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区块链是一个信息技术领域的术语。从本质上讲,它是一个共享数据库,存储于其中的数据或信息,具有“不可伪造”“全程留痕”“可以追溯”“公开透明”“集体维护”等特征。基于这些特征,区块链技术奠定了坚实的“信任”基础,创造了可靠的“合作”机制,具有广阔的运用前景。2019年1月10日,国家互联网信息办公室发布《区块链信息服务管理规定》 [1]  。2019年10月24日,在中央政治局第十八次集体学习时,习近平总书记强调,“把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口”“加快推动区块链技术和产业创新发展”。“区块链”已走进大众视野,成为社会的关注焦点。2019年12月2日,该词入选《咬文嚼字》2019年十大流行语。 [2] 展开全文
区块链是一个信息技术领域的术语。从本质上讲,它是一个共享数据库,存储于其中的数据或信息,具有“不可伪造”“全程留痕”“可以追溯”“公开透明”“集体维护”等特征。基于这些特征,区块链技术奠定了坚实的“信任”基础,创造了可靠的“合作”机制,具有广阔的运用前景。2019年1月10日,国家互联网信息办公室发布《区块链信息服务管理规定》 [1]  。2019年10月24日,在中央政治局第十八次集体学习时,习近平总书记强调,“把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口”“加快推动区块链技术和产业创新发展”。“区块链”已走进大众视野,成为社会的关注焦点。2019年12月2日,该词入选《咬文嚼字》2019年十大流行语。 [2]
信息
外文名
Blockchain
领    域
金融,物联网,保险,公益领域等
特    点
数字资产的另外一种权益
类    型
公有链,联合链,私有链等
中文名
区块链
目    的
用于验证其信息的有效性(防伪)
诞生时间
2008年 [3]
区块链起源
区块链起源于比特币,2008年11月1日,一位自称中本聪(Satoshi Nakamoto)的人发表了《比特币:一种点对点的电子现金系统》一文 [4]  ,阐述了基于P2P网络技术、加密技术、时间戳技术、区块链技术等的电子现金系统的构架理念,这标志着比特币的诞生。两个月后理论步入实践,2009年1月3日第一个序号为0的创世区块诞生。几天后2009年1月9日出现序号为1的区块,并与序号为0的创世区块相连接形成了链,标志着区块链的诞生 [5]  。近年来,世界对比特币的态度起起落落,但作为比特币底层技术之一的区块链技术日益受到重视。在比特币形成过程中,区块是一个一个的存储单元,记录了一定时间内各个区块节点全部的交流信息。各个区块之间通过随机散列(也称哈希算法)实现链接,后一个区块包含前一个区块的哈希值,随着信息交流的扩大,一个区块与一个区块相继接续,形成的结果就叫区块链 [6]  。
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  • 区块链简介

    万次阅读 多人点赞 2017-11-16 20:20:50
    本文从概念、发展历史、特点、结构、应用等5个方面简单介绍了区块链

    区块链简介

    区块链(blockchain)作为比特币的底层技术受到了越来越多的关注,其去中心化的分布式数据库存储结构有着广阔的应用场景。本文从一下五个方面介绍一下区块链技术:

    1. 区块链的概念
    2. 区块链的发展历史
    3. 区块链的特点
    4. 区块链的结构
    5. 区块链的应用

    1. 区块链的概念

    狭义上讲,区块链是一种按照时间顺序将数据区块以链条的方式组合成特定数据结构,并以密码学的方式保证其不可篡改、不可伪造的去中心化共享总账(Decentralized Shared Ledger),能够安全存储简单的、有先后关系、 能在系统内验证的数据。[1]

    简单的讲,区块链就是一个去中心化的分布式数据库,分布式环境中的每一个节点都不能保证可信。数据库中存储的是以时间先后顺序排列的数据区块,每一个区块中保存的是若干条交易记录,运用密码学的方法生成区块以保证其中数据不可篡改、不可伪造、可以验证;以共识算法使全网所有节点(理论上是所有节点)完成对区块的认可。

    广义上讲,区块链技术是利用加密链式区块结构来验证和存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用自动化脚本代码(智能合约)来编程和操作数据的一种全新的去中心化基础架构和分布式计算范式。[2]

    2. 区块链的发展历史

    区块链技术脱胎于比特币,在中本聪2008年发表的《比特币:一种点对点的电子现金系统中》一文中,区块(Block)和链(Chain)作为比特币系统的核心技术被提出来。区块链发展至今可分为3个阶段[3]:

    第一阶段:区块链1.0 —— 数字货币
    最具有代表意义的就是比特币了,其以区块链作为底层技术,是区块俩最初始的应用。
    第二阶段:区块链2.0 —— 数字资产和智能合约
    代表产品有2014年7月的Ethereum(以太坊),其将智能合约理念推进到了极致,还有2015年3月的Factom(公正通)以及国内的太一系统等。
    第三阶段:区块链3.0 —— DAO、DAC → 区块链大社会
    DAO、DAC指区块链自治组织、区块链自治公司。这一阶段是区块链技术广泛应用于人们生活和生产的各个方面,区块链被人们广泛接受,比如区块链应用于能源互联网的能源区块链,区块链应用于医疗事业的医疗区块链等等

    3. 区块链的特点

    1. 去中心化

    区块链是一种分布式数据存储结构,没有中心节点,所有节点都保存全部的相同的区块信息,完全实现去中心化。对于特殊的应用场景,可以适当地采用弱中心化的管理节点,即中心节点不影响整个区块链结构的运行,比如弱中心化的监管机制;若从安全角度来说,弱中心化结构中的中心节点要满足对于区块链的安全不构成威胁,对用户隐私不构成威胁等。

