在这篇文章中我们探一(yi)探区块链技术背后的(de)历史，从上世纪80年代的拜占(zhan)庭将军问题到今天的复杂(za)的智慧契约，区块链是如何一步(bu)步走到今天的呢？
区块链(lian)基础
区块链是随着(zhe)比特币等数字加(jia)密货币的日益普及(ji)而逐渐兴起的一种全新技术，它提供了(le)一种去中心化的、无需信任(ren)积累的信用建立范式，目前已经引(yin)起金融行业、科研(yan)机构、政府部门和投资公司(si)的高度重视与广泛关注。
区块链技术(shu)通过建立一个共同维护且(qie)不可被篡改的数据库(ku)来记录过去的所有交易记录(lu)和历史数据，所有的数据都是分布式(shi)存储且公开透明的。在这(zhe)种技术下，任何(he)互不相识的网络用户都可(ke)以通过合约、点对点记账、数字加密等方式达成信用共识(shi)，而不需要任何的中央信任(ren)机构。在这种技术(shu)下，我们可以建(jian)立数字货币、数字资产、智(zhi)能财产以及智能合约等。
通过上一章的介(jie)绍，相信大家已经对区块链和比(bi)特币有了初步的认(ren)识，在本章中，我们将继续探讨区块链的(de)技术细节。
本章将首先介绍区(qu)块链的相关基本概(gai)念及其运作原理，然后介(jie)绍区块链上可以进行的操(cao)作和相关细节，最后再讨论区块链上的交易流程和它(ta)的验证过程。
区块链技(ji)术
区块链(lian)本质上是一个对等网络（peer-to-peer）的分(fen)布式账本数据库。比特币的底层就采(cai)用了区块链的技术架构。
区块链本身(shen)其实是一串链接的数据区块，其(qi)链接指针是采用密码(ma)学哈希算法对区块头(tou)进行处理所产生的(de)区块头哈希值。每一个数据块中记(ji)录了一组采用哈希算法组成的树状(zhuang)交易状态信息，这样保证了每(mei)个区块内的交易数据不可篡改，区块(kuai)链里链接的区块也不可篡改。
1.基(ji)本概念
一个完整的区块链系统包(bao)含了很多技术，其中有存储数据的数(shu)据区块及其之上的数字签(qian)名、时间戳等技术，有作为(wei)支撑的P2P网络和(he)维护系统的共识算法，有挖矿和工(gong)作量证明机制，有匿名交易机制和(he)比特币钱包，还有链龄、UTXO、Merkle树、双花等相(xiang)关技术概念。
正是这些技(ji)术，使得区块链在无中(zhong)心的网络上形成了运转不息的(de)引擎，为区块链的交易、验证、链接等功能提供了源源不断的(de)动力。
2.数据区块
比特币的交易记录会(hui)保存在数据区块之中，比(bi)特币系统中大约每10分钟会产生一个(ge)区块，每个数据区块一般包含区块头(tou)（Header）和区块体（Body）两部(bu)分
区块头封装(zhuang)了当前的版本号（Version）、前一区块地址（Prev-block）、时间戳（Timestamp）、随机数（Nonce）、当前区块的目标哈希值（Bits）、Merkle树(shu)的根值（Merkle-root）等信息。
区(qu)块体中则主要包含交易计数和交易详(xiang)情。?交易详情就是比特币系统中(zhong)的记账本，每一笔交易都会被永久地记(ji)入数据区块中，而且(qie)任何人都可以查询。
区(qu)块体中的Merkle树将会对每一笔交易进行(xing)数字签名，如此可以确保每一笔交易都(dou)不可伪造且没有重复交易。所有的交易将通过Merkle树的Hash过程产生一个唯一Merkle根值记入区块头。关于Merkle树本章后面将(jiang)详细介绍。
如果你使用的是比特币核(he)心钱包（Bitcoin core），那么每当你打开客户端时(shi)，区块数据文件都会被同步(bu)到电脑硬盘中，可以在blocks文件夹下找到它们(men)。
我们还可以使用hexdump指令在终(zhong)端上将数据区块以十六进制的方式(shi)显示出来。我们(men)可以通过解析这些(xie)数据得出交易记录、区块大(da)小等基本信息，?因此我们说区(qu)块链中的数据是完全公开透明的(de)。?我们使用指令hexdump -n 10000 -C blk00000.dat打(da)开了编号为00000的创世区块（比特币中的第一块区(qu)块链）。
3.挖矿(kuang)与分叉问题
区块在挖矿过程中产生。所谓挖(wa)矿，实际上是穷举随机数(shu)算法，把上个区块(kuai)的哈希值加上10分钟内(nei)的全部交易单打包，再加上一(yi)个随机数，算出一个256位的字符串哈希值，输入的随机数(shu)Nonce使哈希(xi)值满足一定条件就获(huo)得这个区块的交易记账权。
新产生(sheng)的区块需要快速广播出去，以便其(qi)他节点进行对其验证，以防造假(jia)。每个区块存着上一个区块的(de)哈希值，可以溯源到源头(tou)，只有经过验证(zheng)后才最终获得区块的交易记(ji)账权。比特币系统会让挖矿的矿工(gong)竞争记账权（在主链上链接区块的权(quan)利），这个竞争机制就是工(gong)作量证明机制。
挖矿(kuang)需要付出大量的能源和时(shi)间，谁付出的工作量(liang)多就能以更大的概率获得一个(ge)区块的记账权。获取记账权的矿工会(hui)将当前区块链接(jie)到前一区块，形成(cheng)最新的区块主链，该(gai)矿工也会得到系统奖励的一定数量（2009～2013年每10钟产生(sheng)50个比特币，2014年至今每10分钟产生的比特币将(jiang)减半成25个）的比特(te)币。所有的区块链接在一起形(xing)成了区块链的主链，从创世区块到当前区块，在区块链之(zhi)上的所有数据历史(shi)都可以被追溯和(he)查询。
