區(qū)塊鏈?zhǔn)鞘裁矗克募軜?gòu)和運(yùn)作機(jī)制你都了解嗎

區(qū)塊鏈一直很火爆，是因?yàn)閰^(qū)塊鏈既是全新的技術(shù)方案、交易模式和商業(yè)邏輯，同時(shí)也是一種全新的制度機(jī)制。今天通過一篇文章幫助大家初步認(rèn)識(shí)一下區(qū)塊鏈。

1、什么是區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于化名為“中本聰”（Satoshi Nakamoto）的學(xué)者在2008年發(fā)表的奠基性論文《比特幣: 一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)》。狹義來講, 區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu), 并以密碼學(xué)方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。廣義來講，區(qū)塊鏈技術(shù)是利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學(xué)的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全、利用由自動(dòng)化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式。

目前，區(qū)塊鏈技術(shù)被很多大型機(jī)構(gòu)稱為是徹底改變業(yè)務(wù)乃至機(jī)構(gòu)運(yùn)作方式的重大突破性技術(shù)。同時(shí)，就像云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)一樣，區(qū)塊鏈技術(shù)并不是單一信息技術(shù)，而是依托于現(xiàn)有技術(shù)，加以獨(dú)創(chuàng)性的組合及創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)以前未實(shí)現(xiàn)的功能。至今為止，區(qū)塊鏈技術(shù)大致經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段。

不要把區(qū)塊鏈想象的非常神秘，區(qū)塊鏈的本質(zhì)上是一個(gè)去中心化的分布式賬本，其本身是一系列使用密碼學(xué)而產(chǎn)生的互相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)塊，每一個(gè)數(shù)據(jù)塊中包含了多條經(jīng)比特幣的網(wǎng)絡(luò)交易有效確認(rèn)的信息。按照類型分為：公有鏈、聯(lián)盟鏈和私人區(qū)塊鏈。

公有鏈

世界上所有人都可以閱讀和發(fā)送交易。如果他們合法都有希望看到自己被包括在內(nèi)。世界上任何人都能參與到共識(shí)形成過程——決定在鏈條上添加什么區(qū)塊以及現(xiàn)狀是怎樣的。作為中心化或準(zhǔn)中心化信任的替代品，公有鏈?zhǔn)芗用芙?jīng)濟(jì)的保護(hù)，加密經(jīng)濟(jì)是經(jīng)濟(jì)激勵(lì)和加密圖形驗(yàn)證的結(jié)合，用類似工作量證明或權(quán)益證明的機(jī)制，遵循的總原則是人們影響共識(shí)形成的程度和他們能夠影響的經(jīng)濟(jì)資源數(shù)量成正比。這類區(qū)塊鏈通常被認(rèn)為是"完全去中心化"。

聯(lián)盟鏈

共識(shí)形成過程由預(yù)先選擇的一系列的節(jié)點(diǎn)所掌控，例如，設(shè)想一個(gè)有15個(gè)金融機(jī)構(gòu)的團(tuán)體，每個(gè)機(jī)構(gòu)都操作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，為了使區(qū)塊生效，其中的10個(gè)必須簽署那個(gè)區(qū)塊。閱讀區(qū)塊鏈的權(quán)利可能是公開的，或僅限于參與者，也有混合的路徑，比如區(qū)塊的根散表和應(yīng)用程序編程接口一起公開，使公共成員可以進(jìn)行一定量的查詢，重獲一部分區(qū)塊鏈狀態(tài)的加密圖形證明。這類區(qū)塊鏈被認(rèn)為是"部分去中心化"。

私人區(qū)塊鏈

書寫許可對(duì)一個(gè)組織保持中心化。閱讀許可可能是公開的或者限制在任意程度。應(yīng)用很可能包含對(duì)單個(gè)公司內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫管理，審查等，因此公共的可讀性在很多情況下根本不必要，但在另一些情況下人們又想要公共可讀性。

