Mastering in Bitcoin 讀書筆記

加密貨幣

Chia-An Lee
Last updated on Aug 12, 2021 5 min read crypto currency

Mastering Bitcoin 精通比特幣

Ch1 / Ch2

Ch3 比特幣客戶端

以 bitcoin core 為主

也可以到 這裡 直接選擇 binary file 執行

  • 下載並切換版本

    # Download
git clone https://github.com/bitcoin/bitcoin.git
cd bitcoin
# 檢查版本 & 切換
git tag
git checkout {tag}

  • 自動產生相關檔案 ./autogen.sh

  • 參數設定

    ./configure --help
./configure {需要的參數}

    之後軟體會檢查所需要的相關軟體，若沒有，會中途中止，安裝完後重跑即可 過程中可能會遇到一些 bug，可以先到 這裡 參考需要安裝的東西

  • 編譯與安裝

    make
sudo make install

開啟

安裝完後，應該會有 bitcoind, bitcoin-cli 等指令可以用

  • 用 which bitcoind 可以查看安裝位置
  • bitcoind: 開啟服務
  • 在 ~/.bitcoin/bitcoin.conf 修改設定檔
    • 用戶名 & 密碼
      rpcuser=bitcoinrpc
rpcpassword=2XA4DuKNCbtZXsBQRRNDEwEY2nM6M4H9Tx5dFjoAVVbK
    • 其他設定參數 bitcoind --help
  • bitcoind --daemon: 在後台執行
  • 第一次運行時，會同步區塊，至少會有 122GB 以上，可能需要 2 天的時間下載區塊…

JSON-RPC API

  • bitcoin 提供 json-rpc api
  • bitcoin-cli help
  • bitcoin-cli getinfo: 獲得基本資訊 (網路節點，錢包，區塊數據…)
    • version, protocolversion, walletversion: 版本
    • balance: 錢包餘額
    • …

錢包設定及加密

  • 在生成密鑰或其他指令前，需要先對錢包加密
    • bitcoin-cli encryptwallet {密碼}
  • 解鎖錢包
    • bitcoin-cli walletpassp {密碼} {時間/秒}

備份

  • bitcoin-cli backupwallet {檔名}: 匯出成可以匯入的檔案
  • bitcoin-cli importwallet {檔名} (需要是錢包解鎖的狀態)
  • bitcoin-cli dumpwallet {檔名}: 將錢包匯出成人看得懂的明文

地址 & 交易

  • bitcoin-cli getnewaddress: 產生新的 address
  • bitcoin-cli getreceivedbyaddress {地址} 0: 若有匯錢進來，可以檢查匯入的錢
  • bitcoin-cli listtransactions: 列出所有交易
  • bitcoin-cli listaddressbyaccount "": 列出所有地址
  • bitcoin-cli getbalence: 列出錢包總額
  • bitcoin-cli gettransaction {txid}: 列出 txid 的交易明細

區塊

  • bitcoin-cli getblock {區塊的 hash}: 查看這個 block 的內容

Ch4 密鑰-地址-錢包

密鑰

  • $1$ ~ $2^{256}$
  • 生成方法：密碼學安全隨機源取出一串隨機字串 -> sha256 -> 檢查是否小於 $n-1$
  • 256 bit，但可以用不同的表示法
  • base58check->hex: sx base58check-decode ...
  • hex->base58check: sx base58check-encode {hex} {prefix}