需要说明的是，可能会出现不同地区的两个矿工同时(shi)“挖出”两个新(xin)区块加以链接的情(qing)况，这时主链上就会出现“分叉”。系统并不会马上确认哪(na)个区块不合理，而是约定后(hou)续矿工总是选择累计工作量证(zheng)明最大的区块链。因此，当主链分叉以(yi)后，后续区块的矿工将通过(guo)计算和比较，将其区块链接到当(dang)前累计工作量证(zheng)明最大化的备选链上，形成更长的新(xin)主链，并自动抛弃分叉处的短链，从(cong)而解决分叉问题。
4.时间戳和不可篡改性
时间戳是指从格林威治(zhi)时间1970年01月01日00时00分00秒（北京时间1970年01月01日08时00分00秒）起至现在的总秒数，通(tong)常是一个字符序列，唯(wei)一地标识某一刻的时间。在(zai)比特币系统中，获得记账权的节点在(zai)链接区块时需要在区块头中加盖时间(jian)戳，用于记录当前区块数据的写(xie)入时间。
每一个随(sui)后区块中的时间戳都会对前一个时间戳(chuo)进行增强，形成一个时间递增的链(lian)条。时间戳技术本身并没有多复杂，但在区块链技术中应用(yong)时间戳却是一个重大创新，时(shi)间戳为未来基于区块链的互联网和大数(shu)据增加了一个时间维度，使得数据更容易(yi)追溯，重现历史也成为可能。
同时，时间戳可以作(zuo)为存在性证明（Proof of Existence）的重(zhong)要参数，它能够证(zheng)实特定数据必然在(zai)某特定时刻是的确存在(zai)的，?这保证了区块(kuai)链数据库是不可篡改和不可伪造的，这(zhe)也为区块链技术应(ying)用于公证、知识产权注册等时间敏感(gan)领域提供了可能。
5.分布式数(shu)据库
比特币系(xi)统中的区块就像一个记账本一(yi)样，记录了所有比特币的交易信息(xi)，每一个比特币用户(hu)的比特币收支情况都被永久地嵌入了(le)数据区块中以供别人(ren)查询。这些数据区(qu)块中的交易数据存放在每一个比特(te)币用户的客户端节点中，所有的这些节(jie)点则组成了比特币及其坚韧的分布式数(shu)据库系统。?任何一个节点的数据(ju)被破坏都不会影响整个数据库的(de)正常运转，因为其他的健康节点中(zhong)都保存了完整的(de)数据库。
6.UTXO交易模式
UTXO（Unspent Transaction Outputs）是未花(hua)费的交易输出，它是比特币交易过程中的基本单位。除(chu)创世区块以外，所有区块中(zhong)的交易（Tx）会(hui)存在若干个输入（Tx_in，也称资金来源）和若(ruo)干个输出（Tx_out，也称资金去向），创世区块和后来挖矿产生(sheng)的区块中给矿工奖励的交易没有输(shu)入，除此之外，在比特币系(xi)统中，某笔交易的(de)输入必须是另一笔交易(yi)未被使用的输出，同(tong)时这笔输入也需要上一(yi)笔输出地址所对应的(de)私钥进行签名。
当前整个区块链网络中(zhong)的UTXO会被储存在每个节点中，只(zhi)有满足了来源于UTXO和数字签名条件的交易才(cai)是合法的。?所以区块链系统中(zhong)的新交易并不需要(yao)追溯整个交易历史(shi)，就可以确认当前交易是否合法。
7.哈希(xi)函数
哈希函数在比特(te)币系统中也有着重(zhong)要的应用，区块链中的数据并不只(zhi)是原始数据或者(zhe)交易记录，还包括它们的哈(ha)希函数值，即将原始数据编码为特(te)定长度的、由数(shu)字和字母组成的(de)字符串后，记入区块链。哈希函数有着(zhe)很多适合存储区块链(lian)数据的
优点：
1）哈希函数处理过的数据是单向(xiang)性的，通过处理过的(de)输出值几乎不可能计算出原始的输(shu)入值；
2）哈希函数处理不(bu)同长度的数据所耗(hao)费的时间是一致的，输(shu)出值也是定长的；
3）哈希函数的输入(ru)值即使只相差一个字节，输出值的(de)结果也会迥然不同。?比特币系统中最常(chang)采用的哈希函数是双(shuang)SHA256哈希函数，通俗(su)来说就是将不同长度的原始数据用两次(ci)SHA256哈希函数进(jin)行处理，再输出长度为256的(de)二进制数字来进行统一的识别和(he)存储。
总之，哈希(xi)函数是比特币系统中的关键技(ji)术，为比特币系统提供了很多便利。本书后面的章节将会对哈希(xi)函数做详细介绍，此处不赘述(shu)。
8.Merkle树
Merkle树是数(shu)据结构中的一种树，可以(yi)是二叉树，也可以是(shi)多叉树，它具有树结构的所有特点。如图2-4所示(shi)，比特币区块链系统中(zhong)的采用的是Merkle二叉(cha)树，它的作用主要是快(kuai)速归纳和校验区(qu)块数据的完整性，它会将区块链(lian)中的数据分组进行哈希运算，向(xiang)上不断递归运算产(chan)生新的哈希节点(dian)，最终只剩下一个Merkle根存入区块头中，每个哈希节点总是包含两个相邻的数(shu)据块或其哈希值。
在比特币系统中使用Merkle树有诸多优(you)点：?首先是极大地(di)提高了区块链的运行效率和可(ke)扩展性，使得区块头只需包(bao)含根哈希值而不必封装所有底层数据，?这使得哈希运算可以(yi)高效地运行在智能手(shou)机甚至物联网设备上；?其(qi)次是Merkle树可支持“简化支付验证协议”（SPV），?即(ji)在不运行完整区块链网络节(jie)点的情况下，也能(neng)够对交易数据进行检验。所以，?在区块链中使用Merkle树这(zhe)种数据结构是非常具有意(yi)义的。本书后面的章节将会对(dui)Merkle树做详细介绍。
