走进区块链（一）

作者：黄武汉

区块链，是“中本聪”（真实身份未知）在2008年发表的《比特币白皮书》中提出的。2009年创立了比特币社会网络。近两年，区块链越来越受关注。抽时间看了点资料，做一下整理，分章节简单介绍一下区块链，特别是以比特币为代表的区块链1.0技术。

首先看看区块链的定义？

区块链涉及很广，它是一种基于已有技术的巧妙组合，包括了密码学，博弈论，对等网络（P2P），经济学，分布式共识...等一系列概念。区块链的定义很难用一句话来概括，有种渐进的方式可能更容易诠释区块链：

1、首先区块链属于一种去中心化的分布式数据库。每一个节点都存储着全量的数据内容，没有传统意义上的中心节点。那数据库存储的是什么？

2、数据库中存储的数据被称为账本，每个账本通过反向单向链表链接而成，每一个账本被称为一个区块，整个链表就是区块链。区块之间通过哈希指针关联，子区块存储了父区块的哈希指针，所以称为反向单向链表。那账本里面具体是什么？

3、账本，通常叫区块，是一批交易的集合。一个区块，主要包括区块头和区块体两部分。区块头存储摘要信息，区块体存储具体交易信息。那交易是什么？

4、交易是区块链的核心。首先区块链里的比特币都是由coinbase交易产生的，coinbase交易是区块体中的第一个交易，最初每个coinbase交易能产生50个BTC，一段时间后减半，直至为零。其次，区块链没有账户余额概念，所有的货币以UTXO（Unspent Transaction Outputs）的形式存在，区块链中的所有比特币就是UTXO的集合。换句话说，区块链里面的余额是以交易的形式存在的，交易构成了一组链式结构，所有合法的交易都可以向前追溯到一个或多个的coinbase交易，向后的末尾则是一个或多个的UTXO。那交易又是怎样被加入到区块链中的？

5、分布式系统中的每个节点，都有记账的权利。任意节点产生一笔交易时，都会广播到整个网络。网络中的节点通过一定的选举算法来争取记账权。争取到记账权的节点，会将一定时间内收到交易集合进行筛选，逐条验证，打包成区块，关联到已有链表尾部，并广播到全网。那选举算法是什么？

6、在比特币网络中，选举算法是通过解决一道哈希散列难题来进行的，谁先算出符合要求的随机数，随就有权记账。简单说，就是寻找一个随机数，让父区块的哈希值，加上10分钟内验证过的交易内容，加上这个随机数，三者组成的数据的哈希值小于给定的难度目标。因为网络环境复杂，在父区块计算出来后，广播到达的时间有早有晚，为了避免这种延迟导致的不公平，系统会通过调节难度目标，使得计算时间平均控制在10分钟左右，这样就能忽略延迟时间了。即使是这样，也有可能存在多个节点同时解出难题，同时广播区块消息的情况，这时候，应该以哪个为准？

7、这种问题，也被称为分布式共识问题。现存的解决方法主要有PoW，PoS，DPoS，分布式一致性算法等。比特币采用的是PoW，即工作量证明。不管有多少个节点同时解出问题，随着链路的增加，不同的分支在同一个时间肯定有不同的长度（通过一条链路上的区块链难度之和计算链路长度），系统只会认可难度最大，即所谓链路最长的一条为主链，其他的都不生效。就这样，各个节点会形成一种共识，总会找最长的链条进行确认增加，因为这条链被承认为主链的概率最大。而大家也会放弃短的链条，因为有很大概率这条链路是要被废弃的，那在这条链路上所作的所有工作都白费了。既然区块链存在分叉，那怎样才能最终确认一笔交易？

8、为了避免作弊行为，如"双花问题"，比特币采用6次确认的规则。即当前交易所在的区块后面又有五个验证通过的区块，我们才承认这笔交易，相当于这比交易经过了6次确认。前面说过，在正常情况下，短时间内有多个人同时解出难题是有概率的，此时就有多个分支并行交替发展。但分支总会有长有短，短的分支上产生的所有交易会被取消，重新放入未打包的交易区。大概6次确认后，如果交易没被取消，基本可以确认这次交易。如果有恶意用户，短时间内解出多个区块，也是完全可以作弊的，不过需要的代价也很大，几率很低。

