网络攻击基础

现状

现在我们处于工业4.0/5.0的转型（transformation）期间。用户越来越多，相应的，攻击的也越来越多。

攻击手段：恶意软件（Malware）、拒绝服务攻击（Denial of Service）、社会工程攻击（Social Engineering）、SQL注入攻击（SQL Injection）、中间人攻击（Man in the Middle）、密码攻击（Password）、加密货币劫持（Crypto Jacking）

保护措施：密码学 Cryptography、防火墙、软件更新、使用强密码和双重身份验证 （use strong passwords and two factor authentication）、定期备份 regular backup、提高意识

易用的系统不安全，安全的系统不易用。网安是在寻找二者的平衡。

网络安全的目标

  • Confidentiality（保密性）：to prevent the unauthorized access/sharing of data（避免未授权地访问/分享数据）
  • Integrity（完整性）：data must not be changed by unauthorized people （数据无法被未授权的人更改）
  • Availability（可用性）：information should be consistently and readily accessible for authorized parties. （数据应当可以被授权的人使用）
  • 身份验证（Authentication）：communicating entity is the one claimed确保通信实体是其所声称的。
  • 隐私（Privacy）：保护个人的隐私。
  • 不可否认性（Non-repudiation）：Protection against denial by one of the parties in a communication（通信一方不能否认其行为或参与。）

Malware(恶意软件)

  • Virus/Worm（病毒/蠕虫）病毒是一种恶意程序，会自我复制并感染计算机，但它需要依附宿主程序传播；而蠕虫自己就是完整程序不需要宿主即可传播。
    1. 病毒需要宿主，蠕虫不需要
    2. 病毒主要通过U盘、文件共享程序、恶意网站下载程序、社交网站等传播
    3. 病毒和蠕虫的有效载荷（payload）指造成破坏的代码片段
  • Logic Bomb（逻辑炸弹）：类似病毒，在特定条件触发时执行恶意行为，例如愚人节、特定日期或事件。
  • Botnet（僵尸网络）：由多个被感染的“僵尸”计算机组成的网络，受控于攻击者，用于发动拒绝服务攻击或发送垃圾邮件（spam）。
  • Trojan（木马）：伪装成合法软件诱骗用户安装，实际执行恶意操作。例如：安装广告软件、键盘记录器、后门程序。
  • Ransomware（勒索软件）：锁定用户关键系统或数据，要求支付赎金（ransom）才能恢复访问。
  • Spyware（间谍软件）：根据用户活动展示广告内容，暗中收集用户信息。
  • Adware（广告软件）：在用户设备上显示广告，通常与其他软件捆绑安装。
  • Rootkit（根套件）：一组协助其他程序控制系统，并隐藏恶意软件行为的程序，使攻击者能持续控制设备而不被发现。

如何预防恶意软件：

  • 用杀毒软件（antivirus software）
  • 用防火墙（Firewall）（Windows和Mac OS都自带）
  • 不点可疑连接（suspicious links）
  • 定期更新系统和浏览器（update）

中间人攻击（Man in the Middle，MITM）

定义：中间人攻击（MITM attack）又称窃听攻击（eavesdropping attack）。黑客在劫持双方通信的对话。

如何防范中间人攻击：

  • 注意网站的安全性（Be mindful of the security of the website）
  • 使用加密（Use encryption on your devices.）
  • 避免使用公共WIFI（Refrain from using public Wi-Fi networks.）

拒绝服务攻击（Denial of Service Attack）

是什么

拒绝服务攻击（Denial-of-Service ，DoS）指攻击者针对系统、服务器或网络发送大量流量，以耗尽其带宽或导致系统崩溃。

  • 简单DOS攻击（Simple Dos Attack）：由一个设备朝着目标主机一直发送消息。
  • 分布式DOS攻击（Distributed Dos Attack, DDOS）：由多个受感染的设备一起朝目标主机发消息。

攻击包容量问题

在DoS（拒绝服务）攻击中，大小为1K world（16bit = 1 word ）的数据包被发送以淹没目标组织。假设链路速度为50兆比特每秒（Mbps），确定攻击者发送的用于发起成功DoS攻击的数据包数量。如果链路速度为100 Mbps，则需要多少个数据包。

50M下：$50\times10^6/16384=3072.75 packet/s$

100M下：$100\times10^6/16384=6103.5packet/s$

链路速度越快，攻击所需的包越多。单个包size越大，所需包个数越小。

网络安全规划和策略

密码安全

密码安全策略

是什么：密码策略用于规范密码强度、使用周期等关键要求。将 “密码策略” 列为核心安全控制手段之一，与加密、网络防火墙、员工培训等配合使用，共同降低网络安全风险。

密码的优劣

密码的优势：

  • 集成在系统内
  • esay to use
  • 可撤销：can be reset if compromised or leaked.

