比特币防篡改技术详解

毋庸置疑，目前区块链技术的火爆，而比特币作为中本聪的“儿子”，自然是区块链技术研究中不可回避的话题。比特币是一个完全开放和去中心化的金融系统。它曾遭受全球黑客攻击，至今仍能安全稳定运行（除了2010年的一次大整数溢出漏洞攻击），这本身就证明了比特币货币体系的安全性和稳定性。这套完整的防篡改和防损坏安全系统是其最大的安全屏障。让我们逐步揭开比特币防篡改功能的面纱，体验比特币设计的奥秘。

1.非对称加密算法

首先我们来回顾一下非对称加密的概念：非对称加密有一对密钥，分为公钥和私钥，两者是一一对应的关系。顾名思义，公钥是可以公开的密钥；私钥必须自己严格保管。一旦暴露，就相当于知道银行卡密码的可怕后果。

有两种使用公钥和私钥的方法：

一种是用公钥加密数据，用私钥解密数据：Tom想给Jerry发消息，Jerry先把自己的公钥分发给Tom，Tom通过Jerry的公钥把明文数据加密成密文，并且只有与 Jerry's 匹配的私钥。将密文解密为明文的密钥。即使有人截获了 Jerry 的公钥，它也只能用于向 Jerry 发送加密数据。没有得到杰瑞的私钥，就无法破解汤姆和杰瑞通信的密文。

图 01

另一种用法是私钥签名和公钥验证：现在 Jerry 想依次向 Tom 发送消息。为了确保没有人篡改发送的消息，Jerry 使用私钥在明文数据上生成签名（一串字符）。)，将签名和明文数据发送给 Tom。Tom 收到明文消息后，首先使用 Jerry 的公钥验证签名是否正确。如果有人篡改信息，签名验证将失败，Tom 知道消息已被篡改。. 当然，我们可以让 Tom 和 Jerry 相互交换他们的公钥比特币算力计算，这样双方在通信时都可以加密和签名，以确保双重安全。

图 02

目前常用的非对称加密算法有RSA、ECC和国密SM2算法。比特币使用ECC椭圆曲线加密算法。用户发起的每一笔交易都需要用自己的私钥进行签名。每个参与记账的节点都可以验证交易是否正确，以及签名信息是否经过用户公钥的验证。篡改。这就完成了比特币防篡改的第一步：单笔交易的防篡改。

那么为什么交易信息没有加密呢？那是因为每个参与记账的节点都需要验证交易的正确性和完整性。目前，参与比特币记账的节点超过 40 万个，即 40 万笔交易需要用 40 万个公钥加密。这样的计算量和耗时，不仅系统难以承受，而且影响记账节点的可扩展性。所以当前比特币系统中的所有交易都是明文，但匿名性弥补了安全性的不足。当然，这方面的缺点也有解决办法。具体可参考“零知识证明”、“同态加密”等相关知识，此处不再赘述。

此外，由于比特币交易的匿名性，私钥签名成为唯一的标识。如果私钥丢失，就无法证明比特币是你的，你的比特币就不再是你的了。

2.默克尔树结构

如果说比特币的第一道防线是通过密钥签名防止单笔交易被篡改；那么它的第二道防线就是通过 Merkle 算法进一步实现区块抗篡改。

比特币交易信息的存储单元称为区块，一个区块包含多笔交易（具体数量与交易的频率和交易数据的大小有关）。

图 03

如图所示，一棵默克尔树包含一个根节点（Merkle Root）、多级中间节点和叶节点。交易信息位于叶节点中。一个区块中的 N 个交易成对聚合，进行哈希运算。运算结果作为 Merkle 树的中间节点。中间节点成对聚合进行Hash，最终生成唯一的根节点Merkle Root。. Merkle 树的特点是当任何一个叶子节点发生变化时，其变化都会影响上层的 Hash 运算结果。最后，根节点的Hash值也会通过层层传输发生变化。基于这个特点，比特币系统就牢牢地建立起来了。区块中的所有交易都聚合成一个整体，

