上一節課我們深入了解區塊鏈技術發展趨勢，討論區塊鏈領域內較為重要的技術：共識機制、隱私保護、資料存盤和查詢分析、混合架構的探索及互操作性、以及標準化及規范化等區塊鏈技術，今天我們將學習區塊鏈中的賬戶與賬本，了解區塊鏈賬戶的特點，明白區塊鏈賬戶本質就是非對稱加密中的公鑰和私鑰，

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*以下為第五課的內容~

第五課 賬戶與賬本

背景

區塊鏈中的賬戶和銀行賬戶有什么區別？對于想了解區塊鏈賬戶的人來說，這可能是第一個想知道的，要一窺究竟，還得先看看銀行賬戶是什么樣子，首先，銀行賬戶有一串固定長度的數字，叫賬號，賬號唯一標識一個賬戶，賬號可以公開；其次，賬戶所有者通過自己設定的密碼控制該賬戶，密碼是私密的；最后，轉賬時需要轉出方的賬號和密碼，以及轉入方的賬號，不管是銀行卡還是存折，我們看到的銀行賬戶基本就是這樣的兩串字符（賬號和密碼），

區塊鏈賬戶也具備上面三個特點，即賬號、密碼和轉賬需要轉出賬戶密碼，另外也有一些不同，之所以不同的主要原因是，銀行系統是中心化的，類似賬戶轉賬這樣的交易只在一個地方校驗，而區塊鏈是去中心化的，賬戶發出的交易在每個地方都需要校驗，也就是說區塊鏈中，不僅轉出賬戶A要用密碼證明是自己在轉賬，轉入賬戶或中間任何一個環節都要能證明這筆錢確實是A轉出的，要理解區塊鏈賬戶怎么做到發出的交易在每個地方都可以被校驗，就需要了解一些密碼學知識，下面先介紹一下加密、解密、密鑰、對稱加密和非對稱加密，然后講一下區塊鏈賬戶和非對稱加密的關系，最后通過以太坊讓大家對區塊鏈賬戶有個直觀的認識，

密碼學方案

加密就是把多數人能懂的東西變成少數人的秘密，這里面有很多有趣的故事，除了“天王蓋地虎，寶塔鎮河妖”，還有錢壯飛的“天亮已走，母病危，速轉院”，當然，最經典的還屬初中生Alice寫給Bob那張紙條，幫忙遞紙條的韓梅梅和李雷雖然看到內容，但都一臉懵逼，而Bob看完卻很開心，Alice顯然把資訊“加密”了，Bob之所以開心，是因為他“解密”了紙條的內容“zvff lbh gbb”，最后，在班主任的逼問下，大家才知道Bob和Alice早就商量好一套字母替換規則：用26個字母構成一個環，然后對稱替換，所以，Alice實際寫給Bob的是“miss you too”，資訊加密后，即使不相關的人看到紙條，因為不知道替換規則也不明白什么意思，通過這個例子，大家應該明白什么是加密，什么是解密，這里再借用維基百科的定義規范一下，加密是將明文資訊改變為難以讀取的密文內容，使之不可讀的程序，這個程序反過來，就是解密，密鑰是指某個用來完成加密、解密、完整性驗證等密碼學應用的秘密資訊，據此，明文是“miss you too”，密文是“zvff lbh gbb”，密鑰就是那個字母替換規則，

圖1. 替換加密示意圖

一般對資料加密，是為了安全傳輸，接收密文的一方要用密鑰解密，如果Alice想知道韓梅梅的年齡是否和自己相同，但兩人都不想暴露自己的年齡，這種情況下，就要用到一種特殊的加密，叫哈希函式，它能將任意長度的明文加密成一個固定長度的密文（哈希值），相同明文會得到相同的哈希值，明文的任何改動都將使得哈希值產生變化，我們可以把哈希函式當作一個特殊的密鑰，它只能用作加密，不能用于解密，有了哈希函式，Alice就可以不失禮貌的和韓梅梅比較年齡，只要比較兩人年齡的哈希值是否相同，

在了解完加密、解密和密鑰之后，就很容易定義對稱加密了，對稱加密就是在加密和解密時使用相同密鑰的加密演算法，因為加密方和解密方使用同一個密鑰，所以對稱加密又叫共享密鑰加密，這里的密鑰可以是能簡單地相互推算的兩個規則，上面Alice和Bob加解密資訊都是根據26個字母構成的環對稱替換，就是典型的對稱加密，因為加密和解密用到的規則完全一樣，再舉個例子，李四想告訴張三秘密數字N，他把N+1的結果S傳給張三，張三拿到S只要減1就可以得到李四給他的秘密數字，雖然這里用了兩條規則，加密用加法，解密用減法，但因為兩條規則可以簡單的相互推算，所以也屬于對稱加密，

