區(qū)塊鏈應(yīng)用技術(shù) 課件 2.1區(qū)塊鏈內(nèi)涵及運行原理

區(qū)塊鏈內(nèi)涵及運行原理區(qū)塊鏈的背景公認(rèn)的最早關(guān)于區(qū)塊鏈的描述性文獻(xiàn)是中本聰所撰寫的文章《Bitcoin:APeer-toPeerElectronicCachSystem》但該文獻(xiàn)重點在于討論比特幣系統(tǒng)，實際上并沒有明確提出區(qū)塊鏈的定義和概念，在其中指出，區(qū)塊鏈?zhǔn)怯糜谟涗洷忍貛沤灰踪~目歷史的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。另外，Wikipedia上給出的定義中，將區(qū)塊鏈類比為一種分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，通過維護(hù)數(shù)據(jù)塊的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，可以維持持續(xù)增長的、不可篡改的數(shù)據(jù)記錄。區(qū)塊鏈技術(shù)最早的應(yīng)用出現(xiàn)在比特幣項目中。作為比特幣背后的分布式記賬平臺，在無集中式管理的情況下，比特幣網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運行了八年時間，支持了海量的交易記錄，并且從未出現(xiàn)嚴(yán)重的漏洞，這些都與巧妙的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)分不開的。區(qū)塊鏈技術(shù)自身仍然在飛速發(fā)展中，目前相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)還在進(jìn)一步成熟中。區(qū)塊鏈的三大基礎(chǔ)概念區(qū)塊鏈的基本原理理解起來并不復(fù)雜。首先，區(qū)塊鏈包括三個基本概念：（1）交易（transaction）：一次對賬本的操作，導(dǎo)致賬本狀態(tài)的一次改變，如添加一條轉(zhuǎn)賬記錄；（2）區(qū)塊（block）：記錄一段時間內(nèi)發(fā)生的所有交易和狀態(tài)結(jié)果，是對當(dāng)前賬本狀態(tài)的一次共識；（3）鏈（chain）：由區(qū)塊按照發(fā)生順序串聯(lián)而成，是整個賬本狀態(tài)變化的日志記錄。如果把區(qū)塊鏈作為一個狀態(tài)機，則每次交易就是試圖改變一次狀態(tài)，而每次共識生成的區(qū)塊，就是參與者對于區(qū)塊中交易導(dǎo)致狀態(tài)改變的結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。在實現(xiàn)上，首先假設(shè)存在一個分布式的數(shù)據(jù)記錄賬本，這個賬本只允許添加、不允許刪除。賬本底層的基本結(jié)構(gòu)是一個線性的鏈表，這也是其名字“區(qū)塊鏈”的來源。鏈表由一個個“區(qū)塊”串聯(lián)組成，如圖2-1所示，后繼區(qū)塊記錄前導(dǎo)區(qū)塊的哈希值（prehash）。新的數(shù)據(jù)要加入，必須放到一個新的區(qū)塊中。而這個塊（以及塊里的交易）是否合法，可以通過計算哈希值的方式快速檢驗出來。任意維護(hù)節(jié)點都可以提議一個新的合法區(qū)塊，然而必須經(jīng)過一定的共識機制來對最終選擇的區(qū)塊達(dá)成一致。區(qū)塊鏈運行原理區(qū)塊鏈經(jīng)典案例-比特幣運行原理首先，比特幣客戶端發(fā)起一項交易，廣播到比特幣網(wǎng)絡(luò)中并等待確認(rèn)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點會將一些收到的等待確認(rèn)的交易記錄打包在一起（此外還要包括前一個區(qū)塊頭部的哈希值等信息），組成一個候選區(qū)塊。然后，試圖找到一個nonce串（隨機串）放到區(qū)塊里，使得候選區(qū)塊的哈希結(jié)果滿足一定條件（比如小于某個值）。這個nonce串的查找需要一定的時間去進(jìn)行計算嘗試。一旦節(jié)點算出來滿足條件的nonce串，這個區(qū)塊在格式上就被認(rèn)為是“合法”了，就可以嘗試在網(wǎng)絡(luò)中將它廣播出去。其他節(jié)點收到候選區(qū)塊，進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)確實符合約定條件了，就承認(rèn)這個區(qū)塊是一個合法的新區(qū)塊，并添加到自己維護(hù)的區(qū)塊鏈上。當(dāng)大部分節(jié)點都將區(qū)塊添加到自己維護(hù)的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)上時，該區(qū)塊被網(wǎng)絡(luò)接受，區(qū)塊中所包括的交易也就得到確認(rèn)。當(dāng)然，在實現(xiàn)上還會有很多額外的細(xì)節(jié)。這里面比較關(guān)鍵的步驟有兩個：一個是完成對一批交易的共識（創(chuàng)建區(qū)塊結(jié)構(gòu)）；一個是新的區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)上，被大家認(rèn)可，確保未來無法被篡改。區(qū)塊鏈經(jīng)典案例-比特幣運行原理比特幣的這種基于算力尋找nonce串的共識機制稱為工作量證明（ProofofWork，PoW）。目前，要讓哈希結(jié)果滿足一定條件，并無已知的快速啟發(fā)式算法，只能進(jìn)行嘗試性的暴力計算。嘗試的次數(shù)越多（工作量越大），算出來的概率越大。通過調(diào)節(jié)對哈希結(jié)果的限制，比特幣網(wǎng)絡(luò)控制平均約10分鐘產(chǎn)生一個合法區(qū)塊。算出區(qū)塊的節(jié)點將得到區(qū)塊中所有交易的管理費和協(xié)議固定發(fā)放的獎勵費（目前是12.5比特幣，每四年減半），這個計算新區(qū)塊的過程俗稱為挖礦。讀者可能會關(guān)心，比特幣網(wǎng)絡(luò)是任何人都可以加入的，如果網(wǎng)絡(luò)中存在惡意節(jié)點單，能否進(jìn)行惡意操作來對區(qū)塊鏈中的記錄進(jìn)行篡改，從而破壞整個比特幣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。比如最簡單的，故意不承認(rèn)收到的別人產(chǎn)生的合法候選區(qū)塊，或者干脆拒絕來自其他節(jié)點的交易等。實際上，比特幣網(wǎng)絡(luò)中存在大量（據(jù)估計數(shù)千個）的維護(hù)節(jié)點，而且大部分節(jié)點都是正常工作的，默認(rèn)都只承認(rèn)所看到的最長的鏈結(jié)構(gòu)。只要網(wǎng)絡(luò)中不存在超過一半的節(jié)點提前勾結(jié)一起采取惡意行動，則最長的鏈將很大概率上成為最終合法的鏈。而且隨著時間增加，這個概率會越來越大。例如，經(jīng)過6個區(qū)塊生成后，即便有一半的節(jié)點聯(lián)合起來想顛覆被確認(rèn)的結(jié)果，其概率也僅為（1/2）6≈1.6%，即低于1/60的可能性。當(dāng)然，如果整個網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)的節(jié)點都聯(lián)合起來作惡，可以導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常工作。要做到這一點，往往意味著付出很大的代價，跟通過作惡得到的收益相比，得不償失。區(qū)塊鏈運行原理如果把區(qū)塊鏈作為一個狀態(tài)機，則每次交易就是試圖改變一次狀態(tài)，而每次共識生成的區(qū)塊，就是參