密码的劣势：

  • 人们使用弱密码
  • 人们使用重复的密码（或需要记忆多个密码）
  • 执行密码策略很困难。

网络安全规划

安全策略

网络安全策略是一套正式的规则和实践，用于规范信息和系统的管理、保护与分发，明确组织防范和缓解网络攻击的措施，以及员工在维护系统和数据安全中的职责。

策略类型 描述
可接受使用政策（Acceptable Use Policy, AUP） 明确系统和数据的允许使用范围
访问控制政策（Access Control Policy） 详细规定访问权限的授予方式及管理流程
事件响应政策（Incident Response Policy） 指导网络安全事件的处理流程
数据分类政策（Data Classification Policy） 明确数据的标注方式及保护措施
加密政策（Encryption Policy） 规定数据必须进行加密的场景及加密方式
密码政策（Password Policy） 设定密码强度的要求标准
远程访问政策（Remote Access Policy） 管控从外部网络对内部系统的安全访问

安全评分的计算

Risk（风险） = Threat（威胁） × Vulnerability（脆弱性） × Asset Value（资产价值）

其中，威胁、脆弱性、资产价值会被评估为一个值。

例如Threat Likelihood = 4 ， Vulnerability Level = 3 ， Asset Value = 5。那么$Risk=4\times 3\times 5=60$

合规性

合规是指组织遵守与网络安全相关的法律法规、行业标准和内部政策，确保其信息处理和系统运营符合既定要求，避免因违规面临法律制裁、声誉损害或财务损失。

常见的合规标准有：

  • GDPR(General Data Protection Regulation)
  • PCIDSS(Payment Card Industry Data Security Standards)
  • HIPAA(Health Insurance Portability andAccountability Act) etc.

DLM模型

DLM（Digital Liability Management，数字责任管理）是网络安全领域中 “政策与技术的交叉点”，其核心定位是通过整合组织的安全政策与技术工具，构建系统性的防御体系，专门应对网络空间中的关键威胁。该模型的核心目标有两个：一是提前防范入侵和安全事件的发生；二是在安全事件不可避免时，提供强有力的防御能力，最大限度降低损失，最终支撑组织网络安全战略的落地，保障业务连续性与核心资产安全。

四层架构：

  • 第一级（Tier 1）：高层管理承诺与支持。组织高层（如 CEO、CISO 等）明确对网络安全的战略定位，提供专项资金支持，建立 cybersecurity 委员会等 oversight 机构。
  • 第二级（Tier 2）：可接受使用政策及其他实践声明。将高层承诺转化为具体的行为准则，明确 “什么能做、什么不能做”，为组织成员和系统使用划定安全边界。制定可接受使用政策（AUP）、数据分类政策、访问控制原则等基础安全规则，明确员工在系统使用、数据处理、网络访问等场景中的行为规范，同时明确组织对各类安全风险的容忍底线。
  • 第三级（Tier 3）：安全使用流程。将第二级的规则转化为可执行、可重复的具体流程，确保安全要求贯穿业务全流程。制定系统访问流程、数据加密流程、漏洞上报流程、安全事件处置流程等，明确每个安全环节的执行步骤、责任主体、时间节点和验证标准
  • 第四级（Tier 4）：硬件、软件和网络安全工具。部署加密技术、防火墙、入侵检测系统（IDS）、漏洞扫描工具、生物识别设备等技术工具，这些工具需与前三层的政策和流程严格匹配。