    2. 不可篡改性

    一方面,区块链中存储的交易信息每一条都有相对应的Hash值,由每一条记录的Hash值作为叶子节点生成二叉Merkle树,Merkle树的根节点(Hash值)保存在本区块的块头部分,区块头部除了当前区块的Merkle树的根节点,还要保存时间戳以及前一个区块的标识符(Hash指针)形成一条链式结构。因此,要想篡改区块链中的一条记录,不仅要修改本区块的Hash值,还要修改后续所有区块的Hash值,或者生成一条新的区块链结构,使得新的链比原来的链更长。实际上,这是很难实现的。一般,一个区块后面有6个新的区块生成时,即可认为该区块不可篡改,可以将该区块加入到区块链的结构中了。

    3. 不可伪造性

    区块链保存的交易数据中不仅含有Hash值,还有交易双方的签名以及验证方的签名。签名具有不可伪造性,因此具有不可伪造性。

    4. 可验证性

    可验证性指的是数据来源的可验证。每一笔交易中电子货币的产生和输入、输出都是可以验证的。区块链结构中不会凭空增加电子货币。以比特币为例,每一笔交易的输入都是前一笔交易的输出,每一笔交易的输出又是下一笔交易的输入,即交易的可追溯性。除了来源的可验证外,还有交易金额的可验证,即验证金额的正确性,确保交易过程中的每一笔资金都是可靠的。目前,为了保证用户的隐私,很多电子货币通过混币、环签名、零知识证明等技术在数据可验证的情况下,尽可能地切断金额的可追溯性。

    5. 匿名性

    区块链中的匿名性实际上是一种伪匿名性。区块链中使用假名技术来切断账号和真实身份的联系。比如,对用户公钥进行一系列的Hash运算,得到的固定长度的Hash值作为对应的电子账号。实际上,随着使用次数的增加,通过数据分析可以分析出账号的很多交易行为,比如经常和那些账号做交易,交易金额多少等,甚至可以和现实中的真实身份相联系。

    4. 区块链的结构

    (1) 层次结构

    比特币系统将区块链分成6层结构:数据层、网络层、共识层、合约层、激励层、应用层。其架构图如下:

    区块链6层架构图

    文献[4] 中将区块链分成3层:网络层、交易层、应用层。架构图如下:

    区块链3层架构图

    文献[5] 中的北航链将区块链分成6层:存储层、基础区块链层、缓存层、API层、链上代码层、应用层。其架构图如下:

    区块链6层架构图

    (2) 数据结构

    区块链中的数据结构根据不同的应用会有所不同,但基本上都是由区块头(块头)和区块体(块身)组成。区块体保存的是若干条记录以及由每条记录的Hash值构成的二叉Merkle树。区块头一般包括版本号、前一区块的Hash值(Hash指针)、随机数、目标Hash(本区块的Hash值)、Merkle根,有时还会有用于PoW的计算困难门限值Difficulty等。根据不同的应用,块头和块身的数据项也会有所不同。根据需求,可以建立单链结果,还可以建立双链结构。下面是一个单链结构的简单的区块数据结构图[3]:

    数据结构

    5. 区块链的应用

    区块链由于其结构特点有着广阔的应用前景。最早,区块链作为比特币的核心技术被提出来。随着区块链的发展,尤其是与智能合约的结合,区块链技术的应用早已不再仅仅局限于数字货币等金融领域。
    区块链除了应用于金融领域(如Bitcoin, Monero, Zcash)外,还可以应用于能源互联网(能源区块链)、医疗事业(医疗区块链)、学术界学术记录、供应链管理、共享单车、云存储等。

    参考文献

    [1] 袁勇, 王飞跃. 区块链技术发展现状与展望[J]. 自动化学报, 2016, 42(4):481-494.
    [2] Beck R, Czepluch J S, Lollike N, et al. BLOCKCHAIN – THE GATEWAY TO TRUST-FREE CRYPTOGRAPHIC TRANSACTIONS[C]// Twenty-Fourth European Conference on Information Systems. 2016.
    [3] 朱建明, 付永贵. 区块链应用研究进展[J]. 科技导报, 2017, 35(13):70-76.
    [4] 祝烈煌,高峰,沈蒙,李艳东,郑宝昆,毛洪亮,吴震.区块链隐私保护研究综述[J/OL].计算机研究与发展,2017,(10):.
    [5] 蔡维德,郁莲,王荣,刘娜,邓恩艳.基于区块链的应用系统开发方法研究.软件学报,2017,28(6):1474-1487.

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  • 区块链 通俗讲解

    万次阅读 2018-07-31 23:54:29
    因为面向的读者是不想知道具体技术实现只想了解区块链的人群,因此本文避开了一些底层和算法细节,采用比较主观的方式来展示笔者对区块链技术的感性认识。如果你只是对区块链感兴趣,并没有深入学习的打算,或者只是...