2、區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)

由于區(qū)塊鏈技術(shù)目前還不是非常成熟，架構(gòu)還存在爭(zhēng)議，但從目前市場(chǎng)上面的應(yīng)用來看，數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層是構(gòu)建區(qū)塊鏈技術(shù)的必要元素，缺少任何一層都將不能稱之為真正意義上的區(qū)塊鏈技術(shù)。激勵(lì)層、合約層和應(yīng)用層不是每個(gè)區(qū)塊鏈應(yīng)用的必要因素，一些區(qū)塊鏈應(yīng)用并不完整的包含后三層結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)層

區(qū)塊鏈從字面上理解它肯定是一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，在這個(gè)鏈上包括非常多的區(qū)塊，每一個(gè)區(qū)塊上的0、1、2、3……代表的是區(qū)塊的高度，中間通過hash指針（Privous hash）進(jìn)行連接和指向，其實(shí)就是子區(qū)塊存儲(chǔ)它的父區(qū)塊所有數(shù)據(jù)的hash值，這樣每個(gè)區(qū)塊通過指針或者說每個(gè)區(qū)塊的唯一數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定，連成一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)層封裝了底層數(shù)據(jù)區(qū)塊的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，以及相關(guān)的非對(duì)稱公私鑰數(shù)據(jù)加密技術(shù)和時(shí)間戳等技術(shù)，這是整個(gè)區(qū)塊鏈技術(shù)中最底層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

通過鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，我們可以看出區(qū)塊鏈就有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1、數(shù)據(jù)不可篡改：如果存在篡改某個(gè)區(qū)塊的數(shù)據(jù)，就會(huì)導(dǎo)致被篡改區(qū)塊數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的hash值發(fā)生變化，以至于沒有關(guān)聯(lián)區(qū)塊了，該區(qū)塊就會(huì)在鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中斷裂，除非篡改所有區(qū)塊中的數(shù)據(jù)。

2、全備份：以比特幣、以太坊為代表的傳統(tǒng)主流區(qū)塊鏈均采用全備份模式，如果區(qū)塊鏈有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，就會(huì)有10份數(shù)據(jù)，若黑客攻擊的情況下，至少需要修改51%以上的區(qū)塊數(shù)據(jù)才能修改成功，攻擊的成本就非常高，這樣就從機(jī)制上保障了數(shù)據(jù)的安全。另外，這也就帶來了新的問題，很多的應(yīng)用單元實(shí)際上是不希望將自己的數(shù)據(jù)公開的，或者被其他應(yīng)用單元共享的。所以在非傳統(tǒng)區(qū)塊鏈Fabric里面有一個(gè)channel的設(shè)計(jì)，它的目的是讓這些數(shù)據(jù)僅限于在channel上具有可驗(yàn)證成員資格的peer間傳播。通過信道隔離peer和賬本數(shù)據(jù)，允許需要私有和機(jī)密事務(wù)的網(wǎng)絡(luò)成員與同一個(gè)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和其他受限制的成員共存。還有一個(gè)問題就是成本會(huì)非常高，存儲(chǔ)設(shè)備要求高，網(wǎng)絡(luò)帶寬要求也很高。但從摩爾定律上來看，也不是非常大的問題。

3、完全平等：節(jié)點(diǎn)之間是完全平等的，數(shù)據(jù)是一致的，權(quán)限是一致的，代碼是一致的。

網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要是通過P2P協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，大家應(yīng)該都用過迅雷和電驢，P2P協(xié)議有個(gè)特點(diǎn)就是上傳數(shù)據(jù)的同時(shí)也在下載數(shù)據(jù)，這樣就給區(qū)塊鏈帶來了一個(gè)好處，節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，上傳下載的速度就越快，這也就意味著區(qū)塊鏈自己具有自動(dòng)組網(wǎng)的能力。