DLM 模型的实施需遵循 “自上而下、层层递进” 的逻辑，与组织网络安全政策的实施流程高度一致：

  1. 先明确第一级：获取高层管理承诺，成立治理机构，划定预算与战略方向；
  2. 再制定第二级：制定可接受使用政策、数据分类等规则，确保政策合法合规且贴合业务；
  3. 接着细化第三级：将政策转化为可执行的流程，明确每个环节的责任与操作步骤，同时纳入员工培训内容，确保流程被理解和遵守；
  4. 最后部署第四级：根据流程需求，安装匹配的技术工具（如防火墙、加密软件等），并通过访问控制、监控审计等手段确保工具有效运行；
  5. 持续优化：通过定期监控、审计和安全事件复盘，调整四级防御体系中的政策、流程和技术工具，适应不断变化的网络威胁。

Why Security Just Based on Policy Alone Will Fail：政策本质是 “规则与要求”，需依赖人的主动遵守或人工监督执行，但现实中存在员工因疏忽、侥幸心理或认知不足违反政策的情况。若没有技术工具（如密码强度检测系统、数据泄露防护工具）的实时拦截与监控，政策只能停留在 “纸面规定”，无法转化为实际的安全防护能力。

Why Security Just Based on Technology Alone Will Fail： 技术需围绕组织的安全目标与业务场景部署，若缺乏政策明确 “保护什么、防范什么风险”，技术部署会失去方向。而且络安全中的 “内部威胁”（如员工误操作、恶意泄露数据）无法仅靠技术解决，需要通过政策与培训让员工认识到数据安全的重要性。

密码学

密码学基础

对称与非对称加密

对称加密：又称秘钥加密（SECRET KEY CRYPTOGRAPHY）。发送方和接收方使用相同的一把密钥（shared key），进行信息加解密。

  • 优点：速度快，可以设计高数据传输率，适用于大量数据；秘钥长度相对短，128位即可被视作安全（计算需求低）。
  • 缺点：交换shared key 难度大。不提供身份认证。

非对称加密：又称公钥加密（PUBLIC KEY CRYPTOGRAPHY）。使用两个不同但相关的密钥。任一密钥均可用于加密或解密消息，一般来说发送者利用对方公钥加密、接收者用个人私钥解密；发送方用私钥对消息签名，接受方用公钥解密签名来核验。

  • 安全性保证：知晓公钥无法逆推私钥。数据只有私钥能解密。
  • 优点：公钥可公开分发，无需通过安全的渠道共享密钥，从而避免了对称加密中密钥分发的安全问题。私钥签名提供身份认证。
  • 缺点：传输速率不如对称加密快；需要证明公钥的是正确的且未被篡改。

秘钥长度的作用：安全性= 算法强度+密钥长度（Security=Strength of algorithm+ length of Key ）。那么密钥长度越长，可能的密码组合也就越多，暴力破解所需的时间也就越长（也就越安全）

混合模型：使用非对称加密完成密钥交换，使用对称加密保护后续数据传输。这样可以解决非对称加密“慢”（不能用于大数据），对称加密“快”，但没法安全分发密钥。这样组合可以同时获得速度 + 安全性

哈希

是什么：无论明文长度是什么，哈希函数会对输入数据进行压缩，生成固定长度的摘要（digest）。

如何提供完整性（Integrity）：相同输入 → 相同输出。但输入稍微改变 → 输出完全不同（抗篡改性）

能否解哈希：不能通过任何计算的方式进行接哈希。

哈希在数字签名中的作用：对大的消息数据先做 hash，再签名，这样可以控制签名开销，同时防止数据篡改。

哈希在比特币挖矿中的应用：

DIFFLE-HELLMAN秘钥交换算法

DH算法基础

是什么：DH算法是一种用于秘钥交换的算法，不加密或解密信息。DH算法被用于（Secure Sockets Layer SSL）中的秘钥交换、允许两个未接触的人之间共享一个秘钥。

发展原因：对称加密中分发秘钥困难

它的原理：基于离散对数问题（Discrete Log Problem）：如果$y=g^x(\mod p)$，已知$g,x,p$很容易算出$y$，而已知$y,g,p$很难算出$x$。

算法步骤如下：

首先明确原根(primitive root)的定义：对于质数q，若存在整数a（a < q），使得a的幂（a^1 mod q, a^2 mod q, ..., a^(q-1) mod q）能生成1~q-1的所有整数，则a是q的一个原根。

