快速了解區(qū)塊鏈背后的三項基本技術(shù)

如果問十個人"什么是區(qū)塊鏈技術(shù)？"，你可能會得到十種不同的答案。理解區(qū)塊鏈的最佳方法是逐步了解當(dāng)中的基本技術(shù)。

因此在本文中，我將介紹區(qū)塊鏈技術(shù)的三個主要部分：區(qū)塊鏈本身、點對點網(wǎng)絡(luò)和共識機制。一旦缺少任何一個部分，比特幣將無法存在。首先讓我們看到區(qū)塊鏈。

區(qū)塊鏈 (blockchain)

簡而言之，區(qū)塊鏈只是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化的一種方式。區(qū)塊鏈是分類賬：記錄賬務(wù)記錄的文件。

可以把這個文件理解為一本永不會完的書。

書上的每一頁都記錄著信息，同時在底部標有頁碼。通過頁碼，你馬上可以知道該頁面所屬的位置，比如49頁顯然位于48頁與50頁之間。

就像頁面一樣，區(qū)塊也都充滿了信息。盡管區(qū)塊沒有確切的編號，但它們附有時間戳，具有與編號相同的功能。新的區(qū)塊總是加在具有最新時間戳的區(qū)塊之后，因此形成了鏈。

區(qū)塊鏈很棒的一點是當(dāng)中使用了加密技術(shù)，因此當(dāng)書中某一頁的信息發(fā)生改變時，我們都會注意到。該屬性使區(qū)塊鏈成為很好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來跟蹤記錄任何有價值的事物。

區(qū)塊鏈的用例

在比特幣的區(qū)塊鏈中，區(qū)塊包含比特幣的交易信息。區(qū)塊中記錄了誰發(fā)送給誰多少比特幣。

由于區(qū)塊鏈從一開始就被用于跟蹤所有比特幣的流向，因此通過檢查分類賬可以明確誰在某個時間擁有哪些比特幣。在任何時間內(nèi)"誰擁有多少"就是所謂區(qū)塊鏈的當(dāng)前"狀態(tài)"。

交易只有在包含到區(qū)塊中，并被添加到區(qū)塊鏈中才會發(fā)生，因此，當(dāng)一個區(qū)塊被添加到區(qū)塊鏈中時，區(qū)塊鏈的狀態(tài)就被更新。畢竟，比特幣發(fā)送了移動。

這意味著如果我想驗證某人是否真的對我做了交易，我必須能夠檢查區(qū)塊鏈的狀態(tài)。為了做到這一點，分類帳必須是公開的。這里就需要用到點對點網(wǎng)絡(luò)。

點對點網(wǎng)絡(luò) 

(peer-to-peer networks)

為了將區(qū)塊鏈作為交易數(shù)據(jù)的分類帳，我必須要檢查區(qū)塊鏈，查看是否有人對我的賬號或錢包進行了交易。

如果區(qū)塊鏈僅存儲在一臺計算機上，并且恰好被關(guān)閉了，那么這是很煩人的。因此，區(qū)塊鏈的當(dāng)前狀態(tài)需要能夠下載、同步并能被全球的計算機所提供。

這些計算機被稱為"節(jié)點"，它們在點對點網(wǎng)絡(luò)中運行，用來確保區(qū)塊鏈的安全性和最新性。每個節(jié)點都存儲著區(qū)塊鏈完整的最新版本。每當(dāng)添加新的區(qū)塊時，所有節(jié)點都會更新其區(qū)塊鏈。

使用點對點網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點：

·可以隨時查看自己區(qū)塊鏈的狀態(tài)；

·無需通過某一方查看區(qū)塊鏈的真實狀態(tài)；

·無需依靠一臺服務(wù)器的安全性去確保區(qū)塊鏈是否安全；

·不法分子必須同時攻擊數(shù)千臺計算機，而不是一臺服務(wù)器；

·區(qū)塊鏈不會被刪除，因為它必須被所有節(jié)點刪除。

基于服務(wù)器的模型 vs 點對點網(wǎng)絡(luò)

