區(qū)塊鏈原理詳解目錄區(qū)塊鏈簡介1特征及分類2區(qū)塊鏈網(wǎng)絡3數(shù)據(jù)結構4

核心問題5

前景展望61.區(qū)塊鏈簡介區(qū)塊鏈技術是構建比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡與交加密傳輸?shù)幕A技術。它基于密碼學原理而不基于信用，使得任何達成一致的雙方直接支付，從而不需要第三方中介的參與。互聯(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構來處理電子支付信息。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)塊鏈簡介區(qū)塊鏈是一個分布式賬本，一種通過去中心化、去信任的方式集體維護一個可靠數(shù)據(jù)庫的技術方案。定義從數(shù)據(jù)的角度來看區(qū)塊鏈是一種幾乎不可能被更改的分布式數(shù)據(jù)庫。這里的“分布式”不僅體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布式存儲，也體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布式記錄（即由系統(tǒng)參與者共同維護）。從技術的角度來看區(qū)塊鏈并不是一種單一的技術，而是多種技術整合的結果。這些技術以新的結構組合在一起，形成了一種新的數(shù)據(jù)記錄、存儲和表達的方式。1.區(qū)塊鏈簡介區(qū)塊鏈的概念首次在2008年末由日裔美國人SatoshiNakamoto（中本聰）在比特幣論壇中發(fā)表了一篇論文《比特幣：一種點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》，首次提出了這個概念。論文中區(qū)塊鏈技術是構建比特幣數(shù)據(jù)結構與交加密傳輸?shù)幕A技術，該技術實現(xiàn)了比特幣的挖礦與交易。區(qū)塊鏈起源1.區(qū)塊鏈簡介中本聰認為：第一，借助第三方機構來處理信息的模式擁有點與點之間缺乏信任的內(nèi)生弱點，商家為了提防自己的客戶，會向客戶索取完全不必要的信息，但仍然不能避免一定的欺詐行為；第二，中介機構的存在，增加了交，限制了實際可行的最小交；第三，數(shù)字簽名本身能夠解決電子貨幣身份問題，如果還需要第三方支持才能防止雙重消費，則系統(tǒng)將失去價值。基于以上三點現(xiàn)存的問題，中本聰在區(qū)塊鏈技術的基礎上，創(chuàng)建了比特幣。比特幣1.區(qū)塊鏈簡介2013年年末，俄羅斯19歲的以太坊創(chuàng)始人維塔利克.布特林（VitalikButerin）發(fā)布了以太坊初版白皮書，啟動了項目。2014年7月24日起，以太坊進行了為期42天的以太幣預售。2016年初，以太坊的技某省市場認可，價格開始暴漲，吸引了大量開發(fā)者以外的人進入以太坊的世界。以太坊1.區(qū)塊鏈簡介比特幣和以太坊都是成功的區(qū)塊鏈技術應用，是最典型的代表。有了比特幣才有區(qū)塊鏈技術，有了以太坊人們才認識到區(qū)塊鏈還可以獨立出來，不僅僅是比特幣才能有區(qū)塊鏈技術，也是以太坊為后面開啟了區(qū)塊鏈世界的思路思想。不同的定義是，比特幣是點對點數(shù)字化支付系統(tǒng)，類似的是一家可以全球結算的銀行，而這個銀行是沒有中心化組織成員的，沒有CEO，沒有管理員，只有代碼和共識的基礎原則。而這個銀行的結算或者發(fā)行的貨幣就叫比特幣，這叫銀行也叫比特幣。最主要的是銀行的賬本完全公開的，任何人查看每筆交錄都可以，而且每筆交以追溯到源頭，通過加密及數(shù)學魅力也實現(xiàn)了賬本不可更改等特性。而且最大的特點，點對點價值傳輸，不需要其他第三方，或者信任機構。比特幣與以太坊1.區(qū)塊鏈簡介而以太坊的定義呢，是點對點的去中心化的虛擬機，虛擬機是干什么的，就有點像在阿里云買的服務器，各種環(huán)境已經(jīng)配置好了，就等你按照開發(fā)框架和開發(fā)語言來編寫自己的程序代碼，把程序安裝在這個虛擬機系統(tǒng)運行，如果是一臺虛擬機和現(xiàn)在的也沒太大區(qū)別，但是整個以太坊系統(tǒng)是可以由全球任何計算機加入到這個體系了，每臺電腦只要安裝了以太坊客戶端就可以成為以太坊的一個節(jié)點一個虛擬機，所以整個以太坊系統(tǒng)未來規(guī)模再發(fā)展的話，可以說是全球超級計算機系統(tǒng)，人人都可以開發(fā)程序放在這個超級計算機運行。再說一點，這種模式的優(yōu)點，現(xiàn)在的都是集中的云服務器，中心化的，可能有幾個備份，但是一旦壞死，就不能運行，但是點對點的網(wǎng)絡特點就是，就算幾個節(jié)點下線了，或者被攻擊了，有一部分在運行整個系統(tǒng)還是可以運行，抗風險抗錯性很高。比特幣與以太坊目錄區(qū)塊鏈簡介1特征及分類2區(qū)塊鏈網(wǎng)絡3數(shù)據(jù)結構4

