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区块链是近些年来最热门的前沿技术，被认为是将来十几年对金融、物联网、医疗等诸多畛域产生最大影响的 ” 黑科技 ” 之一。
在本篇中咱们将把握区块链的 基本概念 、 技术形成 与 逻辑构造
一、基本概念
“区块链” 这个概念是由一个网名为中本聪的人在 2008 年发表的《比特币：一种点对点的电子现金零碎》中提出的。随后他实现了一个比特币零碎，并公布了加密数字货币—比特币。接下来呈现了以太坊和超级账本这样的大型区块链我的项目。
那么在你的认知中，区块链是什么样的？上面整顿了几种选项，看下是否有合乎你认知的选项。
- 区块链是比特币，比特币就是区块链
- 区块链很值钱
- 区块链能够使用在任何畛域
- 区块链是收费的
- 区块链是十分平安的
通常来说，选项 1 是大多偏向的后果。但比特币和区块链两者不能等同，实际上，区块链是比特币的底层技术，如果要举例比喻的话，就好比用面粉能够做包子，但不能说面粉等于包子，包子等于面粉。而这里的面粉就相当于是包子。当然了作为底层技术的存在，不仅仅利用于比特币的实现中，还有很多其余基于区块链技术的利用。
那么区块链到底是什么？从比拟业余的维度上看，能够从以下三点来解释
- 区块链是底层技术
作为一个底层技术，它是蕴含了 P2P 动静组网 、 基于密码学的共享账本 、 共识机制 、 智能合约 等关键技术
- 区块链是一个数字货币和账本零碎
从货币学的角度看，区块链是数字货币零碎的分布式共享账本零碎，这是一个去中心化的、网内用户独特保护的账本零碎。
- 区块链是互联网的基础设施
它提供了分布式去中心化的价值互联网，为更多大规模的共享、合作利用发明可能。
作为解释根据，这里提取了来自中本聪在 2008 年发表的《比特币：一种点对点的电子现金零碎》中的一段形容：
工夫戳服务器对以区块（Block）模式存在的一组数据是施行随机散列并加上工夫戳，而后将该随机散列进行播送，就像在新闻后世界性新闻组网络（Usenet）的发帖一样。显然，该工夫戳可能证实特定数据于某特定工夫是确实存在的，因为只有在该时刻存在了能力获取相应的随机散列值。每个工夫戳该当将前一个工夫戳纳入其随机散列值中，每一个随后的工夫戳都对之前的一个工夫戳进行加强（Reinforcing），这样就造成了一个（Chain），即区块链，如下图所示：
文字较为红润，咱们看图能够很清晰的看出 区块链就是由 区块 和 链 形成的
1）区块
区块是区块链的组成单元，就像金字塔是由一块块石头组成的一样，区块链就是一个个区块组成的。
区块是由一系列特征值和一段时间内的交易记录组成的一个数据结构。区块的数据结构是由 区块头 和 区块体 组成。其中区块头蕴含了以后区块的特征值，区块体中蕴含的是理论的交易记录数据。
1、数据结构
1️⃣ 区块头
区块头是由 80 个字节组成，次要由版本号、前一个区块的哈希值、Merkle 根、工夫戳、bits、Nonce 这几项区块的特征值组成。
- ver： 版本号，示意本区块恪守的验证规定
- prev_block： 父区块哈希值，指的是这个区块连贯的上一个区块的哈希值
- mrkl_root： mrkl_root 根，是该区块链交易的 Merkle 树根的哈希值（Merkle 是一种哈希树的数据结构）
- time： 工夫戳，区块生成的工夫
- bits： 区块的难度值，该区块工作量证实算法的难度指标，应用特定的算法编码
- Nonce： 是一个随机数，为了找到满足难度指标所设定的
2️⃣ 区块体
区块体次要包含了 交易数量（n_tx）、区块大小（size）和长度不定的交易记录（tx 字段蕴含的交易列表） 等信息。但这只是比特币中的区块体构造，实际上区块体重能够包含任何内容，比方以太坊的区块体中除了交易数据还蕴含智能合约。
2）区块特点
区块是由计算机通过加密算法生成的。如果胜利地生成一个无效的区块，该计算机（节点）就能取得肯定的处分，这个处分就是加密数字货币，也就是所谓的 挖矿。
