一、區(qū)塊鏈?zhǔn)鞘裁?/strong>
區(qū)塊鏈?zhǔn)鞘裁?？區(qū)塊鏈(Blockchain)是由節(jié)點(diǎn)參與的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[1]，它的特點(diǎn)是不可更改，不可偽造，也可以將其理解為賬簿系統(tǒng)(ledger)。它是比特幣的一個(gè)重要概念，完整比特幣區(qū)塊鏈的副本，記錄了其代幣(token)的每一筆交易。通過這些信息，我們可以找到每一個(gè)地址，在歷史上任何一點(diǎn)所擁有的價(jià)值。
區(qū)塊鏈?zhǔn)怯梢淮褂妹艽a學(xué)方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊組成的，每一個(gè)區(qū)塊都包含了上一個(gè)區(qū)塊的哈希值(hash)，從創(chuàng)始區(qū)塊(genesisblock)開始連接到當(dāng)前區(qū)塊，形成塊鏈。每一個(gè)區(qū)塊都確保按照時(shí)間順序在上一個(gè)區(qū)塊之后產(chǎn)生，否則前一個(gè)區(qū)塊的哈希值是未知的。這些特征使得比特幣的雙花(double-spending)非常困難。區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛诺暮诵膭?chuàng)新。
區(qū)塊鏈概念的出現(xiàn)，首先是在中本聰?shù)谋忍貛虐灼鳾2]中提到的，但是以工作量證明鏈(proof-of-workchain)的形式而存在，以下是中本聰對區(qū)塊鏈概念的描述：
時(shí)間戳服務(wù)器通過對以區(qū)塊(block)形式存在的一組數(shù)據(jù)，實(shí)施隨機(jī)散列而加上時(shí)間戳，并將該隨機(jī)散列進(jìn)行廣播，就像在新聞或世界性新聞組網(wǎng)絡(luò)(Usenet)的發(fā)帖一樣。顯然，該時(shí)間戳能夠證實(shí)特定數(shù)據(jù)必然于某特定時(shí)間是的確存在的，因?yàn)橹挥性谠摃r(shí)刻存在了才能獲取相應(yīng)的隨機(jī)散列值。每個(gè)時(shí)間戳應(yīng)當(dāng)將前一個(gè)時(shí)間戳納入其隨機(jī)散列值中，每一個(gè)隨后的時(shí)間戳都對之前的一個(gè)時(shí)間戳進(jìn)行增強(qiáng)(reinforcing)，這樣就形成了一條鏈(Chain)。
節(jié)點(diǎn)始終都將最長的鏈視為正確鏈，并持續(xù)工作和延長它。如果有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)廣播不同版本的新區(qū)塊，那么其他節(jié)點(diǎn)在接收到該區(qū)塊的時(shí)間上，將存在先后差別。當(dāng)此情形，他們將在率先收到的區(qū)塊基礎(chǔ)上進(jìn)行工作，但也會保留另外一條鏈，以防后者變成最長鏈。該僵局(tie)的打破，要等到下一個(gè)工作量證明被發(fā)現(xiàn)，而其中的一條鏈被證實(shí)為是較長的一條，那么在另一條分支鏈上工作的節(jié)點(diǎn)將轉(zhuǎn)換陣營，開始在較長的鏈上工作。
比特幣錢包的功能依賴于與區(qū)塊鏈的確認(rèn)，一次有效檢驗(yàn)稱為一次確認(rèn)。通常一次交易要獲得數(shù)個(gè)確認(rèn)才能進(jìn)行。輕量級(SPV)[3]比特幣錢包,其客戶端在本地只需保存與用戶可支配交易相關(guān)的數(shù)據(jù)，而不會存儲完整的區(qū)塊鏈。
區(qū)塊鏈技術(shù)是眾多加密數(shù)字貨幣的核心，包括比特幣、以太坊、萊特幣、狗狗幣等。維護(hù)區(qū)塊鏈的方式，有工作量證明(proof-of-work)、權(quán)益證明(proof-of-stake)等。
二、區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)的核心優(yōu)勢包括：
任何節(jié)點(diǎn)都可以創(chuàng)建交易，在經(jīng)過一段時(shí)間的確認(rèn)之后，就可以合理地確認(rèn)該交易是否為有效，區(qū)塊鏈可有效地防止雙花問題的發(fā)生。
對于試圖重寫或者修改交易記錄而言，它的成本是非常高的。
區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)了兩種記錄：交易(transactions)以及區(qū)塊(blocks)。交易是被存儲在區(qū)塊鏈上的實(shí)際數(shù)據(jù)，而區(qū)塊則是記錄確認(rèn)某些交易是在何時(shí)，以及以何種順序成為區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫的一部分。交易是由參與者在正常過程中使用系統(tǒng)所創(chuàng)建的(在加密數(shù)字貨幣的例子中，一筆交易是由bob將代幣發(fā)送給alice所創(chuàng)建的)，而區(qū)塊則是由我們稱之為礦工(miners)的單位負(fù)責(zé)創(chuàng)建。
三、區(qū)塊鏈工作原理
3.1什么是區(qū)塊?
