區(qū)塊鏈（BlockChain），是區(qū)塊（Block）和鏈（Chain）的直譯，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示，即每個(gè)區(qū)塊保存規(guī)定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄，并通過(guò)密碼學(xué)的方式，構(gòu)建一條安全可信的鏈條，形成一個(gè)不可篡改、全員共有的分布式賬本。

比特幣的區(qū)塊分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分。區(qū)塊頭的大小為80字節(jié)，包括4字節(jié)的版本號(hào)、32字節(jié)（256位）的上一區(qū)塊哈希值、32字節(jié)的Merkle根節(jié)點(diǎn)、4字節(jié)的時(shí)間戳、4字節(jié)的難度值和4字節(jié)的隨機(jī)數(shù)。區(qū)塊體包含10分鐘內(nèi)選定的交易記錄，第一筆交易（coinbase交易）是用于獎(jiǎng)勵(lì)礦工比特幣的特殊交易，由礦工自己添加進(jìn)區(qū)塊。

圖1 區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

基本概念

區(qū)塊鏈?zhǔn)呛芏喱F(xiàn)有技術(shù)交叉融合在一起的集成創(chuàng)新。因此，要了解區(qū)塊鏈，首先要了解區(qū)塊鏈到底集成了哪些技術(shù)。

P2P網(wǎng)絡(luò)

如圖2所示，P2P（Peer-to-Peer）網(wǎng)絡(luò)是一種端到端的網(wǎng)絡(luò)。P2P網(wǎng)絡(luò)分為結(jié)構(gòu)化（例如基于Chord的P2P網(wǎng)絡(luò)）和非結(jié)構(gòu)化的P2P網(wǎng)絡(luò)（例如Gnutella）。比特幣的區(qū)塊鏈采用的是非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有中心化的硬件或管理機(jī)構(gòu)，任一節(jié)點(diǎn)既是服務(wù)端，也是客戶(hù)端。任何節(jié)點(diǎn)只要安裝相應(yīng)的客戶(hù)端軟件，就能接入P2P網(wǎng)絡(luò)（例如BT軟件），參與區(qū)塊鏈的記錄和驗(yàn)證，不超過(guò)1/3節(jié)點(diǎn)的損壞、退出甚至被植入惡意代碼，都不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。

圖2 傳統(tǒng)中心化系統(tǒng)和P2P網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵?duì)比圖

加密算法和數(shù)字簽名

加密技術(shù)分為對(duì)稱(chēng)、非對(duì)稱(chēng)和哈希（Hash）加密。對(duì)稱(chēng)加密是指用同樣的密鑰來(lái)進(jìn)行加密和解密，非對(duì)稱(chēng)加密是指用一個(gè)密鑰對(duì)來(lái)進(jìn)行加密和解密，哈希加密主要是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希運(yùn)算，用固定的哈希結(jié)果值驗(yàn)證信息是否被篡改。

非對(duì)稱(chēng)加密

在非對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)中，對(duì)外公開(kāi)、分發(fā)出去的密鑰叫做公鑰，不能公開(kāi)、自己留存的密鑰叫做私鑰。公鑰加密的，對(duì)應(yīng)的私鑰才能解密。反之亦然。如圖3所示。

圖3 非對(duì)稱(chēng)加密RSA算法的簡(jiǎn)化示例圖

非對(duì)稱(chēng)加密算法有RSA、DSA和ECC等種類(lèi)，區(qū)塊鏈?zhǔn)褂玫氖腔跈E圓曲線加密技術(shù)的數(shù)字簽名（ECDSA），具體實(shí)現(xiàn)是secp256k1。ECDSA相當(dāng)于是DSA和非對(duì)稱(chēng)加密ECC的結(jié)合。相比RSA算法，ECDSA具有計(jì)算量小、存儲(chǔ)空間小、帶寬要求低等特點(diǎn)。

數(shù)字簽名

基于數(shù)字簽名的通信機(jī)制工作原理，如圖4所示，發(fā)送報(bào)文時(shí)，發(fā)送方用一個(gè)哈希函數(shù)從報(bào)文文本中生成文件摘要，然后用自己的私鑰對(duì)摘要進(jìn)行加密，加密后的摘要將作為報(bào)文的數(shù)字簽名和報(bào)文一起發(fā)送給接收方。接收方首先用與發(fā)送方一樣的哈希函數(shù)從接收到的原始報(bào)文中計(jì)算出報(bào)文摘要，接著再用發(fā)送方的公鑰來(lái)對(duì)報(bào)文附加的數(shù)字簽名進(jìn)行解密，如果得到的明文相同，那么接收方就能確認(rèn)傳輸?shù)奈募⑽词艿酱鄹模前踩尚诺摹?/p>

