区块链概述

Posted 2023-03-30 小饼干Li

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了区块链概述相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

总述：

本系列从理论到实践讲述区块链应用开发，新手驾驶，多多指教！

第一章区块链概述

理解：区块链像一个社区，只不过可大可小。（来源于方天叶）：
- 隐私保护：群里人才能看到群消息；
- 共同维护：每个人同时参与维护这个群；
- 分布式存储：每个成员手机上都有一份聊天记录；
- 密码学：群里的一种方言，其他人看不懂；
- 局部去中心：群主有权踢人▲；
- 共识算法：群成员签到后自动回复问候语机制▲；
- 点对点通信：虽然在一个群，但也可以私聊；
区块链：去中心化的分布式账本技术，其交易不需要额外第三方机构来证明记录的正确性。可将“交易”广义化，因此在健康，保险，供应链，投票等领域应用。
比特币是区块链诞生的标志，容易误把比特币的一些属性加载区块链上。
智能合约：一组计算机协议，不局限于纸质合约的对应。交易与代码，代码赋予其逻辑性，满足条件时转账加密货币，智能化。
分布式系统：服务世界是需求，单一高配置计算机不能满足，不同地域需不同网络。
CPA理论（衡量分布式存储的三个指标）：
- 一致性：不同机器同一时间读取到的信息要一致；
- 可用性：机器随时可用；
- 分区容忍性：分布式系统中，若某些计算机消息丢失或延迟，整个系统要能正常运行。
  -注：CPA理论不是只有“满足”和“不满足”两种状态，而是看满足的程度。
  -区块链：以满足分区容忍性为前提，拥有极高的可用性，牺牲一定的一致性。
区块链数据库：存储于点对点的分布式网络之中，不属于任何一家机构，参与到网络的所有计算机共同拥有数据。
转账数据不局限于金钱，理解为价值交换网络。
代币：通用转账物，存在特殊的无币区块链（如私链），因此代币不是必要属性。
区块：数据存储单元，存一组交易信息及这些交易信息的哈希数据。
同一时间有很多区块产生，区块链提供一套算法打分，留下分数最高的链。每一个独立节点产生自己的区块，接收其它节点传来的区块，择优毁劣，再广播给其它节点。（类似贪心算法思想，每一次最优，整体结局最优）
区块生成时间：区块链系统中生成一个新的区块所需的平均时间。
硬分叉：类似软件bug升级，若对区块链打分算法升级，运行新旧打分算法的节点会硬分叉，且不能再融合。例：比特币和比特币类似币分叉产生了以太坊和经典以太坊。（DAO黑客事件，有的节点不接受回滚）。对此的看法：除硬件原因，不同人对区块链的定义与衡量不同，打分算法也不同，但最终最终好的会留下来。
去中心化：所有节点平等，避免恶意攻击。但运行需要计算资源，普通节点无法负担，因此产生了大型矿池，被大型资源节点接管。
链的分类：
- 公链：任何人可加入，如比特币，以太坊，经济刺激机制；
- 私链：属于一个组织，可被关闭。一般用于企业，无激励，无币，可回滚；
- 联盟链：多个组织所有，如某个商业。折中了公链和私链的特点。（从某方面讲，折中公开与私有，那么与传统已有技术相比，没有优势）
加密货币（不仅是网络上的金钱系统）：
- 系统运行不需要任何中心化机构，分布式共识负责维护系统转台；
- 从系统中能查询到任何一枚加密货币以及对应拥有者；
- 新的加密货币的生成由系统决定，且生成后由系统定义初始状态及拥有权；
- 通过密码学算法可验证加密货币的拥有权；
- 加密货币的拥有权发生转移时才能产生交易；
- 若同时发生两个不同的拥有权转移指令，系统最多接受一个。
区块链应用：
- 金融：银行记账，无网仍可进行操作，有网时同步数据（体现高分区容忍性）。跨境支付（支付环境复杂）；
- 游戏：以太猫游戏，用户完全拥有，即使游戏公司倒闭，游戏中的收益也属于用户，且不能改变，提高游戏可移植性；
- 数字资产：由游戏资产扩展而来；
- 供应链管理：涉及多方参与的业务，大家共同拥有一个数据库，该数据库不属于谁。如产品移交，数据记录，上下游金融往来。
- 其它：自动签署合约，如租房这种制约式合约，自动签约支付；小额个人保险；小额交易的共享经济，公司维护成本大于利润的业务都可尝试区块链智能合约代替。
思考题：推崇区块链==信任崩溃？