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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)點共同組成一個端到端的網(wǎng)絡，不存在中心化的設備和管理機構。節(jié)點之間數(shù)據(jù)交換通過數(shù)字簽名技術進行驗證，無需互相信任，只要按照系統(tǒng)既定的規(guī)則進行，節(jié)點之間不能也無法欺騙其它節(jié)點。開放，共識任何人都可以參與到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，每一臺設備都能作為一個節(jié)點，每個節(jié)點都允一份完整的數(shù)據(jù)庫拷貝。節(jié)點間基于一套共識機制，通過競爭計算共同維護整個區(qū)塊鏈。任一節(jié)點失效，其余節(jié)點仍能正常工作。2.特征及分類特征不可篡改，可追溯單個甚至多個節(jié)點對數(shù)據(jù)庫的修改無法影響其他節(jié)點的數(shù)據(jù)庫，除非能控制整個網(wǎng)絡中超過51%的節(jié)點同時修改，這幾乎不可能發(fā)生。區(qū)塊鏈中的每一筆交過密碼學方法與相鄰兩個區(qū)塊串聯(lián)，因此可以追溯到任何一筆交世今生。交，雙方匿名區(qū)塊鏈的運行規(guī)則是公開透明的，所有的數(shù)據(jù)信息也是公開的，因此每一筆交所有節(jié)點可見。由于節(jié)點與節(jié)點之間是去信任的，因此節(jié)點之間無需公開身份，每個參與的節(jié)點都是匿名的。

2.特征及分類分類聯(lián)盟鏈參與每個節(jié)點的權限都完全對等，大家在不需要完全互信的情況下就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可信交換，聯(lián)盟鏈的各個節(jié)點通常有與之對應的實體機構組織，通過授權后才能加入與退出網(wǎng)絡。通常是公司與公司、組織與組織之間達成的聯(lián)盟模式。私有鏈有些區(qū)塊鏈的應用場景下，并不希望這個系統(tǒng)任何人都可以參與，不對外公開，適用于特定機構的數(shù)據(jù)管理與審計或開發(fā)測試等。公有鏈任何節(jié)點都是開放的，每個人都可以參與到這個區(qū)塊鏈計算，而且任何人都可以下載獲得完整區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)（全部賬本）。目錄區(qū)塊鏈簡介1特征及分類2區(qū)塊鏈網(wǎng)絡3數(shù)據(jù)結構4

