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区块链技术基本概念

2019-10-13 ·1135次阅读 ·读完需要23分钟

区块链技术基本概念

区块链提供了一种去中心化的、无需信任积累的信用建立范式,目前已经引起金融行业、科研机构、政府部门和投资公司的高度重视与广泛关注。区块链技术通过建立一个共同维护且不可被篡改的数据库来记录过去的所有交易记录和历史数据,所有的数据都是分布式存储且公开透明的。在这种技术下,任何互不相识的网络用户都可以通过合约、点对点记账、数字加密等方式达成信用共识,而不需要任何的中央信任机构。在这种技术下,我们可以建立数字货币、数字资产、智能财产以及智能合约等。


区块链本质上是一个对等网络的分布式账本数据库。比特币的底层就采用了区块链的技术架构。区块链本身其实是一串链接的数据区块,其链接指针是采用密码学哈希算法对区块头进行处理所产生的区块头哈希值。每一个数据块中记录了一组采用哈希算法组成的树状交易状态信息,这样保证了每个区块内的交易数据不可篡改,区块链里链接的区块也不可篡改。


一个完整的区块链系统包含了很多技术,其中有存储数据的数据区块及其之上的数字签名、时间戳等技术,有作为支撑的P2P网络和维护系统的共识算法,有挖矿和工作量证明机制,有匿名交易机制和比特币钱包,还有链龄、UTXO、Merkle树、双花等相关技术概念。正是这些技术,使得区块链在无中心的网络上形成了运转不息的引擎,为区块链的交易、验证、链接等功能提供了源源不断的动力。


 


1.数据区块


比特币的交易记录会保存在数据区块中,比特币系统中大约每10分钟会产生一个区块,每个数据区块一般包含区块头和区块体两部分。




区块头封装了当前的版本号、前一区块的地址、时间戳、随机数、当前区块的目标哈希值、Merkle树的根值等信息。


区块体中则主要包含交易计数和交易详情。交易详情就是比特币系统中的记账本,每一笔交易都会被永久的记入数据区块中,而且任何人都可以查询。区块体中的Merkle树将会对每一笔交易进行数字签名,如此可以确保每一笔交易都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。


 


2.挖矿与分叉问题


区块在挖矿过程中产生。所谓挖矿,实际上是穷举随机数算法,把上个区块的哈希值加上10分钟内的全部交易单打包,再加上一个随机数,算出一个256位的字符串哈希值,输入的随机数Nonce使哈希值满足一定条件就获得这个区块的交易记账权。新产生的区块需要快速广播出去,以便其他节点进行对其验证,以防造假。每个区块存着上一个区块的哈希值,可以溯源到源头,只有经过验证后才能最终获得区块的交易记账权。比特币系统会让挖矿的矿工竞争记账权(在主链上链接区块的权利),这个竞争机制就是工作量证明机制。挖矿需要付出大量的能源和时间,谁付出的工作量多就能以更大的概率获得一个区块的记账权。获取记账权的矿工将当前区块链接到前一区块,形成最新的区块主链,该矿工也会得到系统奖励的一定数量的比特币。所有的区块链接在一起形成了区块链的主链,从创世区块到当前区块,在区块链之上的所有数据历史都可以被追溯和查询。


可能会出现不同地区的两个矿工同时”挖出”两个新区块加以链接的情况,这时主链会出现”分叉”。系统并不会马上确认哪个区块不合理,而是约定后续矿工总是选择累计工作量证明最大的区块。因此,当主链分叉以后,后续区块的矿工将通过计算和比较,将其区块链接到当前累计工作量证明最大化的备选链上,形成更长的新主链,并自动抛弃分叉处的短链,从而解决分叉问题。


 