例：q=7，a=3。计算得 3^1=3, 3^2=2, 3^3=6, 3^4=4, 3^5=5, 3^6=1（均 mod7），覆盖了 1~6，所以 3 是 7 的原根。

  1. 选择一个质数$p$和一个$p$的原根$g$，$g<p$。公开这两个数
  2. 用户A随机选择一个私钥$a$，仅自己知道。$a<p$
  3. 用户A计算公钥$A=g^{a}\mod p$，公开。
  4. 用户B随机选择一个私钥$b$​，仅自己知道。$b<p$
  5. 用户B计算公钥$B=g^{b}\mod p$，公开。
  6. AB互换公钥。
  7. 用户A计算共享秘钥：$K=B^{a} \mod p$（对方公钥平自己的私钥次方，再对p取模）
  8. 用户B计算共享秘钥：$K=A^{b} \mod p$

二者计算出的共享秘钥是相等的。因为$B = g^{b} \mod p$，$B^{a} \mod p = (g^{b})^{a} \mod p = g^{a b} \mod p$

同理，$A = g^{a} \mod p$，因此$A^{b} \mod p = g^{ab} \mod p$。

例题：Alice 和 Bob 先约定好两个公开值：质数$p=23$，根$g=5$。已知Alice选择$a=6$, Bob选择$b=15$，展示他们交换秘钥过程

  1. Alice的公钥：$A=5^6\mod 23=8$
  2. Bob的公钥：$B=5^{15}\mod 23=19$
  3. Alice算出共享秘钥：$s=19^6\mod 23=2$
  4. Bob算出共享秘钥：$s=8^{15}\mod 23=2$

临时DH算法（ephemeral Diffie-Hellman EDH）

临时DH算法指的是：与对方通信每次握手时，都使用DH算法计算一个新的key。

在TLS1.3中，使用Ephemeral Diffie-Hellman （EDH）算法交换秘钥，移除了使用RSA算法交换对称秘钥。理由是：

RSA 模式有一个严重的缺点：它不具备前向保密性（forward secrecy）。如果有人记录了加密的会话，并且随后获得了服务器的 RSA 私钥，那么他们可以解密这次会话。也就是说，可以先存储加密的密文，再去破解秘钥，然后解密密文。

而EDH每次握手都产生新的key，保证了forward secrecy。

RSA算法与数字签名

RSA算法

是什么：RSA是非对称加密的一种，对方公钥加密，自己私钥解密。

原理：大整数分解（factoring large numbers）的困难性：已知大整数N（两个大质数的乘积），很难反向分解出原始质数。

秘钥生成步骤：

  1. 选择两个大质数$p$，$q$
  2. 计算模数$N=p\times q$
  3. 计算欧拉函数$\psi(N)=(p-1)(q-1)$
  4. 选择公钥$e$，$1 <e <\psi(N)$，与$\psi(N)$互质（最大公约数为 1），且是质数。
  5. 选择私钥$d$，$d$要满足$(e\times d)\mod\psi(N)=1$，且$0<d<\psi(N) $
  6. 最后的公钥对是$(N,e)$，私钥对是$(N,d)$

举个例子：$p=11$, $q=3$，计算公钥和私钥

$N=p\times q=33$，$\psi(N)=(p-1)(q-1)=20$

对于公钥$e$，与20互质且是质数的有$3,7,11,13,17,19$，这里选择$3$。

对于私钥$d$，要满足$d\times3 \mod 20 =1$, $d$可以选7。

因此最后公钥对是$(33,3)$，私钥对是$(33,7)$

加解密步骤：

  1. 发送方使用对方公钥进行加密，明文为M，加密码字$C=M^e\mod N$。
  2. 接收方使用自己的私钥进行解密，密文为$C$，明文$M=C^d\mod N$

