摘要：區(qū)塊鏈技術基礎什么是區(qū)塊鏈技術運行區(qū)塊鏈客戶端的計算節(jié)點彼此可以相互通信。區(qū)塊鏈的組成模塊區(qū)塊鏈賬本。區(qū)塊鏈技術的意義數(shù)據(jù)不可篡改。區(qū)塊鏈中會對區(qū)塊頭進行哈希計算，得出該區(qū)塊的哈希值。這保證了每個區(qū)塊被加入鏈后不可被修改。

運行區(qū)塊鏈客戶端的計算節(jié)點彼此可以相互通信。

每個節(jié)點維護一個賬本。

每個節(jié)點的收支記錄都會廣播給其他節(jié)點。

篩選出一個節(jié)點作為一段時間的總記錄。

其它節(jié)點接收該被選中的節(jié)點的記錄，和自己賬本對照后，沒有問題則進行存儲。

被選中的節(jié)點會因為這段時間付出的勞動而獲得一定的報酬。

節(jié)點通過非對稱加密的公鑰來表示身份，通過加密來傳遞數(shù)據(jù)。

區(qū)塊鏈賬本。區(qū)塊鏈賬本用來記錄數(shù)據(jù)，區(qū)塊分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體，區(qū)塊頭會存儲上一個區(qū)塊的哈希值，這樣各個區(qū)塊就串聯(lián)起來，區(qū)塊頭通過梅克爾根關聯(lián)記錄的交易事務。如果修改鏈中的某個數(shù)據(jù)塊，則會導致該數(shù)據(jù)塊無法鏈入?yún)^(qū)塊鏈賬本，在其它節(jié)點中驗證時會被發(fā)現(xiàn)，所以區(qū)塊鏈賬本可以防止對數(shù)據(jù)的篡改。

共識機制。一種篩選算法，可以選出特定的節(jié)點，該節(jié)點會作為大家對賬的參考。

密碼算法。其中包括，計算區(qū)塊hash值得算法，計算區(qū)塊中交易事務的hash值和梅克爾根的算法，創(chuàng)建賬戶、簽名交易的算法等。

腳本系統(tǒng)。腳本系統(tǒng)驅動著節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)，通過實現(xiàn)不同功能的腳本來實現(xiàn)不同的業(yè)務。

網(wǎng)絡路由。在由這些節(jié)點組成的網(wǎng)絡中，沒有固定節(jié)點路由服務器，所以每個節(jié)點都起到了路由服務者和使用者的角色，通過路由進行數(shù)據(jù)的交換。

挖礦就是競爭獲得區(qū)塊的打包權，通過計算打包獲得報酬。

什么是難度值？

難度值描述了獲得打包權的門檻，計算所得結果要小于該難度值才有機會獲得打包權，每段時間整個系統(tǒng)會更新難度值，保持10分鐘就能計算出一個區(qū)塊的速度。

初始難度值很大，很容易競爭獲得，如下是0號區(qū)塊鏈的難度值：

0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF

值越大越容易滿足，隨著計算能力提升，為了保持每10分鐘創(chuàng)建一個區(qū)塊的速度，值會逐漸減小，也越來越難滿足。初始難度值表述信息如下，bits是上述值的壓縮值，可以通過0x00FFFF*2^(8*(0x1D-3)恢復上述值（近似值）。將0號區(qū)塊的難度作為1，當前difficulty為初始難度值除以當前難度值：

"nonce": 2083236893, 
"bits": "1d00ffff", 
"difficulty": 1

如何獲得打包權？

每筆交易都會通過廣播的形式發(fā)送給其它節(jié)點，所以計算節(jié)點會拉取一段時間內(nèi)緩存的交易記錄，然后采用如下公式計算：

SHA256(SHA256(version + prev_ hash + merkle_ root + ntime + nbits + nonce)) < TARGET

如果計算出的值小于TARGET，也就是目標難度值，就算成功了。參數(shù)解釋如下：

想要小于目標難度值，需要不斷的嘗試各種參數(shù)組合，這個過程消耗大量計算資源。一旦計算成功，就會廣播新的區(qū)塊，其它客戶端驗證通過后會寫到自己的區(qū)塊鏈賬本中。

