Blockchain 教學 從各種方位講解 Blockchain

1. Blockchain
沈濃翔
2019/09/26

2. 什麼是Blockchain?
• Blockchian想要解決甚麼問題?
• Blockchain有甚麼特性?
• Blockchian的優缺點?

3. Blockchain起源
拜占庭問題
The Byzantine General’s Scenario。圖/Debraj Ghosh, PhD

4. 拜占庭將軍問題
在已知有成員謀反的情況下如何連結遙遠的軍營來取得一致協議，
就成了有名的「拜占庭問題( The Byzantine Generals Problem )」
網路世界的解讀：
容許入侵體系的一種模型化
如何避免系統中的入侵者影響全體的決策?
Blockchain可以解決這個問題

5. Bitcoin
第二個 blockchain 起源就是 Bitcoin。為了 Bitcoin 產生了
blockchain， Bitcoin 就是 blockchain 的第一個應用。
Blockchain，公眾的電子紀錄資料庫，
一種「寫錄資料的技術」。
Blockchain 是 Bitcoin 的底層技術
一句話解釋 (Bitcoin) Blockchain
他是一個「去中心化的分散式資料庫」

6. Blockchain 透過集體維護讓 blockchain 裡面的資料更可靠
在 bitcoin 上，就可以把他理解成一個 ，
一筆一筆的交易資料都可以被記錄
簡化的支付驗證（Simplified Payment Verification）。圖/比特幣白皮書
全民皆可參與的電子記帳本

7. Blockchain的目的
基於 blockchain 最初是為了 Bitcoin 而發展的
最初是為了實現全民皆可使用的電子化帳本而發展的技術
為了達到這個目的，必須要解決以下的問題：
• 怎麼避免數字化的帳本、交易被竄改
• Double spending 問題
• 數字化之後的其他安全性問題

8. Features of Blockchain
主要特性:
1. Decentralized – 去中心化
2. Immutability – 不可竄改性
其他特性:
開放性(運算數據開放)
獨立性
安全性
匿名性

9. Features of Blockchain
主要特性:
1. Decentralized – 去中心化
2. Immutability – 不可竄改性
其他特性:
開放性(運算數據開放)
獨立性
安全性
匿名性

10. Decentralized
使用者可以不依靠額外的管理機構跟硬體設施，不需要中心機制
每一個區塊鏈上的資料都分別儲存在不同的雲端，核算和儲存都是
分散式的，每個節點都需要自我驗證、傳遞和管理
去中心化是(bitcoin)blockchain最核心的本質特色

11. Consensus
沒有中心化的系統如何管理??
Ans: 共識機制
決定 Blockchain 上的資料由誰決定、如何寫入
e.g. Bitcoin，每個運算節點的運作方式會透過「工作量證明機制
(Proof of Work)」來證明
誰先花費最少的時間，透過各自的運算資源來算出答案並得到認可
就成立，如此來實現多方共同維護，讓交易可以被驗證(俗稱挖礦)

12. 補充
事實上，現在已經出現很多有別於 PoW 的共識機制
新興的 Blockchain 應用，未必會採用 PoW 作為共識
例如：PoS、DPoS、PoA等，這些都是為了解決 PoW 中潛在的
問題

13. 補充
工作量證明 Proof-of-Work(PoW)
工作量證明就是用來證明你做了一定量的工作。
第一個 PoW 應用是1996年 Adam Back 開發的 Hashcash 應用
他採用工作量證明機制來過濾垃圾郵件。
具體作法是要求所有收到的郵件都使用強 PoW 附件。
此系統使垃圾郵件發送者在大量發送郵件時在經濟成本上不可行
但卻允許個人在需要的時候相互發送訊息。
今天這種算法也被賦予新的意義，就是以"挖礦"方式作為Bitcoin的
安全核心

14. Proof of Work
PoW 共識機制採用 SHA-256 運算 Hash 值
特點是難以運算，卻容易驗證
改變 Hash 值的原始數據中的任何一部份，
所產生的 Hash 值也會變化。
在原始數據裡加入一個隨機數並進行 Hash，
理論上要產生開頭剛好有N個0的 Hash 難度會隨著N的增加而遞增。
這個隨機數在 bitcoin 中被稱為 nouce，挖礦的過程即是在找這個
隨機數。

15. PoW
實際演練
https://github.com/anders94/blockchain-demo
https://anders.com/blockchain/blockchain
http://localhost:3000/hash

