從 0 認識 Blockchain - 區塊鏈基礎

4 minute read Posted on: 2023-04-24 Updated on:

Introduction to Blockchain

Blockchain 技術的概念，始於 2009 年由 Satoshi Nakamoto 建立的 Bitcoin
根據 Bitcoin 白皮書中所述

A purely peer-to-peer version of electronic cash would allow online
payments to be sent directly from one party to another without going through a
financial institution

Bitcoin 擺脫了必須透過中心化交易中心進行交易的概念
使用了 P2P 的技術, 建構了 decentralized network 使得交易雙方可以直接交易
透過建立不可改變的 transactions 可以取代傳統中心化第三方交易中心的功用信任

白皮書: 某項重要政策或提議的正式發表書, 可參考 White paper

Introduction to Ethereum

但是 Bitcoin 終究只能做金錢相關的事情
Vitalik Buterin 他想把 Blockchain 這個技術擴展到更高的層次，他想讓人們可以用 Blockchain 打造 decentralized application(不僅限於金錢)
其中一個很重要的概念就是所謂的 smart contract(decentralized agreement)
於是他在 2015 年發表了 Ethereum 這個 project
其白皮書可以在這裡找到 Ethereum Whitepaper

說到底 Ethereum Blockchain 就是一個大的 Excel 表格，紀錄了盤古開天以來所有的 transaction 紀錄以及 data

Smart Contract

根據 Ethereum Whitepapaer

The intent of Ethereum is to create an alternative protocol for building decentralized applications,
providing a different set of tradeoffs that we believe will be very useful for a large class of
decentralized applications, with particular emphasis on situations where rapid development time,
security for small and rarely used applications,
and the ability of different applications to very efficiently interact, are important.

為了打造去中心化的服務，Ethereum 創造了一門語言(solidity)用以實作 smart contracts
而智能合約是由一系列指令組成的程式，運行在 Ethereum Blockchain 之上

智能合約總結來說只幹三件事

定義規則
驗證規則
自我執行規則

smart contracts 本質上就是 code, 一旦合約成功部屬至鏈上，就 幾乎沒辦法修改
基於這樣的特性，合約變得有保障，且因為所有鏈上的資料都是公開透明的，所有的狀態更新都受到 network 的監督

八卦是 smart contract 並不聰明

Transaction

對 blockchain 造成 任何狀態更新, 都會建立一個新的 transaction
狀態更新包括

上傳新合約
更改合約(smart contract 實作上可以用成 configurable, 亦即你可以後期調整某些參數)
更新合約儲存的資料

而每一筆 transaction 你都必須要支付費用
讓 network 願意幫你更新區塊鏈狀態(i.e. 給錢做事使用者付費)

transaction 會紀錄

誰要更改狀態
更改了誰的狀態
更改的數值

有關 transaction 的介紹，可以參考從 0 認識 Blockchain - Transaction 以及你該知道的一切 | Shawn Hsu

Anonymous Identity

鏈上的資料完全透明！？那我的個資怎麼辦？

為了與 Blockchain 互動，你必須要創立一個錢包帳號
不同的是，這裡用的 account 是完全匿名的
也就是說即使 blockchain 都是公開透明的，其他人也無從得知帳號主人的真實身份

其中用到的，是非對稱式加密系統
利用公鑰私鑰進行所有操作，既能完全匿名，也能夠驗證你的身份(透過數位簽章 Digital Signature)

Cons of Centralized Service

中心化的伺服器缺點也滿明顯的不透明

所有資料的傳輸的過程中，僅有 server client 參與
我們很難判斷說資料到底有沒有被更改過
即使現今擁有加密、驗證等等手段，還是沒辦法 100% 保證真實性(萬一 server 惡意竄改資料呢？)

Decentralized? How?

去中心化的作法是，擁有多台電腦執行 相同的共識機制，相同的程式, 擁有相同的資料備份
當有一台電腦想要搞事的時候，會因為算出來的結果跟別人不一樣，而遭淘汰
可以把他想像成 多數決
因為 network 的思考方式(共識機制)都一定一模一樣，如果有某個人的結果不同，那必定表示他在搞事

Chain Selection Mechanism

前面提到 blockchain 目前是採多數決的方式決定的
多數決顧名思義，必須要贊成或否決某項決議，但先決條件是，某個人要先提出某個決議才行
blockchain 要怎麼做呢？

首先，在眾多 blockchain 當中，選出 最多驗證者的鏈 當成 main chain
這時候！其他的 blockchain 會選擇 跟隨 main chain 的結果
接下來就可以開始進行多數決了
其餘的鏈，會一一驗算，計算 transaction 執行是否正確(e.g. from, to, function)選擇我要贊成或否決
遭到否決的話，將會找尋 第二多驗證者的鏈當成 main chain 並且處罰該節點
無限循環，無限驗證

經過 The merge(發生於 2022/09) 之後
Ethereum 迎來全新技術升級，chain selection 從原本的最長的鏈 最多驗證者的鏈

如此一來，這樣的互相監督機制使得區塊鏈不易被更改
安全性也更加的高

要怎麼驗證 contract 內容合不合法？
這件事情不應該從技術端解決，而是立法機構要介入的
共識機制只確保我執行的結果是正確的

Sybil Attack

藉由創造大量的假帳號試圖影響網路
在 Blockchain 的世界裡，可以藉由一個惡意的節點，拒絕執行某些 transaction 拒絕寫入某些 block
當數量足夠多的時候，就會造成 51% Attack

