區(qū)塊鏈原理詳解

1、目錄 區(qū)塊鏈簡(jiǎn)介1 特征及分類2 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4 核心問(wèn)題5 前景展望61.區(qū)塊鏈簡(jiǎn)介區(qū)塊鏈技術(shù)是構(gòu)建比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)與交易信息加密傳輸?shù)幕A(chǔ)技術(shù)。它基于密碼學(xué)原理而不基于信用，使得任何達(dá)成一致的雙方直接支付，從而不需要第三方中介的參與?；ヂ?lián)網(wǎng)上的貿(mào)易，幾乎都需要借助可資信賴的第三方信用機(jī)構(gòu)來(lái)處理電子支付信息。這類系統(tǒng)仍然內(nèi)生性地受制于“基于信用的模式”。背景1.區(qū)塊鏈簡(jiǎn)介區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式賬本，一種通過(guò)去中心化、去信任的方式集體維護(hù)一個(gè)可靠數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)方案。定義從數(shù)據(jù)的角度來(lái)看區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N幾乎不可能被更改的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。這里的“分布式”不僅體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)，也體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布

2、式記錄（即由系統(tǒng)參與者共同維護(hù)）。從技術(shù)的角度來(lái)看區(qū)塊鏈并不是一種單一的技術(shù)，而是多種技術(shù)整合的結(jié)果。這些技術(shù)以新的結(jié)構(gòu)組合在一起，形成了一種新的數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)和表達(dá)的方式。1.區(qū)塊鏈簡(jiǎn)介國(guó)際權(quán)威雜志經(jīng)濟(jì)學(xué)人、哈佛商業(yè)周刊、福布斯雜志等相繼報(bào)道區(qū)塊鏈技術(shù)將影響世界。創(chuàng)業(yè)公司R3聯(lián)合全球42家頂級(jí)銀行成立區(qū)塊鏈聯(lián)盟，包括摩根大通、美國(guó)銀行、匯豐銀行、花旗銀行、富國(guó)銀行、三菱UFJ金融集團(tuán)、巴克萊銀行、高盛、德意志銀行等。動(dòng)態(tài)目錄 區(qū)塊鏈簡(jiǎn)介1 特征及分類2 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4 核心問(wèn)題5 前景展望62.特征及分類特征去中心，去信任區(qū)塊鏈由眾多節(jié)點(diǎn)共同組成一個(gè)端到端的網(wǎng)絡(luò)，不存在中心化的設(shè)備

3、和管理機(jī)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換通過(guò)數(shù)字簽名技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，無(wú)需互相信任，只要按照系統(tǒng)既定的規(guī)則進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)之間不能也無(wú)法欺騙其它節(jié)點(diǎn)。開放，共識(shí)任何人都可以參與到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，每一臺(tái)設(shè)備都能作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都允許獲得一份完整的數(shù)據(jù)庫(kù)拷貝。節(jié)點(diǎn)間基于一套共識(shí)機(jī)制，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)計(jì)算共同維護(hù)整個(gè)區(qū)塊鏈。任一節(jié)點(diǎn)失效，其余節(jié)點(diǎn)仍能正常工作。2.特征及分類特征不可篡改，可追溯單個(gè)甚至多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改無(wú)法影響其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，除非能控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中超過(guò)51%的節(jié)點(diǎn)同時(shí)修改，這幾乎不可能發(fā)生。區(qū)塊鏈中的每一筆交易都通過(guò)密碼學(xué)方法與相鄰兩個(gè)區(qū)塊串聯(lián)，因此可以追溯到任何一筆交易的前世今生。交易透明，雙方匿名區(qū)塊鏈

