区块链技术概述

概述

比特币诞生的几年后，人们开始意识到区块链技术本身的潜力，慢慢走出了自己的发展路线。 通常区块链被定义为一种去中心化的分布式账本技术，最初用来记录信息，使记录具备不可篡改性，因此不需要额外的第三方机构来证明记录的真实性。

随着以太坊的出现，还可以以去中心化的方式运行程序（智能合约），确保程序的运行不被干预、篡改，使区块链成为一个公共的计算平台。

什么是区块链(技术)

狭义上说区块链是一种区块通过 Hash 方式形成的链式结构，因为链的环环相扣，任何一个区块上的修改，破坏链结构，参考这里，使其具备易于验证、不可篡改的特性。

区块是区块链中的数据存储单元

区块由参与网络的节点独立生成，每一个区块中存储了一组交易信息，这些交易信息的哈希数据为作为默克尔树节点存储存储，每个区块同时存储前一个区块的哈希信息，因此区块就通过哈希信息链接起来，形成区块链。

广义来讲区块链定义为一个共享的、不可篡改的账本，可用于记录网络中的交易和跟踪“资产”流转。 这里“资产”可以是任何有价的东西， 可以是货币、股票、土地、知识产权、品牌等，当他们在区块链网络上、公开透明的流转和交易是，可降低各方面的风险和成本。

在经济活动中，往往是依靠信息进行决策，信息的真实性、信息的传递速度和多业务决策至关重要，区块链是用于传递这些信息的理想之选，因为它可提供即时、共享和完全透明的信息，这些信息存储在不可篡改的账本上。

区块链包含 3 个关键元素：

1. 分布式账本技术

所有网络参与者都有权访问分布式账本及其不可篡改的交易记录。

2. 不可篡改的记录

在交易被记录到共享账本之后，任何参与者都不可以更改或篡改交易。

3. 智能合约

智能合约

2013 年，Vitalik 提出了以太坊，创造性引入智能合约，智能合约是区块链上可执行的代码，用户可以根据自己的业务需要上传自己的代码到以太坊上，由以太坊的节点来进行执行。极大的丰富了区块链的执行程序能力。

智能合约 名称由来

智能合约是链上的程序，为什么叫智能合约呢？“合约”是取材自现实中的合约，是想强调链上的程序可以按协议规则执行，就像法律条款一样。“智能” 主要是强调不受干预的可自动执行。

在以太坊提出之前，比特币这样的加密货币的交易脚本可实现的功能非常有限，以太坊对此进行了改进，它让交易发生的同时可以执行一段代码。让交易本身具备了逻辑执行能力（并且是图灵完备的），让我们可以在链上完成任意复杂的运算。比如有的交易要分期付款，或者多方参与的借贷。像保险合同的执行也是有事前约定的条件，这些合约条件的执行使用智能合约可以轻松实现。 当区块链中可以存储代码和执行代码，给我们带来了无限想象空间。

区块链共识机制

由于区块链是一个分布式网络，网络中的节点都是独立运行，因此需要有一个公共规则来知道节点的运行，即共识机制。常见的共识机制有：

工作量证明（POW）、权益证明（POS）、权威证明（POA）

工作量证明（POW）

POW：Proof-of-Work， POW 要求节点进行大量的计算（查找满足一定条件的解）来证明其贡献，首先解决计算问题的节点获得报酬，这个过程也称为“挖矿”。

当前使用 POW 的区块链有： 比特币、比特现金（BCH） 、莱特币（Litecoin）、门罗币（Monero）、字节元 Nervos 、以太经典（ETC）

这是一个工作示意图：

工作量证明优点

工作量证明是被认为是最安全可靠的共识机制，在确保网络的安全性和可持续性得到了比特币网络长期的实践考验。

此外，POW机制也不需要参与节点对其它参与者的信任，而是依赖于节点本身的计算能力，参与网络的无需许可性，从而可以更好地确保网络安全和可靠性。

工作量证明缺点

缺点主要在于它消耗大量计算能力和电能，从而带来了较高的物理成本，在比特币网络实际挖矿中，往往数千台设备组成矿池同时挖矿，不同的矿池相互竞争，根据报告比特币的能源消耗已经达每小时14.79TWh，相当于全球总电量的0.5％，相当于每年全球汽车的消耗量。