16. Proof of Work
所以要找到符合要求的Hash值，需要經過大量運算，運算時間取
決於節點的運算速度。
當某個節點提供出一個符合要求的Hash值，就說明該節點確實經
過大量的嘗試運算。

17. PoW 工作量從何而來?
一個符合要求的Hash是由N個前導0構成的，
而0的個數就取決於當時網路中的難度值，
也就是說，前導的0位數越多，就越難找到nouce。
SHA-256生成的Hash值都為固定長度256位元，
一般以 64 個 0~f (16進制的值)來表示 hash 的結果

18. PoW 工作量從何而來?
假設 hash 結果中，任一個字元出現的概率是均等的，
那麼第一位為 0 的機率是 1/16，
平均上要嘗試 16 次 hash 運算才會出現一次第一位為 0 的情況，
如果前兩位為 0，則平均需要嘗試 162 次 Hash 運算，
N 個 0 開頭的 Hash 就要嘗試 16N 次運算。

19. PoW
實際演練
https://github.com/anders94/blockchain-demo
https://anders.com/blockchain/blockchain
http://localhost:3000/hash

20. 隨筆紀錄
專用IC晶片的 bitcoin 挖礦機可以在 0.1 秒內(2018,現在可能更短)，
就試出一個 bitcoin 區塊內的 hash 值
nonce 為 32 bit的值，可能性為 2^32 約為 42億 種可能
前段時間去 bitcoin 的官網上看，有 19 個 prefix zero…
https://www.blockchain.com/explorer
算出正確的hash值的平均需要 16^19 =
75,557,863,725,914,323,419,136 次運算(紅字為十億單位)
事實上是有可能算不出來的，可能還需要去調整Merkle tree的值
結論：我們玩不起 bitcoin 挖礦
反正 bitcoin 可能也要泡沫化了

21. Immutability – 不可竄改性
Blockchain中每一筆資料一旦寫入就不可以再改動，
只要資料被驗證完就永久寫入該區塊中。
其中技術是透過Hashcash演算法，透過一對一的函數來確保資料
不會輕易的被竄改，這種函數很容易被驗證卻難以破解，
無法輕易推算出原本的數值，每個區塊的值也會被放進下一個區塊
中，讓blockchain內的資料也都被正確的保障。

22. Immutability
實際演練
https://anders.com/blockchain/blockchain
http://localhost:3000/blockchain

23. Blockchain 加密與驗證技術
除了上述提到的技術外，Blockchain 裡還應用了一些加密技術來
保證及驗證交易訊息的正確性
這也更加強了 Blockchain 資料不可竄改的特性。
其中比較重要的有
1. RSA公私鑰加密
2. Merkle Tree

24. RSA 加密
現在假設 Alice 要傳一個訊息給 Bob，希望訊息加密過後只有 Bob
可以解密，大概會經過如下步驟：
1. Bob 傳他的公鑰給 Alice
2. Alice 使用 Bob 的公鑰加密訊息
3. Alice 將加密過後的訊息傳給 Bob
4. Bob 用他的私鑰解密訊息

25. RSA 簽名與驗證
有時我們會想知道訊息是否是由本人傳送的，這時我們就會使用公
私鑰來做簽名與驗證，大致會經過如下步驟：
1. Bob 傳他的公鑰給 Alice
2. Bob 將他的訊息使用私鑰進行簽名
3. Bob 將他的訊息以及簽名傳給 Alice
4. Alice 使用 Bob 的公鑰驗證簽名是否來自 Bob
https://zh.wikipedia.org/wiki/RSA%E5%8A%A0%E5%AF%86%E
6%BC%94%E7%AE%97%E6%B3%95

26. RSA
實際演練?
https://github.com/anders94/public-private-key-demo
https://anders.com/blockchain/public-private-keys/keys
http://localhost:3001/

27. Merkle Tree
Blockchain 中的交易會組成 Merkle Tree 的形式，再將 Merkle
Root 放入 Blockchain 的區塊中，Merkle tree 的資料結構如下：
• 樹葉節點放的就是資料
• 父節點放的是子節點資料的 hash 值
有了這樣的 Merkle Tree，我們就可以：
• 用 hash 來代表資料，即使是很大量的資料也可以用一個簡單的
hash 來表示
• 如此要下載資料與驗證資料就可以同步進行，這在分散式系統
非常重要

