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区块链技术基础
什么是区块链技术？
运行区块链客户端的计算节点彼此可以相互通信。
每个节点维护一个账本。
每个节点的收支记录都会广播给其他节点。
筛选出一个节点作为一段时间的总记录。
其它节点接收该被选中的节点的记录，和自己账本对照后，没有问题则进行存储。
被选中的节点会因为这段时间付出的劳动而获得一定的报酬。
节点通过非对称加密的公钥来表示身份，通过加密来传递数据。
区块链的组成模块
区块链账本。区块链账本用来记录数据，区块分为区块头和区块体，区块头会存储上一个区块的哈希值，这样各个区块就串联起来，区块头通过梅克尔根关联记录的交易事务。如果修改链中的某个数据块，则会导致该数据块无法链入区块链账本，在其它节点中验证时会被发现，所以区块链账本可以防止对数据的篡改。
共识机制。一种筛选算法，可以选出特定的节点，该节点会作为大家对账的参考。
密码算法。其中包括，计算区块 hash 值得算法，计算区块中交易事务的 hash 值和梅克尔根的算法，创建账户、签名交易的算法等。
脚本系统。脚本系统驱动着节点收发数据，通过实现不同功能的脚本来实现不同的业务。
网络路由。在由这些节点组成的网络中，没有固定节点路由服务器，所以每个节点都起到了路由服务者和使用者的角色，通过路由进行数据的交换。
什么是挖矿
挖矿就是竞争获得区块的打包权，通过计算打包获得报酬。
什么是难度值？
难度值描述了获得打包权的门槛，计算所得结果要小于该难度值才有机会获得打包权，每段时间整个系统会更新难度值，保持 10 分钟就能计算出一个区块的速度。
初始难度值很大，很容易竞争获得，如下是 0 号区块链的难度值：
0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
值越大越容易满足，随着计算能力提升，为了保持每 10 分钟创建一个区块的速度，值会逐渐减小，也越来越难满足。初始难度值表述信息如下，bits 是上述值的压缩值，可以通过 0x00FFFF*2^(8*(0x1D-3) 恢复上述值（近似值）。将 0 号区块的难度作为 1，当前 difficulty 为初始难度值除以当前难度值：
“nonce”: 2083236893,
“bits”: “1d00ffff”,
“difficulty”: 1
如何获得打包权？
每笔交易都会通过广播的形式发送给其它节点，所以计算节点会拉取一段时间内缓存的交易记录，然后采用如下公式计算：
SHA256(SHA256(version + prev_ hash + merkle_ root + ntime + nbits + nonce)) < TARGET
如果计算出的值小于 TARGET，也就是目标难度值，就算成功了。参数解释如下：
名称
含义
描述
version
区块的版本号
固定值
prev_hash
前一个区块的 hash 值
固定值
merkle_root
准备打包的交易事务 hash 树的根值，也就是梅克尔根值
可变的，由获取的交易事务决定的，获取交易事务也是有一定优先级规则的，比如根据手续费大小
ntime
区块时间戳
要大于前 11 个区块的平均时间戳，不得超过当前网络时间 2 个小时，可能小于前一个区块的时间戳
nbits
当前难度值
固定值
nonce
随机数
0~2^32 的数值
想要小于目标难度值，需要不断的尝试各种参数组合，这个过程消耗大量计算资源。一旦计算成功，就会广播新的区块，其它客户端验证通过后会写到自己的区块链账本中。
什么是挖矿？
当获得打包权后，整个区块链系统会给予该客户端账户一定的奖励，这个奖励就是打包的交易事务的第一条记录，这个奖励相当于发行新的货币。整个比特币的数目是有限的，每隔 4 年奖励的比特币减半，真到 2140 年所有的比特币将被挖完，到时挖矿的收入来源为交易的手续费。多个节点符合条件这么办？
如果同时多个节点计算出符合条件的区块，则会一起广播，最后传播最广，处于最长链中的区块将会被保留。
比特币地址如何生成
随机数生成器产生一个随机数作为私钥。