3.时间戳和不可篡改性


时间戳是指从格林威治时间1970年1月1日00时00分00秒起至现在的总秒数,通常是一个字符序列,唯一地标识某一刻的时间。在比特币体统中,获得记账权的节点在链接区块时需要在区块头中加盖时间戳,用于记录当前区块数据的写入时间。每一个随后区块中的时间戳都会对前一个时间戳增强工作量证明,形成一个时间递增的链条。时间戳技术本身并没有多复杂,但在区块链技术中应用时间戳却是一个重大创新,时间戳为未来基于区块链的互联网和大数据增加了一个时间维度,使得数据更容易追溯,重现历史也成为可能。同时,时间戳可以作为存在性证明的重要参数,他能够证实特定时刻是的确存在的,这保证了区块链数据库是不可篡改和不可伪造的,这也为区块链技术应用于公证、知识产权注册时间等时间敏感领域提供了可能。


 


4.分布式数据库


比特币系统中的区块就像一个记账本一样,记录了所有比特币的交易信息,每一个比特币用户的比特币收支情况都被永久的嵌入了数据区块中以供别人查询。这些数据区块中的交易数据存放在一个比特币用户的客户端节点中,所有的这些节点则组成了比特币及其坚韧的分布式数据库系统。任何一个节点的数据被破坏都不会影响整个数据库的正常运转,因为其他健康节点中都保存了完整的数据库。


 


5.UTXO交易模式


UTXO(Unspent Transaction Outputs)是未花费的交易输出,它是比特币交易过程中的基本单位。除创世块以外,所有区块中的交易(Tx)会存在若干个输入(Tx_in,也称资金来源)和若干个输出(Tx_out,也称资金去向),创世区块和后来挖矿产生的区块中给矿工的交易没有输入,除此之外,在比特币系统中,某笔交易的输入必须是另一笔交易未被使用的输出,同时这笔输入也需要上一笔输出地址所对应的私钥进行签名。当前整个区块链网络中的UTXO会被存储在每个节点中,只有满足了来源于UTXO和数字签名条件的交易才是合法的。所以区块链系统中的新交易并不需要追溯整个交易历史,就可以确认当前交易是否合法。


 


6.哈希函数


哈希函数在比特币系统中也有着重要的应用,区块链中的数据并不只是原始数据或者交易记录,还包括它们的哈希函数值,即将原始数据编码为特定长度的、由数字和字母组成的字符串后,记入区块链。哈希函数有着很多适合存储区块链数据的优点。


①哈希函数处理过的数据时单向性的,通过处理过的输出值几乎不可能计算出原始的输入值。


②哈希函数,例如SHA256,将需要处理的数据分块,每块512字节,然后用Merkle-Damgard转换函数把初始向量和第一块做输入,生成256字节,再作为初始向量与下一数字块进行Merkle-Damgard转换,如此重复直到最后一个数据块。最后结果就是一个256字节的哈希值。因此,输入数据越长,哈希函数处理的时间就越长。


③哈希函数的输入值即使只相差一个字节,输出值的结果也是迥然不同。比特币系统中最常采用的哈希函数是双SHA256哈希函数,通俗来说就是将不同长度的原始数据用两次SHA256哈希函数进行处理,再输出长度为256的二进制数字来进行统一的识别和存储。


 


7.Merkle树


Merkle树是数据结构中的一种树,可以是二叉树,也可以是多叉树,它具有树结构的所有特点。比特币区块链系统中的采用的是Merkle二叉树,它的作用主要是快速归纳和校验区块数据的完整性,它会将区块链中的数据分组进行哈希运算,向上不断递归运算产生新的哈希节点,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据块或其哈希值。在比特币系统中使用Merkle树有诸多优点:首先是极大的提高了区块链的运行效率和可扩展性,使得区块头只需包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高效的运算在智能手机甚至物联网设备上;其次是Merkle树可支持”简化支付验证协议”(SPV),即在不运行完整区块链网络节点的情况下,也能够对交易数据进行检验。所以,在区块链中使用Merkle树这种数据结构是非常具有意义的。




 


