區塊鏈的技術定義

　　簡單來說，區塊鏈是一個提供了拜占庭容錯、并保證了最終一致性的分布式數據庫；從數據結構上看，它是基于時間序列的鏈式數據塊結構；從節點拓撲上看，它所有的節點互為冗余備份；從操作上看，它提供了基于密碼學的公私鑰管理體系來管理賬戶。

　　或許以上概念過于抽象，我來舉個例子，你就好理解了。

　　你可以想象有 100 臺計算機分布在世界各地，這 100 臺機器之間的網絡是廣域網，并且，這 100 臺機器的擁有者互相不信任。

　　那么，我們采用什么樣的算法（共識機制）才能夠為它提供一個可信任的環境，并且使得：

　　節點之間的數據交換過程不可篡改，并且已生成的歷史記錄不可被篡改；

　　每個節點的數據會同步到最新數據，并且會驗證最新數據的有效性；

　　基于少數服從多數的原則，整體節點維護的數據可以客觀反映交換歷史。

　　區塊鏈就是為了解決上述問題而產生的技術方案。

　　我們結合以往講過的內容，和即將要講的內容，先提煉一下區塊鏈在技術上的 7 個特征，你先記住，我們后續會慢慢道來：

　　區塊鏈的存儲基于分布式數據庫；

　　數據庫是區塊鏈的數據載體，區塊鏈是交易的業務邏輯載體；

　　區塊鏈按時間序列化區塊數據，整個網絡有一個最終確定狀態；

　　區塊鏈只對添加有效，對其他操作無效；

　　交易基于非對稱加密的公私鑰驗證；

　　區塊鏈網絡要求拜占庭將軍容錯；

　　共識算法能夠“解決”雙花問題。

　　區塊鏈的核心技術組成

　　無論是公鏈還是聯盟鏈，至少需要四個模塊組成：P2P 網絡協議、分布式一致性算法（共識機制）、加密簽名算法、賬戶與存儲模型。

　　1. P2P 網絡協議

　　P2P 網絡協議是所有區塊鏈的最底層模塊，負責交易數據的網絡傳輸和廣播、節點發現和維護。

　　通常我們所用的都是比特幣 P2P 網絡協議模塊，它遵循一定的交互原則。比如：初次連接到其他節點會被要求按照握手協議來確認狀態，在握手之后開始請求 Peer 節點的地址數據以及區塊數據。

　　這套 P2P 交互協議也具有自己的指令集合，指令體現在在消息頭（Message Header) 的 命令（command）域中，這些命令為上層提供了節點發現、節點獲取、區塊頭獲取、區塊獲取等功能，這些功能都是非常底層、非?；A的功能。如果你想要深入了解，可以參考比特幣開發者指南中的 Peer Discovery 的章節。

　　2. 分布式一致性算法

　　在經典分布式計算領域，我們有 Raft 和 Paxos 算法家族代表的非拜占庭容錯算法，以及具有拜占庭容錯特性的 PBFT 共識算法。

　　如果從技術演化的角度來看，我們可以得出一個圖，其中，區塊鏈技術把原來的分布式算法進行了經濟學上的拓展。

　?。▓D來自網絡）

　　在圖中我們可以看到，計算機應用在最開始多為單點應用，高可用方便采用的是冷災備，后來發展到異地多活，這些異地多活可能采用的是負載均衡和路由技術，隨著分布式系統技術的發展，我們過渡到了 Paxos 和 Raft 為主的分布式系統。

　　而在區塊鏈領域，多采用 PoW 工作量證明算法、PoS 權益證明算法，以及 DPoS 代理權益證明算法，以上三種是業界主流的共識算法，這些算法與經典分布式一致性算法不同的是，它們融入了經濟學博弈的概念，下面我分別簡單介紹這三種共識算法。

　　PoW： 通常是指在給定的約束下，求解一個特定難度的數學問題，誰解的速度快，誰就能獲得記賬權（出塊）權利。這個求解過程往往會轉換成計算問題，所以在比拼速度的情況下，也就變成了誰的計算方法更優，以及誰的設備性能更好。

　　PoS： 這是一種股權證明機制，它的基本概念是你產生區塊的難度應該與你在網絡里所占的股權（所有權占比）成比例，它實現的核心思路是：使用你所鎖定代幣的幣齡（CoinAge）以及一個小的工作量證明，去計算一個目標值，當滿足目標值時，你將可能獲取記賬權。

　　DPoS： 簡單來理解就是將 PoS 共識算法中的記賬者轉換為指定節點數組成的小圈子，而不是所有人都可以參與記賬。這個圈子可能是 21 個節點，也有可能是 101 個節點，這一點取決于設計，只有這個圈子中的節點才能獲得記賬權。這將會極大地提高系統的吞吐量，因為更少的節點也就意味著網絡和節點的可控。

　　3. 加密簽名算法

　　由于我不是密碼學專業出身，所以這個部分我會以介紹為主。

　　在區塊鏈領域，應用得最多的是哈希算法。哈希算法具有抗碰撞性、原像不可逆、難題友好性等特征。

　　其中，難題友好性正是眾多 PoW 幣種賴以存在的基礎，在比特幣中，SHA256 算法被用作工作量證明的計算方法，也就是我們所說的挖礦算法。

　　而在萊特幣身上，我們也會看到 Scrypt 算法，該算法與 SHA256 不同的是，需要大內存支持。而在其他一些幣種身上，我們也能看到基于 SHA3 算法的挖礦算法。以太坊使用了 Dagger-Hashimoto 算法的改良版本，并命名為 Ethash，這是一個 IO 難解性的算法。

　　當然，除了挖礦算法，我們還會使用到 RIPEMD160 算法，主要用于生成地址，眾多的比特幣衍生代碼中，絕大部分都采用了比特幣的地址設計。

　　除了地址，我們還會使用到最核心的，也是區塊鏈 Token 系統的基石：公私鑰密碼算法。

　　在比特幣大類的代碼中，基本上使用的都是 ECDSA。ECDSA 是 ECC 與 DSA 的結合，整個簽名過程與 DSA 類似，所不一樣的是簽名中采取的算法為 ECC（橢圓曲線函數）。

　　從技術上看，我們先從生成私鑰開始，其次從私鑰生成公鑰，最后從公鑰生成地址，以上每一步都是不可逆過程，也就是說無法從地址推導出公鑰，從公鑰推導到私鑰。

　　圖來自《精通比特幣》一書

　　4. 賬戶與交易模型

　　從一開始的定義我們知道，僅從技術角度可以認為區塊鏈是一種分布式數據庫，那么，多數區塊鏈到底使用了什么類型的數據庫呢？

　　我在設計元界區塊鏈時，參考了多種數據庫，有 NoSQL 的 BerkelyDB、LevelDB，也有一些幣種采用基于 SQL 的 SQLite。這些作為底層的存儲設施，多以輕量級嵌入式數據庫為主，由于并不涉及區塊鏈的賬本特性，這些存儲技術與其他場合下的使用并沒有什么不同。

　　區塊鏈的賬本特性，通常分為 UTXO 結構以及基于 Accout-Balance 結構的賬本結構，我們也稱為賬本模型。UTXO 是“unspent transaction input/output”的縮寫，翻譯過來就是指“未花費的交易輸入輸出”。

　　這個區塊鏈中 Token 轉移的一種記賬模式，每次轉移均以輸入輸出的形式出現；而在 Balance 結構中，是沒有這個模式的。