    通俗讲解:

    因为面向的读者是不想知道具体技术实现只想了解区块链的人群,因此本文避开了一些底层和算法细节,采用比较主观的方式来展示笔者对区块链技术的感性认识。如果你只是对区块链感兴趣,并没有深入学习的打算,或者只是想像我一样在别人问起来的时候装逼,本文应该是一篇很好的“导论”。

    总览

    区块链本质上是一个去中心化的分布式账本数据库(感谢

    @程剑宇

    指出:在与比特币相关的区块链应用中可使用这一术语,但区块链技术可能并不包含“账本”)。其本身是一串使用密码学相关联所产生的数据块,每一个数据块中包含了多次比特币网络交易有效确认的信息。

    这是区块链的定义,因此要逐步了解区块链,我们需要一步步了解如下东西。

     

    去中心化

    先来考虑一个中心化集中式处理的过程。你要在某宝上买一部手机,交易流程是:你将钱打给支付宝-支付宝收款后通知卖家发货-卖家发货-你确认收货-支付宝把钱打给卖家。

    图1: 中心化集中式交易模式

    在这个过程中,虽然你是在和卖家交易,但是这笔交易还牵扯到了除了你和卖家的第三方,即支付宝,你和卖家的交易都是围绕支付宝展开。因此,如果支付宝系统出了问题便会造成这笔交易的失败。并且虽然你只是简单的买了一个手机,但是你和卖家都要向第三方提供多余的信息。因此考虑极端情况,如果支付宝跑路了或者是拿了钱不却不承认你的交易或者是支付宝所在的城市因为开G20把所有人都赶走了(?),那么你就悲剧了。

    而去中心化的处理方式就要显得简单很多,你只需要和卖家交换钱和手机,然后双方都声称完成了这笔交易,就OK了。

    可以看出在某些特定情况下,去中心化的处理方式会更便捷,同时也无须担心自己的与交易无关的信息泄漏。

    其实如果只考虑两个人的交易并不能把去中心化的好处完全展示出来,设想如果有成千上万笔交易在进行,去中心化的处理方式会节约很多资源,使得整个交易自主化、简单化,并且排除了被中心化代理控制的风险。

    去中心化是区块链技术的颠覆性特点,它无需中心化代理,实现了一种点对点的直接交互,使得高效率、大规模、无中心化代理的信息交互方式成为了现实。

    当然,上述的例子有一个很大的潜在问题:没有了权威的中心化代理,怎样保证每笔交易的准确性和有效性呢?比如:如果没有了权威的中心化代理,张三某一天借了我100块钱,但是不还钱还不承认怎么办?这里就引出了区块链的其它特性。

     

    两个基础难题

    在去中心化以后,整个系统中没有了权威的中心化代理,信息的可信度和准确性便会面临问题。

     

    问题1:类两军问题

    第一次听说这个问题居然是在TCP的课上,大致说的是有两个相距很远的军队要传递信息,红军派遣一个信使去跟蓝军说:“你他娘的把意大利炮拿出来!”。蓝军收到信息后又派了一个信使去红军说:“收到指令!”。然后红军又派一个信使去蓝军说:“知道你收到指令了!”。然后蓝军又派一个信使去红军说:“知道你知道我收到指令了!”。然后红军又派一个信使去蓝军说:“知道你知道我知道你收到指令了!”……然后就没完没了了。

    图2:在分布式计算中在异步系统和不可靠的通道上达到一致性是不可能的
     

    在这种情况下,因为是点对点的通信,双方不可能在这种情况下达到信息的一致性。严谨一点,就是“在分布式计算上,试图在异步系统和不可靠的通道上达到一致性是不可能的”。

     

    问题2:拜占庭将军问题

    拜占庭罗马帝国在军事行动中,采取将军投票的策略来决定是进攻还是撤退,也就是说如果多数人决定进攻,就上去干。但是军队中如果有奸细(比如将军已经反水故意乱投票,或者传令官叛变擅自修改军令),那怎么保证最后投票的结果真正反映了忠诚的将军的意愿呢?

     

    拜占庭将军问题反映到信息交换领域中来,可以理解为在一个去中心的系统中,有一些节点是坏掉的,它们可能向外界广播错误的信息或者不广播信息,在这种情况下如何验证数据传输的准确性。

     

    区块链技术的诞生

    现在让我们来一步一步在去中心化的系统中解决这些问题,见证区块链技术雏形的诞生。

     

    1

    我们先来建立一个去中心化的系统,为了方便理解,我们来看一个简单的去中心化借贷模型:如果A借了B 100块钱,这个时候,A在人群中大喊“我是A,我借给了B 100块钱!”,B也在人群中大喊“我是B,A借给了我100块钱!”,此时路人甲乙丙丁都听到了这些消息,因此所有人都在心中默默记下了“A借给了B100块钱”。你看,这个时候一个去中心化的系统就建立起来了,这个系统中不需要银行,也不需要借贷协议和收据,严格来说,甚至不需要人与人长久的信任关系(比如B突然又改口说“我不欠A钱!”,这个时候人民群众就会站出来说“不对,我的小本本上记录了你某天借了A100块钱!”)。

    图3:去中心化借贷模型

    2

    可能你已经发现了,在上述的模型中,所谓的“100块钱”已经不重要了。换句话说,任何东西都可以在这个模型中交换,甚至你可以凭空杜撰一个东西,只要大家承认,你就可以让你杜撰的东西流通。比如:我在人群中高喊一声“我创造了10个查克拉!”,我甚至不需要知道查克拉是什么,也不需要关心世界上是不是真的有查克拉,只要大家都听到,然后在自己的小本本上记下“LaiW3n有10个查克拉”,于是我就真的有100个查克拉了。从此以后,我便可以声称我给了某人1个查克拉,只要路人甲乙丙丁都收到并且承认了这一信息,那我就算完成了这次交易,哪怕世界上没有查克拉。

     

    你现在脑海中是不是浮现出了三个字——“比特币”?由于真正的区块链和比特币比我上述的模型复杂太多,细节也丰富太多,因此以下还是以查克拉举例,毕竟本文是Blockchain for Babies.(笑)


    3

    假设过了很长一段时间,我凭空创造的查克拉已经在这个系统中流通了起来,大家都开始认可了查克拉。但是这个系统中一共就只有10个查克拉,于是有人动了坏心思,他在人群中高呼“我有10个查克拉!”怎么办?大家是直接在本本上记下他有10个查克拉么,这样不是人人都可以伪造查克拉了么?

