區塊鏈如何保證安全？ （了解密碼學和共識）

區塊鏈密碼學的基礎

1. 公鑰密碼學構成了區塊鏈身份和交易授權的基石。每個用戶都擁有一個只有他們自己知道的私鑰和一個在網絡上可見的相應公鑰。

2. 使用私鑰生成數字簽名，以證明所有權而不洩露。每筆交易都經過加密簽名，可以立即檢測到篡改行為。

3. SHA-256 等哈希函數將輸入數據轉換為固定長度的輸出。即使輸入中的單個字符更改也會產生完全不同的哈希值，從而確保跨塊的數據完整性。

4. Merkle 樹將多個交易哈希聚合為存儲在塊頭中的單個根哈希。這種結構可以高效、安全地驗證特定交易是否屬於某個區塊。

5. 橢圓曲線數字簽名算法（ECDSA）在Bitcoin和以太坊中廣泛採用，其簽名大小緊湊，密鑰長度相對較小，安全性較強。

作為安全執行者的共識機制

1.工作量證明（PoW）要求礦工解決計算密集型難題。難度調整確保以可預測的時間間隔添加新塊，同時使重寫歷史變得異常昂貴。

2. 股權證明 (PoS) 根據驗證者所持有的原生代幣數量來選擇驗證者。不當行為會導致資產大幅削減（質押資產永久損失），從而對攻擊產生強大的經濟抑製作用。

3. 委託權益證明（DPoS）引入了選舉產生的區塊生產者，這些區塊生產者按確定的時間表輪換。通過持續投票和實時聲譽跟踪來強制實施問責制。

4. 實用拜占庭容錯 (PBFT) 通過要求三分之二加一個驗證者節點就每個狀態轉換達成一致來實現快速最終確定。它可以容忍多達三分之一的惡意或錯誤參與者。

5. 混合模型將 PoW 的初始分配公平性與 PoS 的能源效率和長期治理一致性結合起來，這可以在以太坊 2.0 設計文檔的早期迭代中看到。

通過結構設計實現不變性

1. 每個區塊都包含前一個區塊的哈希值，形成一條密碼鏈。更改任何歷史區塊都會更改其哈希值，從而破壞與所有後續區塊的鏈接。

2. 全節點根據共識規則獨立驗證每筆交易和區塊。沒有單一實體控制驗證；分歧會引發大多數人的拒絕。

3.UTXO（未花費交易輸出）模型跟踪輸出級別的所有權而不是賬戶餘額。這消除了競爭條件並簡化了基於腳本的支出邏輯。

4.像以太坊這樣的基於帳戶的模型使用隨機數來防止重放攻擊並強制執行來自同一發送者的交易的嚴格排序。

5. 區塊頭中嵌入的時間戳不是單獨可信的，而是通過集體協議和跨鏈難度調整來獲得可信度。

網絡級防禦策略

1. 點對點拓撲將控制權分佈在數千個地理上分散的節點上，消除了故障或審查的中心點。

2. Gossip 協議在網絡中快速傳播新的交易和區塊，從而減少延遲並增加冗餘。

3. 女巫抵抗技術限制了單個參與者可以控制的身份數量——通常通過散列能力或質押代幣等資源支出來強制實施。

4. 自適應難度算法響應總網絡哈希率或驗證者參與的變化，在資源波動的情況下保持一致的出塊時間。

5. 輕量級客戶端依靠 SPV（簡單支付驗證）證明來驗證區塊頭和 Merkle 路徑，而無需下載全鏈數據——平衡安全性和可訪問性。

常見問題解答

問：如今量子計算機能否破解區塊鏈密碼學？當前的量子計算機缺乏足夠的量子位和糾錯來分解大型 RSA 密鑰或反向 ECDSA 簽名。 NIST 標準化後量子密碼算法正在多個第 1 層協議中進行集成測試。

問：如果同時開採兩個區塊會發生什麼？節點暫時接受兩個分支。無論哪一條鏈積累了更多的累積工作量證明或權益，都會成為規範。廢棄分叉中的交易將返回內存池以重新包含。

問：零知識證明如何增強區塊鏈安全性？它們允許在不暴露底層數據的情況下驗證交易有效性——保護隱私，同時保持共識的完整性。 zk-SNARKs 和 zk-STARKs 分別部署在 Zcash 和 StarkNet 中。

問：許可的區塊鍊是否比未經許可的區塊鏈更安全？安全假設不同。許可鏈以抗審查性換取吞吐量和監管合規性。他們的威脅模型假設參與者是可信的，而不是敵對的，因此加密保證轉向機密性和可審計性，而不是去中心化。