区块链简介 - 概念和原理

比特币和区块链

2008年，中本聪发表了一篇名为《比特币：点对点电子现金系统》的论文。 他之所以选择在金融危机之年发表，或许有更深层次的意义。 他认为传统货币最根本的问题是信任。 必须信任银行来帮助我们管理资金。 然而，银行正在用钱制造信贷泡沫，通货膨胀使人们的财富缩水。 首先，中本聪将比特币定义为点对点电子现金系统。 目的很明确：他希望这个系统不依赖任何中心，比如央行，所以这个系统一定是一个分布式系统。

区块链的概念最早是在中本聪设计比特币系统时提出的。 这也是区块链技术第一次被最成功地实施和使用。 比特币是一种商业场景，区块链是实现这种商业场景的技术基础。 要了解区块链，我们首先要简单了解一下比特币的运行机制。

图中的橙色方块是这个系统上的各个节点，分散在世界各地； 可以认为每个节点都运行着中本聪开源的比特币客户端，节点之间形成全网通信。

为什么要走向中心化？

为了安全和信任。 首先，我们来谈谈安全性。 这应该很容易理解。 比如现在我们使用支付宝，所有的转账和支付都必须经过支付宝中心。 一旦这个中心出现问题，所有用户都会受到影响； 一旦这个中心被黑客攻破，数据很容易被修改； 在分布式系统中，世界上的每个节点既是客户端又是服务器。 除非超过51%的节点同时被篡改，否则所有修改都将无效且“自治”。 所有被篡改的数据不是都很大吗？ 安全保障也极大地解决了信任问题，但主要问题是数据控制问题。 集中式系统由一个中心控制。 比如我们的交易数据是控制在支付宝里的。 谁知道是不是被背叛了呢？ ，是否被利用； 在分布式系统中，所有数据都是透明的，不属于任何一个中心； 每个人都是数据的生产者和所有者。

比特币系统为何能够持续有效运行？

第一，比特币的稀缺性； 二是奖励机制。 首先我们来说说两个重要的角色：“矿工”和用户。

没错，矿工就是比特币系统上各个节点的维护者。 中本聪并没有亲自部署那么多节点，而是采用奖励机制，让每个人都参与维护和扩展系统。 这个节点上运行的机器也称为“矿机”，矿机的所有者就是矿工。 如果用户交易时产生的记录被节点验证并记录，矿机的所有者将获得一定数量的比特币作为奖励。 哪个矿工会具体记录呢？ 这更有趣。

矿业

当一笔交易发生时，网络中的所有节点都可以对其进行监控，并将经过验证的记录或记录放入节点内存中。 然后所有矿机开始“计算”。 到了争夺算力的时候，这批交易记录就会被分发出去。 一个随机数。 每个节点都在“努力”寻找这个随机数。 谁先找到，谁就获得这批交易的记账权，然后开始验证。 验证通过后，打包成数据块，就是我们说的区块（我终于提到了区块的概念，现在先别着急，后面我们会慢慢展开。），然后开始向全网广播，广播该块的副本，并告诉其他节点不要努力工作。 我已经找到了。 好的，你已经找到矿井了。 让我们看看它是否是“真实的”。 然后其他节点停止挖矿并一一验证。 当超过51%的节点通过验证后，该区块将被添加到当前区块链的末尾。 ,交易完成。

比特币价值

为什么有人愿意部署矿机挖矿？ 挖矿奖励真的有价值吗？ 首先，比特币是稀缺的。 如果比特币可以无限生产，那它将是无价的。 比特币总数为2100万枚。 从2009年开始，每个区块的奖励为50，每四年奖励减半。 根据比特币大约每十分钟生成一个区块的速度，大约 2134 个比特币将被发行。此外，比特币不受中央政府控制。 当大多数人相信它具有代币价值并且大多数人愿意对其进行交易时，它就具有价值。 例如，钞票只是一张纸。 当大多数人都相信、认可它的价值并且可以流通时，它就不再是一张纸那么简单了。

核心理念

现在我们对以上内容做一个总结。

比特币是一个由许多节点组成的完全分布式系统。 每个节点都具有记账能力。 每一条记录都需要经过全网节点的公证并达成共识。 共识方式就是上面提到的“挖矿”，也叫工作量共识方式（除了“挖矿”之外，还有很多其他的共识方式，后面会介绍。）随着交易不断进行，区块不断产生，每个节点上的区块按时间顺序串在一起形成区块链。 系统涉及几个核心概念，节点、链、区块、记录，关系如下：

至此，我们对比特币系统的雏形有了一个大致的了解。 接下来我们就来介绍一下这个系统的核心概念。

记录

成为比特币用户非常简单，只需获取钱包地址即可，获取地址：#/。 拥有钱包地址后，您可以将比特币发送到世界上任何钱包，前提是您拥有比特币。 交易记录是加密且匿名的。 每个用户都有一个唯一的私钥。 私钥用于在交易过程中生成数字签名，并记录用户之间的交易。 一条记录是整个区块链的最小单位，一次操作就会生成一条记录。