加法和減法互為逆運算，用來加解密有點過于簡單，就算換成乘法與除法、指數運算與對數運算、積分與微分，我們也可以由一個運算快速推出其逆運算，如果能找到互為逆運算的兩條規則，在有限的時間內不能相互推算，將這樣的兩條規則應用到加密與解密會是什么樣子？非對稱加密就是基于這樣一對運算關系，為了進一步理解這種逆運算關系，我們來看看李四和基友張三的故事：

圖2. 非對稱加密示意圖

這里我們可以理解為，密文是507，明文是521，李四用密鑰667將明文加密傳給張三，張三用密鑰3將密文解密，這里加解密用到的兩個不同規則，就不像加減法那么明顯可以相互推算了，換句話說加解密用到看起來毫不相關的兩個密鑰，幸運/不幸的是，數學世界真的存在這樣的互為逆運算的關系，由規則A推出規則B很容易，反過來卻很難，比如大數因數分解、離散對數和橢圓曲線問題，非對稱加密就是應用這樣兩條規則的加密方式，有關非對稱加密更詳細的原理，大家很容易找到相關資料，為了讓更多的人在不深入數學細節的情況下理解非對稱加密，這里直接給它一個定義，非對稱加密就是加密和解密使用不同密鑰的加密方式，其中一個是私鑰需要小心保存，另一個是公鑰則可以公開給別人，用公鑰加密明文只能被私鑰解密，公鑰和私鑰都是配對的數字，數字越大越安全，一般私鑰可以推出公鑰，但用公鑰推出私鑰幾乎不可能，私鑰用作加密叫簽名，因為私鑰只該本人所有，簽名的資料可以用公鑰解密，常見的非對稱加密演算法有RSA、ElGamal、橢圓曲線加密（ECC）等，

區塊鏈賬戶

區塊鏈賬戶本質就是非對稱加密中的公鑰和私鑰，其中公鑰“類似”銀行賬戶中那串數字賬號，私鑰對應密碼，一般使用基于橢圓曲線secp256k1的ECDSA演算法生成256位元的公私鑰，基于前面講到的公私鑰的特性，賬戶所有者公開公鑰，用私有的私鑰加密（簽名）轉賬交易，那么這個交易只能被配對的公鑰解密，因為公鑰公開，所以交易可以在每個環節被校驗，

我們要去銀行開戶才能有自己的銀行賬戶，那怎么擁有區塊鏈賬戶，也要拿著身份證去什么地方開戶嗎？當然不需要！你可以用任何方法隨機生成256位元的數作私鑰，再借用工具推出對應的公鑰，這一對公私鑰就是一個賬戶，區塊鏈賬戶和區塊鏈系統是分離的，獲取賬戶不需要注冊，坐在地上拋256次硬幣也能生成賬戶，甚至可以看看新生成的賬戶有沒有以太幣或位元幣，因為公私鑰就是一對數字，大家都可以用，說不定你和中本聰選用了同樣的一對數字，要知道聰哥擁有一百萬位元幣，如果新生成一個賬戶已經存在，這叫賬戶碰撞，如果賬戶已經有錢，就叫中彩票，既然如此，用程式快速的永不停息的去碰撞有錢的賬戶，豈不是發財之道？這其實是個概率問題，因為256位的二進制表示的數，沒比整個宇宙的原子個數少多少，所以賬戶碰撞是小概率事件，程式運行幾十年碰撞出來的賬戶，那點錢估計還不夠電費，所以想那樣發財是不可能的，虧本的概率非常大，

雖說區塊鏈賬戶本質就是一對很大的數字表示的公私鑰，但使用上還是有點不一樣，下面用以太坊為例，讓我們看看怎么生成一個賬戶，以及賬戶表現是什么樣子，以太坊賬戶新建指令是geth account new，具體引數使用可通過geth account new -h查看，下面是我在Centos7以管理密碼1234創建賬戶時的輸出：