     

    为了防止这种现象发生,我决定在我创造查克拉的时候给我的查克拉打上标记(更准确地说,我是给我喊的那句“我创造了10个查克拉”打上标记,比如标记为001),这样以后在每一笔交易的时候,我在高喊“我给了某某1个查克拉!”的时候,会附加上额外的一句话:“这1个查克拉的来源是记为001的那条记录,我的这句话标记为002!”。我们再抽象一点,某人喊话的内容的格式就变成了:“这句话编号xxx,上一句话的编号是yyy,我给了某某1个查克拉!”,这样就解决了伪造的问题。其实上述模型就变成一个简化的中本聪第一版比特币区块链协议:

    图4:查克拉模型和中本聪第一版区块链协议对比图
     

    好了,看到这里你基本已经能够生动形象又不涉及任何细节地向你的弱智室友解释区块链了。但是也许你的室友是一个有打破沙锅问到底精神求是学子,因此你最好继续准好回答以下这几个问题。

     

    1. “凭啥?”

    你室友可能会问:“凭啥你喊一句话我就帮你记?我的小本本不要钱么?”。为了激励大家帮我传话和记账,我决定给第一个听到我喊话并且记录在小本本上的人一些奖励:第一个听到我喊话并记录下来的人,你就凭空得到了1个查克拉,这个查克拉是整个系统对你幸苦记账的报酬,而你记录了这句话之后,要马上告诉其它人你已经记录好了,让别人放弃继续记录这句话,并给你自己的记录编号让别人有据可查,然后你再把我的话加上你的记录编号一起喊出来,供下一个人记账。

     

    当这个规则定下以后,这个系统中一定会出现一批人,他们开始竖着耳朵监听周围发出的声音,以抢占第一个记账的权利。对的,你脑海中是不是又浮现出了“比特币挖矿”的字眼?

     

    值得一提的是,关于比特币挖矿,

    @玲珑邪僧

    举了一个很形象的例子:

    单身汪们要找女票,国民岳母说我有好多女儿,这样吧我给你们出点题目,解出一个就给其中一个姑娘的微信号。

    单身汪们疯狂竞争,想破脑袋去解题。只要其中一只汪解出一道题,就立马得意洋洋地昭告天下,示威全部单身汪,这个姑娘是我的啦,你们放弃吧。其他单身汪们即使不服也没有办法,惆怅懊恼也不是个事儿啊,还是麻溜地立马去解下一道题目吧。这只喜赢姑娘的幸运小汪被岳母认可后还能得到25个货币单位的彩礼,简直人生赢家。

     

    2. “听谁的?”

    在这个系统中,如果我和另一个人C几乎同时地喊出一句:“为了艾泽拉斯!”。由于听众所处的位置不同,一定会有人先听到我说的那句话,而另外一些人则先听到C的那句话,如果我们规定只能有一个人说出这句话,那到底这句话是谁说的?

     

    如果不加任何条件,那么上述的情况一定会这样发展:一部分人认为这句话是我说的,在听到这句话之后开始记账,之后他们所做的所有事情都是基于这个事实,并且随着这个信息一次次的传下去,这条信息链会越来越深;而另外一群认为是C先说这句话的人,也会按照这样的趋势发展。这样,原本是一条唯一的信息链,在我们喊出“为了艾泽拉斯”这句话之后,分叉了!?

    图5:“区块链”分叉

     

    这会导致怎样的情况呢?按照我们的设想,应该每个人的小本本上记录的东西都是一样的,都是一条可以把所有信息串联起来的链条。但是在这一刻,他们小本本上记录的东西不一样了!这还玩毛啊?以后还怎么确定交易和信息的真实性!?

     

    为了解决这个问题,我又追加了新的规则:每个人在记录小本本的时候,需要脱鞋然后用脚拿笔,在小本本上用正楷体书写!有了这个规定,由于用脚写字难度很大,每个人至少需要10分钟才能写完,而且由于每个人用脚写字的熟练度不通,写完这句话所用的时间也不同,因此一定会有人先写完然后高呼“我写完了!那句话是LaiW3n喊的!”,这样其它正在写这句话的人便会停笔,然后在小本本上重新开始写“那句话是来文写的,上一句的编号是xxx”。

     

    如果你对上述我的解决方法感兴趣,你可以对照我上面的比喻去了解以下知识:

    “听谁的”——中本聪破解“拜占庭将军问题”的算法

    “在小本本上记录”——比特币挖矿

    “脱鞋用脚写字”——比特币挖矿难度

    “脱鞋写字速度”——算力

    “新的规则”——工作量证明链

     

    3. “双花”问题

    这个时候你的室友可能又要问:如果我同时宣布我给了A一个查克拉和我给了B一个查克拉,但是我只有一个查克拉,那咋整?是A和B都收到了查克拉还是咋地?

     

    这个时候你只需要托起他的下巴,温柔地看着他的眼睛,用手刮刮他的鼻子,说:“小妖精,你把这种情况带到上面的规则中去试试?”

    转载:https://www.zhihu.com/question/37290469

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    摘要我在区块链学习的上一篇博文,链接:区块链学习——区块链技术理念与工作流程中,简单介绍了区块链的技术理念以及工作流程,本文我将继续介绍区块链技术栈。我们知道,区块链本身只是一个数据的记录格式,就像们...