以上是对区块链简单的定义。

那区块链要解决的是什么问题？

从定义中，可以至少发现以下几点：：

1、分布式容灾。区块链中的每一个节点都遵循同一套规则，存储相同的信息，不依赖任何一个中心节点服务。单个节点发生消息延迟或不可送达，无法控制和破坏整个网络，可用性极高。这就是去中心化的好处。

b、不可篡改性。数据一但提交并确认，将不能回滚，也不能被修改。这源于哈希指针、最长主链原则、六次确认、哈希难题等一系列机制。

c、隐私保护性。区块链的参与者，都以私钥（或钱包地址）形式存在，很难与真实世界相对应，所有权限的认证通过密码学实现。

d、信任问题。区块链不依赖任何中心组织，无需任何权威机构背书，不存在机构操纵控制问题，完全通过算法自我约束，任何恶意欺骗系统的行为都会遭到其他节点的排斥和抑制。在处理拜占庭错误问题（指系统中存在包括消息被篡改、节点不按照协议进行处理等问题）上，区块链可以容忍1/3左右的节点异常。

那区块链有哪些分类？

区块链自诞生以来就备受关注，关于分类也有多种说法，有两种比较常见的分类方式：

1、按照公开程度，分为三种：

a、私有链：只有少数节点可以操控，信息不公开或部分公开。写入权限控制在部分管理者中，在小范围内实现去中心化的分布式应用。这种区块链，在商业上应用前景较好。读写权限分离，读权限可以公开或部分公开，适用于审计管理等。

b、联盟链：由若干组织一起合作维护一条区块链，区块链的使用权有权限要求，相关信息得到保护。这种区块链比私有链公开，适用于一些商业联盟，在更大范围内实现去中心化的分布式理念。适用于银联等联盟体系应用。

c、公开链：全世界任何人都可读取的、任何人都能发送交易且交易能获得有效确认的、任何人都能参与其中共识过程的区块链。这些区块链被认为是“完全去中心化”的，比如比特币。

2、按照功能来看，主要分为三种：

a、区块链1.0：以支持数字货币为主的数字货币区块链，主要代表就是比特币网络。这项技术主要来自聪哥的白皮书。从08年提出，09年开始实践，经历了8年多的考验，是一项革命性的创新，它的特点在于：去中心化，世界流通，隐蔽性高，交易方便，不存在信任问题等。同时也发现了一些不足：如扩容、矿池导致的中心化问题、PoW导致的资源浪费问题，比特币脚本的图灵不完备导致的扩展问题（图灵不完备主要是出于安全性考虑）等等。

b、区块链2.0：以以太坊为代表的支持智能合约的通用区块链。在区块链诞生的6年后，即2014年，Vitalik Buterin提出了新一代的区块链技术：一种图灵完备的可编程区块链，可以实现多种类型的去中心化应用平台，以此实现一个总体上完全无需信任基础的智能合约平台。概念有点抽象，说实在点：以太坊使用了内存需求较高的哈希函数，使用uncle块激励机制，避免矿池的中心化；支持除了 PoW 之外的可以避免资源浪费的共识机制；实现了图灵完备的虚拟机EVM（智能合约基础）等。2.0技术意味着区块链不仅可以用来买卖货币，还能进行各种合约性质的业务，如：资质证明、众筹、金融交易、资产证明等等。2.0技术也有其局限性：主要集中于特定对象（比如合同的双方）、交易主要以特定资产为主的（比如房产、知识产权、汽车等的所有权或其他权益）、交易范围还比较局限。

c、区块链3.0：面向复杂商业应用场景，支持权限管理的分布式账本平台。简单点说，就是除货币（1.0）和金融（2.0）外，将区块链应用到在其他领域上。3.0的概念还不成熟，许多人再争夺这个“冠名权”。3.0将是一个划时代的产品，像超级账本，自动化采购，智能化物联网，智能供应链等生活的方方面面都会涉及。

以上所有，让我们大概认识了什么是区块链，因为参考的资料比较多，就不列了。