摩卡最近在研究区块链，想着把自己的成果与大家分享一下。

欢迎各位爱好者一同探讨！

一·区块链简介

（一）区块链的起源

2008年，化名为“中本聪”（Satoshi Nakamoto）的学者发表奠基性论文《比特币:一种点对点电子现金系统》，描述一个点对点电子现金系统，能在不具信任的基础之上，建立一套去中心化的电子交易体系。

2009年1月，第一个序号为0的比特币的区块——创世区块诞生。

1月9日出现序号为1的区块，并与序号为0的创世区块相连接形成了链，标志着比特币区块链诞生。

作为比特币的底层技术，整个区块链就是比特币的公共账本，网络中的每一个节点都有比特币交易信息的备份。比特币是区块链最成功且最经典的应用。

（二）区块链的定义

根据工信部发布的《中国区块链技术和应用发展白皮书》：

区块链的狭义定义为：区块链是一种能够保持数据一致性（即“拜占庭容错”）的分布式账本。它将一定数量的数据打包加密，形成一个区块（Block），并在相邻区块之间建立永久性的联系，形成一条由区块组成的“链”（Chain），故名“区块链”。

区块链的广义定义为：区块链解决方案，包括区块链所依赖的技术（如密码学技术），以及由区块链衍生出的其他技术（如闪电网络）。

另有说法认为区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术在互联网时代的创新应用模式。

综合相关信息，笔者认为：

区块链本质上是一个去中心化、去信任的分布式账本数据库，是一套技术的总称。这里的账本不仅可以是数据，还可以是字符串、文件等信息。

区块链本身是一串使用密码学相关联所产生的数据块，每个数据块中包含了多次数字代币交易有效确认的信息。

为进一步理解“区块链是什么”这一命题，可以从以下三个角度来看：

（1）数据库：区块链是一种数据库，它记录了网际间所有的交易信息，并随时更新，让每个用户可以通过合法手段读取信息、写入信息。但区块链有一套特殊机制防止以往的数据被篡改。

（2）分布式系统：区块链是一种分布式系统，它不存储放置在某一两个特定的服务器或安全节点上，而是分布式地存在于网络上所有的完整节点上，在每一个节点保留信息备份。

（3）网络底层协议：区块链是一种共识协议，基于这种协议，可以在其上开发出数目繁多的应用。这些应用在每一时刻都保存一条最长的最具权威的、共同认可的数据记录，并遵循共同认可的机制进行无需中间权威仲裁的、直接的、点对点的交互信息。

（三）核心概念释义

根据笔者定义，有几个问题需要阐释：

（1）何谓去中心化？

中心化的系统或结构中，节点之间的交易或互动必须通过控制中心的管理和授权才能完成。但在去中心化的系统中，各个节点具有高度自治的特征，节点之间彼此可以自由连接（即自由交易），形成新的连接单元。任何节点都不具备强制性的中心控制功能，而是通过一套流动标准进行交易和交流，形成一个开放式、扁平化、平等性的系统现象或结构。

图1 去中心化结构对比图

在中心化系统中，节点间的交易是以控制中心的信用背书为基础的。因此，相较于去中心化系统，中心化系统的效率更低、成本更高。但是，若要实现去中心化系统下节点间的自由交易，就要解决节点间的信任问题。此外，如果节点之间不能达成信息一致性，就会产生“双花问题”，即一笔钱交易了两次。

（2）何谓去信任？（解决信任问题）

在区块链中，节点之间进行交易采用了非对称加密算法。依靠非对称加密和可靠数据库，区块链完成了信用背书。所有的规则事先都以算法程序的形式表述出来，参与方不需要知道交易对手信用度，更不需要借助第三方机构来进行交易背书或者担保验证，而只需要信任共同的算法就可以建立互信，通过算法为参与者创造信用、产生信任和达成共识，完成去信任化。

非对称加密算法是指在加密和解密的过程中使用一个“密钥对”。“密钥对”中的两个密钥具有非对称的特点：一是用其中一个密钥加密后，只有另一个密钥才能解开；二是其中一个密钥公开后，根据公开的密钥其他人也无法算出另外一个密钥。