28. Merkle Tree

29. Features of Blockchain
主要特性:
1. Decentralized – 去中心化
2. Immutability – 不可竄改性
其他特性:
開放性(運算數據開放)
獨立性
安全性
匿名性

30. Disadvantages
1. 不可竄改、撤銷(交易地址填錯、丟失密鑰…,etc.)
2. 交易帳本必須公開(交易用戶的address必須公開)
3. 數據越大絆隨的性能問題(同步完整帳本)
• 最新的Bitcoin帳本大小約為 226596 MB(2019年，約221G)
• https://www.statista.com/statistics/647523/worldwide-bitcoin-
blockchain-size/
4. blockchain的延遲性(ex. Bitcoin 控制在10分鐘一個區塊)

31. 補充 – 常見共識機制
1. PoW - Proof-of-Work
2. PoS - Proof-of-Stake
3. DPoS - Delegated Proof-of-Stake
4. PoA - Proof-of-Authority
以上是主流的共識機制
事實上，還有其他各種奇奇怪怪的共識機制

32. 補充 – PoW
Pow 工作量證明，就是大家熟悉的挖礦，
通過運算，計算出一個滿足規則的隨機數，即獲得本次記帳權，
發出本輪需要記錄的數據，全網其它節點驗證後一起儲存；
優點:
完全去中心化，節點自由進出；
缺點:
目前bitcoin已經吸引全球大部分的算力，其它再用PoW共識機制
的區塊鏈應用很難獲得相同的算力來保障自身的安全；
挖礦造成大量的資源浪費；共識達成的周期較長，不適合商業應用
資源掌握在少數人手裡，可能會有51%攻擊的問題

33. 補充 – PoS(權益證明)
Pos 權益證明，Pow 的一種升級共識機制；
根據每個節點所占代幣的比例和時間；
等比例的降低挖礦難度，從而加快找隨機數的速度。
優點：在一定程度上縮短了共識達成的時間
缺點:
還是需要挖礦，本質上沒有解決商業應用的痛點
資源還是掌握在少數人手裡

34. 補充 – DPoS(股份授權證明)
DPoS 股份授權證明機制
類似於董事會投票，持幣者投出一定數量的節點
代理他們進行驗證和記帳。
Pros:
大幅縮小參與驗證和記帳節點的數量，可達到秒級的共識驗證
Cons:
整個共識機制還是依賴於代幣，很多商業應用不需要代幣存在

35. 補充 – PoA(權威證明)
由若干個權威節點負責生成區塊，而其他節點無權生成，
所以也不用像 PoW 那樣進行挖礦。
權威證明（PoA）就是一些個人或企業項目使用的共識機制。
權益證明（PoS），通常將金錢作為股權使用，
而在POA中，指的是身份的使用。
這背後的想法是，人們會注意自己的名聲，
因此會被勸阻不要惡意行事。

36. 補充 – PoA(權威證明)
Pros:
• 跟其他共識相比，它不需要大量的計算能力，
• 是一種更民主的模式，進入門檻更低。
• 比其他共識更快進行驗證寫入blockchain的動作
• 效率是 PoA 的一個特點，適用於私鍊開發。
Cons:
• 使用身分作為賭注的一個主要問題是匿名性的減少
• 需要一個集中的權威節點來驗證和批准身分，降低了
Blockchain去中心化的程度
也就是說，PoA是在去中心化與提高效率之間做了妥協
較適合私鍊的部屬

37. 隨筆紀錄
量子電腦對 blockchain 與傳統密碼學的衝擊?
共識的更改進化，量子密碼學的發展?
對其他傳統產業的衝擊?

38. Ethereum
Bitcoin帶來第一波Blockchain革命，
第二波革命則是由Ethereum開始的。
Bitcoin上的交易紀錄只是紀錄資料，
假設我們將一個可執行的程式，
記錄在 Blockchain 上的交易紀錄會怎麼樣?
這樣整個程式就可以共享在整個Blockchain上，大家都可以在
Blockchain上執行程式，而程式運行的資料可以在Blockchain上存
取，讓整個Blockchain作為資料庫
這樣的概念就叫做Smart Contract。

39. 甚麼是Ethereum?
Ethereum：基於 blockchain 技術的新一代區塊鍊網路
允許你在他的VM執行環境中執行程式。
Ethereum 的節點上都會有一個虛擬機，
被稱為EVM(Ethereum Virtual Machin)
EVM允許在區塊鏈上驗證和執行代碼，
確保代碼在每個人的機器上以相同的方式運行

40. 名詞簡介
• 貨幣單位：ether
• Address：代表一個account，可以提錢存錢，分為兩種
• 使用者
• 合約
• 會有一份 code 跟這個 address 綁在一起
• 同一份 code 在不同 address 就是不同的合約
• Transaction：
• 可為單純的送錢
• 或用來執行合約(同時也可付錢)