加密算法并不是容易生成后果的，而是该区块的哈希值必须满足肯定的条件。这个条件就是可能使得区块头中特征值相加生成的哈希值须要合乎肯定格局，比方难度值为 000，因为哈希值随着输出的不同而不同，因而计算机要一直尝试扭转区块头的 Nonce 值直至最终生成的哈希值满足条件才算生成了一个无效的区块。
咱们能够借助 Blockchain Demo 工具来尝试生成一个区块。
从图中能够看出在 HASH 一栏中的数据是红色的，阐明该哈希值是有效的。因为未满足 000 结尾的数据。那么咱们须要再次计算后查看后果
能够看出这次的后果为绿色，是无效的，因为该数据满足 000 结尾。咱们将下面的区块后果进行解读，能够分为以下几局部：
- 索引： 示意区块在区块链中的地位，其中第一个区块为 创世区块（索引为 0），第二个区块的索引为 1，第三个区块的索引为 2，以此类推。
- 工夫戳： 示意该区块的生成工夫，依据工夫戳能够判断区块链中各个区块生成的先后顺序。
- 哈希值： 示意每个区块的惟一标识，也可称为区块的 数字指纹 。哈希值的长度是固定的，而且和区块的内容严密关联，一旦区块内容产生扭转，该区块的哈希值也会产生扭转。而且，区块中的哈希值还有 无效 和 有效 之分，满足特定条件的哈希值是无效的，否则就是有效的。这个特定条件个别称称为 艰难度（Difficulty）。父区块哈希值就是区块中特定区块前一个区块的哈希值。
- 数据：区块中的数据能够是任何内容，比特币区块链的区块中的数据为一串串交易记录。
- Nonce： 是一个随机数，用来生成一个无效的哈希值。Nonce 会依据区块数据的不同而不同，每个区块都须要通过大量计算能力找到对应的 Nonce 值。
- 创世区块： 区块链中的第一个区块，它没有父区块，故创世区块的父区块哈希值为空或者为 0。
2）运行原理
综上所述，区块链就是一个链表，而这个链表就是由一个个区块组成的，这些区块顺次连贯，造成一个不可篡改的链条，那么其中的运行过程咱们也能够由此推出：
- 首先形成区块链的去中心化网络中的第一个节点，生成一个 创世区块
- 而后通过 挖矿 生成新的区块增加到区块链中
- 新的节点退出到去中心化网络中会学生成一个最新的区块链数据
- 随后每个节点生成的区块都会向网络中的其余节点进行播送
- 其余节点收到播送后会判断本人是否曾经收到该区块，是的话就疏忽，否的话会先校验该区块是否无效，如果是无效的区块则会增加到本人的区块链中
3）小结
- 区块链中的节点始终都讲最长的链条作为正确的链，并继续缩短和保护这条链。当节点发现有更长的链条并且自身的链条不是最新时，就会应用最长的链条提花你以后节点的链条。若一个节点判断出自身的区块链是最新的，再收到新的区块信息时，节点就会把新的区块增加到本身链条的最初。
- 当一个区块链的节点把握了整个区块链中 51% 以上的计算能力时，它就能够重写整个区块链。基于这个起因，区块链中的计算能力适度集中会很危险。只有一个宏大且均匀分布的区块链才比拟平安。
二、技术形成
区块链次要由三个核心技术形成，别离是 共识机制、智能合约、去中心化网络。
1）共识机制
共识机制是区块链中的重要机制，不同的区块链我的项目可能应用不同的共识机制。网络中的各个节点依据共识机制达成共识，独特保护整个区块链网络。
1、PoW 机制
工作量证实机制（Proof of Work，PoW），工作量证实就是一份证实，它用来确定实现了一定量的工作并能够因而取得肯定的处分。
工作量证实是一种对应服务与资源滥用，或是阻断服务供应的对策。个别要求发起者进行一些耗时的简单运算，并且后果能被疾速验算。在计算过程中耗用的工夫和资源作为老本，据此来确定建设或惩办，以此来保护零碎的一致性。
工作量证实机制最罕用的技术原理是哈希函数，工作量证实机制如下：
- 获得一些公开的数据，并加上一个随机数（Nonce）
- 以数据和随机数作为输出值计算哈希值