另外，由于算力争夺过于激烈，一些矿工会抱团，形成超过 50% 算力的情况，那么就可以对链发起 51% 攻击。

51% 算力攻击

工作量证明中，矿工解数学难题比拼的是算力，谁有更大的算力（运算的更快），就有更大的几率挖出区块，当一个节点的算力占全网算力的51%以上时，将获得记账权的绝对优势，可以更快地生成区块，某种程度上拥有了修改区块链数据的权利，从而对链发起攻击，最典型是双花攻击。

双花攻击通常是这样的：

攻击者在实施攻击前，会进行隐身挖矿（如下图橙色链），出块不进行广播，由于攻击者拥有更多能力，他在橙色链上挖矿的速度更快。 攻击者矿工在橙色链上修改他自己的交易，当橙色链比主链更长了，攻击者矿工便会立即向全网广播这条橙色链，而其他的矿工发现了这条橙色链后，按照协议，他们必须丢掉原本的主链，替换成这条橙色链，就完成了一次双花攻击。

当然，要实现对比特币双花攻击是非常困难的，攻击者除了花费巨额资金在挖矿硬件上，还需要大量的电力进行支撑，随着比特币网络算力越来越大，这种攻击可能性也就越来越小。

在以太坊切换到 POS 共识之前，以太经典就多次出现过 51%算力攻击，因为以太经典算力较小，当某恶意矿工把以太坊算力切换到以太经典时，很容易出现算力占比超过 51%，从而发起攻击。

权益证明（POS）

POS： Proof of Stake， 节点争夺记账权依靠的不是算力而是权益（占比），权益通常是通过质押数字货币计算而来。PoS同样需要计算哈希值，当拥有的权益越多，满足Hash目标的机会越大，获得记账权的机会越大。同时质押的货币也作为抵押品防止作恶，如果节点有恶意行为，其抵押品可以被罚没（Slashing）。

在 POS 共识中，节点被称为验证者。

在实践中，各个不同的区块链有自己不同的实现方式，如引入持币时间来计算权益、引入委托质押（DPOS ）用更少的共识成本换取更大的吞吐量 (TPS)、或使用投票方式，如BTF 类算法多区块投票。

当前使用 POS 的区块链有： 以太坊 (ETH)、波卡（DOT）、Cosmos (ATOM)、Tezos (XTZ) 等。

以太坊是工作量证明切换到权益证明

POS 优点：

相比 POW ，不需要消耗大量能量，

POS 出块时间稳定，有根号的“快速最终性”， 通常吞吐量（TPS每秒链上交易 ) 表现都更加优异。

随着 POS 的成熟、越来越多新区块链使用 POS 共识。

POS 缺点：

不够成熟，仍旧在不断的发展之中， 例如，POS 共识出现过公地悲剧、长距离攻击（Long range attack）和无利益攻击（Nothing-at-stake attack）等问题，这些问题的解决仍不够简洁，也没有得到足够长时间的检验。

另外，参与POS共识需要质押货币，这笔交易需要当前的验证者确认，这相当于是需要获得网络认可，当网络被恶意大的验证者控制时（其拥有超51% 的权益）， 它可以对某些交易进行审查，阻碍新参与者进入，从而对网络产生永久性的损害。

以下是POS参与共识的示意图：

权威证明（POA）

POA： Proof-of-authority，是基于声誉（reputation）的共识算法，思路是选出中央权威来统一状态。 所有的交易，节点间不用相互同步，而是统一发送到权威节点（可能多个），由它来验证交易。在验证并签署交易之后，普通节点都从权威节点同步数据。主要用于联盟内共识。