注意：明文M必须必模数N要小！

接续例题：使用前面计算的公钥是$(33,3)$，私钥是$(33,7)$，模拟明文M=8的加解密过程

$C=8^3\mod 33=17$，密文是17。

$M=17^7\mod 33=8$，解密出明文8。

数字签名

是什么：数字签名是对明文消息内容做摘要处理（例如Hash算法生成摘要）。然后用秘钥对摘要进行加密。接收端使用你的公钥进行解密，以确保这个消息是你发的。

怎么算：若摘要信息时H（部分题目直接H=M（明文））。则：签名$S=H^d \mod N$；解密$H=S^e \mod N$

例如使用公钥$(33,3)$，私钥$(33,7)$对$H=M=8$进行签名：

签名：$S=8^7\mod 33=2$。解密：$H=2^3\mod33=8$

ECC vs RSA

ECC相较于RSA，速度更快。在同等秘钥长度下，ECC更难以破解。因此有说法认为未来ECC会完全取代RSA。但RSA算法成熟，现在的应用广泛，短时间内还是会存在。

网络防护设备

防火墙

防火墙的类型

  • Packet Filtering Firewall（包过滤防火墙）

    • 工作方式：检查每个数据包的头部信息，如源 IP、目标 IP、端口号。
    • 优点：速度快、效率高。
    • 缺点：不进行深度检查，无法识别复杂攻击；是无状态的，不记得之前的通信内容。

  • Stateful Inspection Firewall（状态检测防火墙）

    • 工作方式：跟踪网络连接的状态，了解数据包在整个会话中的上下文。
    • 优点：比包过滤更安全，能识别异常连接行为。
    • 缺点：需要更多资源，处理复杂度更高。

  • Proxy Firewall（代理防火墙）

    • 工作方式：作为用户与互联网之间的中介，代替用户发出请求。
    • 优点：提供强大的安全隔离和内容过滤。
    • 缺点：可能降低网络性能，尤其在高流量场景下。

  • Next-Generation Firewall（NGFW，下一代防火墙）

    • 特点：整合了多种安全功能，如深度包检测、应用识别、入侵防御等。（虽然很多新产品都被称为“下一代防火墙”，但目前没有统一的定义标准。）
    • 功能增强：除了传统防火墙功能（如包过滤和状态检测），还包括：入侵防御系统（IPS）、深度包检测（DPI）、应用识别与控制（Application Awareness）

防洪墙的结构

包过滤路由器 (Packet Filtering Routers)：使用一个具有包过滤功能的路由器，两端分别连接受信网络和不受信网络

  • 优点：低成本且对性能影响小（数据包过滤防火墙通常成本较低，并且对网络性能的影响较小 ）
  • 缺点：缺乏审计功能和强认证机制

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屏蔽主机架构（Screened Host Architecture）：这种架构将包过滤路由器与一个独立的、专用的防火墙（如应用代理服务器）结合使用 。 路由器先行筛选数据包，以减轻内部代理服务器的负载 。然后经过一个堡垒主机 （Bastion Host）作为内部网络的代理服务器。

  • 优点：允许路由器预先筛选数据包，从而最大限度地减少内部代理服务器的流量负载。比增加了代理，比单一包过滤更安全。
  • 缺点：如果此防火墙被攻破，内部网络将变得脆弱 。

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双宿主主机防火墙 (Dual-Homed Host Firewalls)：这种防火墙拥有两个网络接口，一个连接外部网络，另一个连接内部受信网络 。外部路由器先初次筛选流量，内部路由器负责管理内部流出的流量，进行双向防护；同时主机作为代理，访问内部网络。

  • 优点：可通过NAT隐藏内部网络结构。
  • 缺点：仍然存在单点故障的风险

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屏蔽子网防火墙 (Screened-Subnet Firewalls)：使用两个防火墙创建一个非军事区 (Demilitarized Zone DMZ) 。面向公众的服务（如 Web 服务器）放置在 DMZ 中 。外部路由器仅向互联网宣告DMZ的存在，使内部网络对互联网不可见 。内部路由器仅向内部仅向内部宣告DMZ的存在，使内部系统无法构建直接通往互联网的路由 。

  • 优点：实现三层隔离（Three level defense）（不可信网络→DMZ→可信网络），最大限度保障内部网络安全。

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防火墙的策略

防火墙策略基于：IP+端口+动作（Action）。如果数据包匹配某条规则（如源IP和端口匹配），则执行相应动作（如 Allow 或 Deny）。

PPT建议的策略：

  • 出站流量： 允许所有来自受信任网络的流量流出 。
  • 自身保护： 防火墙设备本身绝不能从公共网络直接访问 。
  • SMTP (邮件)： 允许 SMTP 数据通过，但必须路由到配置良好的网关进行过滤 。
  • ICMP (Ping等)： 应拒绝所有 ICMP 数据 。
  • Telnet： 阻止从公共网络对内部服务器的 Telnet 访问 。
  • HTTP (Web)： 当提供外部 Web 服务时，应通过代理或 DMZ 架构阻止 HTTP 流量直接到达内部网络 。