什么是挖礦？

當獲得打包權后，整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)會給予該客戶端賬戶一定的獎勵，這個獎勵就是打包的交易事務的第一條記錄，這個獎勵相當于發(fā)行新的貨幣。整個比特幣的數(shù)目是有限的，每隔4年獎勵的比特幣減半，真到2140年所有的比特幣將被挖完，到時挖礦的收入來源為交易的手續(xù)費。
多個節(jié)點符合條件這么辦？

如果同時多個節(jié)點計算出符合條件的區(qū)塊，則會一起廣播，最后傳播最廣，處于最長鏈中的區(qū)塊將會被保留。

隨機數(shù)生成器產(chǎn)生一個隨機數(shù)作為私鑰。

私鑰作為參數(shù)，用SECP256K1算法生成公鑰，SECP256K1算法是一種橢圓曲線算法。但是無法從公鑰計算出私鑰。

計算公鑰哈希值。通過SHA256和RIPEMD160計算公鑰的哈希值，確保數(shù)值的唯一性。

將地址版本號連接到公鑰哈希值，比特網(wǎng)主版本號為0x00，然后兩次SHA256取得前四個字節(jié)作為校驗值。

將版本號+公鑰哈希值+校驗值連接起來，進行BASE58編碼，最后得到比特幣地址。

SPV錢包的驗證過程：

下載完整的區(qū)塊鏈頭數(shù)據(jù)，頭數(shù)據(jù)中包含梅克爾根。

計算出想要驗證交易的哈希值。

根據(jù)哈希值找到對應的區(qū)塊頭。

獲取計算梅克爾根所需要的哈希值。

計算梅克爾根。

對照梅克爾根是否正確。

根據(jù)所在區(qū)塊高度位置，可以確定該交易得到了多少確認。

比特幣中交易事務的模型為UTXO（Unspent Transaction Output），未花費事務輸出。用戶擁有的UTXO相當于他的資產(chǎn)，UTXO只記錄用戶獲得的比特幣，一個未花費事務輸出只能被使用一次。

一筆交易分為輸入和輸出。在A轉10個比特幣給B的事務中，整個模型運轉如下：

A賬戶有兩個UTXO，分別是5個比特幣和6個比特幣。

A找出自己名下滿足10個比特幣的UTXO，可以由多個未花費事務組成（5+6），這些UTXO作為輸入。

輸出則是B獲得10個比特幣的UTXO，A獲得1個比特幣（找零）的UTXO。

數(shù)據(jù)不可篡改。

分布式存儲，數(shù)據(jù)在多地存有備份。

匿名性。通過地址來標識用戶，而地址是通過公鑰生成，所以僅僅通過該地址無法獲取其背后的真實用戶。

價值專遞。自成體系的信任機制，工作量表明比特幣是有價值的，比特幣可以在任何比特幣節(jié)點傳遞。

自動網(wǎng)絡共識。一個交易被其它所有節(jié)點見證，自動的達成了共識。

合約是大家行為的共同準則，少數(shù)人的不守約對整個系統(tǒng)不造成影響。

在比特幣中，所有節(jié)點都遵循合約來處理每筆轉賬交易。比如A將100比特幣轉賬給B，則A所在節(jié)點需要驗證使用的UTXO是否屬于A，并且保證里面有足夠的錢給B，然后將該交易記錄廣播給其它所有節(jié)點，其它節(jié)點會驗證A用作輸入的UTXO是屬于A的，且真實存在的（查看交易記錄簽名），并且這筆轉賬輸入和輸出是持平的，驗證成功后才將該交易記錄進區(qū)塊鏈。如果部分節(jié)點沒有按照上述過程轉賬和驗證，但是整個系統(tǒng)最終會保證結果的正確。

哈希計算的特性：

輸入長度是任意長度

輸出是固定長度

計算過程是有效率的

哈希函數(shù)為了滿足密碼學上的安全性，需要滿足如下條件：

抗沖突。兩個不同的輸入產(chǎn)生了相同的輸出，這就產(chǎn)生了沖突。為了滿足安全性，哈希函數(shù)需要保證找出兩個輸出相同的輸入是很困難的，需要付出很大的時間代價。