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前景展望63.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡科普數(shù)字簽名數(shù)字簽名涉及到一個哈希函數(shù)、發(fā)送者的公鑰、發(fā)送者的私鑰。數(shù)字簽名有兩個作用，一是能確定消息確實是由發(fā)送方簽名并發(fā)出來的。二是數(shù)字簽名能確定消息的完整性。工作原理發(fā)送報文時，發(fā)送方用一個哈希函數(shù)從報文文本中生成報文摘要，然后用自己的私鑰對摘要進行加密，加密后的摘要將作為報文的數(shù)字簽名和報文一起發(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)從接收到的原始報文中計算出報文摘要，接著再用發(fā)送方的公鑰來對報文附加的數(shù)字簽名進行解密，如果這兩個摘要相同、那么接收方就能確認該數(shù)字簽名是發(fā)送方的。3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡科普SHA256一種求Hash值的加密算法。工作原理將任何一串數(shù)據(jù)輸入到SHA256將得到一個256位的Hash值（散列值）。其特點：相同的數(shù)據(jù)輸入將得到相同的結果。輸入數(shù)據(jù)只要稍有變化（比如一個1變成了0）則將得到一個千差萬別的結果，且結果無法事先預知。正向計算（由數(shù)據(jù)計算其對應的Hash值）十分容易。逆向計算（俗稱“破解”，即由Hash值計算出其對應的數(shù)據(jù)）極其困難，在當前科技條件下被視作不可能。3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡MerkleTree（默克爾樹）通常也被稱作HashTree一種哈希二叉樹，使用它可以快速校驗大規(guī)模數(shù)據(jù)的完整性。在比特幣網(wǎng)絡中，Merkle樹被用來歸納一個區(qū)塊中的所有交，最終生成這個區(qū)塊所有交的一個統(tǒng)一的哈希值，區(qū)塊中任何一筆交的改變都會使得使得Merkle樹改變。科普工作原理非葉子節(jié)點value的計算方法是將該節(jié)點的所有子節(jié)點進行組合，然后對組合結果進行hash計算所得出的hashvalue。3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡時間戳服務器大多用來進行比對以及驗證處理，時間戳服務器是一款基于PKI（公鑰密碼基礎設施）技術的時間戳權威系統(tǒng)，對外提供精確可信的時間戳服務。它采用精確的時間源、高強度高標準的安全機制，以確認系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)在某一時間的存在性和相關操作的相對時間順序，為信息系統(tǒng)中的時間防抵賴提供基礎服務?？破?.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡節(jié)點網(wǎng)絡（以比特幣為例）本章節(jié)后續(xù)內(nèi)容，均以比特幣網(wǎng)絡特性展開闡述3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡節(jié)點網(wǎng)絡任何機器都可以運行一個完整的比特幣節(jié)點，一個完整的比特幣節(jié)點包括如下功能：，允在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡上進行交易完整區(qū)塊鏈，記錄了所有交，通過特殊的結構保證歷史交全性，并且用來驗證新交法性礦工，通過記錄交密數(shù)學題來生成新區(qū)塊，如果成功可以賺取獎勵路由功能，把其它節(jié)點傳送過來的交等信息再傳送給更多的節(jié)點除了路由功能以外，其它的功能都不是必須的。3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡交3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡交第2步：A將交播至全網(wǎng)，比特幣就發(fā)送給了B，每個節(jié)點都將收到的交納入一個區(qū)塊中第1步：所有者A利用他的私鑰對前一次交易（比特幣來源）和下一位所有者B簽署一個數(shù)字簽名，并將這個簽名附加在這枚貨幣的末尾，生成交要點：B以公鑰作為接收方地址要點：對B而言，該枚比特幣會即時顯示在比特幣，但直到區(qū)塊確認成功后才可用。目前一筆比特幣從支付到最終確認成功，得到6個區(qū)塊確認之后才能真正確認到帳。3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡交第3步：每個節(jié)點通過解一道數(shù)學難題，從而去獲得創(chuàng)建新區(qū)塊權利，并爭取得到比特幣的獎勵（新比特幣會在此過程中產(chǎn)生）要點：節(jié)點反復嘗試尋找一個數(shù)值，使得將該數(shù)值、區(qū)塊鏈中最后一個區(qū)塊的Hash值以及交部分送入SHA256算法后能計算出散列值X（256位）滿足一定條件（比如前20位均為0），即找到數(shù)學難題的解。由此可見，答案并不唯一第4步：當一個節(jié)點找到解時，它就向全網(wǎng)廣播該區(qū)塊記錄的所有蓋時間戳交易，并由全網(wǎng)其他節(jié)點核對要點：時間戳用來證實特定區(qū)塊必然于某特定時間是的確存在的。比特幣網(wǎng)絡采取從5個以上節(jié)點獲取時間，然后取中間值的方式作為時間戳。3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡交第5步：全網(wǎng)其他節(jié)點核對該區(qū)塊記賬的正確性，沒有錯誤后他們將在該合法區(qū)塊之后競爭下一個區(qū)塊，這樣就形成了一個合法記賬的區(qū)塊鏈。要點：每個區(qū)塊的創(chuàng)建時間大約在10分鐘。隨著全網(wǎng)算力的不斷變化，每個區(qū)塊的產(chǎn)生時間會隨算力增強而縮短、隨算力減弱而延長。其原理是根據(jù)最近產(chǎn)生的2016年區(qū)塊的時間差（約兩周時間），自動調(diào)整每個區(qū)塊的生成難度（比如減少或增加目標值中0的個數(shù)），使得每個區(qū)塊的生成時間是10分鐘。目錄區(qū)塊鏈簡介1特征及分類2區(qū)塊鏈網(wǎng)絡3數(shù)據(jù)結構4