不止有知识@每日小句：
愿你我可以带着最微薄的行李和最丰盛的自己在世间流浪。（大冰）

区块链概述---如何简单的理解区块链技术

区块链技术被认为是继蒸汽机、电力、互联网之后，下一代颠覆性的核心技术。如果说蒸汽机释放了人们的生产力，电力解决了人们基本的生活需求，互联网彻底改变了信息传递的方式，那么区块链作为构造信任的机器，将可能彻底改变整个人类社会价值传递的方式。

以前是靠信誉、靠百年老店、权威机构等，区块链利用技术建立了新的信任方式，这是可以被量化的，从技术的角度实现的，所以说区块链成为了下一个信任的基石。区块链最核心的革命特性是改变千百年来落后的信用机制。

最近经常看到或听到区块链和比特币的关键词，但是对于像我这中菜鸟级别的如何简单通俗的理解区块链呢？

1.区块链的举例

区块链的本质是一个分布式的公共账本，任何人都可对这个账本进行核查，但不存在单一的用户可以对它控制。在区块链系统中的参与者共同维持账本的更新：它只能按照严格的规则和共识进行修改。

举例：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！”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”。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！”）。

这是一个去中心化的系统，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。

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。又比如：“比特币”，区块链是比特币的底层技术，真正的区块链和比特币比上述的模型复杂太多，细节也丰富太多。

但是存在以下问题：

假设过了很长一段时间，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，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。

看到这里基本已经能够生动形象又不涉及任何细节地解释区块链了。但是任然存在以下疑问：

“凭啥？”

“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。比如概念 “比特币挖矿”。毕竟1比特币=2400美元。

比特币挖矿机，就是用于赚取比特币的电脑，这类电脑一般有专业的挖矿芯片，

多采用烧显卡的方式工作，耗电量较大。用户用个人计算机下载软件然后运行特定算法，

与远方服务器通讯后可得到相应比特币，是获取比特币的方式之一。

“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？

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？以后还怎么确定交易和信息的真实性？

为了解决这个问题，又追加了新的规则，增加记录编码的难度，即比特币挖矿难度，保证记录的唯一性(保证节点之间的同步)。”不知道用唯一性是否准确？

2.区块链的应用

区块链几乎可以应用到任何领域，在金融、物流、公共服务等领域都有大量案例。中国央行早在2016年就表态支持区块链。2016年11月，中国政府正式把区块链列入十三五规划纲要中。

比如贵州超过3000亿的脱贫脱贫攻坚基金，要通过300多个单位的运作，惠及493万贫困人口，如何确保扶贫资金募款，投资，使用管理等环节正确运作呢？区块链具有多方共识，交易溯源，不可篡改等技术特点，使它在确保信息可信、安全、可追溯等方面具有传统技术不可比拟的优势。以城市为单位，第一个发布区块链白皮书的就是贵阳市。

如果仔细观察，我们会发现马云最近两年在公共场所提及最多的概念便是信用体系。互联网在未来不会是创业主体，而是像空气一样成为我们生活的一部分。

蚂蚁金融便是马云最为看重的业务体系，在马云的构想下，未来人们的生活将无现金，并可以用信用兑换商品。这一实现，十分需要一种革命性的信用机制。这一机制在2016年的支付宝App里已经悄然上线---蚂蚁区块链

3.从技术角度简单理解区块链

(1)区块链的本质

区块链是一种特殊的分布式数据库。

首先，区块链的主要作用是储存信息。任何需要保存的信息，都可以写入区块链，也可以从里面读取，所以它是数据库。

其次，任何人都可以架设服务器，加入区块链网络，成为一个节点。区块链的世界里面，没有中心节点(去中心化)，每个节点都是平等的，都保存着整个数据库。你可以向任何一个节点，写入/读取数据，因为所有节点最后都会同步，保证区块链一致。

(2)区块链的最大特点

区块链没有管理员，它是彻底无中心的。其他的数据库都有管理员，但是区块链没有。如果有人想对区块链添加审核，也实现不了，因为它的设计目标就是防止出现居于中心地位的管理当局。

没有了管理员，人人都可以往里面写入数据，怎么才能保证数据是可信的呢，这就是区块链奇妙的地方。

(3)区块

区块链由一个个相连的区块（block）组成。区块很像数据库的记录，每次写入数据，就是创建一个区块。

每个区块包含两个部分：

区块头（Head）：记录当前区块的元信息

区块体（Body）：实际数据

区块头包含了当前区块的多项元信息

生成时间
实际数据（即区块体）的 Hash
上一个区块的 Hash
......