    摘要

    我在区块链学习的上一篇博文,链接:区块链学习——区块链技术理念与工作流程中,简单介绍了区块链的技术理念以及工作流程,本文我将继续介绍区块链技术栈。

    我们知道,区块链本身只是一个数据的记录格式,就像们平时使用Excel表格、Word文档一样,按照一定的格式将我们的数据存储在电脑上。与传统记录不同的是,区块链将产生的数据按照一定的时间间隔,分成一个个的数据块记录,然后再根据数据块的先后关系串联起来,也就是所谓的区块链了。按照这种规则,沿着时间线不断增加新的区块,记录下发生的每一笔操作。

    这种数据记录的方式很新颖,在这种记录方式下,数据很难被篡改或者删除,有朋友可能会说,这有什么不好修改或者删除的,比如我在电脑上保存的Excel数据,再怎么复杂我也能修改啊!如果区块链的数据格式只是应用在单机环境或者一个中心化的服务器上,那确实是,毕竟自己对自己的数据拥有完全支配的权利。然而,事实上并不是如此。

    事实上,区块链是一整套技术组合的代表,在这一组技术的配合下,才能显示区块链技术的优点。无论是什么样的区块链系统,不管是比特币、莱特币、以太坊还是其他的,核心结构和工作原理都是相同的。我们来看看最基本的技术组合有哪些吧。


    如上图所示,这是区块链系统结构的基本组成,各种系统本质上都是在这个经典结构之上直接实现或者扩展实现。这些零部件装配在一起,组成了一个区块链软件,运行起来后就成为一个节点,多个这样的节点在不同的计算机上运行起来,就组成了一个网络。在这个网络中没个节点都是平等的,大家相互为对方提供服务,这种网络称为点对点的“对等网络”。下面我们来依次解释一下

    1.区块链账本

    如上所述,区块链账本它表示一种特有的数据记录形式。区块链就是“区块+链”,所谓的区块就是指数据块的意思,每个数据块之间通过某个标志连接起来的,从而形成一条链,我们看一下示意图:


    如图所示,一个区块一个区块地衔接,区块之间通过某种方式串联起来,就比特币来说,大约是每10分钟产生一个区块,区块中主要包含了交易事务数据以及区块的摘要信息。我们来看看比特币中区块链数据的组成示意图:


    通过上图可以看到比特币中区块链账本的数据组成以及关系,并且可以看到区块链数据在逻辑上分成了区块头和区块体,每个区块头中通过梅克尔根关联了区块中众多的交易事务,而每个区块之间通过区块头哈希值(区块头哈希值就是一个区块的身份证号)串联起来。这是一种链条格式,链条最大的特点就是一环扣一环,很难从之间去破坏。比如有人篡改了中间的2号区块,那么久的同时把2号区块后序的所有区块都要更改掉,这个难度就很大了。在区块链系统中,一个节点产生的数据或者更改的数据要发送到网络中的其他节点接受验证,而其他节点是不会通过验证一个被篡改的数据的,因为跟自己的本地区块链账本数据匹配不起来,这也是区块链数据不可篡改的一个很重要的技术设计。

    这个格式还有个很巧妙的地方,如果数据总是由一个人来记录的,那自然也没什么,但是如果放到网络中,大家共同来记录这个数据,那就有意思了,每个区块数据由谁来记录或者打包,有一个规则。比如说掷骰子,大家约定谁能连续3次掷出三次6点,那就让他记录下一个区块的数据,为了补偿他的劳动投入,奖励给他一些收益。比特币正是通过这种方式不断发行新的比特币出来,奖励给打包记录区块数据的那个人的比特币就是新发型的比特币。

    2.共识机制

    所谓共识,就是指大家达成一致的意思。在区块链系统中,每个节点必须要做的事情就是让自己账本和其他节点的账本保持一致。如果在传统的软件系统中,这几乎不是问题,因为有一个中心服务器存在,也就是所谓的主库,其他库向它看齐就行。在实际生活中,很多事情人们也是按照这种思路来的。但是区块链是一个分布式的对等网络结构,在该结构中没有哪个节点是“老大”,一切都要商量着来。在区块链系统中,如何让每个节点按照规则保持数据一致是一个很核心的问题,这个问题的解决方案就是制定一套共识算法。

    共识算法其实就是一个规则,每个节点都要按照这个规则去确认自己的数据,并且我们要从所有的节点中选举出一个最具有代表性的节点,那么如何筛选呢?其实就是设置一组条件,就像我们筛选运动员、尖子生一样,给一组指标让大家来完成,谁完成得更好,谁就有机会被选上。在区块链系统中,存在着多种这样的筛选方案,比如PoW(proof of work工作证明)、PoS(Proof of stake权益证明)、DPoS(Delegate proof of stake委托权益证明)、PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance,实用拜占庭容错算法)等等。区块链系统就是通过这些删选算法或者共识算法使得网络中各个节点的账本数据达成一致。

    3.密码算法

    密码算法的应用在区块链系统中很巧妙,应用点也很多,我在这里不详细介绍密码的原理,就从几个很关键的应用来介绍一下。

    首先我们回顾下区块链账本格式。通过上述讲解我们知道,区块链账本就是一个链接起来的一个个区块。到底是通过什么技术来链接的呢?学过数据结构的同学都知道,数据结构中有一种变量叫指针(Java中没有指针概念)它是可以用来指向某个数据地址的。区块之间的连接,往往不是靠数据地址来关联的,而是靠一种叫做哈希值的数据来关联,什么是哈希值?这是通过密码算法中的哈希算法计算得出的。哈希算法可以通过一段数据计算得出一段摘要字符串,这种摘要字符串与原始数据是唯一对应的。什么意思呢?如果对原始数据进行修改,哪怕只是一点点的修改,那么计算出来的哈希值都会发生完全的变化。区块链账本对每个区块都会计算出一个哈希值,称为区块哈希。通过区块哈希来串联区块。这有一个很好的作用就是,如果有人篡改了中间的某一个区块数据,那么后面的区块就都要进行修改,这个时候并不是简单地修改一下后面区块地址指向就能结束的。由于后面的区块是通过区块哈希来指向的,只要前面的区块发生改动,这个区块哈希就无效了,就指不到正确的区块了。

