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迅雷链精品课 | 1.什么是区块链

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本帖最后由 迅雷链大学 于 2019-5-8 15:28 编辑

目录
1. 区块链的起源
2. 比特币协议规则
3. 什么是区块链?
4. 区块链关键术语解析
5. 区块链处理交易的基本流程
6. 区块链的关键特性
7. 区块链技术的价值
8. 区块链技术的现状



区块链的起源

文字符号作为人类最主要的记录和通信手段,在很早期的时候人们就开始了对安全的通信手段的探索,我国最早出现了对文字进行加密传输的记载:公元前1000年左右,周朝兵书《六韬·龙韬》就记载了姜子牙为战时通信制定的两种军事通信密码:阴符和阴书。阴符可算是密码学中的替代法,是双方事先制造的一套尺寸不等、面刻花纹的铜版或竹木版,每种花纹或尺寸长短都代表一定的意义,只有通信双方知道。阴书由阴符演变而来,能比阴符传递更具体的消息,将一份完整的军事文书一分为三,分三人传递,必须要把三份文书重新合并后才能获得完整的军事信息。

公元前100年,罗马帝国的凯撒大帝(Caesar)使用以自己的名字命名的密码——凯撒密码,对重要的军事信息进行加密,这是一种简单的单字母替代密码,属于替代法。凯撒把移位加密方法写进《高卢战记》后,这种方法很容易就被破解。此后加密方法不断发展,出现了维热纳尔密码等加密方法。

进入无线电时代,希特勒的纳粹德国发明了恩格玛密码机。借助恩格玛密码机强大的密码编撰能力以及无线电传输能力,希特勒拥有了当时世界上最安全的通讯系统。恩格玛密码机的密文无法用人力进行破解,这时候人们就意识到:人打败不了机器,只能设计另一台机器去打败它。包括图灵在内的无数科学家经历了呕心沥血的工作,最终研发出了另外一台密码破译机。

随着世界大战的结束,人类迎来了和平发展的时期。加密技术也从国家情报部门和军队走向了社会和商业。越来越多的公司采购计算机进行工作,公司内部、公司之间的交流也愈加频繁,这也对密码学和技术发展提出了新的要求。其中非对称加密技术的发明,堪称是密码学的最伟大成就,也是今天区块链和比特币的最重要基础技术之一。

密码学的历史可谓源远流长,互联网出现后,科学家们自然就尝试用密码学去解决互联网的隐私性和安全性的问题。早在1990年,数学家大卫·乔姆(David Chaum)就提出了一个数字化支付系统eCash,让人们在互联网上安全地进行支付成为可能。在那段时间里,大卫·乔姆的一个同事尼克·绍博写了一篇题为“上帝协议”的简短论文,文中设想了一种无所不能、可以取代所有中间机构的技术协议,即让“上帝协议”在一切的交易中扮演可信的第三方;在交易过程中,没有人能窥视与自己无关的信息,“一切涉及隐私的信息都归上帝所有”。

2008年,金融危机爆发。 凑巧的是,也就是在那段时间里,一个(或一群)化名为中本聪的人发布了比特币白皮书。他意图打造一个点对点的、“去中介化”的加密货币系统,中本聪为这个系统设计了一个不可篡改的存储机制,即后来被称为”区块链”的技术。

比特币协议规则

根据比特币白皮书所述,加密货币(数字货币)与传统的法币有所不同,它们不是由国家所创建的,也不是由国家所控制的。这个协议以分布式计算技术为基础设定了一系列的规则,包括:

1) 匿名:通过数字签名验证电子货币和交易的所有者;
2) 防双重支付:采用工作量证明机制的点对点网络来记录交易的公开信息,只要诚实的节点能够控制绝大多数的CPU计算能力,就能使得攻击者事实上难以改变交易记录。
3) 防篡改:交易被打包进一个区块,区块加上时间戳,对区块的内容计算哈希值,构成一个不断延伸的链条,除非重新完成全部的工作量证明,形成的交易记录将不可更改。
4) 点对点协议:任何人都可成为参与者和见证者, 每个节点都不需要明确自己的身份,由于交易信息的流动路径并无任何要求,所以只需要尽其最大努力传播即可。
5) 激励措施:记账节点能获得数字货币,在没有中央集权机构发行货币的情况下,提供了一种将电子货币分配到流通领域的一种方法。


什么是区块链?