41. 名詞簡介
• gas(運算費用)
• 每個函式都是由許多單元組成，每個運算都有固定的算力消
耗，因此每執行一次函式都要付出應該付的費用，費用由
ether 支出
• 當函式寫好，gas 耗費就已經固定，唯一可變的是每單位
gas 所價值的 ether，每單位 gas 給越多 ether，礦工就更願
意收入你的 transaction，也就更快被寫入 blockchain 裡

42. 什麼是 Smart Contract ?
Smart Contract 就是運行在 EVM 上的 code。
Smart Contract 可以接收和儲存 Ether(以太幣)、data，
或者以上兩者的結合。

43. 簡單示例
再次請 Bob 跟 Alice 出場
Alice 想請 Bob 造一輛腳踏車
他們使用一個 escrow contract
(代管合約，在條件滿足之前可以存錢的地方)
來存放各自的 Ether ，直到最終條件滿足

44. 1. Alice 同意給出建造腳踏車的薪水到 escrow 這個智慧合約中
Bob 也同意給出相同的代價作為抵押

45. 2. Bob 完成建造腳踏車的工作，然後 Alice 允許智慧合約釋出儲存的 Ether

46. 3. Bob 收到 Alice 給出的薪水還有他自己的抵押金

47. Smart Contract
條款可以再做一些更改
比如如果 Bob 無法造好腳踏車或是造得不夠好
Alice 可以根據條款回收 Bob 的抵押金
Smart contracts 在 EVM 上以 Bytecode 儲存並執行
主流是用 Solidity 撰寫再轉換成 Bytecode 寫入 Ethereum 中

48. Ethereum 創世檔案

49. Ethereum smart contract

50. Ethereum 網路類型
1. Public Blockchain – 公鍊
2. Private Blockchain – 私鍊
3. Enterprise Blockchain – 聯盟鍊(企業鍊)

51. Public Blockchain
向全世界任何人公開，所有人都可訪問，發送、接收、認證交易。
所有人都能參與其中共識過程的區塊鏈。
Pros：
不可篡改，匿名公開，技術門檻低，真正的去中心化。
每個參與者可以看到所有的帳戶餘額和其所有的交易活動。
Cons：
分散式治理仰賴共識決，更新迭代慢，初期建置成本高昂。

52. Private Blockchain
私有鍊是完全私有的區塊鍊，寫入權限只在一個組織手裡。
共識過程由預先選好的節點來控制，被認為是「部分去中心化」
Pros:
交易速度快，交易成本極低
仍保有不可竄改性
Cons:
失去去中心化的特性
代幣價格是可以被操作的，代碼也可以被修改，集中風險較大
因為企業對區塊鏈的探索與需求，發展出了兩種區塊鏈的混合，
稱為聯盟鏈，保有私有鏈的隱私性，又能維持多節點共識治理的特性。

53. Enterprise Blockchain
聯盟鍊適合機構間的交易溝通。
例如銀行間、醫療機構間的資訊交易等。
聯盟鏈是指其共識過程受到預選節點控制的區塊鏈。
通常，外部觀察者可以查詢但是不可交易，區塊的 Root Hash 及
其 API（應用程式接口）對外公開以供查詢。
可視為「部分去中心化」。
與私鍊類似，最大的不同在於，聯盟鍊是為一個聯盟服務，比如一
個行業服務的，而私鍊則是為一個組織，比如一家公司內部服務。
可能會強調在，如何授權，授權範圍，節點身分認證等

54. 比較
Public Private Enterprise
權限 完全開放閱覽、編寫 僅有指定節點能寫入、
閱覽
需授權才能寫入、閱覽
速度 相對較慢 相對較快 相對較快
管理 帳本公開維護 中心化管理 混合前面兩者
身分識別 匿名 可識別身分 可識別身分

55. Blockchain應用
目前應用的情況以金融業最多，
同時也不少政府部門表示對區塊鏈的運作感興趣，
另外像是醫療界也能夠妥善運用Blockchain技術，
醫院中病人的數據、病歷等等都需要隱私，同時區塊鏈的不可竄改
性也讓病患資料可以被保障，甚至未來能夠結合人工智慧，將病歷
更進一步的導向智能諮詢、智能抓藥等功能