4、的運(yùn)行規(guī)則是公開透明的，所有的數(shù)據(jù)信息也是公開的，因此每一筆交易都對(duì)所有節(jié)點(diǎn)可見。由于節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間是去信任的，因此節(jié)點(diǎn)之間無(wú)需公開身份，每個(gè)參與的節(jié)點(diǎn)都是匿名的。 2.特征及分類分類聯(lián)盟鏈由若干機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起，介于公有鏈和私有鏈之間，兼具部分去中心化的特性。私有鏈建立在某個(gè)企業(yè)內(nèi)部，系統(tǒng)的運(yùn)作規(guī)則根據(jù)企業(yè)要求進(jìn)行設(shè)定，修改甚至是讀取權(quán)限僅限于少數(shù)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)仍保留著區(qū)塊鏈的真實(shí)性和部分去中心化的特性。公有鏈無(wú)官方組織及管理機(jī)構(gòu)，無(wú)中心服務(wù)器，參與的節(jié)點(diǎn)按照系統(tǒng)規(guī)則自由接入網(wǎng)絡(luò)、不受控制，節(jié)點(diǎn)間基于共識(shí)機(jī)制開展工作。目錄 區(qū)塊鏈簡(jiǎn)介1 特征及分類2 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4 核心問(wèn)題5 前景展望6

5、3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)科普數(shù)字簽名數(shù)字簽名涉及到一個(gè)哈希函數(shù)、發(fā)送者的公鑰、發(fā)送者的私鑰。數(shù)字簽名有兩個(gè)作用，一是能確定消息確實(shí)是由發(fā)送方簽名并發(fā)出來(lái)的。二是數(shù)字簽名能確定消息的完整性。工作原理發(fā)送報(bào)文時(shí)，發(fā)送方用一個(gè)哈希函數(shù)從報(bào)文文本中生成報(bào)文摘要，然后用自己的私鑰對(duì)摘要進(jìn)行加密，加密后的摘要將作為報(bào)文的數(shù)字簽名和報(bào)文一起發(fā)送給接收方，接收方首先用與發(fā)送方一樣的哈希函數(shù)從接收到的原始報(bào)文中計(jì)算出報(bào)文摘要，接著再用發(fā)送方的公鑰來(lái)對(duì)報(bào)文附加的數(shù)字簽名進(jìn)行解密，如果這兩個(gè)摘要相同、那么接收方就能確認(rèn)該數(shù)字簽名是發(fā)送方的。3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)科普SHA256 一種求Hash值的加密算法。工作原理將任何一串?dāng)?shù)據(jù)輸入

6、到SHA256將得到一個(gè)256位的Hash值（散列值）。其特點(diǎn)：相同的數(shù)據(jù)輸入將得到相同的結(jié)果。輸入數(shù)據(jù)只要稍有變化（比如一個(gè)1變成了0）則將得到一個(gè)千差萬(wàn)別的結(jié)果，且結(jié)果無(wú)法事先預(yù)知。正向計(jì)算（由數(shù)據(jù)計(jì)算其對(duì)應(yīng)的Hash值）十分容易。逆向計(jì)算（俗稱“破解”，即由Hash值計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)）極其困難，在當(dāng)前科技條件下被視作不可能。3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)Merkle Tree一種哈希二叉樹，使用它可以快速校驗(yàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的完整性。在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，Merkle 樹被用來(lái)歸納一個(gè)區(qū)塊中的所有交易信息，最終生成這個(gè)區(qū)塊所有交易信息的一個(gè)統(tǒng)一的哈希值，區(qū)塊中任何一筆交易信息的改變都會(huì)使得使得 Merkle 樹改