9.双重支付
双重支付问题(ti)又称为“双花”问题(ti)，即利用货币的数字特性用“同(tong)一笔钱”完成两次或者多次支付。在(zai)传统的金融和货币体系中，由于金钱货(huo)币是物理实体，具有客观唯一存在的(de)属性，所以可以避免双重支付的情况(kuang)。但在其他的电子货币系(xi)统中，则需要可信的第(di)三方管理机构提供保证。
区块链技术则在去中心化的系(xi)统中不借助任何第三方机构而只通过分(fen)布式节点之间的相互验证和共识机制(zhi)，有效地解决了双(shuang)重支付问题，在信息传输的同(tong)时完成了价值转移。?区块链技术通过(guo)区块链接形成的时间戳技术加上验证(zheng)比特币是否满足UTXO（未花费交易）和数字签名，有(you)效避免了双重支付的问题。?如果有人(ren)用同一笔UTXO构造(zao)了两笔付给不同交易方的交易(yi)，则比特币客户端只会转(zhuan)发最先被侦听到的那个。矿工会选择将那笔交易(yi)包入未来区块，当其中(zhong)一笔交易所在的区块后有5个链接(jie)的区块，这笔交易已经得到了6次确认(ren)。在比特币区块链上(shang)，6次确认后可以基本上(shang)保证比特币不被(bei)双花。
10.P2P网络
P2P网络（peer-to-peer network，对等网络）是一种在对等(deng)者（peer）之间分配任务和工(gong)作负载的分布式应用架构，是对等(deng)计算模型在应用层形(xing)成的一种组网或网络形式。?因此，从字面上，P2P可以(yi)理解为对等计算或对(dui)等网络，P2P网络示(shi)意图如图2-5所示。国内的迅雷软(ruan)件采用的就是P2P技术。
区块链系统是建立在(zai)IP通信协议和分布式网络的基础上的(de)，它不依靠传统的电路交换，而是建立于网络(luo)通信之上，完全通过互联网(wang)去交换信息。网络中所有的节(jie)点具有同等的地位，不存(cun)在任何特殊化的中(zhong)心节点和层级结(jie)构，每个节点均会承担网络路由、验证数据区块等功能。网络(luo)的节点根据存储数据量(liang)的不同可以分为全节点和轻(qing)量级节点，全节点存储了(le)从创世区块以来的所有区块(kuai)链数据（比特币网络现在大约有几十GB，且还在不断增长中）。
全节点的优点是进行数(shu)据校验时不需要(yao)依靠别的节点，仅依靠(kao)自身就可以完成校验更(geng)新等操作，缺点(dian)是硬件成本较高。?轻量级节点只(zhi)需要存储部分数据信(xin)息，当需要别的数据时可以通(tong)过简易支付验证方式（Simplif?ied Payment Verif?ication，SPV）向邻近节点请求(qiu)所需数据来完成验证(zheng)更新。
11.加密算法
除了哈希算法以外，比特币中还存在(zai)一种为交易加密的非对称加(jia)密算法（椭圆曲线(xian)加密算法）。非对称加密(mi)算法指的就是存在一对数学相关的密(mi)钥，使用其中一个密(mi)钥进行加密的数据信息，只有使用另一个密钥才能对该信(xin)息进行解密。这对密钥中，对外公(gong)开的密钥叫作公钥，不公开的密(mi)钥就叫作私钥。打个(ge)比方来说，公钥就(jiu)像银行的账户，私钥(yao)就像是该账户的密(mi)码或者账户所有者的签名。
区块链(lian)之上的有效交易有一(yi)个用于交易发起方私钥签名有效的数字(zi)签名，而该交易的签名可(ke)以通过使用交易发起(qi)方的公钥进行验证(zheng)。?公钥可以通过算法从(cong)私钥中计算得出，但私钥(yao)却不能从公钥中推出。比特币系(xi)统中使用的就是一(yi)种非常典型的非对称加密算法——椭(tuo)圆曲线加密算法（ECC）。
比特币系统一般(ban)从操作系统底层(ceng)的一个密码学安全的随机源中取出一个(ge)256位随机数作为私钥(yao)，私钥总数为2256个，所以很难(nan)通过遍历所有可能的私钥得(de)出与公钥的对应的私钥。用(yong)户使用的私钥还会通过(guo)SHA256和Base58转换成易书写和识别的50位(wei)长度的私钥，公钥则首先由私钥(yao)和Secp256k1椭圆曲线算法生成65字节长度的随机数。
一般情况(kuang)下，比特币钱包的地址也由公钥(yao)所生成，其生成过程为首先将(jiang)公钥进行SHA256和RIPEMD160双(shuang)哈希运算，并生成20字节长度(du)的摘要结果（即Hash160结果），这个将作为(wei)比特币地址的主体(ti)（body）信息，再在前面加上(shang)版本前缀0x00，在后面(mian)添加4个字节的地址校验码。?地址校验码通过(guo)对摘要结果进行两(liang)次SHA256运算，取哈希值的(de)前4位产生。最(zui)后通过Base58处理把连在(zai)一起的版本前缀、主体信息(xi)和校验码转换成可(ke)以容易让人识别的比特币字符地(di)址。
12.数字签名