8.双重支付


双重支付问题又称为”双花”问题,即利用货币的数字特性用”同一笔钱”完成两次或多次支付。在传统的金融和货币体系中,由于金钱货币是物理实体,具有客观唯一存在的属性,所以可以避免双重支付的情况。但在其他的电子货币系统中,则需要可信的第三方管理机构提供保证。区块链技术则在去中心化的系统中不借助任何第三方机构而只通过分布式节点之间的相互验证和共识机制,有效地解决了双重支付的问题,在信息传输的同时完成了价值转移。区块链技术通过区块链接形成的时间戳技术加上验证比特币是否满足UTXO(未花费交易)和数字签名,有效避免了双重支付的问题。如果有人用同一笔UTXO构造了两笔赋给不同交易方的交易,则比特币客户端只会转发最先被侦听到的那个。矿工会选择将那笔交易包入未来区块,当其中一笔交易所在的区块后有5个链接的区块,这笔交易已经得到了6次确认。在比特币区块链上,通常的做法是6次确认后基本上该比特币被双花的概率很小。按照中本聪在比特币白皮书中的计算,6次确认后双花的概率大概在0.024%。


 


9.P2P网络


P2P网络是一种对等者之间分配任务和工作负载的分布式应用框架,是对等计算模型在应用层形成的一种组网或网络形式。因此,从字面上,P2P可以理解为对等计算或对等网络。迅雷软件采用的就是P2P技术。区块链系统是在建立在IP通信协议和分布式网络的基础上的,它不依靠传统的电路交换,而是建立在网络通信之上,完全通过互联网去交换信息。网络中所有的节点具有同等的地位,不存在任何特殊化的中心化节点和层级结构,每个节点均会承担网络路由、验证数据区块等功能。网络的节点根据存储数据量的不同可以分为全节点和轻量级节点,全节点存储了从创世块以来的所有区块链数据。全节点的优点是进行数据校验时不需要依靠别的节点,仅依靠自身就可以完成校验更新等操作,缺点是硬件成本较高。轻量级节点只需要存储部分数据信息,当需要别的数据时可以通过简易支付验证方式向邻近节点请求所需数据来完成验证更新。


 


10.加密算法


除了哈希算法外,比特币中还存在一种为交易加密的非对称加密算法(椭圆曲线加密算法)。非对称加密算法指的就是存在一对数学相关的密钥,使用其中一个密钥进行加密的数据信息,只有使用另一个密钥才能对该信息进行解密。这对密钥中,对外公开的密钥叫作公钥,不公开的密钥就叫作私钥。打个比方,公钥就像银行的账户,私钥就像是该账户的密码或账户所有者的签名。区块链之上的有效交易有一个用于交易发起方私钥签名有效的数字签名,而该交易的签名可以通过使用交易发起方的公钥进行验证。公钥可以通过算法从私钥中计算得出,但私钥却不能从公钥中推出。比特币系统使用的就是一种非常典型的非对称加密算法——椭圆曲线加密算法(ECC)。比特币系统一般从操作系统底层的一个密码学安全的随机源中取出一个256位随机数作为私钥,私钥的总数为2^256个,所以很难通过遍历所有可能的私钥得出与公钥对应的私钥。用户使用的私钥还会通过SHA256和Base58转换成易书写和识别的50位长度的私钥,公钥则首先由私钥和Secp256k1椭圆曲线算法生成65字节长度的随机数。一般情况下,比特币钱包的地址也由公钥所生成,其生成过程为首先将公钥进行SHA256和RIPEMD160双哈希运算,并生成20字节长度的摘要结果(即Hash160结果),这个将作为比特币地址的主体信息,再在前面加上版本前缀0x00,在后面添加4个字节的地址校验码。地址校验码通过对摘要结果进行两次SHA256运算,取哈希值得前4位产生。最后通过Base58处理把连在一起的版本前缀、主体信息和校验码转换成可以容易让人识别的比特币字符地址。


 


11.数字签名


数字签名就是在信息后见加上一段内容,作为发送者的证明并且证明信息没有被篡改。一般是发送者将信息用哈希算法处理得出一个哈希值,然后用私钥对该哈希值进行加密,得出一个签名。然后发送者再将信息和签名一起发送给接受者。接收者使用发送者的公钥对签名进行解密,还原出哈希值,再通过哈希算法来验证信息的哈希值和解密签名还原出来的哈希值是否一致,从而可以鉴定信息是否来自发送者或验证信息是否被篡改。



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