7、變?？破展ぷ髟矸侨~子節(jié)點(diǎn)value的計(jì)算方法是將該節(jié)點(diǎn)的所有子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合，然后對(duì)組合結(jié)果進(jìn)行hash計(jì)算所得出的hash value。3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)時(shí)間戳服務(wù)器大多用來(lái)進(jìn)行比對(duì)以及驗(yàn)證處理，時(shí)間戳服務(wù)器是一款基于PKI（公鑰密碼基礎(chǔ)設(shè)施）技術(shù)的時(shí)間戳權(quán)威系統(tǒng)，對(duì)外提供精確可信的時(shí)間戳服務(wù)。它采用精確的時(shí)間源、高強(qiáng)度高標(biāo)準(zhǔn)的安全機(jī)制，以確認(rèn)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)在某一時(shí)間的存在性和相關(guān)操作的相對(duì)時(shí)間順序，為信息系統(tǒng)中的時(shí)間防抵賴提供基礎(chǔ)服務(wù)?？破?.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)本章節(jié)后續(xù)內(nèi)容，均以比特幣網(wǎng)絡(luò)特性展開闡述3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)任何機(jī)器都可以運(yùn)行一個(gè)完整的比特幣節(jié)點(diǎn)，一個(gè)完整的比特幣節(jié)點(diǎn)包括如下功能

8、：1.錢包，允許用戶在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行交易2.完整區(qū)塊鏈，記錄了所有交易歷史，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)保證歷史交易的安全性，并且用來(lái)驗(yàn)證新交易的合法性3.礦工，通過(guò)記錄交易及解密數(shù)學(xué)題來(lái)生成新區(qū)塊，如果成功可以賺取獎(jiǎng)勵(lì)4.路由功能，把其它節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的交易數(shù)據(jù)等信息再傳送給更多的節(jié)點(diǎn)除了路由功能以外，其它的功能都不是必須的。3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易過(guò)程3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易過(guò)程第2步：A將交易單廣播至全網(wǎng)，比特幣就發(fā)送給了B，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將收到的交易信息納入一個(gè)區(qū)塊中第1步：所有者A利用他的私鑰對(duì)前一次交易（比特貨來(lái)源）和下一位所有者B簽署一個(gè)數(shù)字簽名，并將這個(gè)簽名附加在這枚貨幣的末尾，制作成交易單要點(diǎn)：B以公鑰作

9、為接收方地址要點(diǎn)：對(duì)B而言，該枚比特幣會(huì)即時(shí)顯示在比特幣錢包中，但直到區(qū)塊確認(rèn)成功后才可用。目前一筆比特幣從支付到最終確認(rèn)成功，得到6個(gè)區(qū)塊確認(rèn)之后才能真正確認(rèn)到帳。3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易過(guò)程第3步：每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)解一道數(shù)學(xué)難題，從而去獲得創(chuàng)建新區(qū)塊權(quán)利，并爭(zhēng)取得到比特幣的獎(jiǎng)勵(lì)（新比特幣會(huì)在此過(guò)程中產(chǎn)生）要點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)反復(fù)嘗試尋找一個(gè)數(shù)值，使得將該數(shù)值、區(qū)塊鏈中最后一個(gè)區(qū)塊的Hash值以及交易單三部分送入SHA256算法后能計(jì)算出散列值X（256位）滿足一定條件（比如前20位均為0），即找到數(shù)學(xué)難題的解。由此可見，答案并不唯一第4步：當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)找到解時(shí)，它就向全網(wǎng)廣播該區(qū)塊記錄的所有蓋時(shí)間戳交易，并由全

10、網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)核對(duì)要點(diǎn)：時(shí)間戳用來(lái)證實(shí)特定區(qū)塊必然于某特定時(shí)間是的確存在的。比特幣網(wǎng)絡(luò)采取從5個(gè)以上節(jié)點(diǎn)獲取時(shí)間，然后取中間值的方式作為時(shí)間戳。3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易過(guò)程第5步：全網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)核對(duì)該區(qū)塊記賬的正確性，沒(méi)有錯(cuò)誤后他們將在該合法區(qū)塊之后競(jìng)爭(zhēng)下一個(gè)區(qū)塊，這樣就形成了一個(gè)合法記賬的區(qū)塊鏈。要點(diǎn)：每個(gè)區(qū)塊的創(chuàng)建時(shí)間大約在10分鐘。隨著全網(wǎng)算力的不斷變化，每個(gè)區(qū)塊的產(chǎn)生時(shí)間會(huì)隨算力增強(qiáng)而縮短、隨算力減弱而延長(zhǎng)。其原理是根據(jù)最近產(chǎn)生的2016年區(qū)塊的時(shí)間差（約兩周時(shí)間），自動(dòng)調(diào)整每個(gè)區(qū)塊的生成難度（比如減少或增加目標(biāo)值中0的個(gè)數(shù)），使得每個(gè)區(qū)塊的生成時(shí)間是10分鐘。目錄 區(qū)塊鏈簡(jiǎn)介1 特征及分類2 區(qū)