私钥作为参数，用 SECP256K1 算法生成公钥，SECP256K1 算法是一种椭圆曲线算法。但是无法从公钥计算出私钥。
计算公钥哈希值。通过 SHA256 和 RIPEMD160 计算公钥的哈希值，确保数值的唯一性。
将地址版本号连接到公钥哈希值，比特网主版本号为 0x00，然后两次 SHA256 取得前四个字节作为校验值。
将版本号 + 公钥哈希值 + 校验值连接起来，进行 BASE58 编码，最后得到比特币地址。
比特币如何验证一个交易
SPV 钱包的验证过程：
下载完整的区块链头数据，头数据中包含梅克尔根。
计算出想要验证交易的哈希值。
根据哈希值找到对应的区块头。
获取计算梅克尔根所需要的哈希值。
计算梅克尔根。
对照梅克尔根是否正确。
根据所在区块高度位置，可以确定该交易得到了多少确认。
比特币如何管理交易记录
比特币中交易事务的模型为 UTXO（Unspent Transaction Output），未花费事务输出。用户拥有的 UTXO 相当于他的资产，UTXO 只记录用户获得的比特币，一个未花费事务输出只能被使用一次。
一笔交易分为输入和输出。在 A 转 10 个比特币给 B 的事务中，整个模型运转如下：
A 账户有两个 UTXO，分别是 5 个比特币和 6 个比特币。
A 找出自己名下满足 10 个比特币的 UTXO，可以由多个未花费事务组成（5+6），这些 UTXO 作为输入。
输出则是 B 获得 10 个比特币的 UTXO，A 获得 1 个比特币（找零）的 UTXO。
区块链技术的意义
数据不可篡改。
分布式存储，数据在多地存有备份。
匿名性。通过地址来标识用户，而地址是通过公钥生成，所以仅仅通过该地址无法获取其背后的真实用户。
价值专递。自成体系的信任机制，工作量表明比特币是有价值的，比特币可以在任何比特币节点传递。
自动网络共识。一个交易被其它所有节点见证，自动的达成了共识。
区块链的发展
什么是合约？
合约是大家行为的共同准则，少数人的不守约对整个系统不造成影响。
在比特币中，所有节点都遵循合约来处理每笔转账交易。比如 A 将 100 比特币转账给 B，则 A 所在节点需要验证使用的 UTXO 是否属于 A，并且保证里面有足够的钱给 B，然后将该交易记录广播给其它所有节点，其它节点会验证 A 用作输入的 UTXO 是属于 A 的，且真实存在的（查看交易记录签名），并且这笔转账输入和输出是持平的，验证成功后才将该交易记录进区块链。如果部分节点没有按照上述过程转账和验证，但是整个系统最终会保证结果的正确。
密码算法
哈希计算
哈希计算的特性：
输入长度是任意长度
输出是固定长度
计算过程是有效率的
哈希函数为了满足密码学上的安全性，需要满足如下条件：
抗冲突。两个不同的输入产生了相同的输出，这就产生了冲突。为了满足安全性，哈希函数需要保证找出两个输出相同的输入是很困难的，需要付出很大的时间代价。
信息隐藏。获得了哈希函数的输出，不能倒推出输入。
难题友好性。在已知结果需要满足的条件下，很难找出输入满足该条件。
常见的哈希算法：MD5，SHA1，SHA2，SHA3。
区块链中用到的哈希计算：
区块链哈希。区块链中会对区块头进行哈希计算，得出该区块的哈希值。该哈希值会作为下一个区块的一部分被保存，所以该哈希值起到了一个指针的作用，将各个区块链接起来。这保证了每个区块被加入链后不可被修改。
梅克尔树。梅克尔根用来验证区块中交易记录是否正确。比特币中的梅克尔根是一个二叉梅克尔树，首先对交易事务的哈希值两两结对计算出新的哈希值，然后将新的哈希值两两结对计算出下一个哈希值，依次递归，只到算出最后一个哈希值，从而构成了一个哈希树。梅克尔树可以验证交易记录的完整性。
非对称加密算法
常用的非对称加密算法：
RSA。RSA 算法的公钥和私钥是一对大质数，从公钥和密文恢复明文的难度等价于分解两个大质数之积，质数越大破解难度越大。但是计算速度较慢。
椭圆曲线密码算法。安全性高、生成公钥方便，存储空间小。比特币中使用的是 SECP256k1 算法。
编码解码算法
ASCII 编码。常用的字节编码。
Base64 编码。用 64 个字符来表示二进制文件，所以每 3 个字节被表示为 4 个字符，不足 3 个字节的补 x00。