区块链,可看作是分布式账本技术,它是保存账本数据的一种数据结构,是由区块组成的链条,如下图所示:

区块链数据结构示意图.png

区块链数据结构示意图

一个区块分为区块头部和区块体:
· 区块头部包括当前区块编号、区块摘要(哈希值)、上个区块摘要、时间戳等字段。
· 区块体保存账本内容,主要包含交易数据。同一个区块的内的交易记录组成一棵Merkle树。这些交易记录即是账本内容。一个一个的区块构成的链,即构成账本的状态变化。
· 交易是对账本的一次记录添加操作,例如一次转账交易对应添加一条转账记录。
· 区块的链条随着时间不断增长,新的交易被增加到新的区块中。

由于每个区块数据不一样,每个区块的哈希值都是不一样的,因此可以使用哈希值标识区块。后一个区块里保存了前一个区块的hash值,就组成了一个链条。若篡改了某个区块的某个交易,则计算出来区块的哈希会变化,链条就会断开,就会被见证节点发现。


区块链关键术语解析

交易:交易是对账本的一次记录添加操作,例如一次转账交易对应添加一条转账记录。用户对区块链的账本数据只有记录添加和查询两个操作,不能执行删除和修改操作,而所有的记录添加操作都是以交易的形式提交给区块链。

区块:区块记录了一段时间内网络中比特币的交易情况,可以将区块视为账簿中的帐页。

区块链:区块链系统每隔一定时间生成一个区块,每个区块都保存了其上一个区块的哈希值,这样所有的区块链就能连在一起,构成一个链条,即区块链。
创世区块:第一个被最早构建的区块称为创世区块,从任一区块,循链向后回溯,最终都将到达创世区块。


激励:负责产生区块的节点能获得一定数量的电子货币作为奖励。奖励给区块创造者的这些电子货币包括两部分:一部分是创建区块而得到的奖励;另一部分是来自交易的手续费。激励机制一方面能吸引人们提供节点来支持区块链网络,另一方面也是为了在没有中央集权机构发行货币的情况下,提供一种将电子货币分配到流通领域的一种方法。

矿工:提供算力,打包交易,生成区块,能获得电子货币作为奖励。

钱包:私钥、地址和区块链数据的管理工具。

钱包地址:是一个由数字和字母组成的字符串,作用相当于银行卡卡号。在交易中,发送方和收款方通常以钱包地址来标识。不同区块链项目的钱包地址生成算法也有不同:比特币钱包地址是由公钥经过SHA-256哈希函数和RIPEMD-160哈希函数,加入地址版本号,并经过哈希值取前4个字节与前面哈希值混合等操作再生成哈希值,再经过Base58编码得到;以太坊地址是由secp256k1椭圆曲线算法先计算出公钥,然后进行keccak256哈希运算再取后40位得到。

私钥和公钥:当用户创建一个新地址时,他真正在做的是生成一个密钥对,由一个私钥和一个公钥组成。如果你使用私钥(只有你知道)对一个消息进行签名,它可以被对应的公钥(所有人都知道)所验证。用户创建的新地址代表一个唯一的公钥,对应的私钥则保存在他的钱包里。公钥允许所有人来验证被私钥签名的消息的有效性。

数字签名:数字签名是非对称密钥加密技术与数字摘要技术的应用,只有信息的发送者才能产生的别人无法伪造的一段数字串,这段数字串同时也是对信息的发送者发送信息真实性的一个有效证明。

双花:即双重支付,一笔钱被花出去了两次。区块链通过时间戳来生成依照时间前后排列并加以记录的电子交易证明,并广播到整个网络,只要诚实的节点能够控制绝大多数的CPU计算能力,就能使得攻击者事实上难以改变交易记录,从而解决双重支付问题。


区块链处理交易的基本流程

区块链技术整合了P2P网络、共识算法、密码学等一系列技术,构造了一个去中介化的价值互联网,打造了一个人人平等的、加密的、可互信的分布式公共账本。这个账本,按照严格的规则和公开的协议进行信息记录和修订,每个人都可以对它进行检查,但是没有任何个人可以随意篡改。

区块链P2P连接示意图.png

区块链P2P连接示意图

区块链处理交易的基本流程是这样的:
1) 多个对等的记账节点组成区块链网络。每个记账节点都保存了完整的账本内容,所以区块链被看作是分布式账本技术,是一种所有参与节点共同维护同一数据的技术方案。节点间通过共识算法达成一致。
2) 区块链用户Alice和Bob的客户端(PC、手机等)都有区块链钱包,管理各自的账户密钥。
3) 当Alice要向Bob转账,Alice要通过客户端使用自己的私钥对她的这一交易申请进行签名,发送给区块链网络,这笔交易随后在记账节点中广播,以便网络上的任何人都可以使用公钥来验证,这个交易申请来自一个合法的账户所有者。
4) 记账节点将新的交易打包成一个新的区块,这个区块内容包含交易数据、前一个区块的hash值、时间戳等信息,并基于这些信息计算区块自身的hash值。
5) 记账节点将新区块广播给其他节点,其他节点都对区块中的交易进行验证,通过后执行交易动作。新区块中的全部交易执行完成后,此区块会被保存到本地磁盘,区块中的交易记录数据不能被修改或删除,可随时被任何人查询和验证。


