[区块链]区块链基本原理概述

1. 简介

　　有关区块链的介绍文章太多了，自己读了很多篇，感觉还是理解不深。我在这里也以自己的理解来做个说明，个别图片和表格来自网络，如果原作者认为不合适可以联系作者删除。本文的主要内容已作为ICAA 2021英文会议论文“Overview of the basic principles of blockchain”发表，觉得有必要与国内读者分享。

　　作为比特币的底层实现技术，区块链受到了政府部门和企业的高度关注，并在金融领域和非金融领域展开了广泛研究与应用。区块链本质上是一个由若干区块构成的数据链，这条数据链被分散保存到多个计算机节点。这些计算机节点相互独立，相互勿须信任，没有一个权威的中心节点，因而区块链被认为是一个“去中心化”、“去信任”的系统。在这两个概念中，“去中心化”是方法，“去信任”是目的，后者需要通过前者来解决；很多人强调前者，但后者才是根本。“去信任”是指去除第三方信任，交易双方不经过可信的第三方而直接交易。然而，区块链本身并不要求交易双方互信，交易数据允许存在造假和欺骗，由此导致在比特币的底层可能同时存在多条区块链，但通过“共识机制”、“奖励”、“造假惩罚”等措施，最终区块链为比特币建立了一套可靠的、可信任的解决方案。然而，在一些小型应用中，“共识机制”和“奖励”并不能从根本上解决“去信任”或数据造假问题。当前开发的很多区块链应用，某种程度上都建立在“信任”的基础上，与比特币的区块链有较大区别；即便如此，其中的一些系统仍能解决其他技术所难以解决的问题，并具有较高应用价值。本文重点阐述比特币的区块链的基本原理，并为基于区块链技术开发应用提供一些合理化建议。

2. 区块链与比特币

2.1 区块链发展历史

　　比特币是上层应用，区块链是比特币的底层实现软件。区块链的发展经历了三个阶段，分别是1.0、2.0、3.0。

　　区块链1.0是以比特币为代表的虚拟货币时代，实现了货币的去中心化与支付手段，涌现出了大量的山寨币等。区块链1.0支持两个人之间的虚拟货币交易，无法普及到其他行业。

　　区块链2.0多了智能合约的概念。一个交易允许多个人共同签名后发送给别人。智能合约给金融领域提供了更加广泛的应用场景，譬如多方合同下的商品买卖。区块链2.0的代表是以太坊，支持智能合约并提供编程接口，用户可以开发自己的虚拟货币。区块链2.0通常应用于金融领域。

??????? 区块链3.0则将区块链应用于金融行业之外的其他行业。区块链3.0被称为互联网技术之后的新一代技术创新，足以推动更大的产业改革。由于不再依赖于第三方或某机构获取信任与建立信用，区块链技术能够提高整体系统的工作效率。区块链3.0的代表是Hyperledger Fabric，该软件在交易时不需要手续费。

2.2 比特币的价值和获取

??????? 比特币从诞生之日起，具有浓厚的投机性，且缺乏第三方监管。像人民币、美元、欧元都是依赖国家信用和黄金储备等而作为流通货币，但比特币的信用却是一些数学算法。由于不具备明确的价值基础，因而在中国被认为是非法活动。

??????? 比特币至少可以通过三种途径获得。一是从一些交易网站上购买获得；二是别人通过比特币软件转账而获得；三是通过比特币软件挖矿获得。“挖矿”是区块链的核心概念之一，在后续将逐步对其展开描述。本文不讨论非法交易，只是对区块链的基本原理进行探讨研究。

3. 两个数学算法

?????? 区块链采用了两个基础的数学算法：非对称加密和哈希函数。通过这两个算法对数据进行加密和解密，并使得数据很难被第三方破解。

3.1 非对称加密算法

?????? 对称加密只有一个密钥，加密和解密都使用它。譬如，用“123456”作为密码压缩一个文件夹，在解压时也同样使用该字符串。

?????? 非对称加密则有两个不同的密钥：公钥和私钥。如果用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密；如果用私钥对数据进行加密，那么只有用对应的公钥才能解密。通常将公钥发给其他人，私钥自己留着；其他人可以通过公钥进行加密，但只有自己才有私钥解密，因而安全性较高。

3.2 哈希算法

??????? 数学中的模运算（取余数）是一种极简单的哈希算法。譬如1,2,3,4,5,6,7,10001除以４后的余数分别为1,2,3,0,1,2,3,1。以另一种形式可以写成：hash(1)=1, hash(2)=2, hash(3)=3, hash(4)=0, hash(5)=1, hash(6)=2, hash(7)=3, hash(10001)=1。可以看出，在哈希算法中，不同的数可能有相同的值。