共識(shí)層

共識(shí)層中是區(qū)塊產(chǎn)生和數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊的規(guī)則，這里有一個(gè)誤區(qū)：不是交易雙方達(dá)成的交易共識(shí)。共識(shí)層封裝了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的各類共識(shí)機(jī)制算法。共識(shí)機(jī)制算法是區(qū)塊鏈的核心技術(shù)，因?yàn)檫@決定了到底是誰來進(jìn)行記賬，而記賬決定方式將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。常見的共識(shí)算法包括：POW、POS和DPOS等。

POW：Proof of Work，工作證明

比特幣在Block的生成過程中使用了POW機(jī)制，一個(gè)符合要求的Block Hash由N個(gè)前導(dǎo)零構(gòu)成，零的個(gè)數(shù)取決于網(wǎng)絡(luò)的難度值。要得到合理的Block Hash需要經(jīng)過大量嘗試計(jì)算，計(jì)算時(shí)間取決于機(jī)器的哈希運(yùn)算速度。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)提供出一個(gè)合理的Block Hash值，說明該節(jié)點(diǎn)確實(shí)經(jīng)過了大量的嘗試計(jì)算，當(dāng)然，并不能得出計(jì)算次數(shù)的絕對(duì)值，因?yàn)閷ふ液侠韍ash是一個(gè)概率事件。當(dāng)節(jié)點(diǎn)擁有占全網(wǎng)n%的算力時(shí)，該節(jié)點(diǎn)即有n/100的概率找到Block Hash。

POS：Proof of Stake，股權(quán)證明

POS類似于財(cái)產(chǎn)儲(chǔ)存在銀行，這種模式會(huì)根據(jù)你持有數(shù)字貨幣的量和時(shí)間，分配給你相應(yīng)的利息。簡(jiǎn)單來說，就是一個(gè)根據(jù)你持有貨幣的量和時(shí)間，給你發(fā)利息的一個(gè)制度，在股權(quán)證明POS模式下，有一個(gè)名詞叫幣齡，每個(gè)幣每天產(chǎn)生1幣齡，比如你持有100個(gè)幣，總共持有了30天，那么，此時(shí)你的幣齡就為3000，這個(gè)時(shí)候，如果你發(fā)現(xiàn)了一個(gè)POS區(qū)塊，你的幣齡就會(huì)被清空為0。你每被清空365幣齡，你將會(huì)從區(qū)塊中獲得0.05個(gè)幣的利息（假定利息可理解為年利率5%），那么在這個(gè)案例中，利息 = 3000 * 5% / 365 = 0.41個(gè)幣，這下就很有意思了，持幣有利息。

DPOS：Delegated Proof of Stake，委任權(quán)益證明

比特股的DPoS機(jī)制，中文名叫做股份授權(quán)證明機(jī)制（又稱受托人機(jī)制），它的原理是讓每一個(gè)持有比特股的人進(jìn)行投票，由此產(chǎn)生101位代表,我們可以將其理解為101個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)或者礦池，而這101個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)彼此的權(quán)利是完全相等的。從某種角度來看，DPOS有點(diǎn)像是議會(huì)制度或人民代表大會(huì)制度。如果代表不能履行他們的職責(zé)（當(dāng)輪到他們時(shí)，沒能生成區(qū)塊），他們會(huì)被除名，網(wǎng)絡(luò)會(huì)選出新的超級(jí)節(jié)點(diǎn)來取代他們。DPOS的出現(xiàn)最主要還是因?yàn)榈V機(jī)的產(chǎn)生，大量的算力在不了解也不關(guān)心比特幣的人身上，類似演唱會(huì)的黃牛，大量囤票而絲毫不關(guān)心演唱會(huì)的內(nèi)容。