在区块链的应用场景中，一是加密时的密钥是公开所有参与者可见的（公钥），每个参与者都可以用自己的公钥来加密一段信息（真实性），在解密时只有信息的拥有者才能用相应的私钥来解密（保密性），用于接收价值。二是使用私钥对信息签名，公开后通过其对应的公钥来验证签名，确保信息为真正的持有人发出。

（3）何谓共识机制？（解决双花问题）

要解决双花问题，就要使所有节点在尽可能短的时间内做到数据一致，且这一交易信息是不可逆的。

共识机制简单来说，就是在节点之间制定了一套规则，节点通过这套规则进行记账，保持数据的统一性。记账完成后，所有的节点都会把最新的信息打包成区块，添加在自己系统账本的尾端，开始下一轮记账。每一个区块的块头都包含前一个区块的交易时间戳。如果没有前一个区块的时间戳，就无法生成下一个区块。这就使得从创世区块到当前区块以时间顺序连接在一起形成一条长链。

由于这条数据长链是以“区块+链+时间戳”的形式来记账的，它不仅能保持数据一致性、交易不可逆、交易信息不可篡改，还可以往前追溯，查询错误。这条长链就是我们所说的区块链。

（4）何谓分布式系统？

传统的网络存储系统采用集中的存储服务器存放所有数据，存在存储量瓶颈、可靠性和安全性的问题。分布式网络存储系统采用可扩展的系统结构，将数据分散存储在多台独立的设备上，提高了系统的可靠性、可用性和存储效率，易于扩展。

区块链中，每个参与的节点都能获得一份完整数据库的拷贝。除非能够同时控制整个系统中超过51%的节点，否则无法修改全域节点上面的数据内容。在实际中，发动51%攻击是无意义的，因为掌握全网51%算力所需投入的成本，远远大于成功实施攻击后获得的收益。

这使得区块链上的数据库安全可靠，且参与系统中的节点越多和计算能力越强，该系统中的数据安全性越高。

（四）区块链的工作机制

（1）区块结构

图2 区块结构图

（2）区块链工作机制

图3 区块链工作机制

（五）区块链的特征

序号

特征

详解

1

去中心

整个系统没有中心化的硬件设备或者管理机构，任意节点之间的权利和义务都是均等的，任意节点的损坏和退出都不会影响整个系统的运作。

2

去信任

各个节点之间无需相互信任，数据内容和系统运作规则公开透明。

3

安全可靠

每个节点都能获得一份完整的数据拷贝(区块链)，并且整个系统由多个节点共同维护，参与系统的节点越多，计算机能力越强，系统数据越可靠。

4

可扩展

整个系统必须是开源的，开源的程序保证了帐薄和商业规则可被所有人审阅，以实现系统运作的公开透明。

5

匿名

由于节点之间无需信任彼此，所有节点也无需公开身份，系统中每一个节点的匿名和隐私都受到保护。

（六）区块链的分类

图4 区块链的分类与特点

（七）区块链的发展进程

图5 区块链的发展、联盟与经典项目

（八）区块链的局限

1、安全

（1）51%攻击问题：掌握全网超过51%的算力就有可能篡改和伪造区块。

（2）加密机制威胁：新兴计算技术对非对称加密的破解问题，存在潜在威胁。

2、效率

（1）区块膨胀问题：每个节点都要保存一份数据备份，针对海量数据存储存在困难。

（2）交易效率问题：目前区块链技术还无法适应大规模工业级解决方案的运算量。

（3）确认时间问题：目前比特币每秒职能处理7笔交易，交易确认时间为10分钟，限制了区块链在高频金融交易中的应用。

3、资源

POW机制高度依赖节点贡献的算力，这些算力资源对实际社会没有价值，同时还会消耗大量的电力。eg：比特币网络运行所需的能源超过十亿瓦特，可以与爱尔兰的电力消耗相提并论。如何有效汇集分布式网络的算力来解决实际问题，是区块链技术需要解决的实际问题。

4、博弈

区块链各个节点在交互过程中存在相互竞争与合作的博弈关系。区块链共识过程本质上是众包过程，如何设计激励相容的共识机制，使得去中心化系统中的自利节点能够自发地实施区块数据的验证和记账工作，并提高系统内非理性行为的成本以抑制安全性攻击和威胁，是区块链有待解决的重要问题。