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。
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)。
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，也是客戶端。任何節(jié)點(diǎn)只要安裝相應(yīng)的客戶端軟件，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 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。
加密技術(shù)分為對稱、非對稱和哈希（Hash）加密。對稱加密是指用同樣的密鑰來進(jìn)行加密和解密，非對稱加密是指用一個(gè)密鑰對來進(jìn)行加密和解密，哈希加密主要是通過對數(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。
在非對稱加密技術(shù)中，對外公開、分發(fā)出去的密鑰叫做公鑰，不能公開、自己留存的密鑰叫做私鑰。公鑰加密的，對應(yīng)的私鑰才能解密。反之亦然。如圖 3 所示。
非對稱加密算法有 RSA、DSA 和 ECC 等種類，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 和非對稱加密 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)。
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)送方的公鑰來對報(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?，是安全可信的?/div>
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）是由美國國家安全局研發(fā)，由美國國家標(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?SHA-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 算法來生成比特幣錢包的地址。
圖 5 哈希加密的示意圖
梅克爾樹
梅克爾（Merkle）樹是區(qū)塊鏈的基本組成部分。如果沒有梅克爾樹，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，通過對區(qū)塊體中所有交易記錄，以二叉樹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，我們稱之為 Merkle 根哈希。Merkle 根哈希相當(dāng)于是對區(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)都可以通過比較 Merkle 根哈希而很容易地察覺。Merkle 根哈希主要用于簡單支付驗(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 樹示意圖
工作量證明機(jī)制
工作量證明機(jī)制，簡單地說，就是一種共識(shí)機(jī)制，用來確認(rèn)你是否做過一定量工作的證明。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。
運(yùn)行機(jī)制
接入網(wǎng)絡(luò)和驗(yàn)證
節(jié)點(diǎn)通過安裝相應(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 Merkle 樹節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行簡單支付驗(yàn)證（SPV）。
錢包軟件可以分為移動(dòng)錢包、桌面錢包、互聯(lián)網(wǎng)錢包和紙錢包，都支持保存用戶的私鑰，錢包也可以根據(jù)私鑰是否是種子產(chǎn)生的，而分為決定性錢包和非決定性錢包，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?Berkeley DB（文件數(shù)據(jù)庫）作為錢包數(shù)據(jù)庫，使用 LevelDB（鍵值數(shù)據(jù)庫）存儲(chǔ)區(qū)塊的索引和 UTXO（Unspent Transaction Output，未開銷的比特幣交易輸出）。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)對新區(qū)塊中的所有交易進(jìn)行檢測，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)庫和回滾交易數(shù)據(jù)庫，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)中存在另一條更長的區(qū)塊鏈時(shí)，就需要斷開現(xiàn)有的區(qū)塊并對區(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（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)來的新區(qū)塊驗(yàn)證成功，節(jié)點(diǎn)除了更新 UTXO 數(shù)據(jù)庫和回滾交易數(shù)據(jù)庫，節(jié)點(diǎn)會(huì)立即開始下一個(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)先級高的交易記錄。優(yōu)先級的計(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)。
其他相關(guān)
腳本語言
區(qū)塊鏈采用的腳本語言并不是圖靈完備的語言，不支持循環(huán)，只能進(jìn)行堆棧式操作。這種腳本語言的好處是，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，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)。
基于工作量證明機(jī)制的算法，容易導(dǎo)致礦工算力集中的問題。有人將這種“中心化”的責(zé)任歸咎于 SHA256 算法。此時(shí)，基于 SCRYPT 算法的萊特幣（Litecoin）進(jìn)入了人們視線，其占用內(nèi)存多、計(jì)算時(shí)間長、并行計(jì)算困難的特點(diǎn)，限制了礦工的“軍備競賽”。萊特幣的成功催生了更多算法的交叉融合，衍生出串聯(lián)算法（夸克幣）、并聯(lián)算法（HeavyCoin）和多用途算法（在工作量證明的同時(shí)，尋找大素?cái)?shù)的素?cái)?shù)幣，PrimeCoin）。
總結(jié)
區(qū)塊鏈憑著數(shù)據(jù)公開透明、信息安全可靠、來源可證可溯等諸多特性，降低信任構(gòu)建成本，提高網(wǎng)絡(luò)協(xié)作效率，加速價(jià)值的全球流動(dòng)，促進(jìn)下一代信息基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)演進(jìn)。
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