??????? 科学家们创建了很多更复杂的哈希算法，譬如MD5、SHA1、SHA256等。下表列出了字符串“Hello World!”对应的各个哈希算法的取值。

??????? 这些哈希算法具有这样的特点：

• 给定一个字符串key，容易计算其哈希值value；
• 给定一个哈希值value，很难推出对应的key。

?????? 虽然从理论上来说，可能有多个key对应同一个value，但实际上概率很低。因此，可以近似地认为key与value是一一对应的，value被称为key的数据指纹。数据指纹意味着很难造假，一个value只能找到一个匹配的key。

4. 区块链逻辑结构

4.1 链表

　　区块链由“区块”和“链”两个词组成。“区块”用于保存数据。对于比特币来说，大约每10分钟产生１个区块，由其存放10分钟内的所有交易。交易存放的是货币所有权从一个人到另外一个人的流转信息。每个交易都需要一定的手续费，在区块链中被称之为“汽油”。

　　数据链有正向链、反向链、双向链之分。

• 正向链。支持从链表的头向后搜索。
• 反向链。支持从链表的尾部向前回溯搜索。
• 双向链。支持双向搜索，是一种效率较高的数据结构。

　　区块链采用反向链，便于从后向前追溯。对比几种链表结构，有下列结论。

　　命题１. 高性能不是区块链考虑的根本因素。

　　另外，区块链中的第一个区块被称之为“创世区块”。

4.2 去中心化

??????? 如图1所示，上方是一个中心化的架构。节点５中的数据库可以被其他４个节点所共享，便于读取和修改操作。

??????? 图１下方是一个去中心化的P2P架构，所有节点对等，并且每个节点都保存一个完整的区块链。这种架构本质上是一种多副本备份机制，具有更好的可靠性。

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图1. 中心化与区块链	图2. 块结构

　　命题２. 区块链不能太大。

　　对于比特币来说，世界上任何人都可以参与挖矿。区块链太大可能导致普通电脑无法保存整个区块链，导致很多人无法参与。10多年以来，当前的区块链只有300g之多，能够为一般电脑所保存。

　　命题３. 区块链不要更新太快。

　　再次强调，这里是指比特币的区块链。一个区块需要包括一段时间之内的几乎所有的交易。由于交易在互联网的所有节点之间进行传递，如果更新太快，则可能有些交易不能被打入区块链；另外，由于所有节点都可以挖矿，互联网上会存在多个不一致的区块链。

4.3 挖矿

　　区块链由多个区块组成，所谓挖矿是指生成一个新区块的过程。

　　如图2所示，一个区块由区块头和区块体组成[参见: https://cloud.tencent.com/developer/news/167233?; http://www.woshipm.com/blockchain/1022259.html]。

　　区块体包含10分钟内的所有交易。图中显示了４个交易，给每个交易求哈希值，得到hash1、hash2、hash3、hash4。然后每两个再求hash值，一直到最后得到一个hash1234，即为区块头中的默克尔根。如果在区块体中添加、删除、修改某一个交易，则默克尔根就会变化。

　　区块头主要包括６个要素：hash(parent)、版本、默克尔根、时间戳、难度目标、随机数。所谓挖矿，就是确定这６个值。

　　在前一个区块也包含这６个要素，它们的hash值即为hash(parent)。由此可知，如果某一个区块造假，则需要修改它后面所有区块的hash(parent)，难度很大。

　　为了使得每10分钟生成一个区块，设置了难度目标值。随着计算机的性能越来越高，该值是动态变化的。如下面公式所示，系统每隔2016 个区块会根据上一周期的挖矿时间来调整挖矿难度。对于一个具体的区块而言，该值是固定不变的。

DifficultyTarget = 0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF/Difficulty

从这里可以查到，第674000区块的难度为21,448,277,761,059.70。从674001区块查到第674000区块中６个要素的哈希值如下。这个哈希值前面有19个０，要满足这个条件就必须进行大量的计算，求出其他的几个要素。

00000000000000000007f8d1652e3bf35c9d2672be4834fef6ebc6f1c407bd8c

在６个要素中，hash(parent)、版本、默克尔根、难度目标都是固定的。时间戳表示区块生成的时间，随机数是可变的。在分布式系统中，不要求每个计算机的时钟完全一致，时间戳的变化对别人而言意义不大；因而为了简化挖矿难度，时间戳也可以事先确定。这样，在6个要素中只需要求出随机数。

随机数通常从0开始一个个地尝试，看６个要素的哈希值是否满足难度。如果某个随机数满足难度，就表示挖矿成功。新的区块生成后被广播到相邻的其他节点。

第674000区块的随机数为4,275,554,107，可见挖矿的工作量挺大。在区块链中，把这样的工作量叫做工作量证明POW。

从事挖矿的人称为矿工。由于第１个挖矿成功的人会有比特币奖励，并且能收获所有交易的手续费，因而矿工都在想方设法提高挖矿效率。

命题４. 高性能是矿工追求的因素。

4.4 共识机制

　　若同一时段只有一个合法区块被生产出来，而没有与之竞争的其他合法区块，该区块将会被接收；若存在竞争区块，则51%以上的节点确认，累计难度最大且最长的链最终会被接收，没有被接收的其他合法区块则成为孤块，被淘汰出局。