公鑰

  • 用 ECC (橢圓曲線) 從私鑰生成
  • 公鑰 = 私鑰 * G
  • G: 生成點，bitcoin 的生成點是固定的
  • secp256k1 標準的橢圓曲線
  • $y^2=(x^3+7)$ over $F_p$
  • $y^2\mod p = (x^3+7)\mod p$
  • $p = 2^{256}-2^{32}-2^9-2^8-2^7-2^6-2^4-1$
  • 無窮點對 (0)
  • 加法定義$P_1=P_2+P_3$
  • $K=k*G$
  • 格式
    • 非壓縮型
      • prefix: 04
      • K = 04xy
      • 520bit: 8 + 256 + 256
    • 壓縮型
      • prefix: 02 / 03
      • 有 x，有曲線方程式，可算出 y
      • 解方程式時，y 有平方 => 有兩解 => 用 02 / 03 區別奇偶
    • 壓縮格式公鑰產生的地址會與非壓縮的不一樣
      • => 現在的協定多以非壓縮為主
      • but 應該還是要能支援非壓縮
      • WIF (錢包導入格式) 應該要標示出私鑰產生的公鑰是否為壓縮格式 (基本上就是要說明這把私鑰最終產生的地址應該要是哪一個)
      • 壓縮格式私鑰:
        • 私鑰 + ‘01’
        • 用來表示這個私鑰的 address 是用壓縮格式公鑰產生的
        • 事實上會比私鑰長 XD
      • WIF
        • 使用壓縮格式導出私鑰時，永遠只用 WIF 壓縮格式 (K or L 前綴 (因為經過 Base58Check 格式作為最終輸出格式))
        • 使用非壓縮，導出時使用 WIF 格式 (5 前綴)

地址

  • hash160 / double hash
  • address = RIPEMD160(SHA256(K))
  • 經過 base58check 編碼呈現

  • Base58: base64 去掉易混淆單字 ex. O, 0, I, l…
  • Base58Check: Base58 + error check
  • $checksum = sha256(sha256(prefix+data))$ (data 是公鑰哈希，而不是純公鑰)
  • 只取前四個 bit
  • prefix

比特幣錢包

錢包是私鑰的容器

  • 非確定性錢包：

    • 隨機生成 n 個私鑰，每個只使用一次
    • 需要整份備份

  • 確定性種子錢包

    • 單向離像方程式
    • 公共種子
    • 種子可以產生所有錢包裡的私鑰，因此只要備份種子就好了
    • 輔助記憶詞彙
      • 易於記憶
      • 種子對應確定性錢包的隨機數
      • BIP0039
        1. 生成 128~256 位 (2^…) 的隨機數
        2. 用 sha256 hash，取前幾位，生成 check bit
        3. num + check bit
        4. 把數字分解成 11 位不同的集合 (11 bit 切一組，切成 n 組)，與預先定義好的字典做對應
        5. 生成 12 ~ 24 個 word 的助記碼

  • 分層性錢包 (HD 錢包)

    • BIP0032 標準
    • 母鑰匙生成子鑰匙
    • 樹狀結構
    • 建立公共密鑰的序列而不需要訪問相對的私鑰
    • 每筆交易發行不同的公鑰
    • 從種子產生 HD ![](http://www.pointsoftware.ch/wp-content/uploads/2014/02/hmac-sha256.png =150x)
    • CKD (child key derivation)
    • 三個主要元素：
      • 母私鑰
      • 鏈碼 (256bit)
      • 索引號 (index, 32bit)
    • 母公鑰 + 鏈碼 + 索引號 => HMAC-sha512 => 分成兩個 256 bit
    • 子密鑰無法 trace back 母密鑰
    • 子密鑰在沒有鏈碼下，也無法 trace 兄弟密鑰

擴展鑰匙 (extending key)

  • 鑰匙 + 鏈碼
  • 兩種
    • 密鑰 + 鏈碼
      • 可以衍生出子密鑰
    • 公鑰 + 鏈碼
      • 可以衍生出子公鑰
  • 也是用 Base58Check 表示
    • 512 or 513 bit
    • 前綴 ‘xprv’ or ‘xpub’