吞吐量计算

防火墙能够处理每秒200,000个数据包（pps）。每个数据包的平均大小为1,000字节。公司的互联网链路速度为1Gbps。防火墙能处理链路的全部流量负载吗？请展示你的计算并说明理由。

链路最大每秒数据包数量：$1Gbps/1000Bytes=125000PPS$。$125000PPS>200000$，所以可以。

IDS系统

概念，类型和功能

概念：IDS（Intrusion Detection System）入侵检测系统是一种安全机制（security mechanism），旨在监控网络或系统活动（monitor network or system activities），识别恶意行为（identify malicious behaviour）。

类型：

  • 基于主机的 IDS（Host-based IDS, HIDS）：仅检查特定主机上的活动（examines activity only on a specific host），监控日志、审计记录以及进出该主机的网络流量，可实时或定期执行检查。
    -
  • 基于网络的 IDS（Network-based IDS, NIDS）：部署在网络中的安全机制，用于实时监控和分析网络流量，以识别潜在的恶意行为或攻击。通常部署在网络关键节点（如网关、交换机旁）上，通过 捕获和分析网络数据包，识别是否存在攻击行为，如端口扫描、恶意代码传播、拒绝服务攻击等。

功能：

  • 早期威胁检测 (Early Threat Detection): 在可疑活动造成重大损害之前识别它们 。
  • 实时监控 (Real-Time Monitoring): 持续分析系统和网络活动 。
  • 取证分析 (Forensic Analysis): 提供攻击尝试的日志和记录 。

组件

NIDS的组件

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HIDS的组件

  • 系统集成的防火墙
  • 基于行为和签名的IDS（Behavioral- and signature-based IDS）
  • 恶意软件检测和预防

区块链

区块链基础

简介

是什么：区块链技术是一种去中心化（decentralized）和分布式（distributed）的数字账本（digital ledger），它以安全且防篡改的方式记录交易。该技术使用加密算法来验证和确认交易，创建一个永久且不可更改的记录，所有网络参与者都可以访问。

区块链的类型有：

  • 公共区块链 (Public Blockchain)：对所有人开放 (open to everyone)，任何人都能参与 (anyone participate)。例如比特币 (Bitcoin)、以太坊 (Ethereum)

    • 优点：通过去中心化实现高安全性，账本透明（transparency）且不可篡改，允许开放参与。
    • 缺点：存在可扩展性问题，由于公开可见性带来的隐私问题，治理方式较温和。
    • 适用场景：公共区块链 适用于需要去中心化、透明性和包容性的应用，例如加密货币和去中心化应用。

  • 私有区块链 (Private Blockchain)：仅限特定群体使用 (restricted group of participants)，由中央机构控制访问 (central authority control)，常用于企业和组织内部 (businesses, organizations internal use)

    • 优点：可扩展性更强，通过控制访问增强隐私，治理高效且支持定制化。
    • 缺点：存在中心化风险，透明度（transparency）较低，参与受到限制。
    • 使用场景：私有/许可区块链 非常适合企业和联盟链应用，这些应用优先考虑隐私、控制和效率，例如供应链管理和公司内部流程。

  • 联盟区块链 (Consortium Blockchain)：属于私有区块链的一种 (type of private blockchain)，参与者已知且可信 (known, trusted participants)。常用于金融 (finance)、供应链 (supply chain)、医疗 (healthcare)

核心组件

组件 描述 提供的优势
Immutable Ledgers 不可篡改账本 每笔记录写入后不能修改，任何错误用追加方式修复 防欺诈、强审计、完整历史记录
Decentralized Peers 去中心化节点 每个节点都有账本副本，无中心控制 无单点故障、更安全、更透明
Encryption Processes 加密 使用哈希、数字签名保护数据 保障隐私、认证身份、数据安全
Consensus Mechanisms 共识机制 网络节点对交易有效性达成一致（PoW、PoS等）。 防双花、建立系统信任、维持网络一致性
Smart Contracts 智能合约 自执行代码，自动触发条件和规则 自动化流程、减少中介（intermediaries）、提高效率