- 查看生成的哈希值是否合乎肯定的条件。若合乎就几下这个随机数的值并退出。若不合乎则扭转随机数的值再从新计算。
因为工作量证实机制须要耗费微小的算力，如果有人尝试歹意毁坏，须要付出微小的经济老本，这就避免了歹意的数据批改。
毛病： 只有第一个获取无效哈希值的节点能失去处分，其余节点的计算会被节约掉。
2、PoS 机制
权利证实机制（Proof of Stake，PoS）试图解决在 PoW 机制中大量资源被节约的问题。不同于 PoW 机制要求进行一定量的计算，PoS 机制要求提供的是保证金，或者说是肯定数量数字货币的拥有权。
PoS 机制的工作原理是通过保证金来确认一个非法的块成为新的区块，收益为保证金的利息和交易服务费。提供证实的保证金越多，则取得记账权的概率越大。
比方零碎中有 A、B、C、D4 集体，A 有 40 个币，B 有 30 个币，C 有 20 个币，D 有 10 个币，那么 A 取得记账权的概率就是 D 的 4 倍
PoS 机制的益处是在肯定水平上缩短了共识达成的工夫，不再须要大量耗费能源挖矿，其与 PoW 机制的区别如下：
3、DPoS 机制
股份受权证实机制（Delegated Proof of Stake，DPoS），与 PoS 机制基本原理雷同，只是选举了若干代理人，由代理人执行验证和记账性能，工作原理如下：
在 DPoS 机制下，每个节点按其持币比例领有影响力，51% 节点投票的后果将是不可逆切有约束力的。其过程为：
每个节点能够将其投票权授予一名代表，获票数最多的前 100 位代表按既定时间表轮流产生区块。每名代表调配到一个时间段来生产区块。所有的代表将收到等同于一个平均水平的区块所含交易费的 10% 作为报酬。如果一个平均水平的区块含有 100 股作为交易费，每个节点将取得 1 股作为报酬
DPoS 的益处是大幅放大了参加验证和记账节点的数量，能够达到秒级的共识验证
4、DAG 机制
有向无环图（Direct Acyclic Graph，DAG），DAG 是一个没有有向循环的、无限的有向图。它由无限个顶点和有向边组成，每条有向边都从一个顶点指向另一个顶点；从任意一个顶点登程都不能通过这些有向边回到原来的顶点
传统的区块链只有一条单链，而在一条单链上无奈并发打包区块。而 DAG 是一种拓扑构造，在区块打包工夫不变的状况下，能够并行打包 N 个区块，那么区块链的交易包容能力就能够变成原来单链状况下的 N 倍。
2）智能合约
智能合约不是区块链的必要组成，它是区块链 2.0 之后呈现的技术。如果把区块链比作一个公司，智能合约相当于公司中的规章制度，员工工作的时候会根据规章制度模式，而在有智能合约的区块链中，链上的节点会根据智能合约进行工作。
智能合约不只是一个能够主动执行的计算机水平，它还是一个基于区块链的参与者。它对接管到的信息进行回应，它能够接管和存储价值，也能够向外发送信息和价值。
智能合约具体是指运行在可复制、共享的账本上的计算机程序，能够解决信息，接管、存储和发送价值的脚本
特点
- 不可篡改
- 分布式
- 主动触发
- 不依赖第三方
3）去中心化网络
去中心化网络不同于中心化网络。在中心化网络中，须要核心服务器，是一种星型的辐射构造。
- 中心化网络
- 去中心化网络
咱们演化成区块链的模式：
三、逻辑构造
从架构上来说，区块链大抵能够分为 4 层，从下到上顺次为 数据层 、 网络层 、 合约层 和 应用层
1）数据层
数据层是区块链的逻辑架构中最根底的一层，性能次要包含区块数据的存储、哈希值和 Merkle 树的计算以及链式构造的生成，其中进行数据的存储时须要重点思考数据存储的性能和稳定性。在比特币和以太坊中的存储性能抉择的是 LevelDB 数据库。
数据层的性能是把交易数据存储到区块中并将区块退出到区块链中。当节点之间产生交易后会将交易数据播送到区块链的去中心化网络上，网络中其余节点负责校验这些交易。交易被确认无效后会存储到区块中，并退出到区块链。
2）网络层