数(shu)字签名就是在信息(xi)后面加上另一段内容，作为(wei)发送者的证明并且证明(ming)信息没有被篡改。一般是发(fa)送者将信息用哈希算(suan)法处理得出一个哈希值，然后用私钥对(dui)该哈希值进行加密，得出一(yi)个签名。然后发送者再将信息和签名(ming)一起发送给接收者。接收(shou)者使用发送者的公钥对签名进行解(jie)密，还原出哈希值，再通过哈(ha)希算法来验证信(xin)息的哈希值和解(jie)密签名还原出来的哈希值是否一致，从(cong)而可以鉴定信息是否来自发送者(zhe)或验证信息是否被篡改。
13.比特(te)币的隐私模型
传统隐(yin)私模型为交易的参与者提(ti)供了一定程度的隐私保护，第三方(fang)不会交出交易者的个人身(shen)份信息，公众所得知的只是(shi)某个人将一定数量的货币发给了另外(wai)一个人，但是难以(yi)将该交易与某个特定身份的人(ren)联系起来，公众无法知道这人(ren)到底是谁。这同股票交易所发布(bu)的信息是类似的，每一手股票买(mai)卖发生的时间、交易(yi)量是记录在案且可供查询的，但是交易双方的身份信息却不予(yu)透露。但实际上，交易(yi)双方的个人信息(xi)是存放在第三方机构，所以一定程度上(shang)交易参与者的隐私信息还是会有泄露(lu)的风险。
在比特币的隐私模型中，所有的交易(yi)不需要第三方的操控，也(ye)不需要提供任何身(shen)份信息，只需要提供比特(te)币的地址就可以跟(gen)任何人完成一次准匿名的交易。在一定程度上，交易不可(ke)追溯到交易者本身，因此比特币上的交易可以在一(yi)定程度上摆脱监管(guan)。但通过对区块链上交易的地址以及(ji)交易额做关联分析，也可以获得上述文(wen)章内容就是交易者的蛛丝马迹。因此，比特币的交易还不是(shi)纯粹的匿名交易机制，而是准匿(ni)名（pseudo-anonymous）交易机制。
框架与特点
1.框架简介
目前大多(duo)数区块链技术的应(ying)用与比特币类似，大部分是在比特(te)币架构基础上的扩展。目前，区块链技术在金融行业得到(dao)广泛关注，被认为可以用来从最(zui)底层重构传统金融业现有的IT基础架构。我们将区块链的基础架构(gou)分为三层来进行讲解。
首先，在网络层之上，区块链是建立在IP通信协议和对等网络的基础上(shang)的一个分布式系统，和传统带中心的分(fen)布式系统不一样，它不(bu)依靠中心化的服(fu)务器节点来转发(fa)消息，而是每一(yi)个节点都参与消息的转发。?因此P2P网络比(bi)传统网络具有更高的安全性，任(ren)何一个节点被攻击都不会影响(xiang)整个网络，所有(you)的节点都保存着整个系统的状(zhuang)态信息。
其(qi)次，在数据层面上，区(qu)块链就是一个只可追(zhui)加、不可更改的分布式数据库系统，是一个分布式账(zhang)本。?如果是公开的区块链，也就(jiu)是公有链，那么这个账本(ben)可以被任何人在任何地方(fang)进行查询，完全公开透明。在区块链网(wang)络中，节点通过使用共识算法(fa)来维持网络中账本数据库(ku)的一致性。
同时采用密码学的(de)签名和哈希算法来(lai)确保这个数据库不可篡改，不能作伪，并且可追溯。?例(li)如，在比特币系统中，只有在控制(zhi)了51%的网络算力时才有(you)可能对区块链进行重组(zu)以修改账本信息。由于比特(te)币系统的设计者中本聪在(zai)系统设计中巧妙地加入了带有(you)经济激励的挖矿工作量证明(ming)（PoW）机制，使得即使(shi)拥有网络51%以上算力的人也(ye)不会损害其自身利益而发起对网络的攻(gong)击。因此，比特币系统自上线7年多来一直持续不断地(di)正常运行，没有出现过因为比(bi)特币系统本身缺陷而造成的安全故(gu)障。
再次，在应用层面(mian)，我们可以用区块(kuai)链代替传统的登(deng)记、清算系统。?2016年6月22日，波士顿咨(zi)询公司指出，到(dao)2030年，全球支付业(ye)务收入预计将会达到8070亿美元。基于区块链技术的汇兑和(he)支付属于区块链的1.0应用版，其安(an)全性、交易时间、成本都会对传统支(zhi)付业务进行颠覆式改(gai)进。花旗银行也明确(que)指出，到2020年，如果各大金融机(ji)构都使用区块链技术(shu)，每年能够节省超过200亿美元的成本。
国信证券分析报告指出，通过区块(kuai)链的点对点分布式的时间戳服务(wu)器来生成依照时间前(qian)后排列并加以记录的(de)电子交易证明，可以解(jie)决双重支付问题，从而带来结算成(cheng)本趋零的可能性。?根据德国银(yin)行的一份引用波(bo)士顿咨询的研究报告，欧洲银行的(de)IT成本支出平均占据银(yin)行整体运行成本的16%[5]。一个重要原(yuan)因就是传统银行在(zai)账本的维护、支付交易(yi)的结算和清算方面的架构(gou)过于复杂，维护成本(ben)过高。
在应(ying)用方面，区块链平台能够提(ti)供编程环境让用户编写(xie)智能合约。?通过智能合约(yue)，可以把业务规则转化成在区块链平(ping)台自动执行的合约，该合约的执行(xing)不依赖可信任的第三方，也(ye)不受人为的干预。
理(li)论上只要一旦部署，一旦符合(he)合约执行的条件就会自动执行。?执行结果也可以(yi)在区块链上供公开检查，提(ti)供了合约的公正性和透明性。因此，智(zhi)能合约可以降低合约建立、执行和仲裁中所涉及(ji)的中间机构成本。区块链的智能合(he)约奠定了未来建立(li)可编程货币、可编程金融，甚至是可编程社会的基础。
2.架构特点
区块链具有去(qu)中心化、可靠数据库、开源可(ke)编程、集体维护、安全可信(xin)、交易准匿名性(xing)等特点。如果一个系统不具有以上特征(zheng)，将不能被视为基于区块链技术的应(ying)用。
