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[course] 不可錯過的時代趨勢：從自學區塊鏈到專家！

此篇為課程 不可錯過的時代趨勢：從自學區塊鏈到專家！ 之筆記整理，非原創內容，資料來源可見下方連結與文後參考資料。

基本名詞與知識​

幣​

區塊鏈上的幣可以分成 Coin 和 Token：

  • Coin 指的是改區塊鏈上的原生貨幣，像是比特幣或以太幣
    • 一個區塊鏈只會有一種原生貨幣，又稱做同質化代幣（Fungible Token）
    • 除了直接拿來交易外，也可以用來支付區塊鏈上的服務，例如執行智能合約需要支付以太幣
  • Token 則是開發者在區塊鏈上創造的貨幣
    • 一個區塊鏈上可以有多個不同的 Token，例如非同質化代幣 NFT（Non-Fungible Token）就是一種 Token
    • 可以使用智能合約來創造 Token
    • 除了可以用來支付外，也可以由開發者自訂附加功能

區塊（Block）​

在區塊中會紀錄交易資訊，其中區塊內會包含：

  • 上一個區塊的哈希值（Prev_Hash）：目的是確保上一個區塊的資料沒有被竄改
  • 當下時間（Timestamp）：記錄區塊被確認的時間，並可用來作為各區塊間的排序
  • 數筆交易資料（Tx_Root）
  • 隨機數（Nonce）：由礦工產生的隨機數，可用來確保區塊內的資料並沒有被竄改
提示

區塊的概念很像是 Linked List 這種資料結構中的 Node。

// 範例：一個區塊的資料結構
{
  "size": 43560,
  "version": 2,
  "previousblockhash": "00000000000000027e7ba6fe7bad39faf3b5a83daed765f05f7d1b71a1632249",
  "merkleroot": "5e049f4030e0ab2debb92378f53c0a6e09548aea083f3ab25e1d94ea1155e29d",
  "time": 1388185038,
  "difficulty": 1180923195.25802612,
  "nonce": 4215469401,
  "tx": [
    "257e7497fb8bc68421eb2c7b699dbab234831600e7352f0d9e6522c7cf3f6c77",
    //... many more transactions omitted ...
    "05cfd38f6ae6aa83674cc99e4d75a1458c165b7ab84725eda41d018a09176634"
  ]
}

區塊鏈（Blockchain）​

將多個區塊以線型的方式連接成一個鏈，即稱作區塊鏈。可以進一步參考 Blockchain Demo 這個網站。

資訊

區塊鏈簡單來說就是記錄交易的去中心化帳本（distributed ledger）。

地址​

在區塊鏈中使用的是非對稱加密，因此會有一組獨特的公鑰和私鑰：

  • 使用公鑰來產生「地址」，地址也就是在區塊鏈上的身分
  • 「地址」 + 「私鑰」 = 「錢包」
資訊

在非對稱加密中，我們將機密的內容使用公鑰加密、私鑰解密。公鑰可以給任何人，但私鑰是解密用的，因為不能外流。

冷錢包與熱錢包​

冷錢包：

  • 不能與公開網路接觸
  • 可能可以另外上鎖
  • 壞處是使用上不方便，且一旦遺失就再也找不回來

熱錢包：

  • 與網路連接，使用上方便
  • 壞處是可能受到攻擊

節點（Node）：區塊鏈的參與者​

  • 比特幣是一個點對點的網路（Peer-To-Peer, P2P）

  • 節點的數量決定該區塊鏈的去中心化程度

  • 節點可以分成

    節點種類錢包完整區塊鏈挖礦工具網絡工具備註
    範本節點（Reference Client）VVVV包含節點的所有功能
    全節點（Full Node）VV願意無償提供服務
    輕節點（Lightweight SPV Wallet）VV使用服務，但僅願意付出較少，例如，錢包
    礦工節點（Mining Nodes）含部分區塊鏈VV參與的目的是為了賺錢，目的就是挖礦（認證每一筆收到的交易，產生區塊後發布，以獲得獎勵）
    • 錢包：讓節點可以持有與轉送貨幣
    • 完整區塊鏈：可以查詢所有區塊鏈發生的事
    • 挖礦工具：當有交易出現時，可以進行挖礦來產生新的區塊，以維護網絡的安全性
    • 網絡工具：當有交易轉送到持有網絡工具的用戶手上時，該用戶即有義務要轉送給周圍的親友
提示

留意區塊（block）和節點（node）的差異，區塊是礦工在挖的東西，而節點是網絡上的每一個可被連結的單元。

挖礦（Mining）​

由於區塊鏈並沒有中心化的伺服器來處理交易，因此需要麻煩全世界的人一起來幫忙做這件事，並提供比特幣作為報酬，也就是說，挖礦是去中心化驗證區塊的機制：

  • 成功挖到礦的機率非常小，但「第一個」挖礦成功的人即可獲得比特幣
  • 挖：耗費電腦資源、電力和時間來驗證區塊
  • 礦：驗證區塊後獲得的比特幣
提示

挖礦就像是「比特幣系統出一道數學題，看哪一個礦工可以先解出這道題目」。

實際上來說，就是根據提供的交易資料（data），算出能產生合法（特定開頭）Hash 的隨機數（Nonce）。只有第一個成功找到該隨機數的人能獲得比特幣作為獎勵：

mine

礦池（Mining Pool）​

由於挖礦需要強大的運算能力，但如果只有一般的電腦，又想參與挖礦過程的話，其中一種方式就是和其他人一起合作挖礦，這種結合許多人來一起挖礦，挖到後互相分潤的情況，就稱作「礦池」。