    当然密码算法在区块链中的应用远不止这些,比如通过密码算法来创建账户地址、签名交易事务等等,这些应用在后面会介绍。

    4.脚本系统

    脚本系统在区块链中是一个相对抽象的概念,也是一个及其重要的功能,可以说是区块系统之所以能形成一个价值的网络,依靠的就是脚本系统。它就像一个发动机一样,驱动着区块链系统不断地进行各种数据的收发。所谓脚本,就是指一组程序规则。在区块链中有些程序的规则是固定的,比如在比特币系统中,只能进行比特币的发送与接收,这个与发送与接收的过程就是通过实现在比特币中的一组脚本程序来完成的。而有些系统是允许用户自行编写一组程序规则的,编写好后可以部署到区块链账本中,这就可以扩展区块链系统的功能,比如以太坊就是通过实现一套可以自定义功能的脚本系统,进而实现了只能合约的功能。

    脚本系统使得在区块链中可以实现各种各样的业务功能。本来大家只是通过区块链来财务记账,通过脚本系统,大家可以使用区块来记录各种各样的数据,比如订单、众筹账户、物流信息、供应链信息等,这些数据一旦可以记录到区块链上,那么区块链的优点就能充分发挥出来。有关脚本系统的具体使用和开发,我后面会讲解。

    5.网络路由

    这个功能模块比较简单。区块链系统是一个分布式的网络,这些网络中的节点如何来彼此进行通信呢?依靠的就是网络路由功能。在分布式的网路结构中,不存在一个指定的服务器,大家没办法通过一个服务器来直接交换彼此的身份信息,就只能依靠彼此联系并传播信息。在区块链系统中,这个功能一般会定义成一种协议,称为“节点发现协议”。

    除了要发现节点外,更重要的一个功能就是同步数据。节点要保持自己账本数据是最新的,就必须时时更新自己的数据。从哪更新呢?既然没有服务器下载下来,那就通过邻近的节点了。通过向邻近节点发送数据请求来获得最新的数据,节点彼此都充当服务者和被服务者,通过这种方式,网路中的每个节点都会在某一个时刻达成数据上的一致。

    网络路由可以说是区块链系统的触角,通过大量的触角将每个节点连入网络,从而形成一个功能强大的区块链共识网络。



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  • 区块链

    2020-11-24 16:09:52
    区块链,可能是当下最有前景又充满分歧的技术与经济趋势。它给数字世界带来了“价值表示”和“价值转移”两项全新的基础功能。其潜力正在显现出来,但当下它又处于朦胧与野蛮生长的阶段。 对比互联网的发展史,现在...

    区块链,可能是当下最有前景又充满分歧的技术与经济趋势。它给数字世界带来了“价值表示”和“价值转移”两项全新的基础功能。其潜力正在显现出来,但当下它又处于朦胧与野蛮生长的阶段。
    对比互联网的发展史,现在的区块链可能相当于 1994 年的互联网,即互联网刚刚进入大众视野的时期,那也是第一波互联网革命萌芽的时期。谷歌、亚马逊、Facebook、腾讯、阿里巴巴、优步、滴滴,甚至现在市值超万亿的苹果都得益于那一时刻。
    现在区块链技术可能带来互联网的二次革命,把互联网从“信息互联网”带向“价值互联网”。在区块链的对照之下,人们发现,最初被形象地称为“信息高速公路”的互联网处理的是“信息”,而区块链能处理的是“价值”。
    变革即将发生,未来已来。我们又一次处于革命的起点——价值互联网的变革,而要理解价值互联网的未来,我们先要搞明白区块链技术是什么。
    让我们回到10年前,从中本聪(Satoshi Nakamoto)发明比特币的那一刻说起。

    比特币的诞生

    2009年1月3日,在位于芬兰赫尔辛基的服务器上,至今匿名的神秘技术极客中本聪生成了第一个比特币区块,即所谓的比特币创世区块(genesis block)。
    在创世区块的备注中,中本聪写入了当天英国《泰晤士报》的头版头条标题:

    “The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks”
    “《泰晤士报》,2009年1月3日,财政大臣站在第二次救助银行的边缘”

