《区块链技术进阶实战》试读：1.1区块链基础知识

区块链技术最初起源于中本聪于2008年提出的比特币（Bitcoin），其去中心化、公开性、信息不可篡改等特点将有可能对金融、服务等一系列行业产生重大影响。 带来颠覆性的影响。 2016年1月，中国人民银行在北京召开“数字货币”研讨会，探讨利用区块链技术发行“虚拟数字货币”的可行性[1]。 这一消息在各大主流媒体和社区迅速传播开来。 炒作，让“区块链”这个神秘名词一下子成为热门话题，随之而来的是区块链技术在中国的迅速崛起，越来越多的区块链创业公司和相关研究机构陆续成立，这也带动了区块链技术的快速发展。带动了区块链技术的快速发展，使其成为近年来最具革命性的新兴技术之一，甚至被认为是继大型机、个人电脑、互联网、移动/社交网络之后最具革命性的技术。 它是计算范式的第五次颠覆性创新，也被称为人类信用进化史上继血缘信用、贵金属信用、纸币信用之后的第四个信用里程碑[2]。 本章将对区块链技术进行全面剖析，从区块链的基础知识、发展历程、关键技术、行业现状、场景模型、主流平台等方面进行全景式的剖析，让读者有一个整体全面的认识的区块链技术。 直观的理解为区块链技术的推进和实战打下了坚实的基础。 1.1 区块链基础知识 学习一门新技术必须从了解其基本概念开始。 本节将从比特币入手，介绍区块链技术，然后介绍区块链技术入门必备的基础知识，如区块链的定义、相关的基本概念和区块链的分类等。

1.1.1 从比特币到区块链 提到区块链技术，人们往往首先想到比特币，因为区块链技术最初是作为比特币的底层框架技术出现的。 因此，在探讨区块链技术之前，我们先简单了解一下区块链的起源——比特币。 早在20世纪80年代，人们就已经开始探索“数字货币”[3]。 但直到比特币的出现，“数字加密货币”的想法才成为现实[4]，“数字货币”及其衍生应用才开始迅速发展。 比特币是第一个区块链应用，也是迄今为止规模最大、应用最广泛的区块链应用。 2008 年 11 月，化名中本聪在论文《比特币：一种点对点电子现金系统》中描述了如何构建一个新的、去中心化的点对点点交易系统方法[5]，并提出了这个想法将论文中提出的实践付诸实践，着手开发比特币的发行、交易和账户管理系统。 2009年1月3日，比特币系统正式开始运行，比特币的第一个区块（又称“创世区块”）诞生。 不久之后，2009 年 1 月 12 日，中本聪通过比特币系统向密码学家哈尔芬尼发送了 10 个比特币，这是比特币系统上线以来的第一笔交易。 贸易。 尽管充满争议，但从技术角度来看，比特币是“数字货币”史上一项了不起的创新。 自 2009 年推出以来，在没有任何中央机构参与的情况下，在全球范围内运营了 8 年多，支持的单笔交易高达 1.5 亿美元。

据blockchain.info统计，截至2017年2月22日，平均每天有28万笔总价值2.3亿元的交易被写入比特币区块链账本。 截至 2017 年 7 月，比特币系统累计生成了超过 470,000 个区块。 专家预测到 2019 年将有 500 万比特币用户，这个不断增长的群体可以在在线市场上购买比特币并将其放入他们的“数字钱包”中以支付商品和服务[6]。 与比特币诞生前的传统货币和“数字货币”相比，比特币最大的不同在于它不依赖于任何中心化组织，而仅依赖于其系统中完全透明的数学原理——加密和共识算法。 这就是科技创新带来的美。 人们不再需要为了信任某个机构而进行一系列的保护措施。 这就是比特币和区块链技术受到如此多关注和普及的主要原因。 比特币作为一种基于区块链技术创造的“虚拟数字货币”，旨在解决以往“数字货币”[7]存在的以下问题：  以往的“数字货币”无法实现匿名交易；  货币本身的价值无法得到保证；  所持有的货币对持有者而言并非完全安全。 目前的银行体系作为第三方货币机构，确实可以通过一定的成本解决上述问题，但如果将交易范围扩大到全球范围，哪家银行能够保证其在全球范围内的可信度呢？ ？ 因此区块链源于比特币吗，有人问是否可以设计一个分布式数据库系统，可以在全球范围内访问，并且完全中立、公平、安全。