Direct Sybil Attack

惡意的節點直接與真正的節點互動

Indirect Sybil Attack

透過一個中間(proxy)節點，對真正的節點進行攻擊
好處是 network 比較難發現惡意節點的存在
有點類似中間人攻擊

ref: Executing a Man-in-the-Middle Attack in just 15 Minutes

51% Attack

當有過半數的人反對你的意見時，多數決的機制會排除你的意見
在 blockchain 的世界裡面，如果你控制了超過半數的 Ethereum node 那麼你將控制整個 Ethereum Blockchain
這時候你把黑的說成白的也不會有人反對畢竟現在你最有話語權

注意到，你不是能 100% 做你愛做的事情，比如說像是隨意移動他人 ETH 就是做不到的
控制網路能做的是類似，拒絕 transaction, rollback transaction … etc.

ref: Ethereum Mainnet Statistics

根據 Ethereum Mainnet Statistics 的大略統計結果
目前有將近 7700 多台 Ethereum Node 正在運行
意味著你要控制 3400 多台的機器，你才可能控制整個區塊鏈
不敢說多數決的機制是完美的，但是想要完整控制還是需要花很多的錢也大幅度的減小了 51% Attack 的可能性

透過下載 go-ethereum 運行 Ethereum 節點你也可以為區塊鏈生態系貢獻心力

Chain Types

ref: Polkadot/波卡鏈｜平行鏈競拍為何成為市場熱話？DOT幣有何用途？

Relay Chain

對於使用相同基礎設施的區塊鏈們，他們可以透過中繼鏈進行溝通

Relay Chain 為 Polkadot 專有名詞

Parachain

跑在相同底層區塊鏈之上的 chain 被稱之為平行鏈

Bridgechain

不同的區塊鏈不能互相傳遞資料，因此需要橋接鏈的幫助才可以溝通

Blockchain Layers

與 OSI 七層模型一樣，區塊鏈也有類似的架構

有關七層模型的介紹，可參考重新認識網路 - OSI 七層模型 | Shawn Hsu

ref: 區塊鏈的 Layer 是什麼？L1-4 差異與應用範例介紹

總共有 6 層架構，分別為

Data Layer
- 儲存數據的地方，並且由所有節點共同維護
Network Layer
- 所有節點構成分散式系統
Consensus Layer
- 區塊鏈的基礎之一，共識機制
Actuator Layer
- 獎勵機制，所有節點可以從維護區塊鏈網路中獲得獎勵(i.e. Token)
Contract Layer
- 智能合約是跑在這一層架構之上的，無人能干涉
Application Layer
- 最上層就是一些應用的部份了，包含像是 Metamask 這種服務都算是應用層之上的服務

ref: 區塊鏈的 Layer 是什麼？L1-4 差異與應用範例介紹

不過上述僅為架構，實際上我們在說的 layer 只有包含 3 層(3, 4, 5 層都有人講)
他的對應如上圖所示

說目前 “只有” 3 層的原因很簡單，因為實際上區塊鏈仍在高度發展當中，搞不好以後會發展更多層也不一定

ref: Layers of the Crypto Universe

Layer 0

underlying infrastructure and network protocols(hardware, internet, protocol) layer 0 的定義實際上有點迷，比較能說服我的說法是
這層主要是包含一些 blockchain 的基礎設施，像是硬體，網路等等的

另一種說法是
layer 0 包含了以下三個元素

Mainnet

這裡說的 mainnet 可以用比較抽象的概念去理解
blockchain 一定會提供一個機制，讓整個網路運行起來可以完善且更加有效的機制
而這個機制是透過 primary chain 所提供的，可以確保網路的運作順利

同樣的，這裡的 primary chain 也是屬於比較抽象的概念
實際上 blockchain 是由多個節點共同維護運行的，並不存在所謂的 master chain 或是 slave chain
亦即，整個網路會致力於共同維護網路的資料正確性、安全性以及可信任性

Sidechain

sidechain 可以用於橋接其他 chain 的資料，進行驗證或是單純的移動資料過來處理

可參考從 0 認識 Blockchain - Scaling Blockchain | Shawn Hsu - Sidechain

Cross-chain Operations

當多個 layer 1 chain 都使用相同 layer 0 基礎設施，之後就可以藉由 layer 0 進行跨鏈的功能(透過 Relay Chain)

有一些鏈是直接運行於 layer 0 之上的，比如說 Polkadot
為什麼它不屬於 layer 1?
因為 Polkadot 提供了一些基礎設施，特殊的架構設計(Relay Chain) 使其擁有類似於基礎建設的架構
因此我們稱它為 layer 0 blockchain

Layer 1

layer 1 是區塊鏈的 base layer, 包含共識機制，transaction 驗證以及 block creation
我們熟知的 Ethereum, Bitcoin 都是屬於 layer 1
不同的 L1 chain 不能交換資料，互相溝通

Layer 2

ref: 【加密貨幣入門】3 分鐘了解 Layer 0 Layer 1 Layer 2 是什麼！

blockchain 由於其去中心化的特性，亦即所有 transaction 都必須由所有節點執行並驗證過才可以上鏈
這會導致單位時間內能處理的交易數量是有上限的
因此整個交易速度會被拖得很慢
而 layer 2 是 layer 1 blockchain 的解方，主要目的在於提昇速度，scalability
常見的 solution 可以參考從 0 認識 Blockchain - Scaling Blockchain | Shawn Hsu

References

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Shawn Hsu