网络层次要包含 P2P 网络 和 共识算法 两个组成部分。P2P（Peer to Peer）网络也称为 点对点网络 或对等网络，依据去中心化水平的不同能够将其分为以下三种：
纯 P2P 网络
- 节点同时作为客户端和服务器
- 没有核心服务器
- 没有核心路由器
杂 P2P 网络
- 有一个核心服务器保留节点的信息并对申请这些信息的客户端作出响应
- 节点负责公布信息（因为核心服务器并不保留文件），让核心服务器晓得哪些文件被共享，让须要的节点下载其可下载其可应用的资源
- 路由重点应用地址，通过被一组索引援用来获取相对地址
- 混合 P2P 网络
同时含有纯 P2P 网络和杂 P2P 网络的特点
在 P2P 网络中，各个节点须要对区块链中的各个区块达成共识能力独特保护同一分布式账本。这个共识的机制就是共识算法，比拟最为罕用的共识算法有 工作量证实机制（Proof of Work，PoW）、权利证实机制（Proof of Stake，PoS）、股份受权证实机制（Delegated Proof of Stake，DPoS）
3）合约层
合约层的性能使得区块链中的区块具备可编程的个性，并且赋予了区块链智能的个性，在区块链中智能合约的作用如同一个智能助理，对区块链中的数据和事件依照事后设定的逻辑进行解决。
4）应用层
应用层泛指基于区块链技术并联合具体业务场景开发的利用，包含加密数字货币钱包、交易所、去中心化利用等。
四、分类
随着区块链的疾速倒退、区块链的利用范畴越来越广，不同的区块链利用之间也有了比拟大的差别
1）私有链
私有链是对外公开、任何人都能够参加的区块链。私有链是真正意义上的齐全无中心化的区块链。它通过加密技术保障交易不可篡改，在不可信的网络环境中建设共识，从而造成去中心化的信用机制。私有链应用于数字货币、电子商务、互联网金融、知识产权等利用场景。
2）联盟链
联盟链仅限于联盟成员应用，因其只针对成员凋谢全副或局部性能，所以联盟链上的读写权限、以及记账规定都按联盟链规定来管制。联盟链实用于机构间的交易、结算、清理等 B2B 场景。超级账本我的项目即属于联盟链。
3）公有链
公有链对独自的集体或实体凋谢，仅供在公有组织，比方公司外部应用，公有链上的读写权限，参加记账的权限都由公有组织来决定。公有链实用于企业、组织外部。
4）特点比拟
5）侧链
侧链的概念最早产生于比特币的利用过程中，侧链本质上是指恪守侧链协定的所有区块链。侧链协定是一种能够让比特币平安地从比特币主链转移到其余区块链，又能够从其余区块链平安地比特币主链的协定。
侧链实质上是一种跨区块链解决方案。通过这种解决方案，能够实现数字资产从第一个区块链到第二个区块链的转移，又能够在稍后的工夫点从第二个区块链平安返回到第一个区块链。
6）闪电网络
在比特币交易网络中，最为人诟病的问题便是交易性能：全网约每秒 7 笔左右的交易速度远低于传统金融交易零碎。同时，期待 6 个区块的可信确认将导致约 1 个小时的最终确认工夫。
为了晋升性能，比特币社区提出了闪电网络等翻新的设计。闪电网络的次要思路非常简略—将大量交易放到比特币区块链之外进行，只把关键环节放到链上进行确认。闪电网络的工作原理是用比特币拥有权的承诺来代替拥有权。
五、总结
区块链的次要特点包含去中心化、去信赖、个体保护、匿名性、牢靠的数据库。
- 去中心化： 区块链技术基于 P2P 去中心化网络，区块链网络上的节点都是平等的，没有核心服务器，故区块链是去中心化的。
- 去信赖： 区块链中的数据都是公开通明的，交易数据通过加密技术进行验证和记录，毋庸第三方信赖机构的参加，故有去信赖的特点。
- 个体保护： 区块链由全网节点独特参加保护，某一节点上数据的更新须要其余节点进行计算和验证，不会受多数节点管制。
- 牢靠的数据库： 区块链中的每一个节点上的数据都是全网数据，单个节点的退出或瘫痪不会影响整个零碎。
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