许多研究人员尝试探索并提出了一些解决方案，但由于种种原因，并没有真正被社会所接受，而比特币实现了这样一种分布式账本技术。 从2014年开始，人们发现支撑比特币的底层技术区块链具有巨大的潜在应用价值，正式引发了分布式账本（Distributed Ledger）技术的创新浪潮。 随着探索者的不断创新，区块链技术脱胎于比特币，并在金融、贸易、物流、征信、物联网、共享经济等诸多领域崭露头角。 1.1.2 区块链定义 区块链技术本质上是一个去中心化的数据库，是比特币的核心技术和基础设施，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的基础。 新的应用模式[8]。 从狭义上讲，区块链是一种链式数据结构，按照时间顺序将数据块按顺序组合起来，并通过密码学保证是不可篡改、不可伪造的分布式账本。 广义上讲，区块链技术是利用区块链数据结构来验证和存储数据，利用分布式节点共识算法产生和更新数据，利用密码学保证数据传输和访问的安全，利用自动化脚本代码来构建新的分布式基础设施和由智能合约组成的计算范式来编程和操​​作数据 [9]。 存储在区块链上的数据需要全网节点共同维护，可以在缺乏信任的节点之间有效传递价值。

与现有的数据库技术相比，区块链具有以下技术特点。 1. 区块链数据结构 区块链使用区块链数据结构来验证和存储数据。 从上面对区块链基本概念的介绍，我们可以知道每个区块记录的是一段时间内发生的交易。 对当前账本达成共识，并通过记录前一个区块的哈希值进行关联，从而形成区块链数据结构。 2. 分布式共识算法 区块链系统采用分布式共识算法产生和更新数据，从技术层面杜绝了数据被非法篡改的可能性，从而替代了传统应用中保障信任和交易安全的第三方中介机构。 减少维护信用所带来的时间成本、人力成本和资源消耗。 3. 密码学 区块链系统使用密码学来保证数据传输和访问的安全。 存储在区块链上的交易信息是公开的，但账户的身份信息是高度加密的。 区块链系统综合了对称加密、非对称加密和哈希算法的优点，并采用数字签名技术保证交易的安全性。 区块链系统的上述技术特点决定了其应用具有以下功能特点。 1、多中心不同于传统应用的数据集中管理。 区块链网络中有多个机构相互监督，实时对账，从而避免了单一记账人为造假的可能，提高了数据安全性。 2、区块链系统中的自动化智能合约是一段计算机程序代码，可以自动执行一些预先定义的规则和条款，大大提高了经济活动和合约的自动化程度。

3. 可信 存储在区块链上的交易记录等数据不可篡改、可追溯，无需第三方可信中介即可解决各方不信任问题。 1.1.3 区块链相关概念 区块链以密码学的方式维护一个不可篡改、不可伪造的分布式账本，通过基于共识的规范和协议（共识机制）解决去中心化记账问题，系统的一致性[10]，其相关概念主要有以下三个。  交易（Transaction）：区块链上每一次引起区块状态变化的操作都称为交易。 每笔交易对应一个唯一的交易哈希值，交易经过一段时间后会被打包。  区块（Block）：是当前账本上的一种共识，将一段时间内发生的交易和状态结果进行打包记录。 每个块以相对稳定的时间间隔添加到链中。 在企业级区块链平台中，可以动态设置共识时间。  链（Chain）：区块按时间顺序串联，每个区块记录前一个区块的哈希值关联，是整个状态变化的日志记录。 图 1.1 所示的区块链主要结构可以帮助您理解这些概念。 图 1.1 区块链的主要结构 区块链技术体系并不是通过一个权威的中心化组织来保证交易的可信性和安全性，而是通过加密和分布式共识机制来解决信任和安全问题。 其主要技术创新如下4点。 1. 分布式账本交易由分布式系统中的多个节点共同记录。

每个节点记录一个完整的交易记录，因此它们都可以参与监督交易的合法性和验证交易的有效性。 与传统的中心化技术解决方案不同，区块链中没有节点有独立记录交易的权限，从而避免了由于单一记账人或节点的控制而导致欺诈的可能性。 另一方面，由于全网节点参与记录，理论上除非所有节点都被销毁，否则交易记录不会丢失，从而保证了数据的安全性。 2、加密技术和授权技术 区块链技术很好地融合了当前对称加密、非对称加密和哈希算法的诸多优点，并采用数字签名技术保证交易的安全，其中最具代表性的是它采用椭圆曲线加密算法来生成用户公私钥对，采用椭圆曲线数字签名算法保证交易安全。 打包在区块上的交易信息对所有参与共识的节点开放，但对账户身份信息进行严格加密。 3. 共识机制 共识机制是区块链系统中各个节点达成共识的策略和方法。 区块链的共识机制取代了传统应用中保证信任和交易安全的第三方中心机构，可以降低第三方信用成本、时间成本和各方因不信任而产生的资金消耗。 常用的共识机制主要有PoW、PoS、DPoS、Paxos、PBFT等，共识机制不仅是一种写入数据的方式，也是一种防止篡改的手段。 4. 智能合约 智能合约是一段可以自动执行预定义规则的计算机程序代码，它本身就是一个系统参与者。