信息隱藏。獲得了哈希函數(shù)的輸出，不能倒推出輸入。

難題友好性。在已知結果需要滿足的條件下，很難找出輸入滿足該條件。

常見的哈希算法：MD5，SHA1，SHA2，SHA3。

區(qū)塊鏈中用到的哈希計算：

區(qū)塊鏈哈希。區(qū)塊鏈中會對區(qū)塊頭進行哈希計算，得出該區(qū)塊的哈希值。該哈希值會作為下一個區(qū)塊的一部分被保存，所以該哈希值起到了一個指針的作用，將各個區(qū)塊鏈接起來。這保證了每個區(qū)塊被加入鏈后不可被修改。

梅克爾樹。梅克爾根用來驗證區(qū)塊中交易記錄是否正確。比特幣中的梅克爾根是一個二叉梅克爾樹，首先對交易事務的哈希值兩兩結對計算出新的哈希值，然后將新的哈希值兩兩結對計算出下一個哈希值，依次遞歸，只到算出最后一個哈希值，從而構成了一個哈希樹。梅克爾樹可以驗證交易記錄的完整性。

常用的非對稱加密算法：

RSA。RSA算法的公鑰和私鑰是一對大質(zhì)數(shù)，從公鑰和密文恢復明文的難度等價于分解兩個大質(zhì)數(shù)之積，質(zhì)數(shù)越大破解難度越大。但是計算速度較慢。

橢圓曲線密碼算法。安全性高、生成公鑰方便，存儲空間小。比特幣中使用的是SECP256k1算法。

ASCII編碼。常用的字節(jié)編碼。

Base64編碼。用64個字符來表示二進制文件，所以每3個字節(jié)被表示為4個字符，不足3個字節(jié)的補x00。

Base58編碼。去掉了Base64中一些容易混淆，如0，O，I，1和容易轉義的+、/。

Base58Check。在Base58的基礎上加上了校驗碼，比特幣在生成地址時最后就采用了Base58check，可以在接收到地址時進行校驗，如果計算出的校驗值和接收到的校驗值不同，則認為數(shù)據(jù)無效。

生成賬戶地址。利用公鑰生成地址和作為賬號，用私鑰驗證賬號。

價值轉移保衛(wèi)。用私鑰簽名交易，他人用公鑰驗證交易是本人發(fā)出。用他人公鑰加密交易數(shù)據(jù)，只有接受者才能解密數(shù)據(jù)。

完整性證明。通過哈系數(shù)來校驗區(qū)塊數(shù)據(jù)。

零知識證明。為了證明自己對某筆交易的所有權，只需要解碼交易中部分內(nèi)容，就能證明所有權，而不需要提交自己的密碼來驗證。

在網(wǎng)絡可靠，存在節(jié)點失敗的最小化異步模型中，不存在可以解決一致性問題的確定算法。

分布式計算不可能同時保證一致性、可用性和分區(qū)容錯性。

一致性。所有節(jié)點在同一時刻，所處狀態(tài)相同。

可用性。系統(tǒng)可以正常被訪問。

分區(qū)容錯性。因為網(wǎng)絡故障導致節(jié)點被劃分為不可聯(lián)通的幾塊，但系統(tǒng)仍能正常使用。

A->B<-CA和C需要聯(lián)合攻擊B才能取得勝利，所以雙方需要約定一個確定的時間發(fā)起進攻，兩方的信使都需要經(jīng)過B，所以信使可能被B截獲。A發(fā)送消息給C，C需要發(fā)送確認告訴A消息到達，如果不發(fā)送確認，A同樣會認為消息被B截獲；同樣，A收到C的確認后，同樣需要發(fā)送確認消息給C，否則C會認為消息被B截獲。如此往復，導致A和C無法達到最終的一致。

兩軍問題的關鍵點在于兩點之間的信道傳輸不可靠。

N個將軍通過傳令兵傳遞消息，并且需要達成一致的計劃，但是這N個將軍中存在叛徒，會故意發(fā)送假的消息來擾亂計劃。已經(jīng)證明，如果背叛的將軍超過了1/3，則不可能達成一致的計劃。