56. Blockchain應用
麻省理工學院（MIT）採用了區塊鏈技術，讓百餘名畢業生透過智
慧型手機領取他們的數位文憑，成為全球首批頒發虛擬證書的大學
之一。
當學生下載 Blockcerts Wallet 之後，它會產生一組金鑰（私鑰加
上公鑰），並將公鑰傳送給MIT，把它寫入數位紀錄中，再於該區
塊鏈加上認證碼。
區塊鏈上並沒有記錄文憑資訊，有的只是MIT建立該紀錄的時戳，
最後MIT再寄出含有公鑰的數位文憑，藉由學生手機上的私鑰來進
行本人驗證。

57. Blockchain 未來發展
Hyperledger 計畫
常常被視為第三波的 Blockchain 革命
「Hyperledger 是一個旨在推動區塊鏈跨行業應用的開源專案，
由 Linux 基金會在2015年12月主導發起該專案， 成員包括金融，
銀行，物聯網，供應鏈，製造和科技行業的領頭羊。」
from wikipedia

58. Blockchain 未來發展
Hyperledger 就像是一個聯盟
聯盟底下的專案各自為政，也共同合作，
雖各自為政，但與計畫內其他專案都是能夠共同整合的（部分專案）
Hyperledger 是好幾個專案的集合體，專案由聯盟成員發起，
不一定能互相連通（使用場景不一定相同）

60. Hyperledger的概念
IBM進入區塊鍊世界的問題是：
blockchain是否會成為下一代的交易系統?
IBM 公司區塊鏈項目總經理 Marie Wieck 的回答是：
「不，這實際上只是數字化的過程。」
“了解blockchain的歷史和它是甚麼非常重要。Blockchain是2008
年金融和抵押貸款危機的答案。它會告訴你如何在數字世界中，如
何創建與真實世界交易相同的模型”
一句話解釋什麼是 Hyperledger：
現實世界各種資料轉成數字後的數位化管理

61. Hyperledger要解決的三大挑戰
1. Power-of-Work:
是一種對應服務與資源濫用、或是阻斷服務攻擊的經濟對策。
Wieck 指出，2017年，區塊鏈所使用的電量當中，有40%的電量是在採
礦過程中消耗。Wieck 不喜歡消耗大量資源的解決辦法，稱速度方面除了
採礦還可採用其他解決辦法。
2. 權限的設計：
許多IBM的客戶想知道他們與誰做生意。事實上，除了匿名外，還有其他
辦法提供隱私度和機密度。
Wieck認為，擁有權限和信任，實際上增強了區塊鏈的價值。
3. 許可模式：
「IBM希望使用open source，並渴望參與像這樣的新技術平台發展，」
Wieck說。由於區塊鏈的協作性質，這非常重要。

62. Hyperledger帶來的可能性
沃爾瑪公司（Walmart）與IBM合作建立食品供應鏈地圖，以便當
食源性疾病爆發時，能夠追蹤農產品的安全。
發生爆發時，一般需要數週才能追溯到源頭。在農產品供應系統中
使用區塊鏈，追蹤食源性疾病爆發的源頭只需兩秒鐘。
為了實現這一目標，競爭對手需要合作並共享物流信息。
儘管需要全行業協作，但 IBM 已經在沒有區塊鏈技術的協助下，
把追溯爆發起源的時間由數週減至數日。

63. Hyperledger帶來的可能性
電子身份證 – 你怎樣在區塊鏈找到自己？
IBM正與加拿大SecureKey合作。
加拿大SecureKey擁有所有主要銀行、加拿大政府和羅傑斯通信公
司（Rogers Communications）的網路，能夠驗證電子身份。
SecureKey是一個三重的身份驗證系統。如果有人需要查核您的身
份以確認交易，他們會要求你提供特定信息進行交易。
例如，你去酒吧，保鏢需要驗證你的年齡，向保鏢顯示駕駛執照提
供了比他需要更多的信息。通過使用此區塊鏈，無需提供超出需要
的信息，年齡就會得到確認。

64. Hyperledger帶來的可能性
因此，對於其他交易，您只能提供交易所需的信息，而不能提供更
多信息。基本上，你掌握了你自己的身份。就保持身份安全而言，
這是一個更好的系統。

65. Conclusion
Blockchain 可能會在未來，改變人們交易與分享重要訊息的模式。
Blockchain 將會與現實世界做連結，企圖達到：將現實世界的事
物轉化為數位資訊來管理
Blockchain 未來可引入授權的概念，對商業或企業，抑或是醫療
衛生等產業、公共事務，可以更好的彼此互相分享關鍵資訊而不透
漏其他隱私，在問題發生時快速得到更好的解決
Blockchain 或將會連結起整個世界，乃至於個人本身，形成一個
超級帳本