從時(shí)間上來看，這個(gè)順序也是按該共識(shí)算法從誕生到熱門的順序來定。對(duì)于POW，直接讓比特幣成為了現(xiàn)實(shí)，并投入使用。而POS的存在主要是從經(jīng)濟(jì)學(xué)上的考慮和創(chuàng)新。而最終由于專業(yè)礦工和礦機(jī)的存在，讓社區(qū)對(duì)這個(gè)標(biāo)榜去中心化的算法有了實(shí)質(zhì)性的中心化擔(dān)憂，即傳聞60％～70%的算力集中在中國。因此后來又出現(xiàn)DPOS，這種不需要消耗太多額外的算力來進(jìn)行礦池產(chǎn)出物的分配權(quán)益方式。但要說能起到替代作用，DPOS來單獨(dú)替代POW，POS或者POW＋POS也不太可能，畢竟存在即合理。每種算法都在特定的時(shí)間段中有各自的考慮和意義，無論是技術(shù)上，還是業(yè)務(wù)上。

激勵(lì)層

像比特幣、以太坊都會(huì)給參與者（挖礦的人）一定的獎(jiǎng)勵(lì)，另外還有交易費(fèi)。激勵(lì)層對(duì)公有鏈特別重要，在公有鏈中必須激勵(lì)遵守規(guī)則參與記賬的節(jié)點(diǎn)，并且懲罰不遵守規(guī)則的節(jié)點(diǎn)，才能讓整個(gè)系統(tǒng)朝著良性循環(huán)的方向發(fā)展，它能夠保障這個(gè)鏈穩(wěn)定健康發(fā)展的基礎(chǔ)。但是，對(duì)于私有鏈或者聯(lián)盟鏈來說，企業(yè)做這個(gè)鏈?zhǔn)怯心撤N獨(dú)立目的，不會(huì)隨意讓個(gè)人參與這個(gè)鏈系統(tǒng)，一般就很少有激勵(lì)層。

合約層

合約層實(shí)際是運(yùn)行在區(qū)塊鏈上的程序，封裝各類腳本、算法和智能合約，是區(qū)塊鏈可編程特性的基礎(chǔ)。最典型的就是以太坊提出的智能合約的概念。合約細(xì)分就分為兩種：

圖靈完備：一個(gè)能計(jì)算出每個(gè)圖靈可計(jì)算函數(shù)（Turing-computable funcTIon）的計(jì)算系統(tǒng)被稱為圖靈完備的。（非常抽象的概念）程序員應(yīng)該都知道for循環(huán)、遞歸循環(huán)、while循環(huán)，這些基本上都可以實(shí)現(xiàn)無線循環(huán)，它就可能具有圖靈完備的能力，可以計(jì)算一切可計(jì)算的系統(tǒng)或者應(yīng)用。例如：以太坊的智能合約。

非圖靈完備：這部分的計(jì)算是有限的，例如：比特幣的腳本。比特幣腳本存在的意義是讓每筆交易合法化，這個(gè)合法化不是人工審核而是有腳本自動(dòng)執(zhí)行校驗(yàn)的。

應(yīng)用層

運(yùn)行在區(qū)塊鏈系統(tǒng)的程序，如果你調(diào)用的是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的某個(gè)接口，獲取相關(guān)信息，這是應(yīng)用層。如果你調(diào)用的是某個(gè)區(qū)塊的某個(gè)數(shù)據(jù)或者在某個(gè)區(qū)塊寫數(shù)據(jù)，那就是智能合約，也就是合約層。目前應(yīng)用層典型的應(yīng)用包括：

錢包：如果你在火幣網(wǎng)上下載一個(gè)錢包，這個(gè)不能算是區(qū)塊鏈應(yīng)用。嚴(yán)格上來說，你連接的是火幣網(wǎng)的服務(wù)器，也就是你連接了一個(gè)中心化的應(yīng)用。那典型的區(qū)塊鏈錢包比如說是：imToken。區(qū)塊鏈錢包可以保障自己的虛擬貨幣只要系統(tǒng)存在，就會(huì)一直存在。