POA 优缺点非常明显，POA 性能非常好，缺点是过于中心化，对权威节点的攻击，将造成网络瘫痪。

各种共识机制没有绝的好与坏，更多的是 “不可能三角” 的权衡。

区块链不可能三角

不可能三角是去中心化（Decentralization）、可扩展性（Scalability）、安全性（Security），三者不可兼得，三者只能得其二。去中心化：指的是节点的去中心化程度，节点越多越分散越去中心化
可扩展性：指的是区块链的处理交易性能，每秒可处理交易越多越具备可扩展性
安全性：指的是整个区块链网络的安全，攻击成本越高越安全

这里选择了 3 类主要共识机制介绍，还有一些其他的共识机制，如 Solona 链使用历史证明 POH （Proof of History）与 POS 的结合，Filecoin 的存储证明（复制证明 + 时空证明）等，很多团队仍在共识机制上研究探索、希望有所突破。

区块链分叉

区块链和传统系统一样，随着时间的推移，系统可能更需要升级加入新功能，或是升级解决出现的漏洞。在区块链上，升级通常会表现为链的分叉。

因为区块链是分布式系统，每次升级，需要所有的节点客户端软件共同升级，有时一些节点因为利益或理念的不一致，拒绝升级到新的客户端，此时网络中将出现两个版本的客户端，运行新软件的节点就会用新的协议去构建新的区块，原有的客户端节点会继续用旧的协议来继续构建区块，各节点不认可对方的区块，此时就是会分叉出两条完全不同的链，这就是区块链的分叉，这种情况是硬分叉。

硬分叉是共识的分裂或者改变，比特币历史上发生过一次轰动的分叉，比特大陆为首矿工集团与BTC Core为首的核心开发者团队就比特币扩容问题发生了意见分歧，比特大陆提意使用更大的区块，而开发者团队则反对，最终比特币在高度478559时，硬分叉为比特币（BTC）和比特币现金（BCH）两条链，之后 BCH 又分叉出了 BSV 等多个链。

以太坊社区也因一起黑客事件，生过一次轰动的分叉，北京时间2016年6月17日，以太坊THE DAO被黑客进行攻击，损失了数千万美元的ETH，由于损失巨大，一部分人希望修改源码，强行“夺回”黑客控制的币。另一部分人则认为代码及法律，不认同这个修改，也分裂出两条链，后者即是以太经典（ETC）。

最近以太坊升级到 POS 共识 ，也有一些矿工不认同此次升级，分叉出了 EthereumPoW（ETHW）。

在发生硬分叉时，也会伴随一些安全风险，如一个链上的交易可能被在另一个链重放，另外分裂的共识双方对“正统”名号的争夺，会导致币价剧烈波动，另外链上运行的应用会同时运行在两个链上，可能在某一条链上完成归零。依赖某些外部条件（如预言机喂价）的相关合约可能完全失效。

不过，总体上我们应该平常性看待硬分叉，它是区块链进化的方式，所有人有自己选择的自由，硬分叉短时间内是共识的分裂，不过历史经验是，随着时间的推移，共识又由重新凝聚，并且比以往更强大。

还有一类被称为软分叉，软分叉向后兼容，没有更新的节点仍然会仍可新版本生成的区块，当升级后的区块链将无法识别尚未更新的节点的区块。

在区块链没有升级时，也偶尔会发生瞬时分叉（短距离的分叉），通常在 POW 链中，两个节点同时竞争到出块权，此时形成一个短暂的分叉，直到某个分叉产生下一个区块，根据最长链原则，分叉自动消失。连续多个区块上有多个节点同时竞争到出块权的概率几乎为 0，因此这类分叉的距离非常短，只有1 2个区块，这也是为什么的链上的交易，等待数个区块后，就当作具有确定性了。

进一步学习

通过前面章节的介绍，你应该对区块链技术一定的了解，你可以进一步学习材料：

1. 阅读比特币白皮书：原版-英文 及中文版
2. 北京大学肖臻老师的公开课《区块链技术与应用》 介绍了比特币、以太坊等区块链技术的设计思路
3. 你可以尝试直接是实现一个简单的区块链，Tiny熊老师的课程Python实现极简区块链，过代码实现如何打包交易、计算 Hash及节点将通信等。实践之后，更明白区块链的运行原理。