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前景展望64.數(shù)據(jù)結構區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈以區(qū)塊為單位組織數(shù)據(jù)。全網(wǎng)所有的交都以交形式存儲在全網(wǎng)唯一的區(qū)塊鏈中。4.數(shù)據(jù)結構區(qū)塊是一種記錄交據(jù)結構。每個區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊主體組成，區(qū)塊主體只負責記錄前一段時間內(nèi)的所有交，區(qū)塊鏈的大部分功能都由區(qū)塊頭實現(xiàn)。區(qū)塊4.數(shù)據(jù)結構區(qū)塊頭版本號，標示軟件及協(xié)議的相關版本信息父區(qū)塊哈希值，引用的區(qū)塊鏈中父區(qū)塊頭的哈希值，通過這個值每個區(qū)塊才首尾相連組成了區(qū)塊鏈，并且這個值對區(qū)塊鏈的安全性起到了至關重要的作用Merkle根，這個值是由區(qū)塊主體中所有交希值再逐級兩兩哈希計算出來的一個數(shù)值，主要用于檢驗一筆交在這個區(qū)塊中存在時間戳，記錄該區(qū)塊產(chǎn)生的時間，精確到秒難度值，該區(qū)塊相關數(shù)學題的難度目標隨機數(shù)(Nonce)，記錄解密該區(qū)塊相關數(shù)學題的答案的值4.數(shù)據(jù)結構在當前區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈后，所有礦工就立即開始下一個區(qū)塊的生成工作。把在本地內(nèi)存中的交記錄到區(qū)塊主體中在區(qū)塊主體中生成此區(qū)塊中所有交的Merkle樹，把Merkle樹根的值保存在區(qū)塊頭中把上一個剛剛生成的區(qū)塊的區(qū)塊頭的數(shù)據(jù)通過SHA256算法生成一個哈希值填入到當前區(qū)塊的父哈希值中把當前時間保存在時間戳字段中難度值字段會根據(jù)之前一段時間區(qū)塊的平均生成時間進行調(diào)整以應對整個網(wǎng)絡不斷變化的整體計算總量，如果計算總量增長了，則系統(tǒng)會調(diào)高數(shù)學題的難度值，使得預期完成下一個區(qū)塊的時間依然在一定時間內(nèi)區(qū)塊形成過程目錄區(qū)塊鏈簡介1特征及分類2區(qū)塊鏈網(wǎng)絡3數(shù)據(jù)結構4

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前景展望65.核心問題區(qū)塊頭包含一個隨機數(shù)，使得區(qū)塊的隨機散列值出現(xiàn)了所需的0個數(shù)。節(jié)點通過反復嘗試來找到這個隨機數(shù)，這樣就構建了一個工作量證明機制。工作量證明工作量證明機制的本質(zhì)是一CPU一票，“大多數(shù)”的決定表達為最長的鏈，因為最長的鏈包含了最大的工作量。如果大多數(shù)的CPU為誠實的節(jié)點控制，那么誠實的鏈條將以最快的速度延長，并超越其他的競爭鏈條。如果想要修改已出現(xiàn)的區(qū)塊，攻擊者必須重新完成該區(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實節(jié)點的工作量。5.核心問題同一時間段內(nèi)全網(wǎng)不止一個節(jié)點能計算出隨機數(shù)，即會有多個節(jié)點在網(wǎng)絡中廣播它們各自打包好的臨時區(qū)塊（都是合法的）。分叉某一節(jié)點若收到多個針對同一前續(xù)區(qū)塊的后續(xù)臨時區(qū)塊，則該節(jié)點會在本地區(qū)塊鏈上建立分支，多個臨時區(qū)塊對應多個分支。該僵局的打破要等到下一個工作量證明被發(fā)現(xiàn)，而其中的一條鏈條被證實為是較長的一條，那么在另一條分支鏈條上工作的節(jié)點將轉換陣營，開始在較長的鏈條上工作。其他分支將會被網(wǎng)絡徹底拋棄。5.核心問題雙花，即二重支付，指攻擊者幾乎同時將同一筆不同交易。雙花每當節(jié)點在把新收到的交入?yún)^(qū)塊之前，會順著交起方的公鑰向前遍歷檢查，檢查當前交的幣是否確實屬于當前交方，此檢查可遍歷到該幣的最初誕生點（即產(chǎn)生它的那塊區(qū)塊源）。雖然多份交以任意序的廣播，但是它們最終被加入?yún)^(qū)塊時必定呈現(xiàn)一定的順序。區(qū)塊之間以Hash值作為時間戳則區(qū)塊，這決定了任意一筆交來源都可以被確定的回溯。5.核心問題體積過大?隨著區(qū)塊鏈的發(fā)展，節(jié)點存儲的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)體積會越來越大，存儲和計算負擔將越來越重。數(shù)據(jù)確認時間目前的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，尤其是金融區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，存在數(shù)據(jù)確認時間較長的問題。??并發(fā)處理?區(qū)塊鏈系統(tǒng)面臨并發(fā)處理過低的問題。VisaNet在2013年的測試中，實現(xiàn)了處理每秒47000筆交易，相比之下比特幣每秒處理約7筆交易，以太坊大約每秒處理30筆。目錄