11、塊鏈網(wǎng)絡(luò)3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4 核心問(wèn)題5 前景展望64.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈以區(qū)塊為單位組織數(shù)據(jù)。全網(wǎng)所有的交易記錄都以交易單的形式存儲(chǔ)在全網(wǎng)唯一的區(qū)塊鏈中。4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)塊是一種記錄交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊主體組成，區(qū)塊主體只負(fù)責(zé)記錄前一段時(shí)間內(nèi)的所有交易信息，區(qū)塊鏈的大部分功能都由區(qū)塊頭實(shí)現(xiàn)。區(qū)塊4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)塊頭1.版本號(hào)，標(biāo)示軟件及協(xié)議的相關(guān)版本信息2.父區(qū)塊哈希值，引用的區(qū)塊鏈中父區(qū)塊頭的哈希值，通過(guò)這個(gè)值每個(gè)區(qū)塊才首尾相連組成了區(qū)塊鏈，并且這個(gè)值對(duì)區(qū)塊鏈的安全性起到了至關(guān)重要的作用3.Merkle 根，這個(gè)值是由區(qū)塊主體中所有交易的哈希值再逐級(jí)兩兩哈希計(jì)算出來(lái)的一個(gè)數(shù)值，主

12、要用于檢驗(yàn)一筆交易是否在這個(gè)區(qū)塊中存在4.時(shí)間戳，記錄該區(qū)塊產(chǎn)生的時(shí)間，精確到秒5.難度值，該區(qū)塊相關(guān)數(shù)學(xué)題的難度目標(biāo)6.隨機(jī)數(shù)(Nonce)，記錄解密該區(qū)塊相關(guān)數(shù)學(xué)題的答案的值4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在當(dāng)前區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈后，所有礦工就立即開始下一個(gè)區(qū)塊的生成工作。1.把在本地內(nèi)存中的交易信息記錄到區(qū)塊主體中2.在區(qū)塊主體中生成此區(qū)塊中所有交易信息的 Merkle 樹，把 Merkle 樹根的值保存在區(qū)塊頭中3.把上一個(gè)剛剛生成的區(qū)塊的區(qū)塊頭的數(shù)據(jù)通過(guò) SHA256 算法生成一個(gè) 哈希值填入到當(dāng)前區(qū)塊的父哈希值中4.把當(dāng)前時(shí)間保存在時(shí)間戳字段中5.難度值字段會(huì)根據(jù)之前一段時(shí)間區(qū)塊的平均生成時(shí)間進(jìn)行調(diào)整以應(yīng)