Hash 就是计算机可以对任意内容，计算出一个长度相同的特征值。区块链的 Hash 长度是256位，不管原始内容是什么，最后都会计算出一个256位的二进制数字。而且可以保证，只要原始内容不同，对应的 Hash 一定是不同的。

举例来说，字符串123的 Hash 是a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0（十六进制），转成二进制就是256位，而且只有123能得到这个 Hash。

(4)Hash 的不可修改性

区块与 Hash 是一一对应的，每个区块的 Hash 都是针对”区块头”（Head）计算的。

Hash = SHA256(区块头)

区块头包含很多内容(包括上一个区块的Hash、当前区块体的Hash等，见上图)。这意味着，如果当前区块的内容变了，或者上一个区块的 Hash 变了，一定会引起当前区块的 Hash 改变。

如果有人修改了一个区块，该区块的 Hash 就变了。为了让后面的区块还能连到它，必须同时修改后面所有的区块，否则被改掉的区块就脱离区块链了。Hash 的计算很耗时，同时修改多个区块几乎不可能发生，除非有人掌握了全网51%以上的计算能力。

正是通过这种联动机制，区块链保证了自身的可靠性，数据一旦写入，就无法被篡改。这就像历史一样，发生了就是发生了，从此再无法改变。

(5)采矿

由于必须保证节点之间的同步，所以新区块的添加速度不能太快。试想一下，你刚刚同步了一个区块，准备基于它生成下一个区块，但这时别的节点又有新区块生成，你不得不放弃做了一半的计算，再次去同步。因为每个区块的后面，只能跟着一个区块，你永远只能在最新区块的后面，生成下一个区块。所以，你别无选择，一听到信号，就必须立刻同步。

所以，区块链的发明者故意让添加新区块，变得很困难。他的设计是，平均每10分钟，全网才能生成一个新区块，一小时也就六个。

这种产出速度不是通过命令达成的，而是故意设置了海量的计算。也就是说，只有通过极其大量的计算，才能得到当前区块的有效 Hash，从而把新区块添加到区块链。由于计算量太大，所以快不起来。

这个过程就叫做采矿（mining），因为计算有效 Hash 的难度，好比在全世界的沙子里面，找到一粒符合条件的沙子。计算 Hash 的机器就叫做矿机，操作矿机的人就叫做矿工。

(6)难度系数

你可能会有一个疑问，人们都说采矿很难，可是采矿不就是用计算机算出一个 Hash 吗，这正是计算机的强项啊，怎么会变得很难，迟迟算不出来呢？(比特币挖矿机，就是用于赚取比特币的电脑，一般有专业的挖矿芯片，多采用烧显卡的方式工作)

原来不是任意一个 Hash 都可以，只有满足条件的 Hash 才会被区块链接受。这个条件特别苛刻，使得绝大部分 Hash 都不满足要求，必须重算。

区块头包含一个难度系数（difficulty）这个值决定了计算 Hash 的难度。举例来说，第100000个区块的难度系数是 14484.16236122。

区块链协议规定，使用一个常量除以难度系数，可以得到目标值（target）。显然，难度系数越大，目标值就越小。

Hash 的有效性跟目标值密切相关，只有小于目标值的 Hash 才是有效的，否则 Hash 无效，必须重算。由于目标值非常小，Hash 小于该值的机会极其渺茫，可能计算10亿次，才算中一次。这就是采矿如此之慢的根本原因。

区块头里面还有一个 Nonce 值，记录了 Hash 重算的次数。第 100000 个区块的 Nonce 值是 274148111，即计算了 2.74 亿次，才得到了一个有效的 Hash，该区块才能加入区块链。

(7)难度系数的动态调节

就算采矿很难，但也没法保证，正好十分钟产出一个区块，有时一分钟就算出来了，有时几个小时可能也没结果。总体来看，随着硬件设备的提升，以及矿机的数量增长，计算速度一定会越来越快。

为了将产出速率恒定在十分钟，区块链发明者还设计了难度系数的动态调节机制。他规定，难度系数每两周（2016个区块）调整一次。如果这两周里面，区块的平均生成速度是9分钟，就意味着比法定速度快了10%，因此难度系数就要调高10%；如果平均生成速度是11分钟，就意味着比法定速度慢了10%，因此难度系数就要调低10%。

难度系数越调越高（目标值越来越小），导致了采矿越来越难。