Base58 编码。去掉了 Base64 中一些容易混淆，如 0，O，I，1 和容易转义的 +、/。
Base58Check。在 Base58 的基础上加上了校验码，比特币在生成地址时最后就采用了 Base58check，可以在接收到地址时进行校验，如果计算出的校验值和接收到的校验值不同，则认为数据无效。
密码算法具体的应用
生成账户地址。利用公钥生成地址和作为账号，用私钥验证账号。
价值转移保卫。用私钥签名交易，他人用公钥验证交易是本人发出。用他人公钥加密交易数据，只有接受者才能解密数据。
完整性证明。通过哈系数来校验区块数据。
零知识证明。为了证明自己对某笔交易的所有权，只需要解码交易中部分内容，就能证明所有权，而不需要提交自己的密码来验证。
共识算法
FLP 定理（信道可靠，节点失效）
在网络可靠，存在节点失败的最小化异步模型中，不存在可以解决一致性问题的确定算法。
CAP 定理
分布式计算不可能同时保证一致性、可用性和分区容错性。
一致性。所有节点在同一时刻，所处状态相同。
可用性。系统可以正常被访问。
分区容错性。因为网络故障导致节点被划分为不可联通的几块，但系统仍能正常使用。
两军问题（信道不可靠）
A->B<-CA 和 C 需要联合攻击 B 才能取得胜利，所以双方需要约定一个确定的时间发起进攻，两方的信使都需要经过 B，所以信使可能被 B 截获。A 发送消息给 C，C 需要发送确认告诉 A 消息到达，如果不发送确认，A 同样会认为消息被 B 截获；同样，A 收到 C 的确认后，同样需要发送确认消息给 C，否则 C 会认为消息被 B 截获。如此往复，导致 A 和 C 无法达到最终的一致。
两军问题的关键点在于两点之间的信道传输不可靠。
拜占庭将军问题（信道可靠，节点不失效，节点产生错误数据）
N 个将军通过传令兵传递消息，并且需要达成一致的计划，但是这 N 个将军中存在叛徒，会故意发送假的消息来扰乱计划。已经证明，如果背叛的将军超过了 1 /3，则不可能达成一致的计划。
如何实现共识
既然保证一致性存在上述问题，那么如何实现一套实际可用的的共识算法？
激励机制：采用一定的激励机制，依据博弈论，每个节点会最大化自己的利益，最后大部分节点会依照规则行事。
随机性：拜占庭问题是每个将军通过协调达到一致，如果有一个大将军做出最后决定，那么问题就会简单很多。在去中心化的系统中，如何选出这个“大将军”呢？
根据计算力，PoW 共识。
根据资源，PoS 共识。
常用的共识算法：
PoW。如，比特币。
PoS。如，PeerCoin。
DPoS。
Paxos。如，ZooKeeper。
PBFT。
Raft。如，etcd。
以下是对部分共识算法的简单介绍。
Paxos 算法
Paxos 算法解决的是非拜占庭问题，存在失败节点，但没有恶意节点。
算法分为提案者、接收者。提案者发出提案，由接收者投票，超过半数则认为提案通过。
在处理多个提案者、多个接收者场景的时候，采用了“两阶段提交”的方案：准备阶段解决对哪个提案做出表决，提交阶段确认提案是否通过。
Raft 算法
该算法通过选出一个“大将军”角色的方式来解决一致性问题。容错数目为 (n-1)/2。
没有“大将军”时会发起选举，每个人进行投票，票数居多的成为“大将军”。
出现平票时选举失败，每人被分配一个随机的睡眠时间，睡眠者只能投票，无法被选举。第一个醒的人会发起新一轮的选举。
被选出的“大将军”和每个人保持心跳，一旦“大将军”失效，则需要进行新的选举。
由“大将军”负责下发指令，村长收到上级指令后会向所有人发送指令，等接收到超过半数的反馈后，“大将军”向上级确认数据已经接收。“大将军”接收到上级的响应后，会通知所有人数据已提交。
PBFT 算法
Pbft 算法的基本流程主要有以下四步，f 表示错误节点数目。容错数目为 n /3。
客户端发送请求给主节点。主节点为随机挑选出来的。
主节点广播请求给其它节点，节点执行 pbft 算法的三阶段共识流程。
节点处理完三阶段流程后，返回消息给客户端。
客户端收到来自 f + 1 个节点的相同消息后，代表共识已经正确完成。