13、對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不斷變化的整體計(jì)算總量，如果計(jì)算總量增長(zhǎng)了，則系統(tǒng)會(huì)調(diào)高數(shù)學(xué)題的難度值，使得預(yù)期完成下一個(gè)區(qū)塊的時(shí)間依然在一定時(shí)間內(nèi)區(qū)塊形成過(guò)程目錄 區(qū)塊鏈簡(jiǎn)介1 特征及分類2 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4 核心問(wèn)題5 前景展望65.核心問(wèn)題區(qū)塊頭包含一個(gè)隨機(jī)數(shù)，使得區(qū)塊的隨機(jī)散列值出現(xiàn)了所需的0個(gè)數(shù)。節(jié)點(diǎn)通過(guò)反復(fù)嘗試來(lái)找到這個(gè)隨機(jī)數(shù)， 這樣就構(gòu)建了一個(gè)工作量證明機(jī)制。工作量證明工作量證明機(jī)制的本質(zhì)是一CPU一票，“大多數(shù)”的決定表達(dá)為最長(zhǎng)的鏈，因?yàn)樽铋L(zhǎng)的鏈包含了最大的工作 量。如果大多數(shù)的CPU為誠(chéng)實(shí)的節(jié)點(diǎn)控制，那么誠(chéng)實(shí)的鏈條將以最快的速度延長(zhǎng)，并超越其他的競(jìng)爭(zhēng)鏈條。如果想要修改已出現(xiàn)的區(qū)塊，攻擊者必

14、須重新完成該區(qū)塊的工作量外加該區(qū)塊之后所有區(qū)塊的工作量，并最終趕上和超越誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)的工作量。5.核心問(wèn)題同一時(shí)間段內(nèi)全網(wǎng)不止一個(gè)節(jié)點(diǎn)能計(jì)算出隨機(jī)數(shù)，即會(huì)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中廣播它們各自打包好的臨時(shí)區(qū)塊（都是合法的）。分叉某一節(jié)點(diǎn)若收到多個(gè)針對(duì)同一前續(xù)區(qū)塊的后續(xù)臨時(shí)區(qū)塊，則該節(jié)點(diǎn)會(huì)在本地區(qū)塊鏈上建立分支，多個(gè)臨時(shí)區(qū)塊對(duì)應(yīng)多個(gè)分支。該僵局的打破要等到下一個(gè)工作量證明被發(fā)現(xiàn)，而其中的一條鏈條被證實(shí)為是較長(zhǎng)的一條，那么在另一條分支鏈條上工作的節(jié)點(diǎn)將轉(zhuǎn)換陣營(yíng)，開始在較長(zhǎng)的鏈條上工作。其他分支將會(huì)被網(wǎng)絡(luò)徹底拋棄。5.核心問(wèn)題雙花，即二重支付，指攻擊者幾乎同時(shí)將同一筆錢用作不同交易。雙花每當(dāng)節(jié)點(diǎn)在把新收到的交易

15、單加入?yún)^(qū)塊之前，會(huì)順著交易的發(fā)起方的公鑰向前遍歷檢查，檢查當(dāng)前交易所用的幣是否確實(shí)屬于當(dāng)前交易發(fā)起方，此檢查可遍歷到該幣的最初誕生點(diǎn)（即產(chǎn)生它的那塊區(qū)塊源）。雖然多份交易單可以任意序的廣播，但是它們最終被加入?yún)^(qū)塊時(shí)必定呈現(xiàn)一定的順序。區(qū)塊之間以Hash值作為時(shí)間戳則區(qū)塊，這決定了任意一筆交易資金來(lái)源都可以被確定的回溯。5.核心問(wèn)題高能耗數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間處理大規(guī)模交易的抗壓能力安全性目錄 區(qū)塊鏈簡(jiǎn)介1 特征及分類2 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4 核心問(wèn)題5 前景展望66. 前景展望從 2008年的比特幣開始，區(qū)塊鏈經(jīng)歷了可編程貨幣、可編程金融與可編程社會(huì)三大應(yīng)用時(shí)代，其應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)展到社會(huì)生活的方方面面。從需求端來(lái)看，金融、 醫(yī)療、公證、通信、供應(yīng)鏈、域名、投票等領(lǐng)域都開始意識(shí)到區(qū)塊鏈的重要性并開始嘗試將技術(shù)與現(xiàn)實(shí)社會(huì)對(duì)接。從投資端來(lái)看，區(qū)塊鏈的投資資金供給逐步上升， 風(fēng)投的投資熱情也不斷高漲，投資密度越來(lái)越大，供給端的資金供給有望推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。從