　　所谓共识机制，即指得到大多数（51%以上）节点确认。

4.5 去信任

　　在互联网中，节点之间没有绝对的信任。实际上，如果大多数节点都造假，则区块链将没有价值。为了防止造假，除了去中心化外，区块链至少还采用了下面几项措施。

• 当一个节点收到另一个节点的区块后，会通过哈希值对区块链进行检查确认，如果区块链造假或者不是最长的区块链，则丢弃。
• 挖矿成功会有奖励，并且能获得该区块中所有交易的手续费。自从中本聪创建第１个区块并获得50枚比特币后，每挖出21万个区块（大约４年）后，奖励减半。当没有奖励后仍能获得手续费。
• 造假代价很大。对于区块１、区块２、...、区块n构成的区块链。如果区块１造假，则需要重新计算该区块的随机数；从而导致区块２中的hash(parent)变化，又需要重新计算区块２的随机数；进而需要计算后续所有区块的随机数。实际上，如果造假者的算力超过全网51%挖矿节点的算力，则造假成功。

　　命题５. 区块链造假代价很高。

5. 区块链类型

　　区块链分为三种类型：公有链、私有链、联盟链。

5.1 公有链

　　比特币的区块链是一种公有链，它有如下特点。

　　１）公有的、全开放的、去中心化；

　　２）数据全网公开，不适合银行、政府、证券等；

　　３）不能篡改数据；

　　４）处理交易速度慢、效率低：全网节点共同参与，每个节点都参与决策（判断真伪）；

　　５）如果发行电子货币，则是各国政府所不能支持的行为。

　　私有链、联盟链就是对公有链的开放性、效率进行改进的结果。

5.2 私有链

　　私有链不对外开放，只有被授权节点才能参与，是部分“去中心化”的区块链。主要用户有金融机构、大型企业、政府部门等。譬如央行发行的数字货币，只能由央行进行记账，个人不能参与。另外，阿里、百度、京东等大型公司也会构建自己的私有链，侧重区块链的数据安全。

5.3 联盟链

??????? 联盟链也称行业链，是公司与公司、组织与组织之间构建的区块链。通常选定多个节点参与区块共识决策，其他节点仅参与交易而不参与决策，这是一种“多中心化”的区块链。用户群体包括银行、证券、保险、集团企业等。

6. 区块链应用

6.1 应用开发考虑

　　随着区块链技术的发展，越来越多的区块链应用开始出现。特别是由于政府的鼓励支持，需要避免不结合实际情况而一窝蜂地采用区块链技术的过热情形。在确定采用区块链技术开发应用之前，需要从下面几个方面来综合考虑。

• 传统方法。一个应用如果能够采用传统方法来实现，则不必采用区块链技术。
• 去中心化。去中心化只是意味着数据的多个副本，不是采用区块链的绝对理由。数据库MySQL、Oracle、MongoDB以及分布式存储系统Ceph等都支持多副本，并且具有很高的性能。
• 去信任。去信任意味着需要防止数据造假，这是采用区块链的一个理由。
• 可追溯。区块链可以对数据造假进行追溯，数据库一般不具有可追溯特点，这也是采用区块链的一个理由。

　　性能。如果应用频繁更新，采用区块链意味着数据量很大，需要很大的存储设备，对于一些不具备条件的应用则不适合。另外，在区块链中检索数据极不方便，效率极低。

6.2 融合传统数据库的开发方法

　　在确定采用区块链技术开发应用之后，需要考虑一个问题：是否将所有数据都保存到区块链？

　　区块链在性能、数据检索等方面都不如传统数据库；另外，如果所有数据都保存到区块链，则会特别大。一种可行的方法是在应用中采用“区块链+数据库”的方式来保存数据。那些防止造假需要追溯的重要信息可放到区块链，其他信息则放到数据库。在区块链应用方面，数据通常保存在多处。因此数据库应具有性能高、支持多备份的特点；甚至可以采用高性能、高可用、高可扩展的Ceph分布式存储系统来保存数据。

7. 总结

　　区块链具有“去中心化”、“去信任”、“去第三方”的特点，本质上是一个分布式数据存储系统。将区块链保存到多个计算机节点，通过“共识机制”、“奖励”、“造假惩罚”等措施，最终区块链为比特币建立了一套可靠的、可信任的解决方案。然而，区块链也存在一些缺点，包括性能较差、检索困难等，进而出现了公有链、私有链、联盟链等适合不同应用场合的类型。私有链和联盟链在某种程度上已经不再是“去中心化”、“去信任”的区块链。在开发应用时，应综合考虑多种因素来确定是否有必要采用区块链技术；在一些区块链应用中，可以采用“区块链+数据库”的方式来保存数据，即将需要追溯的关键信息保存到区块链，而其他信息保存到数据库或分布式存储系统。