硬化子密鑰

  • 擴展公鑰可以衍生出所有鏈碼，只要有某一個子私鑰洩漏，就會從被洩露的子私鑰開始，得到所有私鑰 => 不夠安全

  • 子私鑰 & 母鏈碼 可以推測母私鑰！！

  • hardened derivation

  • 索引號

    • 32 bit
    • 正常衍生: $0$ ~ $2^{31-1}$
    • 強化衍生: $2^{31}$ ~ $2^{32-1}$

高級私鑰 & 地址

BIP0038: 使用另一個 key + AES 對私鑰加密

  • 前綴: 6P
  • 用 AES + key 轉換回前綴為 5 的 base58check 格式

P2SH & 多重簽名地址

  • P2SH: Pay-to-Script Hash
  • P2SH 地址: 前綴 3
  • 收益者不是地址所有人，而會是交易雙方
  • 目前常用在 多重簽名地址 script
    • script 需要多個簽名來證明所有權
    • N 個密碼中，至少需要 M 個來簽，才能證明所有權
    • 詳細放在 ch5

靚號地址

  • 地址中有指定的 pattern
    • ex. iloveyou……
  • 用不斷的 hash 密鑰，直到找到符合 pattern 的密鑰
  • 如果特定 pattern 夠長，可以增加地址比對時的安全性

紙錢包

Ch5 交易

交易生命週期

Ch6 比特幣網路

Ch7 區塊鏈

簡介

  • 包含交易訊息由後向前有序連接
    • flat file
    • LevelDB (Google)
  • 每一塊都指向前一塊
    • 垂直的 stack
    • 創世區塊為最底塊
    • 高度代表該區塊與創世區塊之間的距離
    • 頂端添加新區塊
  • 區塊識別
    • 區塊頭做 SHA256 兩次
    • 利用區塊頭的父區塊 hash 值識別父區塊
    • 可以從最新的區塊一路往回追溯至創世區塊，形成區塊鏈
  • 分岔
    • 每個區塊僅有一父區塊，但可能暫時擁有多個子區塊
    • 多個區塊幾乎同時被礦工挖出時發生
    • 解決方法後面會詳細說明
  • 安全性
    • 若要竄改一區塊內容則必須重新計算該區塊 hash 值，接著更新子區塊頭的父區塊 hash 值，一直更新到最新的區塊為止，如此的計算資源龐大不易成功
    • 差不多六個區塊後可被竄改的機會非常低

區塊結構

  • 包含交易訊息的資料結構
    • 區塊頭
      • 80 bytes
      • 區塊識別
    • 區塊主體
      • 大小可變
      • 紀錄交易
  • 平均每筆交易至少 250 bytes
  • 平均每個區塊至少 500 個交易

區塊頭

  • 父區塊 hash 值
    • 用於指向父區塊
  • Merkle root
    • 可有效總結區塊中所有交易的資料結構
  • Nonce、難度目標、時間戳記與挖礦相關，會在之後說明

區塊識別

  • 區塊頭 hash 值
    • 32 bytes
    • SHA256 兩次區塊頭所得的數位指紋
    • 唯一明確的識別一個區塊
    • 第一個比特幣區塊頭 hash 值
    • 000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26
  • 區塊高度
    • 創世區塊高度為零
    • 每增加一個區塊高度加一
    • 並不一定是唯一識別，在區塊鏈分岔時同一高度有多個區塊
  • 兩者並不包含在區塊中，在節點接收區塊時計算並儲存，便於查詢檢索

創世區塊

  • 2009 年創建
  • 所有區塊的祖先
  • 編入比特幣客戶端程式中，確保創世區塊不會改變，並從此建構區塊鏈
  • chainparams.cpp 中可以看到創世區塊詳細內容

區塊的連接

比特幣的完整節點是從創世節點到最新節點的一個本地副本，當接收到一個新區塊時，需驗證然後接到現有區塊上

  • 檢查傳入的區塊頭並尋找父區塊

Merkle tree

區塊中包含的所有交易以 Merkle tree 形式呈現

  • hash 二元平衡樹
  • 用於快速歸納和檢驗大規模數據完整性
  • 快速驗證區塊中的交易是否存在

建立方法

  • hash 方法採用 double-SHA256
  • 由葉節點建立到根節點
  1. 將所有元素做 double-SHA256 後放入葉節點
  2. 串聯兩節點的 hash 值做 double-SHA256 生成父節點
  3. 重複步驟 2 直到剩下一個節點為止，此點即為 Merkle root