（1）去中心化
区块链(lian)数据的存储、传输、验证等过程均(jun)基于分布式的系统结构(gou)，整个网络中不依赖一个没有中(zhong)心化的硬件或管理机(ji)构。作为区块链一种部署模式(shi)，公共链网络中所有(you)参与的节点都可以(yi)具有同等的权利和义务(wu)。
（2）可靠数(shu)据库
区块链系统的数据(ju)库采用分布式存储，任一参与节点都可(ke)以拥有一份完整的数据库拷(kao)贝。除非能控制(zhi)系统中超过一半以上的算力(li)，否则在节点上对数据库的(de)修改都将是无效的。
参与系统的节点越多，数据库的安全性就越(yue)高。并且区块链数据的存储还带(dai)有时间戳，从而为数(shu)据添加了时间维度(du)，具有极高的可追(zhui)溯性。
（3）开源可编程
区块(kuai)链系统通常是开源的，代码高度(du)透明公共链的数据和程序对(dui)所有人公开，任何人都可以通过接(jie)口查询系统中的数据。并且(qie)区块链平台还提供灵活的脚本代码系(xi)统，支持用户创建高级的智能合约、货(huo)币和去中心化应用。
例如，以太坊（Ethereum）平台即提(ti)供了图灵完备的脚本语言(yan)，供用户来构建任何可以精确定义的(de)智能合约或交易类型。关于以太坊的(de)更多内容请参考2.2节。
（4）集体维护
系统中的数据(ju)块由整个系统中所有具(ju)有记账功能的节点来共同维护，任一(yi)节点的损坏或失去都(dou)不会影响整个系统的运作。
（5）安全可信
区块链技术采用非对称密码学(xue)原理对交易进行签名(ming)，使得交易不能被伪造；同时利用哈希算法保证交(jiao)易数据不能被轻易篡改，最(zui)后借助分布式系(xi)统各节点的工作量证明等共识(shi)算法形成强大的算力来抵御破(po)坏者的攻击，保证区(qu)块链中的区块以(yi)及区块内的交易数据不可(ke)篡改和不可伪造，因此具有极高的安全(quan)性。
（6）准(zhun)匿名性
区块链系统采用与用户(hu)公钥挂钩的地址来做用户(hu)标识，不需要传(chuan)统的基于PKI（Public Key Infrastructure）的第三方认(ren)证中心（Certif?icate Authority，CA）颁发数(shu)字证书来确认身份。通过在全网节点(dian)运行共识算法，建立网络中(zhong)诚实节点对全网状态的共识(shi)，间接地建立了节点间的信任。
用户只需要公开地(di)址，不需要公开真实(shi)身份，而且同一个用户可以不断(duan)变换地址。因此，在区(qu)块链上的交易不和用户真实(shi)身份挂钩，只是和(he)用户的地址挂钩，具有交易的准(zhun)匿名性。。
区块链技术(shu)的核心优势是去中心(xin)化，能够通过运用哈希(xi)算法、数字签名、时间戳、分(fen)布式共识和经济激励等手(shou)段，在节点无需互相信(xin)任的分布式系统中建立信用，实现点对(dui)点交易和协作，从而为中(zhong)心化机构普遍存在的高成本、低效率和(he)数据存储不安全(quan)等问题提供了解决方案。
近年来，伴随着国(guo)内外研究机构对区(qu)块链技术的研究(jiu)与应用，区块链的应用(yong)前景受到各行各业的高度(du)重视，被认为是继大型机、个(ge)人电脑、互联网、移(yi)动/社交网络之后计算范式的(de)第5次颠覆式创新，是人类信用进(jin)化史上继血亲信用(yong)、贵金属信用、央行纸币信用之后的(de)第4个里程碑。它被视为下一代云计(ji)算的雏形，有望彻底重塑人类社会(hui)活动形态，并实现从现在的(de)信息互联网到价值互联网的转(zhuan)变。
区块链运作的核心技术
1.区块链的链接
顾名思义，区块链即由一个(ge)个区块组成的链。每个区块分为区块头(tou)和区块体（含交易数据）两个部分。区块头包括用来(lai)实现区块链尚力财经小编接(jie)的前一区块的哈希（PrevHash）值（又(you)称散列值）和用于计算挖(wa)矿难度的随机数（nonce）。前一区块的哈希值实(shi)际是上一个区块头部的哈希(xi)值，而计算随机数规则决定(ding)了哪个矿工可以获得记录区块(kuai)的权力。
2.共识机制
区块(kuai)链是伴随比特币诞生的，是比特币的基(ji)础技术架构。可以将区块链理解为一个(ge)基于互联网的去中心(xin)化记账系统。类似比(bi)特币这样的去中心化数字货币(bi)系统，要求在没有中心节点的情况下保(bao)证各个诚实节点记账的(de)一致性，就需要区块链来完成。所以区块链技术的核(he)心是在没有中心控(kong)制的情况下，在互相没有(you)信任基础的个体之间就交易的合(he)法性等达成共识的共识机制。
区块链的共识机(ji)制目前主要有4类：PoW、PoS、DPoS、分布式(shi)一致性算法。
（1）PoW
PoW（工(gong)作量证明），也就是(shi)像比特币的挖矿(kuang)机制，矿工通过把网络尚未(wei)记录的现有交易打包到一个区(qu)块，然后不断遍历尝试来寻(xun)找一个随机数，使得(de)新区块加上随机数的哈希值满足一定的(de)难度条件，例如前面10位是零。找到(dao)满足条件的随机数，就相当于确定(ding)了区块链最新的一个区块，也相当于获得了区块链的本(ben)轮记账权。
矿工把满足挖矿难度条(tiao)件的区块在网络中广播出去(qu)，全网其他节点在验证该区(qu)块满足挖矿难度条件，同时区块(kuai)里的交易数据符合(he)协议规范后，将各自把该区(qu)块链接到自己版本的区块链上，从而在(zai)全网形成对当前网络状态的共识。