既然保證一致性存在上述問題，那么如何實現(xiàn)一套實際可用的的共識算法？

激勵機制：采用一定的激勵機制，依據(jù)博弈論，每個節(jié)點會最大化自己的利益，最后大部分節(jié)點會依照規(guī)則行事。

隨機性：拜占庭問題是每個將軍通過協(xié)調(diào)達到一致，如果有一個大將軍做出最后決定，那么問題就會簡單很多。在去中心化的系統(tǒng)中，如何選出這個“大將軍”呢？

根據(jù)計算力，PoW共識。

根據(jù)資源，PoS共識。

常用的共識算法：

PoW。如，比特幣。

PoS。如，PeerCoin。

DPoS。

Paxos。如，ZooKeeper。

PBFT。

Raft。如，etcd。

以下是對部分共識算法的簡單介紹。

Paxos算法解決的是非拜占庭問題，存在失敗節(jié)點，但沒有惡意節(jié)點。

算法分為提案者、接收者。提案者發(fā)出提案，由接收者投票，超過半數(shù)則認為提案通過。

在處理多個提案者、多個接收者場景的時候，采用了“兩階段提交”的方案：準備階段解決對哪個提案做出表決，提交階段確認提案是否通過。

該算法通過選出一個“大將軍”角色的方式來解決一致性問題。容錯數(shù)目為(n-1)/2。

沒有“大將軍”時會發(fā)起選舉，每個人進行投票，票數(shù)居多的成為“大將軍”。

出現(xiàn)平票時選舉失敗，每人被分配一個隨機的睡眠時間，睡眠者只能投票，無法被選舉。第一個醒的人會發(fā)起新一輪的選舉。

被選出的“大將軍”和每個人保持心跳，一旦“大將軍”失效，則需要進行新的選舉。

由“大將軍”負責下發(fā)指令，村長收到上級指令后會向所有人發(fā)送指令，等接收到超過半數(shù)的反饋后，“大將軍”向上級確認數(shù)據(jù)已經(jīng)接收?！按髮④姟苯邮盏缴霞壍捻憫?，會通知所有人數(shù)據(jù)已提交。

Pbft算法的基本流程主要有以下四步，f表示錯誤節(jié)點數(shù)目。容錯數(shù)目為n/3。

客戶端發(fā)送請求給主節(jié)點。主節(jié)點為隨機挑選出來的。

主節(jié)點廣播請求給其它節(jié)點，節(jié)點執(zhí)行 pbft 算法的三階段共識流程。

節(jié)點處理完三階段流程后，返回消息給客戶端。

客戶端收到來自f+1個節(jié)點的相同消息后，代表共識已經(jīng)正確完成。

PBFT算法多應用于聯(lián)盟鏈中，它達成共識的延時為秒級，基本滿足商業(yè)要求。

算法流程：

向所有節(jié)點廣播交易；

每個節(jié)點收到交易信息并放入塊中；

每一輪，獲得打包權的節(jié)點廣播它保留的塊；

其它節(jié)點驗證塊中的交易無誤后接收該區(qū)塊；

其它節(jié)點將接收的區(qū)塊的哈希值放入他們創(chuàng)建的區(qū)塊中，以表示承認該區(qū)塊的正確性。

節(jié)點以最長的鏈為合法的鏈。節(jié)點在收到一個他人的區(qū)塊后可以選擇拒絕，或者基于該區(qū)塊繼續(xù)挖礦。如果選擇拒絕，則不得不自己計算出一個正確的區(qū)塊，但是會導致該自己另起爐灶的鏈不會長于主流的鏈，所以自己構造的鏈不會得到承認；根據(jù)“不利原理”，節(jié)點會積極的接收其他人廣播的區(qū)塊，并且基于該區(qū)塊接著挖礦。