  • 若葉節點個數為奇數則將最後一筆交易重複一次，以維持偶數個葉節點

驗證交易存在

  • 綠色為要驗證的交易對應的節點
  • 藍色為 Merkle 路徑

若要驗證交易是否存在可以參考 Merkle tree 建立方法，將 Merkle 路徑與該交易依序做 hash 生成藍色虛線的節點，最終比較 Merkle root 是否相同，即可得知該交易是否存在於區塊中

效率

  • 時間複雜度 ${O(log\ n)}$

簡單支付驗證 (SPV)

利用 Merkel tree 驗證交易，SPV 不下載交易紀錄和區塊，僅保存區塊頭，利用 Merkle 路徑驗證交易存在

  • Merkel 區塊
    • 區塊頭
    • Merkel 路徑

Ch8 挖礦與共識

簡介

  • 挖礦
    • 增加比特幣
    • 保護比特幣系統安全
    • 提供算力獲取比特幣
  • 礦工
    • 驗證每筆交易並記錄到區塊鏈中
    • 平均 10 分鐘挖出一個新的區塊
    • 得到新幣獎勵和手續費
    • 工作量證明
  • 發行
    • 預計發行到 2140 年，上限為 2100 萬個
    • 每隔 210000 塊 (大約 4 年)，新區塊挖出獎勵減半
    • 2009 / 01 獎勵 50 比特幣
    • 2012 / 11 獎勵 25 比特幣
    • 2016 / 07 獎勵 12.5 比特幣

比特幣經濟學和貨幣創造

  • 抗通膨
    • 總量有限
    • 發行速度遞減
  • 通縮貨幣
    • 貨幣供需不平衡所導致增值
    • 隨時間增長有愈來愈強的購買力
    • 是否會有隱藏未知的經濟風險

去中心化共識

  • 沒有經過明確的投票或固定達成共識的時間
  • 異步互動更新
  • 每個全節點依據綜合標準對每個交易進行獨立驗證
  • 通過完成工作量證明演算法的驗算，礦工將交易紀錄獨立打包進新區塊
  • 每個節點獨立的對新區塊進行檢驗並加入區塊鏈
  • 每個節點對區塊鏈進行獨立選擇，在工作量證明機制下選擇累計工作量較大的區塊

交易的獨立檢驗

收到一個交易時先驗證交易，有效交易繼續傳播，無效則丟棄

詳細可參考 AcceptToMemoryPool、 CheckTransaction、 CheckInputs

  • 隨時間可能會有所改變，為處理惡意攻擊或要使交易更多樣化而放寬
  • 收到交易後對全網廣播前先驗證，並以接收順序建立交易池

挖礦節點

  • 接收驗證交易並在新區塊中整合
  • 隨時監聽新區塊，若有人已經打包出新區塊則放棄，繼續打包下一個區塊

整合交易至區塊

  • 在接收到新節點時，將交易池中已打包的交易移除

交易塊齡、礦工費和優先級

  • 塊齡為 UTXO 被記錄到區塊前所經過的區塊數
  • 按照礦工費排序，優先將高礦工費的交易打包
  • 優先級
    • Priority = Sum (Value of input * Input Age) / Transaction Size
    • 如果區塊有足夠空間，則高優先級的交易將不需礦工費

鑄幣交易 (coinbase)

  • 打包出新區塊的獎勵
  • 沒有輸入，不消耗 UTXO
  • 輸出到礦工地址

coinbase 獎勵與礦工費

  • GetBlockValue
int64_t GetBlockValue(int nHeight, int64_t nFees)
{
    int64_t nSubsidy = 50 * COIN;
    int halvings = nHeight / Params().SubsidyHalvingInterval(); 
                            //210000 blocks
    
    if (halvings >= 64)
        return nFees;
        
    nSubsidy >>= halvings;
    
    return nSubsidy + nFees;
}
  • 礦工費
    • Total Fees = Sum(Inputs) Sum(Outputs)