优点：完全去中(zhong)心化，节点自由进(jin)出，避免了建立和维(wei)护中心化信用机构的成本(ben)。只要网络破坏者的算力不超过网络(luo)总算力的50%，网络的交易状(zhuang)态就能达成一致(zhi)。
缺(que)点：目前比特币挖矿造成大量的资源浪(lang)费；另外挖矿的激励机制也造(zao)成矿池算力的高度集中，背(bei)离了当初去中心化(hua)设计的初衷。更大的问题是PoW机制的共识达(da)成的周期较长，每秒只能最多做7笔交易，不适合商(shang)业应用。
（2）PoS
PoS权益证明，要(yao)求节点提供拥有一定数量的代(dai)币证明来获取竞争区块链记账权的一种(zhong)分布式共识机制(zhi)。如果单纯依靠代(dai)币余额来决定记(ji)账者必然使得富有者胜出，导致记(ji)账权的中心化，降(jiang)低共识的公正性，因此不同的PoS机制在权益证明的基础上，采用不同方(fang)式来增加记账权的随机性(xing)来避免中心化。
例如点点币（PeerCoin）PoS机制中，拥有最多链龄长的比(bi)特币获得记账权的几率就越大。NXT和Blackcoin则(ze)采用一个公式来预测下一个(ge)记账的节点。拥有多的代币被选为记(ji)账节点的概率就会大。未来(lai)以太坊也会从目前的PoW机制转换(huan)到PoS机制，从目(mu)前看到的资料看，以太坊的PoS机制将采用节点下赌(du)注来赌下一个区块，赌(du)中者有额外以太币奖，赌不中者会被(bei)扣以太币的方式来达成下一区块(kuai)的共识。
优点(dian)：?在一定程度上缩(suo)短了共识达成的(de)时间，降低了PoW机制的资(zi)源浪费。
缺点：破坏者对网络攻击的成本低，网络的安全性有待验证。另(ling)外拥有代币数量大的节点获得记(ji)账权的几率更大，会使得网络的(de)共识受少数富裕账户支配，从(cong)而失去公正性。
（3）DPoS
DPoS（股份授权证明(ming)）机制，类似于董事会(hui)投票。比特股（bitshares）采用的PoS机制是持(chi)股者投票选出一定数量的见证(zheng)人，每个见证人按序有两秒的权限时(shi)间生成区块，若见(jian)证人在给定的时间片(pian)不能生成区块，区块生(sheng)成权限交给下一(yi)个时间片对应的见证人。持股人(ren)可以随时通过投票更(geng)换这些见证人。DPoS的这种设计使得区块的(de)生成更为快速，也更加节(jie)能。
优点：大幅缩小参与验证和记(ji)账节点的数量，可(ke)以达到秒级的共识(shi)验证。
缺点(dian)：选举固定数量的(de)见证人作为记账候选人有可能不(bu)适合于完全去中心化(hua)的场景。另外在网络节点数少的(de)场景，选举的见证人(ren)的代表性也不强。
（4）分布式一致性算法
分布式一致性算法是基(ji)于传统的分布式一致性(xing)技术。其中有分为解(jie)决拜占庭将军问题的(de)拜占庭容错算法，如PBFT。另外解决非拜占庭问题的分(fen)布式一致性算法（Pasox、Raft），详细见本书(shu)第5章的共识算法(fa)。该类算法目前是联(lian)盟链和私有链链场景(jing)中常用的共识机制。
优点：实现秒(miao)级的快速共识机制，保证一致性。
缺点：去中心化程(cheng)度不如公有链上的共识机制(zhi)；更适合多方参与的多(duo)中心商业模式。
3.解锁脚本
脚(jiao)本是区块链上实现自(zi)动验证、自动执行(xing)合约的重要技术。?每一笔交易的每一项(xiang)输出严格意义上并不是指向一个地址(zhi)，而是指向一个脚本。脚(jiao)本类似一套规则(ze)，它约束着接收(shou)方怎样才能花掉这个输(shu)出上锁定的资产。
交易的合法性验证也依赖于(yu)脚本。?目前它依赖于两类脚本(ben)：锁定脚本与解锁脚本。锁定脚(jiao)本是在输出交易(yi)上加上的条件，通过一(yi)段脚本语言来实现，位于交易的输出。解锁脚(jiao)本与锁定脚本相对应，只有(you)满足锁定脚本要求的(de)条件，才能花掉这个脚本上(shang)对应的资产，位于交易的输入。通(tong)过脚本语言可以表达很多(duo)灵活的条件。解释脚本是通过类似我们(men)编程领域里的“虚拟机”，它分布式运(yun)行在区块链网络里的每一个节(jie)点。
比特币的(de)脚本目前常用的主要分为两种(zhong)，?一种是普通的P2PKH（Pay-to-Public-Key-Hash），?即支付给公钥的哈希地址，接收(shou)方只需要使用地址对应的私钥对该(gai)输出进行签名，即可花掉(diao)该输出。?另一种是(shi)P2SH（Pay-to-Script-Hash），?即支(zhi)付脚本的哈希。以多(duo)重签名来举例，它要求该输出要(yao)有N把私钥中的(de)M把私钥（M≤N）同时签名才(cai)能花掉该资产，它类似于现(xian)实生活中需要多把钥匙才能同时(shi)打开的保险柜，或是多人(ren)签名才能使条约生效一样，只(zhi)是它是自动执行(xing)。
比如在比特(te)币中，P2PKH的脚本规则如下：
Pubkey script: OP_DUP OP_HASH160 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
Signature script:
P2SH的脚本规则如下：
Pubkey script: OP_HASH160
Signature script: [sig] [sig...]