    这样做,他记录了比特币系统启动和创世区块生成的时刻,又借这句话表达了对当时全球金融体系的暗讽。2009 年年初,全球金融体系刚经历了 2008 年金融危机的冲击,看起来摇摇欲坠。
    在生成创世区块时,按自己设定的规则,中本聪获得了 50 个比特币奖励,这是最早的 50 个比特币。从创始区块开始,在比特币的账本上每 10 分钟就有新的数据区块被增加上去,新的比特币被凭空发行出来。比特币的去中心网络开始运转,扩展到现在的由数万个节点组成的全球网络。
    在比特币的创世时刻,它的三个组成部分都出现了,即加密数字货币(cryptocurrency)、分布式账本(distributed ledger)、去中心网络(decentralized network),如下图所示。
    比特币的三个组成部分
    他写道:“我一直在研究一个新的电子现金系统,它完全是点对点的,无须任何的可信第三方。”比特币的起源应远早于这个日期,中本聪曾说,他从 2007 年 5 月就开始为比特币项目编程。2008 年 8 月,他注册了 bitcoin.org 域名,这是现在比特币项目的官方网址。
    在邮件中,他附上了比特币白皮书的链接,论文题为“比特币:一个点对点电子现金系统”(Bitcoin:A Peer-to-Peer Electronic Cash System)。中本聪在2008年发表的这篇论文可能是互联网发展史上最重要的论文之一,其他重要论文有利克里德写的开启互联网前身阿帕网的“计算机作为一种通信设备”(1968年)、蒂姆·伯纳斯-李写的万维网协议(WWW)建议书“信息管理:一个建议”(1989年)、谷歌联合创始人谢尔盖·布林与拉里·佩奇写的搜索引擎论文(1998年)等。
    可以合理地推测,中本聪不是一个学院派的研究型学者,他可能是一个做实际软件工程开发的工程师,因为他不只设计了比特币系统,还把它开发出来,让它在互联网上运行起来。他可能是先开发了软件,才写了上面提到的重量级论文,来解释自己的设计。
    2008 年 11 月 16 日,中本聪公布了比特币系统的源代码。在发布白皮书、将软件代码开源后,在 2009 年 1 月 3 日这一区块链的创世时刻,最终他在互联网上上线了比特币网络。之后,中本聪和几个开发者在网上一起讨论想法,继续开发迭代。随着比特币网络的成熟,他的活动开始减少,比特币系统逐渐进入自治运转的状态。最终,在发明比特币系统 3 年后,自 2011 年 11 月后,中本聪永远不再出现。他成了一个永远匿名的传奇,没人知道他是谁,他只留下了自己的创造。

    中本聪为什么创造比特币

    在创造比特币的过程中,中本聪发明了区块链技术,区块链是源自比特币的底层技术。那么,他为什么要创造比特币?他想解决什么难题?
    现在,比特币常被称为一种“加密数字货币”,人们常很关注其中的“货币”二字。其实,比特币并不具备现在各国法定货币的特征,它只是一种数字形式的特殊商品。比特币现在的市场价格和暴涨暴跌也影响着人们对它的看法,人们把它类比为黄金、郁金香等各种投资、投机标的。
    但如果回到中本聪创造它的时刻,我们会看到,比特币的出现是源于技术极客想解决的一个技术难题:“在数字世界中,如何创造一种具有现金特性的事物?”“比特币:一个点对点电子现金系统”这个标题体现出了中本聪想解决的难题:他想创造在数字世界中可用的电子现金,它可以点对点也就是个人对个人交易,交易中不需要任何中介参与。
    来对比看看。在物理世界中,一个人可以把现金纸币给另一个人,不需要经过诸如银行、支付机构、见证人等中介机构。
    但由于数字文件是可复制的,复制出来的电子文件是一模一样的,因而在数字世界中,我们不能简单地用一个数字文件作为代表价值的事物。同时,我们在支付机构中有多少钱,并没有像一张张钞票一样的数字文件可以代表,钱仅是中心化数据库中的记录。
    在数字世界中,当一个人要把现金转给另一个人时,必须要有中介机构的参与。比如,我们通过支付宝转账的过程是:支付宝在一个人的账户记录里减掉一定金额,在另一个人的账户记录中增加一定金额。
    在数字世界中,如何创建一个无须中介或者说去中心化的数字现金,一直是一个难题。由于数字文件可以完美复制,如果没有一个中心化数据库做记录,那如何避免一个人把一笔钱花两次?
    这就是所谓的双重支付或双花问题(double spending)。在比特币出现之前,我们熟悉的主要电子现金系统(如PayPal、支付宝等)都是依靠中心化数据库来避免双花问题,这些可信第三方中介不可或缺。
    比特币是点对点的现金,无须任何中介
    但在另一条道路即去中介或去中心化的电子现金这条路径上,有很多技术极客一直在做着各种尝试,只是一直未能获得最终的成功。
    到了 2008 年,中本聪借鉴和综合前人的成果,特别是现在常被统称为密码朋克(cypherpunk)的群体的成果,改进之前各类中心化和去中心化的电子现金,加上自己的独特创新,创造了比特币这个点对点电子现金系统,在无须中介的情况下解决了双花问题。
    特别地,比特币这个电子现金系统是同时去中介化和去中心化的:

    • 个人与个人之间的电子现金无须可信第三方中介的介入,这是去中介化。
    • 这个电子现金的货币发行也不需要一个中心化机构,而是由代码与社区共识完成,这是去中心化。
      要注意的是,这个“电子现金”中的现金指的并非货币,它只是在解决难题的过程中被借用来在数字世界中代表价值的说法。这样说是为了便于理解,在现实中,最常见的代表价值的事物是现金。
      最初,比特币这个用以表示价值的电子现金并没有价格。比特币系统只是在逻辑上可行的系统,是解决了一个难题的技术玩具。2010 年 5 月 22 日,在一个网络论坛上,有一个程序员用 1 万枚比特币换了两张棒约翰比萨的代金券,比特币第一次有了一个公允价格:1 万枚比特币价格为 25 美元。为了纪念这一天,每年的 5 月 22 日变成了区块链世界的一个节日——比特币比萨节。
      此后,比特币虽然从来都不是货币,但逐渐地有了价值与价格。比特币的价格在自由市场交易中被确定,又持续、反复地大幅波动。但是,不管是从早期的 1132 美元跌掉一半,还是在 2017 年年底快速上涨到接近 2 万美元,又在几个月内跌到只有三分之一,比特币系统和它底层的区块链技术都保持稳定。
      中本聪设计和编码实现的比特币电子现金系统至今已运转近十年。比特币系统已经从一个技术玩具变成一个运转得近乎完美的系统,并且看起来还将长期稳定地运转下去。