3.区块链的链结构

如图 03 所示，Merkle 树结构如图所示，但不只是区块头中 Merkle Root 的值，其他组件是干什么用的？这是为了理解俗称“挖矿”的概念。挖矿实际上是一种哈希操作。当记账节点生成区块时，首先要做的就是计算默克尔树根节点的哈希值。当然，挖矿远非简单。出块节奏（考虑出块速度和p2p节点同步）会迫使记账节点增加计算难度。基于Merkle Hash运算，需要记账节点在根节点Hash值上加上一个随机数，最终得到一个满足特定要求的目标Hash值作为区块的ID（例如，目标Hash值的前4位必须为0000，即难度系数）。这就需要记账节点不断产生随机数来匹配目标Hash值的要求。算力越高，越有可能先计算出目标Hash值。记账节点挖矿的过程是首先尝试找到满足难度系数的目标Hash值的过程。第一个记账节点计算出目标哈希（挖矿的矿工）并得到其他记账节点的验证，会得到系统奖励的比特币来完成整个挖矿过程，这会消耗大量的算力，是也是 Pow 算法被诟病的主要原因。这就需要记账节点不断产生随机数来匹配目标Hash值的要求。算力越高，越有可能先计算出目标Hash值。记账节点挖矿的过程是首先尝试找到满足难度系数的目标Hash值的过程。第一个记账节点计算出目标哈希（挖矿的矿工）并得到其他记账节点的验证，会得到系统奖励的比特币来完成整个挖矿过程，这会消耗大量的算力，是也是 Pow 算法被诟病的主要原因。这就需要记账节点不断产生随机数来匹配目标Hash值的要求。算力越高，越有可能先计算出目标Hash值。记账节点挖矿的过程是首先尝试找到满足难度系数的目标Hash值的过程。第一个记账节点计算出目标哈希（挖矿的矿工）并得到其他记账节点的验证，会得到系统奖励的比特币来完成整个挖矿过程，这会消耗大量的算力，是也是 Pow 算法被诟病的主要原因。越有可能先计算目标Hash值。记账节点挖矿的过程是首先尝试找到满足难度系数的目标Hash值的过程。第一个记账节点计算出目标哈希（挖矿的矿工）并得到其他记账节点的验证，会得到系统奖励的比特币来完成整个挖矿过程，这会消耗大量的算力，是也是 Pow 算法被诟病的主要原因。越有可能先计算目标Hash值。记账节点挖矿的过程是首先尝试找到满足难度系数的目标Hash值的过程。第一个记账节点计算出目标哈希（挖矿的矿工）并得到其他记账节点的验证，会得到系统奖励的比特币来完成整个挖矿过程，这会消耗大量的算力，是也是 Pow 算法被诟病的主要原因。

区块链之所以称为链比特币算力计算，是因为每个区块都保存了前一个区块的目标哈希值（创世区块没有前一个哈希值）。如果某个区块的某笔交易被篡改，由于 Merkle 树算法，该区块的目标 Hash 值会发生变化，从而引发连锁反应。基于这个块，所有后续块的哈希值都会发生变化，任何记账节点都可以很容易地发现账本被篡改（如图0 4)所示。这样可以保证所有块都被篡改。证明。

图 04

4.51%算力攻击

上面提到的多重防篡改机制让我们领略了比特币设计的严谨。通过一个循环的算法控制，账本很难被篡改。

那么，基于 POW 算法的比特币系统是否完美无缺？答案是否定的。

事实上，所有基于 Pow 算法的区块链系统，都有一个天然的弱点，那就是著名的 51% 攻击。如果有人控制了全网 50% 以上的算力（越多越容易控制整个系统），他就能比别人更快地找到生成区块的目标哈希值。这意味着他实际上拥有决定哪个区块有效的权力，并且可以对自己的交易发起“双花”攻击（51%攻击，双花攻击概念太复杂，而且还涉及到比特币UTXO的记账）方法单独写就够了，这篇文章主要讲防篡改机制，这里就不一一列举了。网上有很多文章。）简单的描述就是不用花钱也能做交易。这不再是技术问题，而是游戏问题，因为一次攻击会导致像比特币这样的去中心化代币完全失去可信度，没有信用背书的比特币将变得一文不值。当一个人以巨大的成本（通过购买矿机或控制别人的矿机）获得超过 50% 的算力，并购买大量比特币时，他们不会冒险破坏比特币来攻击整个比特币系统。因为这样做不仅伤了别人，也没有任何好处，而且目前比特币的算力还在增长，想要控制一半以上的算力已经越来越难了。当然，一些比特币的分叉系统，或者一些使用 Pow 算法的小型代币系统，

币圈大佬曾经说过：“区块链底层是数理逻辑，中层是哲学思维，上层是神学信仰。” 上面介绍的比特币防篡改机制，成功地将区块链技术从数理逻辑提升到充满博弈论的哲学思维，而我还在区块链技术的底层挣扎。币圈一日，链圈一年，科技之路任重道远，愿与同路人分享。