在上(shang)述的两种脚本规则里，Pubkey script代表锁定脚本，Signature script代表解锁脚(jiao)本。OP_开头的(de)单词是相关的脚本命令，也是“虚拟机”所能解析的指令。这些(xie)命令规则根据Pubkey script的不同来(lai)进行划分，它也决定解锁(suo)脚本的规则。
比特币中的脚本机制相(xiang)对简单，只是一个基于堆(dui)栈式的、解释相关OP指令的引擎(qing)，能够解析的脚本规则并不是太(tai)多，不能实现很(hen)复杂的逻辑。?但它为区块链(lian)可编程提供了一个(ge)原型，后续一些可编程(cheng)区块链项目其实是基于脚本的原理(li)发展起来的，?比如以太坊(fang)就是深入增强了脚本机制，脚本机(ji)制里不再单单是简单(dan)的OP指令，而是支持脚本(ben)的一套图灵完备语言，该脚本语(yu)言可以通过“虚拟机”去(qu)执行。以太坊实现了一(yi)个支持图灵完备脚本语(yu)言的区块链平台。
脚本的机制对于区块链来说非常重要，它类似于区块链技术提供的一个扩(kuo)展接口，任何人都可以基于这(zhe)个接口开发基于区块链技术的应用，比如智能合约的功能。脚本机制也(ye)让区块链技术作为(wei)一项底层协议成为可能。未来很多基于(yu)区块链的颠覆性应用，都(dou)有可能通过区块链的脚本语言来完成(cheng)。
4.交易规则
区块链的交易就(jiu)是构成区块的基本单(dan)位，也是区块链负责记录的实际有效内(nei)容。一个区块链交易可(ke)以是一次转账，也可以是智能合(he)约的部署等其他事务。
就比特币而言，交易即指一次支付(fu)转账。其交易规则如下：
1）交易的输(shu)入和输出不能为(wei)空。
2）对交易的(de)每个输入，如果其对应的UTXO输出能在当前交易池中找到，则拒绝该交易。?因为当(dang)前交易池是未被记(ji)录在区块链中的交易，而(er)交易的每个输入，应该来自确认的(de)UTXO。如果在当前交(jiao)易池中找到，那就是双花交易。
3）交易中的(de)每个输入，其对应的输(shu)出必须是UTXO。
4）每(mei)个输入的解锁脚本（unlocking script）必(bi)须和相应输出的锁(suo)定脚本（locking script）共同(tong)验证交易的合规性。
对(dui)于以太坊来说，交易(yi)还可能是智能合约的(de)部署。交易规则就确定了符合一定语法(fa)规则的合约才能被部署在区块(kuai)链上。
5.交易优先级(ji)
区块链交易的优(you)先级由区块链协议规则决定(ding)。对于比特币而言，交易被区(qu)块包含的优先次(ci)序由交易广播到网络上的时间(jian)和交易额的大小决定。随着交(jiao)易广播到网络上的时(shi)间的增长，交易的链(lian)龄增加，交易的优先级(ji)就被提高，最终会被区块包含(han)。对于以太坊而言，交(jiao)易的优先级还与交易的发布者愿意(yi)支付的交易费用上述文(wen)章内容就是，发布者愿意支付的(de)交易费用越高，交易被包含进(jin)区块的优先级就越高。
6.Merkle证明
Merkle证明的原始应用(yong)是比特币系统（Bitcoin），它是由(you)中本聪（Satoshi Nakamoto）在2009年(nian)描述并且创造的。比特(te)币区块链使用了Merkle证明，为的是将交(jiao)易存储在每一个区块中。使得(de)交易不能被篡改，同时(shi)也容易验证交易是否包含在一个特定(ding)区块中，Merkle树说(shuo)明详见4.2节(jie)。
Merkle树的一个(ge)重要使用场景就是(shi)快速支付验证，也就是中本聪描述的“简化支(zhi)付验证”（SPV）的(de)概念：轻量级节点（light client）不用下载(zai)每一笔交易以及每一个区块，可以仅(jin)下载链的区块头，每个区块(kuai)中仅包含下述5项内容，数据块(kuai)大小为80字节。
（1）上一区块头的哈希值
（2）时间戳
（3）挖矿难度值
（4）工作量证明随机数（nonce）
（5）包含该区块交易的Merkle树的根(gen)哈希
如果一个轻客(ke)户端希望确定一笔交易的状态(tai)，它可以简单地要求一个(ge)Merkle证(zheng)明，显示出一个在(zai)Merkle树特定的交易，其根(gen)是在主链（main chain，非(fei)分叉链）上的区块头。