    从比特币系统中发现区块链

    在物理世界中,现金是一张张纸币,但其背后有着一整套与货币相关的金融体系:中央银行、银行、印钞厂、信用卡组织,以及后来出现的第三方网络支付机构等。
    在数字世界中,想要创造一种去中介化、去中心化的“电子现金”,同样要设计一套完整的系统。这一系统要能解决以下一系列问题:

    • 这种“现金”如何公平、公正地发行出来,不被任何中心化的机构或个人控制?
    • 如何实现像在物理世界中一样,一个人可以直接把现金递给另一个人,无须任何中介的协助?
    • 这种电子现金如何“防伪”?在数字世界中,这个问题可转换为,一笔电子现金如何不被花费两次?
      中本聪设计和开发了比特币系统,完美地解决了这些问题。说起比特币,人们常指的是比特币这种做价值表示的电子现金。其实,作为电子现金的比特币只是比特币系统的表层,比特币系统包括三层:
    • 最上一层是比特币这种电子现金。这是整个系统的应用层。
    • 中间一层的功能是发行比特币与处理用户间的比特币转移。这一层也叫比特币协议(bitcoin protocol),是整个系统的应用协议层。
    • 最底层是比特币的分布式账本和去中心网络。这一层也被称为比特币区块链(bitcoin blockchain),是整个系统的通用协议层。
      比特币系统的三层命名(应用层、应用协议层、通用协议层)源自知名区块链研究者梅兰妮·斯万,她也提出了被广泛引述的一种阶段划分:区块链 1.0 是货币、区块链 2.0 是合约、区块链 3.0 是应用。
      在这里插入图片描述

    梅兰妮·斯万(Melanie Swan)著有《区块链:新经济蓝图及导读》(Blockchain:Blueprint for a new economy)。应用层、应用协议层、通用协议层的分类参见她的演讲。

    比特币系统实现的去中心化的点对点电子现金,其发行与转账靠的是中间的比特币协议层。类比现实货币系统,这一层的角色相当于中央银行(发行货币)与银行(处理转账)等金融机构。
    来深入看看名为“比特币协议”的这一层。比特币系统架构图又常被进一步细分为五层(见图4),它对应的是比特币协议和比特币区块链两个部分。在这个五层架构中,比特币协议层被细分为:应用层、激励层和共识层。
    在这里插入图片描述
    在设计比特币系统时,中本聪创造性地把计算机算力竞争和经济激励相结合,形成了工作量证明(proof-of-work,POW)共识机制,让挖矿计算机节点在计算竞争中完成了货币发行和记账功能,也完成了区块链账本和去中心网络的运维。这就形成了一个完整的循环:矿机挖矿(算力竞争),完成去中心化记账(运转系统),获得比特币形式的经济激励(经济奖励)。
    比特币的工作量证明共识机制是承上启下的一层,连接了上层应用与下层技术:在其上的层次为电子现金的发行、转账、防伪;在其下的层次,去中心网络的节点达成一致,更新分布式账本。
    之后在讨论区块链的现在与未来时,我们会不断地回到比特币系统的设计上来,它是一个简单又精妙的系统,融合技术和经济因素,是区块链所有创新的源头。

    区块链的定义

    比特币:一种加密数字货币;区块链:一种基础技术。
    区块链是一种源自于“比特币”的底层技术。换句话说,比特币是区块链技术的第一个大获成功的应用。
    第二种区块链的定义
    区块链是数字世界中进行“价值表示”和“价值转移”的技术。区块链硬币一面是表示价值的加密数字货币或通证,另一面是进行价值转移的分布式账本与去中心网络。
    分布式账本与去中心网络也常被称为“链”,它可被视为一个软件平台;而表示价值的通证常被称为“币”。
    通证存储在链上,通过链上的代码(主要形式的智能合约)来管理,它是可编程的。
    在这里插入图片描述
    比特币系统包括三层:比特币、比特币协议、比特币区块链,即比特币的分布式账本与去中心网络。那么,从比特币系统来对照看,说区块链时,我们说的可能是什么?
    在这里插入图片描述
    区块链这个说法包括四种可能性,所覆盖的范围逐步变大,见上图:

    • 可能性之一,区块链指的是比特币的数据结构,即由数据块(block)连接形成的链(chain),这也被称为“分布式账本”。在比特币白皮书中,中本聪分别提及了区块和链,但后来它们才被组合成了区块链(blockchain)这个新词。
    • 可能性之二,区块链指的是比特币的分布式账本和去中心网络的组合。对应于比特币系统,它指的是整个第三层比特币区块链。
    • 可能性之三,区块链指的是比特币系统的第二层(比特币协议)和第三层(比特币区块链)的组合。它包括分布式账本、去中心网络和比特币协议。
    • 可能性之四,区块链指的是整个比特币系统,包括所有三层,既包括价值表示的比特币,也包括了背后支撑的整个系统。从这个范围看,是把区块链看成一个既包括技术部分,又包括经济部分的完整系统。
      大众在提及区块链时,常指的是第四种最大的范围,即“账本+网络+协议+货币”。在产业中,人们在提到区块链时,通常指的是第三种范围,即“账本+网络+协议”。而很多软件开发者在说起区块链时通常指的是第二种范围“账本+网络”,即分布式账本加去中心网络。
      现在,包括我在内的很多人都有一种看法是,将基于区块链的价值表示物都称为通证,并把比特币等代币(coin)视为通证的一个特定种类。通常而言,提及加密数字货币、通证、代币时,我们指的都是基于区块链的、在数字世界中进行价值表示的事物。如果采用“通证”说法,区块链的最大范围包括的则是“账本+网络+协议+通证”。
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