区块链的关键特性

1) P2P网络:P2P网络是去中心化的,任何人都可参与;网络中的所有节点权限对等、数据公开、高度冗余存储以保证去中心化和安全,任何节点故障都不会导致数据丢失。
2) 共识机制:使用经过证明的共识算法保证一致性,防止作恶节点篡改数据。
3) 激励机制:网络中的节点劳有所得,参与记账即能获得数字货币作为奖励,吸引更多的节点持续参与,保证了系统的持续稳定的演化,避免节点间的共谋,达成纳什均衡。
4) 不可篡改:数据加密传输、交易有数字签名、区块加时间戳一起计算哈希值、由区块哈希值组成链式结构,区块内容全网传播,记账节点负责检查有效性,防止双重支付。


区块链技术的价值

正是上述区块链技术的特性,让区块链技术成为一个人们一直在追寻的可信的协议,必然会引发一系列值得关注的变革,就像是当年加密技术在军事和商业中的应用,让人们得以高效通信、占得先机;就像计算机技术在密码学上的应用,让密码学技术取得了伟大的成就;就像互联网技术的落地应用,使得信息可以在全球范围内以极低的成本自由传输,成为当今社会不可或缺的基础设施;电话技术中,最初我们需要拨打电话到呼叫中心,再由呼叫中心替我们拨打电话给个人,我们没有办法实现直接人与人的通话。但是,后来有了电话交换机的技术,我们就用技术实现了“人工呼叫中心”的功能;再后来,我发明了移动电话,我们可以直接拨打电话给个人;再后来有了Skype这样的互联网语音电话软件,我们甚至不需要手机号码就可以直接拨打电话给其他用户。
而区块链技术则带来了可信协议,让人们可以信任机器,可以在更广泛的领域实现去中介化运行,让人们从信息互联网进入到价值互联网时代,必然会孕育出一系列新的商业模式,甚至带来去中介化的全新的社会组织架构,会改变我们现有的生活方式。

1) 机器信任
机器信任,是基于区块链的应用程序与非区块链应用程序之间的最主要区别。区块链出现前,人们只能信任第三方机构。而区块链从技术上保证了机器信任的实现。人类从制度信任过渡到机器信任,很多事务可以因此提升效率,降低成本,例如:
· 所有权确认问题: 从第三方组织机构的担保或保证,转为通过算法为人们创造信用;
· 安全信任问题:从监管机构负责安全管理,转为由技术基础架构层负责安全管理;
· 信任执行问题:由第三方机构监督执行,转为通过智能合约代码自动执行;
· 数据不可篡改:由信任机构,转为信任算法。

2) 价值互联网
区块链让人们从信息互联网时代进入到价值互联网时代:
· 传统的依赖第三方机构的价值转移,可被区块链的点对点的价值转移代替;
· 传统的中心化账本,可被区块链的加密货币和分布式账本代替;
· 传统的依赖第三方机构的审计,可被区块链实时而准确的记录和呈现;
· 区块链的智能合约能实现自动化的、带交易规则的价值传递。

3) 去中心化
从中心化到去中心化、去中介化,带来的积极意义有:
· 降低交易成本、协调成本与监管成本,提升商业效率;
· 低成本实现信息同步与共享,促进共享经济的实现;
· 建立有效的约束和激励机制,增强资源配置的效率。


区块链技术的现状

虽然,区块链技术最初诞生于十年前的比特币系统,但十年后的今天,它已经成为超越比特币的存在,正在逐渐落地应用于各行各业。它的技术在持续发展,形态也越来越多样。

《区块链:新经济蓝图》.png

《区块链:新经济蓝图》一书中,是这样来为区块链分代的:
区块链1.0:发行数字货币,以比特币为代表。
区块链2.0:是智能合约的应用,促进区块链技术在经济、金融、市场方面的应用,以太坊是这个时代的代表。
区块链3.0:是区块超越经济、金融、市场之处,在其他领域上区块链的应用,包括政府,健康,文化和艺术等。这个时代的特点是出现很多与实体经济结合的项目,例如专注数字身份验证的OneName、在线图片保护的Monegraph、学术出版领域的Journalcoin、以及在社会公益、基因产业、共享经济、新零售等方面都有成熟的应用的迅雷链等。

在区块链3.0时代,需要区块链能够承载货币交易、金融交易、资产管理、政府档案登记、司法认证、公正、知识产权服务等广泛而复杂的业务,这就要求区块链首先要发展低层技术,突破性能限制,为各种行业提供去中心化解决方案,全面服务实体经济。

例如在共识机制上,除了最早的比特币PoW机制,陆续出现了PoS、DPoS、PBFT等改进算法类型。在应用场景上,最初的比特币几乎没有实际的应用价值,而以太坊引入了智能合约,使得DAPP开发成为可能,尽管仍然面临性能不足的问题。在以太坊为性能提升而努力时,其他区块链平台在性能上也在不断突破,比如迅雷链在同构多链架构基础上实现DPoA(Delegated Proof-of-Ability,授权能力证明)+PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance, 实用拜占庭容错)共识算法,能达到百万TPS的性能,实现交易的秒级确认,可以轻松支持大规模的商业应用。随着技术的不断进化,区块链已不再只是技术理想,而是能够产生实际价值了。



迅雷链大学

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