有一天Shawn的室友跟他吐槽“在網絡上太難找到音樂了”,這句話觸動了不安分的Shawn,他在朦朧中想到了P2P點對點交換音樂服務的概念,人們的電腦硬盤上有很多的音樂資源,而網絡上可創造機會讓喜歡音樂的人互相交流,於是Nspster誕生了。

Nspster可以把音樂作品從CD轉換為MP3格式,同時可供用戶上傳、檢索和免費下載作品。

Shawn對於這個點子十分有把握,於是輟學創業,這時候Shawn和Sean Parker相遇並一拍即合。Sean Parker也不是平庸之輩,他是後來Facebook的聯合創始人之一。

但是Nspster的火爆嚴重影響了唱片公司的利益,1999年五大唱片公司聯合起訴Nspster,最終Nspster敗訴。雖然Nspster輸給了唱片公司,但是它的嘗試使得P2P軟件成功的走入了大眾的生活。

點對點傳輸技術顧名思義,就是無需中心服務器、個體之間可以相互傳輸信息的技術,P2P網絡的重要目標就是讓所有客戶端都能提供資源,包括寬帶、存儲空間和計算能力。

對應到比特幣網絡中就是利用點對點的技術實現真正的去中心化。

哈希現金算法機制

1997年,Adam Back發明了哈希現金(HashCash)算法機制,主要是用於防止拒絕服務攻擊和反垃圾信息,那麼怎麼防止垃圾信息呢?

比如我們在日常生活中肯定接受到特別多的垃圾郵件,比如各種各樣的廣告和各種各樣的詐騙信息……其實本質上來說垃圾郵件的製造者就是那些給很多人同時群發信息的人,如何避免郵件不被垃圾郵件佔領呢?

答案就是讓那些製造垃圾郵件的人付出相應的代價!發送者需要付出一定的工作量,比如說哈希運算,幾秒鐘時間對於普通用戶不算什麼,但對於垃圾郵件的發送者每封郵件都要花幾秒鐘的時間,這樣的成本是沒有辦法負擔的。同時每次運算都會蓋上一個獨一無二的時間戳,這樣就能保證郵件發送方不能重複使用一個運算結果。

對於比特幣而言也是同樣的道理,如何保證一筆數字貨幣沒有被多次消費(Double Spending),就類似於驗證一封郵件沒有被多次發送,所以就要保證每一筆交易順利完成,必須要付出一定的工作量(proof of Work),並且在完成交易時蓋上一個時間戳表示交易完成的時間。

中本聰將哈希現金機制改造成了比特幣的發行機制,用戶貢獻算力進行哈希運算,作為回報比特幣網絡就會將比特幣贈予首個挖出區塊的礦工,這就是比特幣挖礦。

 

文章來源 : 數字區塊區

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