它可以实现价值的存储、传输、控制和管理，为基于区块链的应用提供创新的解决方案[11-12]。 1.1.4 区块链分类 根据节点参与方式的不同，区块链技术可以分为：公有链、联盟链和私有链。 根据权限的不同，区块链技术可以分为：许可区块链（Permissioned Blockchain）和非许可区块链（Permissionless Blockchain）。 在上述三种区块链技术中，联盟链和私有链属于许可链，公有链属于非许可链。 1、公有链公有链，顾名思义，就是一条公共区块链。 公链是完全开放的，每个人都可以成为网络中的节点区块链源于比特币吗，无需任何人的许可或授权。 在公有链中，每个节点都可以自由加入或退出网络，参与链上数据的读写，执行交易，参与网络中达成共识的过程，即决定出块可以添加到主链并记录当前网络状态[13]。 公链是完全去中心化的区块链，采用密码学中的加密算法保证链上交易的安全性。 在采用共识算法达成共识时，公链主要采用PoW（工作量证明）机制或股权证明（PoS，Proof of Stake）机制等共识算法，将经济奖励与加密数字验证相结合，实现去中心化和达到全网共识的目的。

在这些算法形成共识的过程中，每个节点都可以为共识过程做出贡献，也称为“挖矿”，获得与贡献成正比的经济回报，即系统中发行的数字代币。 公有链也俗称公有链，是一种非许可链，可以自由参与和退出，无需许可。 目前最典型的代表应用包括比特币、以太坊等。由于其完全去中心化和面向公众的特点，公链通常适用于“虚拟加密货币”和一些面向大众的金融服务和电子商务。 2、联盟链 联盟链不是完全去中心化的，而是多中心化或部分去中心化的区块链。 区块链系统运行时，其共识过程可能由某些指定的节点控制。 例如，在一个由15家金融机构连接的区块链系统中，每家机构作为链上的一个节点，每确认一笔交易，至少需要10个节点确认（2/3确认），这笔交易或这块可以被批准。 联盟链账本上的数据不同于公链的完全公开。 只有联盟成员节点才能访问，链上读写权限、参与记账规则等操作也需要由联盟成员节点共同决定。 由于联盟链场景的参与者组成联盟，参与共识的节点数量会比公链少很多，而且一般是针对某个业务场景，所以共识协议一般不使用类似于工作量证明的挖矿机制。 同时，它不一定需要代币作为激励机制，而是采用PBFT、RAFT等适合多中心化、效率高的共识算法。

同时，联盟链在交易时间、状态、每秒交易笔数等方面与公有链有很大差异，因此比公有链有更高的安全性和性能要求。 联盟链是一种权限链，也就是说不是每个人都可以自由加入网络，而是需要一定的权限才能作为新节点加入。 目前联盟链的典型代表有Linux基金会支持的Hyperledger项目、R3区块链联盟开发的Corda、趣链科技推出的Hyperchain平台等。 3、私有链 私有链是指整个区块链的所有写权限只掌握在一个组织手中，而读权限可以对外开放或根据情况任意限制[14]。 因此，私有链的应用场景一般是单个企业内部总公司对分支机构的管理，如数据库管理、审计等。 与公链和联盟链相比，私有链的价值主要体现在可以提供一个安全、可追溯、不可篡改的平台，同时可以防止来自内部和外部的安全攻击。 目前，关于私有链确实存在一些争议。 有人认为私有链意义不大，因为它需要依赖第三方区块链平台机构，所有权限控制在一个节点，已经违反了区块链。 该技术的初衷不是区块链技术，而是现有的分布式账本技术。 但也有人认为私有链具有很大的潜在价值，因为它可以很好地解决当前企业内部规章制度的合规、金融机构的反洗钱行为、预算等诸多问题。并执行等等。

与联盟链一样，私有链也是许可链，但其权限由单个节点控制。 在某些场景下，私有链也被称为专有链。 目前私有链的应用还不多，创作者正在努力探索。 目前已有的应用主要包括Coin Sciences Ltd推出的Multichain平台，该平台旨在帮助企业快速部署私有链环境，提供良好的隐私保护和权限控制。 区块链技术自诞生以来经历了三大技术演进。 典型代表平台有2009年的比特币，2013年的以太坊，2015年的Fabric和Hyperchain，将效率低下、缺乏灵活控制机制的公有链转型为高效共识、智能可编程、隐私保护的联盟链。 目前Hyperchian平台的TPS（transactions per second）已经达到数千甚至数万量级，可以满足大部分业务场景的需求。 未来，随着技术的进一步发展，基于联盟链的区块链商业应用将成为区块链应用的主要形式。