區(qū)塊鏈瀏覽器：簡(jiǎn)單來說是一種搜索工具，我們通過輸入某錢包地址或某筆交易ID，就可以查詢此錢包的余額和任意一筆交易的詳細(xì)信息：比如當(dāng)前比特幣的轉(zhuǎn)賬費(fèi)用是多少、給你轉(zhuǎn)賬的地址有多土豪、一筆轉(zhuǎn)賬究竟何時(shí)到賬……當(dāng)然，我們也可以通過輸入塊高，塊哈希等來搜索某一特定區(qū)塊的所有內(nèi)容。但是，有些區(qū)塊鏈瀏覽器也不一定完全是去中心化的，數(shù)據(jù)來源于緩存服務(wù)器或者中心化服務(wù)器。

3、挖礦到底是什么

區(qū)塊鏈，特別是公有鏈中有一個(gè)事情叫“挖礦”，并且挖礦結(jié)束之后會(huì)有一定的獎(jiǎng)勵(lì)。挖礦其實(shí)是要計(jì)算出系統(tǒng)要求的一個(gè)hash值，這里的計(jì)算常用的Hash函數(shù)（SHA），這也是目前使用最為廣泛的Hash函數(shù)。SHA由美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）設(shè)計(jì)并于1993年發(fā)表，該版本稱為SHA-0，由于很快被發(fā)現(xiàn)存在安全隱患，1995年發(fā)布了SHA-1。2002年，NIST分別發(fā)布了SHA-256、SHA-384、SHA-512，這些算法統(tǒng)稱SHA-2。2008年又新增了SHA-224。由于SHA-1已經(jīng)不太安全，目前SHA-2各版本已成為主流。

例如：通過sha256()函數(shù)計(jì)算系統(tǒng)要求的一個(gè)前面5位均是0的hash值，獎(jiǎng)勵(lì)22.5個(gè)比特幣。

那么整個(gè)挖礦的過程就是：

nonce是存在與區(qū)塊頭中挖礦時(shí)使用的隨機(jī)數(shù)。

第一次計(jì)算：假定nonce = 100，sha256(nonce)

得出000XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

第二次計(jì)算：假定nonce = 104，sha256(nonce)

得出00XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

第三次計(jì)算：假定nonce = 130，sha256(nonce)

得出0000XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

……

第一萬次計(jì)算：假定nonce = 1009002，sha256(nonce)

得出00000XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

此時(shí)，就得出了系統(tǒng)所要求的hash值，就給該礦工獎(jiǎng)勵(lì)22.5個(gè)比特幣。這就是一個(gè)典型的挖礦過程。這個(gè)過程對(duì)每個(gè)人都是公平的，對(duì)于計(jì)算快的人就會(huì)得到獎(jiǎng)勵(lì)，計(jì)算慢的人就得不到獎(jiǎng)勵(lì)。這樣就引出了另外一個(gè)概念，就是節(jié)點(diǎn)。區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)其實(shí)就是參與區(qū)塊鏈系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。

4、舉例說明區(qū)塊鏈的交易過程

舉例：張三需要給李四轉(zhuǎn)2個(gè)比特幣，那么區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制如下：

1、數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)交易記錄：張三-->李四 2

2、網(wǎng)絡(luò)層傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)廣播

3、共識(shí)層通過具體的算法驗(yàn)證決定交易記錄是否寫入?yún)^(qū)塊鏈中

4、激勵(lì)層讓礦工在挖礦的同時(shí)可以參與到交易記錄的驗(yàn)證中，這里涉及挖礦的獎(jiǎng)勵(lì)和額外驗(yàn)證的交易費(fèi)

由于比特幣的存量是有限的，所以，交易費(fèi)是由交易方出的，也就是說張三轉(zhuǎn)給李四的2個(gè)比特幣，最終李四收到的是小于2個(gè)比特幣的，因?yàn)槠脚_(tái)減掉了交易費(fèi)，將交易費(fèi)分配給了幫助驗(yàn)證的礦工。