共识算法

工作量证明 (PoW): 节点（矿工）必须解决复杂的数学难题（例如哈希）来验证区块。首先解出的节点获得记账权（如比特币）。依靠算力成本防止某一攻击操控区块链，若要操控区块链，则攻击者至少要掌握链中51%的算力。

权益证明 (PoS): 验证者投资（质押）系统代币，并对自己认为有效的区块进行押注（如以太坊2.0）。

加密货币

中本聪发明比特币的主要原因

  • 对金融机构的不信任

  • 降低交易成本（Transfer cost），并解决交易安全和“双重支付”（Double Spending）问题 。

为何加密货币有波动性：

  • 市场情绪驱动：加密货币市场高度依赖投资者的情绪，市场新闻和发展会对价格产生巨大影响。
  • 缺乏监管：市场相对不受监管，导致价格易受操控和投机行为的影响。
  • 相比传统金融市场，加密货币市场规模较小，风险资产较高、因此大额交易或市场参与者的行为可以显著影响价格。

比特币：

去中心化数字货币，无需中介即可直接实现个人与企业间的价值转移，依托公共区块链记录所有交易，是首个基于区块链技术的加密货币。

优势

  • 去中心化与抗审查：无中央权威控制，网络由全球节点共同维护，避免单一机构篡改或冻结资产，任何主体无法决定用户的资金使用权限。
  • 安全性强：基于 SHA-256 哈希算法的 Proof of Work（PoW）共识机制，交易通过加密技术保障真实性，且区块一旦添加至链上便难以篡改，历史交易记录可追溯且公开透明。
  • 稀缺性与价值存储：总量固定为 2100 万枚，目前流通量超 1931 万枚，无新增发行，避免了法定货币 “无限印钞” 的通胀问题，具备 “数字黄金” 的价值存储属性。
  • 全球通用性：交易不受地理限制，无论境内外转账，流程与速度一致，且无需依赖传统银行的跨境结算系统。

劣势

  • 高能耗：PoW 机制需大量计算能力竞争挖矿，年耗电量接近英国等国家水平，能源浪费问题显著。
  • 交易效率低：区块生成时间约 10 分钟，每秒交易处理量（TPS）仅 6-7 笔，远低于传统支付系统（如 Visa 的 6.5 万 TPS），无法满足高频交易需求。
  • 功能单一：仅支持点对点的货币转移，不具备智能合约功能，无法扩展至去中心化金融（DeFi）、NFT 等复杂应用场景。
  • 价格波动性高：作为加密货币市场的 “风向标”，价格受市场情绪、政策监管影响极大，短期波动幅度可达数十百分比，不适合作为日常支付工具。

以太坊

“可编程区块链平台”，不仅拥有原生加密货币以太币（ETH），还支持智能合约与去中心化应用（DApp）开发，核心目标是构建 “世界计算机”

优势

  • 功能扩展性强：支持智能合约，可开发 DeFi（借贷、保险）、NFT（数字资产确权）、去中心化交易所（DEX）等多元应用，是目前最大的智能合约生态系统。
  • 能耗优化：2020 年启动从 PoW 向 Proof of Stake（PoS）的迁移，并于 2021 年完成升级，大幅降低能耗（PoS 无需算力竞争，仅依赖代币质押）。
  • 交易速度更快：相比比特币的 “分钟级” 确认，以太坊交易通常在秒级完成，且支持更多复杂交易类型（如批量转账、智能合约触发交易）。
  • 生态兼容性：支持基于其协议发行其他代币（如 ERC-20、ERC-721），且部分区块链平台（如 Binance Smart Chain）兼容以太坊虚拟机（EVM），生态协同性强。

劣势

  • scalability 瓶颈：尽管优于比特币，但其交易速度仍有限（PoS 升级后约 15 TPS），高流量时可能出现网络拥堵、手续费飙升（如 DeFi 热潮期间手续费可达数十美元）。
  • 智能合约风险：代码漏洞可能被利用（如历史上的 “The DAO 事件”），且智能合约部署后不可修改，一旦存在 bug 将导致不可逆损失。
  • 无固定总量：ETH 无供应上限，理论上存在通胀风险，虽通过 “燃烧机制” 缓解，但长期价值存储属性弱于比特币。