圖3. 以太坊新建賬戶

在圖中我們看到，以太坊賬戶創建成功會在keystore目錄下生成一個JSON格式的檔案，可以理解為，檔案內容是以對稱加密的方式隱藏的賬戶私鑰，對稱加密的密鑰由管理密碼和kdfparams引數經過scrypt演算法生成，這樣因為賬戶沒有明文保存，所以提高了安全性；轉賬只需要輸入管理密碼，剩下的校驗和簽名都交給賬戶管理程式，所以賬戶使用也更方便，雖然只需要記住賬戶管理密碼，但賬戶本質還是那對公私鑰，現在將私鑰加密存盤在檔案中，一旦檔案丟失，就相當于把繡花針丟進了大海，幸運的話，幾百年后某人才會碰撞到這個賬戶，所以一定要備份好這個檔案，

現在我們對區塊鏈賬戶也有了直觀的認識，但是賬戶里的錢在哪里？答案就是，在“賬戶地址”里，賬戶地址相當于銀行賬號，前面我們講，區塊鏈賬戶與區塊鏈系統是分離的，這里，賬戶地址就是它們的橋梁，賬戶地址是由字母和數字組成的字串，由賬戶公鑰經過一定規則計算生成，剛才新建的以太坊賬戶地址是“c31e97c5fce994ba449b05191bdda25d06fcaf83”，它是由賬戶公鑰通過keccak256哈希取后160位生成（以16進制形式表示為20位元組的字串），具體區塊鏈系統的賬戶地址可能有所不同，比如位元幣的賬戶地址包含了校驗碼，用來防止轉賬時輸錯目標賬戶地址；另外以太坊還有合約賬戶地址，用來存盤和執行智能合約代碼，賬戶地址在不同區塊鏈雖然可能表現為不同形式，但大多是由賬戶公鑰通過單向函式計算生成，一個公鑰對應一個地址，從地址無法推算出公鑰，因此，賬戶私鑰推出公鑰，公鑰推出賬戶地址，是一個單向的推導程序，不能反推，

賬戶模型

那么怎么證明一個賬戶地址有錢？我們知道，賬戶轉賬用私鑰簽名，別人可以用公鑰驗證，但公鑰驗證的是交易確實由賬戶所有者發出，比如，賬戶A轉3個以太幣給賬戶B，用A的私鑰簽名這筆交易，別人用A的公鑰可以證明這筆交易是A發出，但這不能證明賬戶A轉賬前至少有3個以太幣，區塊鏈系統有兩種機制可以防止賬戶透支不存在的錢，

一種是以太坊采用的賬戶余額模型，該模型與銀行賬戶模型類似，區塊鏈系統維護了賬戶地址的一個全域狀態，賬戶余額就記錄在這個全域狀態里，該模型要求轉賬交易包含轉出賬戶地址、轉賬金額和轉入賬戶地址（合約創建不需要這個地址），下圖是以太坊記錄賬戶全域狀態的資料結構，為了防止一筆錢花兩次（雙花），區塊鏈系統按Nonce遞增順序處理交易，

圖4. 以太坊賬戶資料結構

另一種就是位元幣采用的UTXO模型（Unspent Transaction Output，未花費交易輸出），該模型要求交易包含輸入和輸出兩部分，輸入是其它賬戶轉錢給自己的交易，輸出是目標賬戶地址和金額，具體如上圖所示，輸入包含的是交易哈希和交易在區塊中的位置，輸入可以包含多筆交易，輸出也可以有多個目標賬戶地址和金額，一筆交易，只有用輸出中的賬戶地址對應的私鑰解密，才能使用該地址對應的金額，如果輸入參考的交易總金額大于自己想要轉賬的金額，可以在輸出添加自己的賬戶地址，并且指定該回傳多少錢，輸入的總金額減去輸出的總金額將被系統當手續費收取，所以，賬戶余額在UTXO模型中表現為一系列交易的集合，要知道賬戶總余額，需要收集它所有的未花費交易，并將交易對應的輸出金額累加起來，

圖5. UTXO示意圖

賬本

區塊鏈不管選用哪種賬戶模型，發出的交易只要成功，都會被系統永久記錄下來，賬本其實就是成功交易的集合，在區塊鏈中表現為一個個可能包含多筆交易的資料塊（區塊），這些區塊按時間順序通過塊哈希值構成單向鏈表，前一個塊的哈希值包含在下一個塊的資料中，因為修改一個舊區塊會使得塊哈希值改變，這個改變會傳遞給之后的每個區塊，而區塊鏈中每個節點都單獨記錄所有區塊資訊，所以想修改區塊鏈系統的資料幾乎不可能，也因此區塊鏈賬本是安全的，