Merkle证明可以让(rang)区块链得到更广阔的应(ying)用，但比特币的轻客户有其局(ju)限性。虽然可以证明包含的交易，但(dan)无法证明任何当前的状态(tai)（例如：数字资产的(de)持有，名称注册，金(jin)融合约的状态等）。一笔交易(yi)影响的确切性质（precise nature）可以(yi)取决于此前的几笔交易，而这些交易本(ben)身则依赖于更为前面的(de)交易，所以最终你需要验(yan)证整个链上的每一笔(bi)交易。为了解决这个问题，以太坊进行了更进一步的创新。
以太坊的每一(yi)个区块头中并非只包含一棵(ke)Merkle树，而(er)是包含了3棵Merkle树），分别对应了以下3种对(dui)象：
（1）交易（Transactions）
（2）收据（Receipts，基本上，它是展示每一(yi)笔交易影响的数据条）
（3）状态（State）
这三棵树允许轻客(ke)户端轻松地进行并核实(shi)以下类型的查询答案：
（1）这笔(bi)交易被包含在特定的区块中了吗(ma)？
（2）告诉我这个地(di)址在过去30天中，发(fa)出X类型事件的所有(you)实例（例如，一个众(zhong)筹合约完成了它的目标）。
（3）目前我的账户余额(e)是多少？
（4）这(zhe)个账户是否存在？
（5）假装在这个合约(yue)中运行这笔交易，它(ta)的输出会是什么？
第一种是由交易树（transaction tree）来处(chu)理的；第3和第4种则是由状态(tai)树（state tree）负责处理，第2种(zhong)则由收据树（receipt tree）处理。计算前(qian)4个查询任务是相当简单的。在服务器(qi)简单地找到对象，获取梅克尔(er)分支，并通过分支来(lai)回复轻客户端。第5种查询(xun)任务同样也是由状态树处理。
7.RLP
RLP（Recursive Length Pref?ix，递归长度前缀编(bian)码）是Ethereum中对象序列(lie)化的一个主要编码方式，其目的是对任意嵌套的二进制(zhi)数据的序列进行编码。
以太坊中的所(suo)有数据都以“递归长度前缀编码”（Recursive Length Pref?ix encoding，RLP）形式存储，这(zhe)种编码格式将任意长度和维(wei)度的字符串构成(cheng)的数组串连接成字符串。例如，['dog', 'cat']被(bei)串接（以字节数组格式）为[130，67，100，111，103，67，99，97，116]；其基本的(de)思想是把数据类型和(he)长度编码成一个单独的字节放在(zai)实际数据的前面（例(li)如‘dog’的字节(jie)数组编码为[100，111，103]，于(yu)是串接后就成了[67，100，111，103]）。
注意RLP编码正如其名字表(biao)示的一样，是递归的；当(dang)RLP编码一个数组时，实际上是在对(dui)每一个元素的RLP编码级联成(cheng)的字符串编码。需要进一步提请(qing)注意的是，以太(tai)坊中所有数据都(dou)是整数；所以，如果(guo)有任何的以一个或多个0字节开头的哈希或者地址，这(zhe)些0字节应该在计(ji)算出现问题的时候(hou)去除。以太坊中没有串(chuan)接数据结构包含任何以0开头的数值(zhi)。整数以大端基础（Big Endian）256格式存储（例如32767字节数(shu)组格式为[127，255]）。
区块链交易流程
以比特币的交(jiao)易为例，区块链的交易(yi)并不是通常意义上的一手交钱(qian)一手交货的交易，而是转账。如果每(mei)一笔转账都需要构造一笔交(jiao)易数据会比较笨拙，为了使得价值(zhi)易于组合与分割，比特币的交易被设计为可以纳入多个输(shu)入和输出，即一笔交易可以(yi)转账给多个人。从生成到(dao)在网络中传播，再到通过工(gong)作量证明、整个网络节点验证，最终(zhong)记录到区块链，就是区块链交易的(de)整个生命周期。
交易的生成。?所有(you)者A利用他的私钥对前一(yi)次交易和下一位所有者B签(qian)署一个数字签名，并将这个签(qian)名附加在这枚货币的末尾，制作(zuo)成交易单。
交易的传(chuan)播。?A将交易单广(guang)播至全网，每个节点都将收到的交易(yi)信息纳入一个区块中。
工作量证明。?每个节点通过(guo)相当于解一道数学题的工作量证(zheng)明机制，从而获得创建新区(qu)块的权力，并争取得到数字货币的奖(jiang)励。
整个(ge)网络节点验证。?当一个节点找到解(jie)时，它就向全网广播该区块记录的所(suo)有盖时间戳交易，并由全(quan)网其他节点核对。
记录到区块链。?全网其他节点核对(dui)该区块记账的正确性，没有错误后他们(men)将在该合法区块之后(hou)竞争下一个区块，这样就(jiu)形成了一个合法记账的区块链。
来源： 火球财经
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