圖4 數(shù)字簽名的流程示意圖

哈希加密

安全哈希算法（Secure Hash Algorithm，SHA）是由美國(guó)國(guó)家安全局研發(fā)，由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）發(fā)布的一系列密碼哈希函數(shù)，包括SHA-0、SHA-1、SHA-2和SHA-3等系列。比特幣的區(qū)塊鏈?zhǔn)褂玫氖荢HA-256哈希加密算法，于2001年發(fā)布，屬于SHA-2分支。由于SHA256偽隨機(jī)性的特點(diǎn)，只要是相同的數(shù)據(jù)輸入，一定會(huì)得到相同的結(jié)果，如果輸入數(shù)據(jù)稍有變化，將得到一個(gè)千差萬(wàn)別的結(jié)果，如圖5所示。SHA256還是一個(gè)單向不可逆的算法，即根據(jù)一個(gè)輸入數(shù)算SHA256的結(jié)果很容易，但根據(jù)SHA256的結(jié)果反算輸入數(shù)幾乎是不可能。除此之外，比特幣還使用ripemd160算法來(lái)生成比特幣錢(qián)包的地址。 

   

圖5 哈希加密的示意圖

梅克爾樹(shù)

梅克爾（Merkle）樹(shù)是區(qū)塊鏈的基本組成部分。如果沒(méi)有梅克爾樹(shù)，區(qū)塊鏈也是可以運(yùn)轉(zhuǎn)，但是要在區(qū)塊頭里包含所有交易記錄，擴(kuò)展性方面存在很大挑戰(zhàn)。如圖6所示，區(qū)塊鏈中的每個(gè)區(qū)塊，由區(qū)塊頭和區(qū)塊體構(gòu)成，區(qū)塊頭中含有一個(gè)Merkle根節(jié)點(diǎn)的字段，通過(guò)對(duì)區(qū)塊體中所有交易記錄，以二叉樹(shù)的形式迭代地兩兩拼接 、進(jìn)行哈希操作，可以得到一個(gè)最終的哈希值，我們稱(chēng)之為Merkle根哈希。Merkle根哈希相當(dāng)于是對(duì)區(qū)塊中所有交易記錄進(jìn)行了一個(gè)快照，區(qū)塊中交易記錄的任意改動(dòng)都可以通過(guò)比較Merkle根哈希而很容易地察覺(jué)。Merkle根哈希主要用于簡(jiǎn)單支付驗(yàn)證（SPV），在驗(yàn)證某個(gè)交易是否在區(qū)塊中時(shí)，也能極大地減少網(wǎng)絡(luò)傳輸成本。 

  

圖6 Merkle樹(shù)示意圖

工作量證明機(jī)制

工作量證明機(jī)制，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是一種共識(shí)機(jī)制，用來(lái)確認(rèn)你是否做過(guò)一定量工作的證明。比特幣的區(qū)塊鏈主要是依托計(jì)算數(shù)學(xué)難題來(lái)衡量工作量。每個(gè)區(qū)塊，當(dāng)選定一定數(shù)量的交易記錄之后，填充版本號(hào)、時(shí)間戳、難度值，生成相應(yīng)的Merkle根哈希。很容易看到，這些數(shù)值在選定交易記錄以后，都是確定的，唯一能夠改變的就只有隨機(jī)數(shù)（Nonce）這個(gè)值。如圖7所示，系統(tǒng)根據(jù)難度值，要求計(jì)算整個(gè)區(qū)塊頭的兩次SHA256算法，得到的哈希結(jié)果要小于一個(gè)閾值。根據(jù)前面描述的SHA256算法的偽隨機(jī)性，只有通過(guò)不斷地嘗試和枚舉，才能找到相應(yīng)的隨機(jī)數(shù)，證明自己的工作量。 

圖7 工作量證明機(jī)制示意圖

除了工作量證明機(jī)制（PoW）這類(lèi)共識(shí)機(jī)制之外，還有股權(quán)證明機(jī)制（PoS）、授權(quán)股權(quán)證明機(jī)制（DPoS）、拜占庭容錯(cuò)機(jī)制（BFT）、實(shí)用拜占庭容錯(cuò)機(jī)制（PBFT）這些在不可信環(huán)境下的共識(shí)機(jī)制以及要求在可信環(huán)境下的共識(shí)機(jī)制，例如PaxOS和Raft。表1是做了簡(jiǎn)單的對(duì)比。 

 

表1 共識(shí)機(jī)制的簡(jiǎn)單對(duì)比表

運(yùn)行機(jī)制

接入網(wǎng)絡(luò)和驗(yàn)證

節(jié)點(diǎn)通過(guò)安裝相應(yīng)的軟件（例如比特幣核心），接入?yún)^(qū)塊鏈。節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)以后，主要是在P2P網(wǎng)絡(luò)上發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)、鏈接鄰居節(jié)點(diǎn)、傳遞P2P消息和下載區(qū)塊鏈驗(yàn)證。節(jié)點(diǎn)可以選擇下載全量的區(qū)塊鏈進(jìn)行驗(yàn)證，或者是只下載區(qū)塊頭，通過(guò)Merkle樹(shù)節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單支付驗(yàn)證（SPV）。