PoW的特點：

完全去中心化；

性能消耗高，效率低；

達成共識的周期較長；

1/2的容錯率。

PoS不像PoW，任何人都可以參與產(chǎn)生區(qū)塊，而是事前需要投入一些利益在區(qū)塊鏈中，投入越多則越被信任。整個流程如下：

加入PoS機制的成為持幣人，成為驗證者validator；

根據(jù)持幣的多少挑選一個給予打包區(qū)塊的權利；

如果沒有在規(guī)定時間內(nèi)計算出新的區(qū)塊，則選擇下一個節(jié)點給予打包權；

打包成功后進行廣播，被大家接受后可以獲得一定的利息，這個利息通過持幣數(shù)量和幣齡決定，每次打包成功后，會清零幣齡。

委托權益人證明機制（Delegated Proof of Stake），在PoS的基礎上進行了改造，每個持幣人可以選出代表來代替自己計算、驗證區(qū)塊鏈，代表因此會收到一定的酬勞，代表可以主動退出、或被淘汰。該算法減少了參與節(jié)點的數(shù)量，減少了節(jié)點響應的時間，提高了交易效率。

比特幣的區(qū)塊限制在1M，導致記錄的交易數(shù)量很少，限制了比特幣在大規(guī)?？焖俳灰字械膽?，所以提出了兩種方案來解決這個問題：

區(qū)塊擴容。將區(qū)塊大小設置的大一些。

隔離見證。從區(qū)塊中去掉見證交易合法性的簽名。

由于比特幣是無中心化的，讓所有節(jié)點進行改造是不可能的，并且這些節(jié)點的擁有者對改造的意見也不相同。所以節(jié)點的不同選擇會導致整個鏈分叉，從而形成兩種區(qū)塊鏈。

為了讓資產(chǎn)可以在不同區(qū)塊鏈之間轉移而提出了側鏈的概念，主、側鏈之間的轉移步驟如下：

在比特幣主鏈上鎖定一定的比特幣，在側鏈上激活對等的資產(chǎn)；

側鏈按照自己的游戲規(guī)則交易這些資產(chǎn)；

相應的，側鏈可以凍結相應的資產(chǎn)，將比特幣歸還到主鏈。

為了加快交易速度，減少對主鏈的壓力，提出了閃電網(wǎng)的概念。閃電網(wǎng)是在主鏈外開辟快速交易通道，臨時記錄一段時間的頻繁交易，定期將最后結果提交到主鏈。

由于部分節(jié)點采用新版本的合約，而導致和老版本的節(jié)點不兼容，導致區(qū)塊鏈分叉為老節(jié)點產(chǎn)生的區(qū)塊鏈和新節(jié)點產(chǎn)生的區(qū)塊鏈，如果一直保持這種狀況，則會導致整個區(qū)塊鏈分裂為兩個系統(tǒng)，形成“各玩各的”局面。

除了版本差異導致的分叉，還有可能是網(wǎng)絡問題導致部分節(jié)點被孤立起來，從而這些被割裂的節(jié)點組成一個小的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，產(chǎn)生的區(qū)塊鏈和主鏈也會產(chǎn)生較大差異。在某個時刻這部分節(jié)點重新加入主鏈，則整個系統(tǒng)需要耗費一些代價來彌合原來產(chǎn)生的分歧。

如果一個人擁有了區(qū)塊鏈超過一半的算力，他就擁有了大多數(shù)的打包權，那么他就可以在對交易打包時進行作弊，從而從中牟利。

擁有算力優(yōu)勢的人還可以拒絕一些交易記錄，使得一些交易長時間無法完成。

如果擁有算力優(yōu)勢的人采用一些手段違反當初的約定，這會打擊其他人挖礦的積極性，對整個區(qū)塊鏈產(chǎn)生負面的影響。

私鑰丟失代表著在整個區(qū)塊鏈中所擁有的財富丟失，目前還沒有辦法找回。

非所有的交易會被立刻打包進區(qū)塊，一筆交易需要耗費一定的時間才能被計入?yún)^(qū)塊鏈。交易被確認前是緩存在內(nèi)存中的，打包區(qū)塊需要時間進行計算，并且區(qū)塊有大小限制，即使被打包進區(qū)塊還要被大多數(shù)節(jié)點接受，所以一筆交易本最終確認周期較長。

有的節(jié)點會根據(jù)手續(xù)費來控制打包的順序，所以普通的交易更難被打包進區(qū)塊了。

隨著交易數(shù)量的日積月累，承載記賬功能的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)會越來越多，對這些數(shù)據(jù)的查詢和存儲會越來越困難。

內(nèi)容參考《白話區(qū)塊鏈》