數(shù)據(jù)通過稱之為區(qū)塊(block)的文件，永久記錄在數(shù)字貨幣網(wǎng)絡(luò)上。它們好比是一個(gè)股票交易賬本。新的區(qū)塊會被添加到記錄(區(qū)塊鏈)的末端，而且一旦書寫就很難修改或移除。
3.2.區(qū)塊結(jié)構(gòu)
大小字段描述
4字節(jié)區(qū)塊大小用字節(jié)表示的該字段之后的區(qū)塊大小
80字節(jié)區(qū)塊頭組成區(qū)塊頭的幾個(gè)字段
1-9(可變整數(shù))交易計(jì)數(shù)器交易的數(shù)量
可變的交易記錄在區(qū)塊里的交易信息
3.3區(qū)塊頭
區(qū)塊頭由三組區(qū)塊元數(shù)據(jù)組成。首先是一組引用父區(qū)塊哈希值的數(shù)據(jù)，這組元數(shù)據(jù)用于將該區(qū)塊與區(qū)塊鏈中前一區(qū)塊相連接。第二組元數(shù)據(jù)，即難度、時(shí)間戳和nonce，與挖礦競爭相關(guān)。第三組元數(shù)據(jù)是merkle樹根[4](一種用來有效地總結(jié)區(qū)塊中所有交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。
3.4區(qū)塊頭結(jié)構(gòu)
大小字段描述
4字節(jié)版本版本號，用于跟蹤軟件/協(xié)議的更新
32字節(jié)父區(qū)塊哈希值引用區(qū)塊鏈中父區(qū)塊的哈希值
32字節(jié)Merkle根該區(qū)塊中交易的merkle樹根的哈希值
4字節(jié)時(shí)間戳該區(qū)塊產(chǎn)生的近似時(shí)間(精確到秒的Unix時(shí)間戳)
4字節(jié)難度目標(biāo)該區(qū)塊工作量證明算法的難度目標(biāo)
4字節(jié)Nonce用于工作量證明算法的計(jì)數(shù)器
3.4創(chuàng)始區(qū)塊
比特幣區(qū)塊鏈的第一個(gè)區(qū)塊，創(chuàng)建于2009年，我們稱之為創(chuàng)世區(qū)塊。它是比特幣區(qū)塊鏈里所有區(qū)塊的共同祖先，這意味著你從任一區(qū)塊，循鏈向后回溯，最終都將到達(dá)創(chuàng)世區(qū)塊。
每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都“知道”創(chuàng)世區(qū)塊的哈希值、結(jié)構(gòu)、被創(chuàng)建的時(shí)間和里面的一個(gè)交易。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都把該區(qū)塊作為區(qū)塊鏈的首區(qū)塊，從而構(gòu)建了一個(gè)安全的、可信的區(qū)塊鏈的根。
在chainparams.cpp里可以看到創(chuàng)世區(qū)塊被編入到比特幣核心客戶端里。
創(chuàng)世區(qū)塊的哈希值為：
000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f
你可以在任何區(qū)塊瀏覽網(wǎng)站搜索這個(gè)區(qū)塊哈希值，如區(qū)塊元(blockmeta)，你會發(fā)現(xiàn)一個(gè)用包含這個(gè)哈希值的鏈接來描述這一區(qū)塊內(nèi)容的頁面：
http://blockmeta.com/block/000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f
在命令行使用比特幣核心客戶端：
$bitcoindgetblock000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f{"hash":"000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f","confirmations":308321,"size":285,"height":0,"version":1,"merkleroot":"4a5e1e4baab89f3a32518a88c31bc87f618f76673e2cc77ab2127b7afdeda33b","tx":["4a5e1e4baab89f3a32518a88c31bc87f618f76673e2cc77ab2127b7afdeda33b"],"time":1231006505,"nonce":2083236893,"bits":"1d00ffff","difficulty":1.00000000,"nextblockhash":"00000000839a8e6886ab5951d76f411475428afc90947ee320161bbf18eb6048"}