錢(qián)包軟件可以分為移動(dòng)錢(qián)包、桌面錢(qián)包、互聯(lián)網(wǎng)錢(qián)包和紙錢(qián)包，都支持保存用戶(hù)的私鑰，錢(qián)包也可以根據(jù)私鑰是否是種子產(chǎn)生的，而分為決定性錢(qián)包和非決定性錢(qián)包，關(guān)鍵區(qū)別在于私鑰的備份和易恢復(fù)性。

區(qū)塊鏈的存儲(chǔ)和接受

比特幣的區(qū)塊鏈?zhǔn)褂肂erkeley DB（文件數(shù)據(jù)庫(kù)）作為錢(qián)包數(shù)據(jù)庫(kù)，使用LevelDB（鍵值數(shù)據(jù)庫(kù)）存儲(chǔ)區(qū)塊的索引和UTXO（Unspent Transaction Output，未開(kāi)銷(xiāo)的比特幣交易輸出）。節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)的時(shí)候，將整個(gè)區(qū)塊鏈的索引從LevelDB加載入內(nèi)存。當(dāng)收到一個(gè)新區(qū)塊時(shí)，節(jié)點(diǎn)對(duì)新區(qū)塊中的所有交易進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證交易格式、交易大小、交易簽名、UTXO是否匹配、交易簽名、腳本合規(guī)等方面。

如果驗(yàn)證成功，檢查上一區(qū)塊頭與鏈頭區(qū)塊哈希值是否一致，如果是一致，則更新UTXO數(shù)據(jù)庫(kù)和回滾交易數(shù)據(jù)庫(kù)，如果不是，則將該區(qū)塊放在孤兒區(qū)塊池中 。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在另一條更長(zhǎng)的區(qū)塊鏈時(shí)，就需要斷開(kāi)現(xiàn)有的區(qū)塊并對(duì)區(qū)塊鏈進(jìn)行重組。如果驗(yàn)證不成功，會(huì)拋棄該區(qū)塊，繼續(xù)等待新區(qū)塊的到來(lái)（礦工會(huì)繼續(xù)計(jì)算新區(qū)塊的數(shù)學(xué)難題）。

區(qū)塊鏈的工作量證明計(jì)算機(jī)制

“礦工”角色的節(jié)點(diǎn)一直收集網(wǎng)絡(luò)中廣播的交易記錄，并致力于計(jì)算新區(qū)塊的數(shù)學(xué)難題，即工作量證明。如果其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的新區(qū)塊驗(yàn)證成功，節(jié)點(diǎn)除了更新UTXO數(shù)據(jù)庫(kù)和回滾交易數(shù)據(jù)庫(kù)，節(jié)點(diǎn)會(huì)立即開(kāi)始下一個(gè)新區(qū)塊的計(jì)算。新區(qū)塊的構(gòu)建優(yōu)先選取交易內(nèi)存池中優(yōu)先級(jí)高的交易記錄。優(yōu)先級(jí)的計(jì)算方式為：

如果自己的工作量證明計(jì)算成功，節(jié)點(diǎn)會(huì)第一時(shí)間將這個(gè)區(qū)塊廣播至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，其他節(jié)點(diǎn)收到該新區(qū)塊，如上所述，會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證和存儲(chǔ)。

整個(gè)區(qū)塊鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制如圖8所示。 

圖8 區(qū)塊鏈運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制示意圖

其他相關(guān)

腳本語(yǔ)言

區(qū)塊鏈采用的腳本語(yǔ)言并不是圖靈完備的語(yǔ)言，不支持循環(huán)，只能進(jìn)行堆棧式操作。這種腳本語(yǔ)言的好處是，不允許礦工提交一個(gè)死循環(huán)的腳本，更注重的是安全方面的考量，但其擴(kuò)展能力有限。從以太坊為首的區(qū)塊鏈編程平臺(tái)支持圖靈完備的編程語(yǔ)言，引領(lǐng)區(qū)塊鏈跨入2.0時(shí)代。由于支持循環(huán)等復(fù)雜操作，以太坊用Gas（燃料）機(jī)制來(lái)防止死循環(huán)的出現(xiàn)，確保系統(tǒng)的安全。

消息隊(duì)列

比特幣區(qū)塊鏈采用Zero MQ（ZMQ）作為消息分發(fā)和消息隊(duì)列管理工具。與很多人熟悉的RabbitMQ相比，ZMQ不像傳統(tǒng)意義的消息服務(wù)器，更像一個(gè)底層的網(wǎng)絡(luò)通信庫(kù)，在多個(gè)線程、內(nèi)核和主機(jī)盒之間彈性伸縮，在Socket API之上將網(wǎng)絡(luò)通信、進(jìn)程通信和線程通信抽象為統(tǒng)一的API接口。

挖礦設(shè)備和算法演進(jìn)

挖礦設(shè)備從支持復(fù)雜指令（CISC）、適合串行計(jì)算的CPU礦機(jī)時(shí)代，經(jīng)由基于眾核體系、適合并行簡(jiǎn)單計(jì)算的GPU挖礦和低功耗卻價(jià)格昂貴的FPGA挖礦，逐漸向集約高速的ASIC礦機(jī)和規(guī)模效應(yīng)的礦池演進(jìn)。