這很重要，但以上并不意味著區(qū)塊鏈就足夠安全，能夠用于存儲或交易任何有價值的事物。

例如，如何確認區(qū)塊鏈中的(交易)數(shù)據(jù)是正確的？如何確認區(qū)塊中沒有無效的交易？如果存在不同版本的區(qū)塊鏈，如何確認哪個顯示了區(qū)塊鏈的真實狀態(tài)？

這些問題能夠通過共識機制解決，這種機制是通過點對點網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的。

共識機制 (consensus mechanism)

Napster公司早在1999年就使用了點對點機制。

區(qū)塊鏈在比特幣出現(xiàn)之前就已經(jīng)存在。

比特幣神秘的匿名創(chuàng)始人——中本聰，在白皮書中通過基于密碼學(xué)的共識機制，他巧妙地將兩者結(jié)合起來。共識機制允許點對點網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點一起合作，而不必相互了解或信任。

"共識算法的目的是根據(jù)特定的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，考慮到安全的更新狀態(tài)，其中執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的權(quán)利分布在用戶中，這些用戶能夠通過算法共同進行交易。"

——以太坊創(chuàng)始人 Vitalik Buterin

如果你還是不太懂，那么這樣理解，其實共識機制就是一系列規(guī)則，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通過運行網(wǎng)絡(luò)軟件來達成一致。這些規(guī)則確保網(wǎng)絡(luò)正常工作并保持同步。

共識協(xié)議規(guī)定：

· 如何將區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈中；

· 區(qū)塊何時被認為是有效的；

· 如何解決沖突。

添加區(qū)塊

不同的區(qū)塊鏈添加區(qū)塊的方式各不相同。其中最廣為人知的共識機制是比特幣的工作量證明(Proof of Work )。

工作量證明的第一條規(guī)則是，平均每10分鐘會在區(qū)塊鏈中添加一個區(qū)塊。

促進這一過程是所謂的"挖礦"。試圖在區(qū)塊鏈中鏈添加區(qū)塊的節(jié)點(稱為"礦工")使用計算機的計算能力嘗試解決密碼"難題"。規(guī)則規(guī)定，只有這個難題被解決時，區(qū)塊才能被添加到區(qū)塊鏈中。

解決這一難題的礦工"挖"新的區(qū)塊，并增加到區(qū)塊鏈中，同時礦工會得到網(wǎng)絡(luò)的獎勵。預(yù)定數(shù)量的新幣將被創(chuàng)建，并獎勵給礦工，以及該區(qū)塊中包含的所有交易的成本。

隨后，所有礦工將開始挖下一個區(qū)塊。

比特幣挖礦設(shè)備。為了獲得足夠的挖掘處理能力，你需要大量的GPU。

比特幣的工作量證明不是唯一的共識機制。分布式賬本中也常使用權(quán)益證明(Proof of Stake)。在基于權(quán)益證明的機制中，某人可以對他的幣進行"下注"，以便被選中從而添加下一個區(qū)塊。從某種意義上相當(dāng)于，一位賭徒說："我用幣打賭我正確添加了這個區(qū)塊。" 如果他說謊就失去幣。

關(guān)于哪種共識機制是最好的仍存在很大的爭論。盡管如此，無論區(qū)塊是如何創(chuàng)建的，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點仍需要決定該區(qū)塊是否有效。

區(qū)塊的有效性

當(dāng)?shù)V工解決這個難題并挖到區(qū)塊時，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點將檢查該區(qū)塊是否有效，并將其添加到區(qū)塊鏈的副本中。節(jié)點首先要對有效性達成一致。只有這樣，網(wǎng)絡(luò)才會同步并更新區(qū)塊鏈的狀態(tài)。

只有當(dāng)遵循共識機制的規(guī)則時，節(jié)點才會將新的區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈中。他們運行的軟件將檢查區(qū)塊是否有效。無效的區(qū)塊將被拒絕。