堵塞

一个区块由区块头和区块体组成。

区块头

版本号()：版本号

Hash：当前区块哈希值

前驱区块哈希值（Block）：前驱区块哈希值

下一个块：后续块哈希值

交易总数（Of）：交易数量

时间戳（）：时间戳

Nonce：随机数。 在比特币系统中，“挖矿”就是找到这个随机数。

树根哈希值（Root）：交易记录的根

块体包含记录列表。

根是怎么来的？

我们先来说说Root的作用。 交易记录的任何变化都会改变这个值，即这个值是使用交易记录作为变量生成的。

生成原理如下图：

这是一棵二叉树，称为默克尔树（也称为哈希树）。 将所有记录的哈希值作为叶子节点，将两个叶子节点的哈希值组合起来。

再次进行哈希计算，生成父节点； 直到最后的树根。 根哈希值是Root。

块格式：/block/

链

所有块通过块或下一个块对链进行排序。 在区块链系统中，比如比特币，每个节点都维护着这样一条链。 这就是区块链主要概念的由来。

区块链工作流程

上面我们对交易记录、区块、链等概念有了一个大概的了解，现在我们把这些概念连接起来，看看区块链的工作流程。

当交易记录发生时，发送节点的全网广播记录。 节点监听新的交易记录。 节点验证交易记录并将其放入节点缓存中。 节点开始“计算问题”，赢得记账权，打包记录生成区块，广播到全网达成共识。 共识块被附加到区块链的末尾。

上面提到的“全网广播”其实并不需要全网所有节点都接收到，只要大部分节点就够了。 对于那些没有被接收或丢失的区块，区块链系统是容错的。 如果一个节点没有收到特定的块，该节点将找到其丢失的块并可以提出自己的下载区域。 阻止请求。

共识机制

上述过程中，最重要的就是区块的共识机制。 共识是指让全网大多数节点（至少51%）相信数据确实可靠的过程。 目前主流的共识机制包括：工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）、委托权益证明（DPOS）和拜占庭共识算法（PBFT）。 比特币中使用的是工作量证明算法，也就是上面所说的“挖矿”。 这里的重点是“挖矿”。

节点监控全网的记录数据，通过基本合法性验证后临时存储记录，然后开始工作量证明。 回想一下我们在上一篇文章中介绍的块格式。 区块中的区块头有一个随机数字段：Nonce。 节点矿工不断尝试不同的随机数，直到找到随机数，然后将记录打包生成区块，广播该区块，经其他节点验证后链接到区块链。 在比特币的 PoW 中，平均每 10 分钟就有一个节点发现（生成）一个区块。 如果两个节点同时发现该区块，网络将根据后续节点和区块生成情况进行决策，然后再给出 6 个节点。 由每个区块的生成时间决定，谁先找到谁就拥有记账权。

区块链的应用领域

随着区块链技术的成熟，基于区块链技术的应用领域应该还是比较广阔的。

区块链的分类

区块链根据应用场景和数据读写范围可以分为三类：公有链、社区链和私有链。

公链：是指全球任何人都可以参与、任何人都可以进行交易、读写、达成共识的区块链。 公链完全分布式，数据开放，用户参与度高，易于推广，但系统运行依赖于奖励机制。 应用场景包括比特币、以太坊等。

社区：又称联盟链，如多个金融机构，每个机构作为一个节点，共同组成一个区块链分布式系统。 区块链的访问仅限于那些机构或参与共识过程的节点。 典型应用场景包括IBM的（），腾讯等多家互联网巨头都有参与； 与腾讯云、微众银行、平安科技等20多家金融机构和科技公司联合发起金融区块链合作联盟（简称“金链联盟”），是国内首个尝试探索、发展的金融区块链合作联盟。 ，实施适合金融机构的金融联盟区块链。

完全私有链：

完全私有的区块链是一种写入权限仅掌握在一个组织手中的区块链。 读取权限要么向公众开放，要么受到任意限制。 区块链的一个重要特点就是解决中心化的信任问题。 我个人觉得现阶段私有链没什么用。

如何判断自己是否需要区块链？

当前区块链的问题

区块链技术面临机遇的同时，也面临着诸多问题和挑战。

1、区块链过大：随着区块链的发展，节点存储的区块链越来越大，存储和计算负担也越来越大。 例如，在比特币中，完整的比特币区块链的大小已经超过了64GB。 如果客户端想要同步完整的数据，可能三天三夜都无法完成同步。

2、同步确认时间过长：全网节点的共识机制以及共识处理时间还存在诸多挑战。 例如，比特币的确认时间约为10分钟。

3、区块链发展受到现行体制的制约：去中心化、自治等特点淡化了国家监管的概念，对央行等传统中央机构产生冲击。 这也是各种XX币在国内如此稀有以至于被打压的原因。

开源项目

区块链方面也有很多开源项目。 详情请参考这里:////。

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