3. 瑞波（Ripple，原生代币 XRP）

为金融机构设计的 “跨币种价值转移工具”，聚焦支付结算、资产交换与跨境汇款，功能类似传统国际清算系统 SWIFT，但依托分布式技术提升效率。

优势

  • 交易效率极高：采用独特的分布式共识机制（节点投票验证），无需挖矿，交易可近实时确认，跨境结算速度远快于 SWIFT（传统 SWIFT 需 1-3 天，Ripple 可秒级完成）。
  • 低成本：无挖矿成本，交易手续费极低，适合金融机构的大额或小额跨境转账，相比传统汇款 3%-10% 的费率，成本优势显著。
  • 金融场景适配性：专为银行、支付机构设计，支持法定货币、加密货币、大宗商品等多类型资产的交换，可与现有金融基础设施兼容（如对接银行核心系统）。
  • 无能耗问题：无需算力竞争，仅通过节点共识验证交易，完全规避了 PoW 机制的能源浪费问题。

劣势

  • 去中心化程度低：共识节点主要由 Ripple 公司及合作机构控制，网络控制权相对集中，与区块链 “去中心化” 的核心理念存在偏差，易受监管影响。
  • 依赖机构 adoption：核心价值依赖金融机构的接入与使用，若机构参与度不足，XRP 的应用场景将受限，且普通用户直接使用门槛较高（需通过合作银行或平台）。
  • 监管风险高：因定位 “金融工具”，其监管属性更明确，部分国家（如美国）曾将其定义为 “证券”，面临合规不确定性。

加密货币的未来

加密货币正从一种小众的投机性资产类别发展成为全球金融系统的重要组成部分。随着技术进步和监管框架的建立，加密货币可能会被广泛接受，用于日常交易、金融服务甚至机构运营。然而，监管、扩展性和环境影响等挑战需要解决，以便加密货币实现其全部潜力。

商业+区块链

效率 (Efficiency):通过消除中介机构（如银行），降低交易成本并减少处理时间 。利用智能合约和去中心化应用（dApps）自动化业务流程，减少人工干预 。

透明度 (Transparency): 提供永久且不可篡改的账本，所有参与者可见交易记录，提高了问责制 。创建了可审计的记录，从根本上改变了审计方式 。

信任 (Trust): 解决了交易双方“缺乏信任”的问题，因为信任被内置于系统本身（代码和共识）。数据不可篡改且经过验证，使得商业环境更加可靠 。

去中心化金融（DeFi）

概念：去中心化金融（Decentralized Finance，DeFi）是指利用去中心化技术（如区块链）来提供金融服务和产品。其中去中心化是指：运行在去中心化网络上，消除了中介需求，并提高了交易安全性。DeFi可以实现自动Lending, Borrowing, Insurance etc.

优点:

  • 去中心化：抗审查（resistant tocensorship）和单点故障（single points of failure）
  • 透明度、可及性和更低的成本：能够以比传统金融机构更低的成本提供金融服务，因为它们不需要中介机构

缺点：

  • 波动性（Volatility）：DeFi服务通常基于高波动性的加密货币资产，加密货币高度波动，可能导致价格突然下跌，从而造成资金损失。
  • 安全性（Security）：由于平台不受监管，容易遭受黑客攻击和漏洞
  • 复杂性（Complexity）：对于那些不熟悉加密货币和区块链行业的人有理解成本。

未来：在过去几年中，DeFi取得了巨大增长。然而，DeFi的未来高度依赖于以下因素：区块链技术的应用与使用、监管环境的变化，以及生态系统的进步。

每区块交易数（TPB）和每秒交易数（TPS）的计算

例题

假设区块链每 10 分钟（600 秒）新增一个区块，区块大小限制为 1 MB。如果我们假设平均每笔交易的大小为 250 字节，计算一个区块可以容纳多少笔交易

如果区块链网络每秒有800笔交易，并且每笔交易大小为1K（K=1024），计算该网络可以处理的数据量