鑄幣交易結構

  • 普通交易

  • 鑄幣交易

coinbase 數據

  • 不包含 scriptSig 以 coinbase 取代，最小 2 bytes 最大 100 bytes
  • 除了開始的幾個 bytes 外，礦工可以任意填充其他部分
  • 創世區塊中的 coinbase

The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks

  • 利用 coinbase 實現 extra nonce 功能，標示挖出的礦池

構造區塊頭

建構區塊

藉由修改 nonce 值重複計算區塊頭 hash 值，直到符合難度條件

工作量證明算法

  • hash 輸入長度任意，輸出長度固定且對於不同字串輸出幾乎不會相同，可作為數位指紋
  • 有意選擇輸入並生成一個特定 hash 值幾乎不可能
  • 礦工藉由修改 nonce 直到區塊頭 hash 值足夠小
  • 可藉由統計估算礦工工作量

難度表示

  • 難度位、bits
  • 前 1 byte 為冪次後為係數
  • target = coefficient * 2^(8 * (exponent – 3))
  • 範例：難度位的值為 0x1903a30c
target = 0x03a30c * 2^(0x08 * (0x19 0x03))
=> target = 0x03a30c * 2^(0x08 * 0x16)
=> target = 0x03a30c * 2^0xB0
=> target = 0x0000000000000003A30C00000000000000000000000000000000000000000000

難度目標與難度調整

  • 維持 10 分鐘生成一個區塊
  • 每個完整節點自動調整
    • 每 2016 個區塊的時間與 20160 分鐘比較來調整難度
    • New Difficulty = Old Difficulty * (Actual Time of Last 2016 Blocks / 20160 minutes)
    • 每次調整幅度最高為 4 倍，平衡算力和難度巨大差異
  • 難度與交易量和金額無關

成功建構區塊

算出符合條件的特定 nonce 值後立即發給相鄰節點，其他節點驗證通過後在發送出去，同時放棄打包同高度的區塊立即開始打包下一塊

檢驗新區塊

  • 每個節點獨立驗證

檢查項目

區塊鏈的組裝與選擇

  • 將區塊集合至最大工作量證明的鏈上
  • 節點維護的區塊
    • 連接到主鏈
    • 分支或備用鏈
    • 孤兒區塊
  • 兩區塊在短時間內被挖出，節點可能會以相反的順序接收接收，造成孤兒區塊

區塊練的分岔

  • 區塊不同時間抵達節點導致不同副本不一致
  • 每個節點延長最大工作量的鏈
  • 最終可以收斂到一致的狀態

礦工幾乎同時挖到區塊，各自廣播出去形成分支

其中一條鏈先挖到下一區塊

重新共識收斂為同一主鏈

挖礦與算力競賽

極富競爭性並且算力以指數及成長 CPU ${\rightarrow}$ GPU ${\rightarrow}$ FPGA ${\rightarrow}$ ASIC

隨機值升位方案

算力增加使得難度增加，所需的隨機值不足

  • 早期可以透過修改時間戳解決，但移動太多會變成無效區塊
  • 利用 coinbase 交易可以在 coinbase script 裡寫入任意值，進而改變 Merkel root 作為額外隨機值來源

礦池

  • 礦工合作組成
    • 集合算力
    • 分享獎勵
    • 減少不確定性
  • 設定較低的難度
    • 評估各礦工算力
    • 算出來的解並不一定滿足新區塊要求
    • 有時產出符合的區塊可以一起分潤

共識攻擊

  • 51% 攻擊
    • 算力過大，30% 以上就有威脅
    • 至多可影響最近 10 個區塊
    • 實現雙花或拒絕他人交易
  • 防禦
    • 等待 6 個以上區塊確認
    • 第三方等多方認證簽名

在算力以指數及增加的現今要達成攻擊難上加難

bitcoin block chain crypto currency introduction
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