當(dāng)然，區(qū)塊與其中包含的交易有效性一致。以比特幣為例，協(xié)議規(guī)定，如果首先沒從他人那兒收到比特幣，或者挖到比特幣，那么你將無法發(fā)送比特幣。

換句話說，如果發(fā)送者收到足夠的比特幣進行交易，節(jié)點將檢查區(qū)塊中的所有交易。為此，需要檢查網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

假設(shè)我已收到1比特幣，我之后將其發(fā)送給Alice。接著我試圖將相同的比特幣發(fā)送給Bob。只要我的第一筆交易被添加到鏈中，所有節(jié)點都會更新區(qū)塊鏈，從而得出我已經(jīng)沒有那個比特幣了。那么我給Bob的交易將會被節(jié)點拒絕。節(jié)點發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊不遵循規(guī)則時，則不會將該區(qū)塊更新到區(qū)塊鏈中。

規(guī)則還規(guī)定，交易只有在比特幣所有者的進行數(shù)字簽名時才有效。只有錢幣的所有者才能對交易簽字。因此，只有你可以花費你的比特幣。

如何解決沖突

在偶然的情況下，兩名礦工可能同時向區(qū)塊鏈中添加有效區(qū)塊。想象一下，一部分節(jié)點接受了一個有效的區(qū)塊，其他節(jié)點接受了另一個區(qū)塊。前者包括我與Alice的交易，后者包括我與Bob的交易。現(xiàn)在同時存在兩種不同的區(qū)塊鏈狀態(tài)！

我們將其稱為(無意)的"分叉(fork)"：區(qū)塊鏈分成兩個不同的鏈。Alice和Bob誰才收到了我的比特幣？兩條鏈中的哪一條是'真正的'區(qū)塊鏈？

通常會通過一條簡單的規(guī)則解決這個問題：最長的區(qū)塊鏈獲勝。

區(qū)塊鏈分叉的可視化

當(dāng)出現(xiàn)分叉時，一些礦工將開始在其中一條上進行挖礦，而另一些開始在另一條上進行挖礦。不可避免的是，一條區(qū)塊鏈將比另一條擁有更多的礦工，因此添加區(qū)塊的速度會更快。其他的礦工將換到較長的區(qū)塊鏈上，那么分叉的區(qū)塊鏈將會消亡。這對主區(qū)塊鏈沒有任何損失。

為什么會這樣？

因為礦工是以自我利益行事的經(jīng)濟行為者。礦工沒有興趣對會消亡的分叉區(qū)塊鏈進行挖礦。分叉區(qū)塊鏈上的所有交易從未在主區(qū)塊鏈上發(fā)生，這意味著在分叉鏈上挖礦的礦工不會因為其工作而獲得獎勵。

在極少數(shù)情況下，分叉鏈上可能產(chǎn)生大量的挖礦能力。這時則需要一段時間才能確定哪條是主區(qū)塊鏈。一般認為，在6個區(qū)塊后確認交易是明智之舉。

區(qū)塊鏈分叉的可視化。一般不會超過5個區(qū)塊。

在區(qū)塊鏈中添加區(qū)塊需要巨大的處理能力，以及最長的區(qū)塊鏈取勝的規(guī)則，這保證了區(qū)塊鏈的安全性。攻擊網(wǎng)絡(luò)的唯一方法就是回到區(qū)塊鏈中的某個區(qū)塊，進行分叉并從那里挖新區(qū)塊。然而要做到這一點，攻擊者必須重新完成礦工的所有工作，并趕上主區(qū)塊鏈。如果沒有比整個礦工網(wǎng)絡(luò)更多的計算能力，這幾乎是不可能實現(xiàn)的。簡單地說，這種操作所需的電力和GPU成本非常昂貴。

原文鏈接：

https://hackernoon.com/3-steps-to-understanding-blockchain-8a285572daa3

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