PBFT 算法多应用于联盟链中，它达成共识的延时为秒级，基本满足商业要求。
PoW 工作量证明算法
算法流程：
向所有节点广播交易；
每个节点收到交易信息并放入块中；
每一轮，获得打包权的节点广播它保留的块；
其它节点验证块中的交易无误后接收该区块；
其它节点将接收的区块的哈希值放入他们创建的区块中，以表示承认该区块的正确性。
节点以最长的链为合法的链。节点在收到一个他人的区块后可以选择拒绝，或者基于该区块继续挖矿。如果选择拒绝，则不得不自己计算出一个正确的区块，但是会导致该自己另起炉灶的链不会长于主流的链，所以自己构造的链不会得到承认；根据“不利原理”，节点会积极的接收其他人广播的区块，并且基于该区块接着挖矿。
PoW 的特点：
完全去中心化；
性能消耗高，效率低；
达成共识的周期较长；
1/ 2 的容错率。
PoS 股权权益证明
PoS 不像 PoW，任何人都可以参与产生区块，而是事前需要投入一些利益在区块链中，投入越多则越被信任。整个流程如下：
加入 PoS 机制的成为持币人，成为验证者 validator；
根据持币的多少挑选一个给予打包区块的权利；
如果没有在规定时间内计算出新的区块，则选择下一个节点给予打包权；
打包成功后进行广播，被大家接受后可以获得一定的利息，这个利息通过持币数量和币龄决定，每次打包成功后，会清零币龄。
DPoS
委托权益人证明机制（Delegated Proof of Stake），在 PoS 的基础上进行了改造，每个持币人可以选出代表来代替自己计算、验证区块链，代表因此会收到一定的酬劳，代表可以主动退出、或被淘汰。该算法减少了参与节点的数量，减少了节点响应的时间，提高了交易效率。
区块链遇到的问题
区块扩容
比特币的区块限制在 1M，导致记录的交易数量很少，限制了比特币在大规模快速交易中的应用，所以提出了两种方案来解决这个问题：
区块扩容。将区块大小设置的大一些。
隔离见证。从区块中去掉见证交易合法性的签名。
由于比特币是无中心化的，让所有节点进行改造是不可能的，并且这些节点的拥有者对改造的意见也不相同。所以节点的不同选择会导致整个链分叉，从而形成两种区块链。
侧链
为了让资产可以在不同区块链之间转移而提出了侧链的概念，主、侧链之间的转移步骤如下：
在比特币主链上锁定一定的比特币，在侧链上激活对等的资产；
侧链按照自己的游戏规则交易这些资产；
相应的，侧链可以冻结相应的资产，将比特币归还到主链。
闪电链
为了加快交易速度，减少对主链的压力，提出了闪电网的概念。闪电网是在主链外开辟快速交易通道，临时记录一段时间的频繁交易，定期将最后结果提交到主链。
区块链存在的问题
分叉
由于部分节点采用新版本的合约，而导致和老版本的节点不兼容，导致区块链分叉为老节点产生的区块链和新节点产生的区块链，如果一直保持这种状况，则会导致整个区块链分裂为两个系统，形成“各玩各的”局面。
除了版本差异导致的分叉，还有可能是网络问题导致部分节点被孤立起来，从而这些被割裂的节点组成一个小的区块链系统，产生的区块链和主链也会产生较大差异。在某个时刻这部分节点重新加入主链，则整个系统需要耗费一些代价来弥合原来产生的分歧。
51% 算力
如果一个人拥有了区块链超过一半的算力，他就拥有了大多数的打包权，那么他就可以在对交易打包时进行作弊，从而从中牟利。
拥有算力优势的人还可以拒绝一些交易记录，使得一些交易长时间无法完成。
如果拥有算力优势的人采用一些手段违反当初的约定，这会打击其他人挖矿的积极性，对整个区块链产生负面的影响。
私钥丢失
私钥丢失代表着在整个区块链中所拥有的财富丢失，目前还没有办法找回。
交易确认延迟
非所有的交易会被立刻打包进区块，一笔交易需要耗费一定的时间才能被计入区块链。交易被确认前是缓存在内存中的，打包区块需要时间进行计算，并且区块有大小限制，即使被打包进区块还要被大多数节点接受，所以一笔交易本最终确认周期较长。
有的节点会根据手续费来控制打包的顺序，所以普通的交易更难被打包进区块了。
不断膨胀的区块链
随着交易数量的日积月累，承载记账功能的区块链数据会越来越多，对这些数据的查询和存储会越来越困难。
内容参考《白话区块链》