哈希雜湊（Hash）​

輸入資料後，透過 Hash function 能夠得到「固定長度」的結果（哈希值）

  • 能用 input value 得到 hash value，但從 hash value 很難回推 input value
  • 相同的 input value 會得到相同的 hash value；不同的 input value 亦不會有相同的 hash value
  • hash value 的長度是固定的

透過哈希雜湊的特性，可以：

  • 將資料做摘要
  • 包含機密資料：因為很難從 hash value 反推一開始的 input value
  • 確保資料完整性（沒有被竄改）：只要 input value 被改變，必定會得到不同的 hash value

透過調整雜湊值的條件，可以影響挖礦的難易度（例如，雜湊的前幾碼需要符合幾個 0 作為開頭）。比特幣使用的雜湊函式時 SHA256（Secure Hash Algorithm 256）。

提示

礦工實際在做的事情就是看 Nounce 要帶入多少時，能成功讓經過雜湊後的到的 hash value 是合法的

Hash(block) = hash value // 新的 hash value 必須要是合法滿足特定套件的

三角悖論（Triangular Dilemma）​

任何區塊鏈主鏈都只能滿足下述三個條件中的其中兩個：

  • 安全（security）
  • 效率（efficiency）：每秒能完成的認證交易
  • 去中心化（decentralization）：每個人都能參與、當節點並進行決策

越安全可能導致步驟越繁瑣，進而導致效率下降，同時可能限制了去中心化的程度（不是任何人都能加入與進行決策），其中比特幣和以太坊選擇了「安全」與「去中心化」，犧牲效率，因此每秒能完成認證的交易量（transaction per second）非常低。

以太坊（Ethereum）與智能合約（Smart Contract）​

又被稱做第二代比特幣，且概念類似世界電腦，任何在鏈上的事情都需要由全世界參與的節點來共同決定（去中心化）。和比特幣主要的目的是在貨幣支付不同，以太坊可以完成各種程式邏輯，因此可以處理更多處理貨幣交易以外的事。

以太坊 v1.0 最大的問題在於 TPS（transaction per second）過低，因此未來的 v2.0 或其他的鏈都試圖解決以太坊的這個問題。

在以太坊上可以運行智能合約，雖然稱做智能合約（Smart Contract），但實際上智能合約並不智慧，也不像合約，而是可以在「合約」上定義好「一系列不能被更新的程式邏輯」讓其他人來執行。

在以太坊上：

  • Get：單純查看區塊鏈上的資訊不需要 Gas（手續費）
  • Set：修改區塊鏈上的資訊、發布交易需要 Gas
  • 部署智能合約需要消耗 Gas

以太坊上的智能合約主要透過是 solidity 這個語言來撰寫。

實際的流程類似這樣：

  1. 使用 solidity 撰寫智能合約
  2. 部署撰寫好的智能合約，部署後會取得該合約與區塊鏈上的地址
  3. 可以對合約地址執行「發布交易（set）」或「查閱資訊（get）」的動作
提示

所謂的「發布交易」並不表示實際上又貨幣上的交易，只是單單把某一個變數的值做修改也算是執行交易，因此這個交易的概念比較像是程式上 transaction 的概念。

其他​

  • ICO（Initial Coin Offering）：相對於 IPO（Initial Public Offering）的說法，指的是區塊鏈項目的募資方式。股票市場是透過發行股票來進行募資，而虛擬貨幣的市場則是透過發行虛擬貨幣來達到募資的效果，讓支持該公司的人能夠先以較低的價格購買該公司發行的虛擬貨幣，待未來實際上到交易所（股市）後，讓大家可以自由買賣。
  • STO（Security Token Offering）：ICO 本身沒有任何法律保障，但 STO 是有監管機構介入，和真實資產有實質關聯後才開發行。
  • 去中心化（Decentralization）
    • 目前 99% 以上的交易量都是透過中心化交易所進行

實作​

透過以太坊示範如何建立節點​

以太坊的節點分為全節點（full node）和輕節點（light node），其中全節點需要消耗極大儲存空間，若單純只是想和區塊鏈互動，使用輕節點即可。

備註

輕節點不能挖礦，但廣播交易（網絡工具），需要的話可以回頭參考「節點的分類」。

安裝 geth​

Installing Geth @ Go Ethereum

# 透過 homebrew 安裝 geth
brew tap ethereum/ethereum
brew install ethereum

使用 geth​

$ geth --syncmode "light"  # 以輕節點的方式同步以太坊的節點

啟動後找到並複製 IPC Endpoint：

geth

# 進入 Geth JavaScript console
# geth attach <IPC endpoint url>
$ geth attach /Users/pjchender/Library/Ethereum/geth.ipc

> web3.eth.syncing  # 檢視同步狀況

> web3.personal.newAccount() # 創建帳戶/錢包地址（可以不輸入密碼）
# "0x3788618647c580920ba24775a153d9c47fb0ba01"

> web3.eth.accounts      # 檢視帳號/錢包地址
# ["0x3788618647c580920ba24775a153d9c47fb0ba01"]

使用 SHA256 加密資料與檔案​

示範如何使用 Mac 中內建的工具 shasum 來做雜湊

# 確認電腦已經有裝工具
$ which shasum

# hash 字串
$ echo -n "hi" | shasum -a 256

# hash 一個檔案
$ shasum -a 256 "file.txt"
注意

echo 如果沒有加上 -n 的話，預設會在最後加上換行符號。

參考資料​

Giscus​