創(chuàng)世區(qū)塊包含一個(gè)隱藏的信息。在其Coinbase交易的輸入中包含這樣一句話“TheTimes03/Jan/2009Chancelloronbrinkofsecondbailoutforbanks.”這句話是泰晤士報(bào)當(dāng)天的頭版文章標(biāo)題，引用這句話，既是對該區(qū)塊產(chǎn)生時(shí)間的說明，也可視為半開玩笑地提醒人們,一個(gè)獨(dú)立的貨幣制度的重要性，同時(shí)告訴人們隨著比特幣的發(fā)展，一場前所未有的世界性貨幣革命將要發(fā)生。該消息是由比特幣的創(chuàng)立者中本聰嵌入創(chuàng)世區(qū)塊中。
四、區(qū)塊鏈分叉
誠實(shí)礦工只創(chuàng)建最長有效鏈上的最新區(qū)塊。“長度”(Length)指區(qū)塊鏈的累計(jì)計(jì)算難度，而不是是區(qū)塊數(shù)目。當(dāng)包括在鏈中的所有區(qū)塊以及交易都有效，且是從創(chuàng)世區(qū)塊開始的鏈，才是被我們承認(rèn)的有效區(qū)塊鏈。
對于區(qū)塊鏈中的任意一個(gè)區(qū)塊，到達(dá)創(chuàng)世塊的路徑只有一條。然而，從創(chuàng)世塊開始，會有分叉的情況出現(xiàn)。當(dāng)創(chuàng)建兩個(gè)區(qū)塊的時(shí)間差只有幾秒時(shí)，經(jīng)常會創(chuàng)建出一個(gè)分叉[5]區(qū)塊。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，節(jié)點(diǎn)就會在他們最先接收到的那個(gè)區(qū)塊上創(chuàng)建區(qū)塊。無論哪一個(gè)區(qū)塊包含在下一個(gè)區(qū)塊中，它都會成為主鏈的一部分，因?yàn)檫@條鏈更長。
短鏈(無效鏈)中的區(qū)塊沒有什么作用。當(dāng)比特幣客戶端切換至另外一條更長的區(qū)塊鏈時(shí)，短鏈中的所有有效交易區(qū)塊都重新添加到序列交易池中，且會包含在下一個(gè)區(qū)塊中。短鏈中的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)不會呈現(xiàn)在最長的區(qū)塊鏈中，因此實(shí)際上他們是有損失的，這就是為什么需要網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)制的100個(gè)區(qū)塊的成熟時(shí)間來讓產(chǎn)生存在。
在短鏈中的區(qū)塊，我們通常稱之為“孤兒塊”(orphans)。這是因?yàn)?，在長鏈中這個(gè)生成交易并沒有父系區(qū)塊，因?yàn)檫@些生成交易在交易PRC列表中顯示為孤兒。一些礦池誤解這些信息，聲稱他們的區(qū)塊是”孤兒“。事實(shí)上，這些區(qū)塊都有父系區(qū)塊，而且甚至可能有子系。
五、區(qū)塊鏈衍生概念
5.1公鏈(publicblockchain)
公鏈，是指全世界任何人都可讀取、發(fā)送交易且能獲得有效確認(rèn)的共識區(qū)塊鏈。公鏈的安全由工作量證明機(jī)制(pow)或權(quán)益證明機(jī)制(pos)等方式負(fù)責(zé)維護(hù)。它們是以經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)勵(lì)與加密數(shù)字驗(yàn)證相結(jié)合的方式而存在的，并遵循著一般原則：每個(gè)人從中可獲得的經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)勵(lì)，與對共識過程作出的貢獻(xiàn)成正比。這些區(qū)塊鏈通常被認(rèn)為是“完全去中心化”的。
5.2共同體區(qū)塊鏈：(Consortiumblockchains)
共同體區(qū)塊鏈，是指其共識過程受到預(yù)選節(jié)點(diǎn)控制的區(qū)塊鏈;例如，有15個(gè)金融機(jī)構(gòu)組成一個(gè)共同體，每個(gè)機(jī)構(gòu)都運(yùn)行著一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而且為了使每個(gè)區(qū)塊生效需要獲得其中10個(gè)機(jī)構(gòu)的確認(rèn)。區(qū)塊鏈或許允許每個(gè)人都可讀取，或者只受限于參與者，或走混合型的路線，例如區(qū)塊的根哈希及其API(應(yīng)用程序接口)對外公開，API可允許外界用來作有限次數(shù)的查詢和獲取區(qū)塊鏈狀態(tài)的信息。這些區(qū)塊鏈可視為“部分去中心化”。
5.3私鏈(privateblockchain)，又稱無代幣區(qū)塊鏈(Token-lessblockchain)
完全私有的區(qū)塊鏈,是指其寫入權(quán)限僅在一個(gè)組織手里的區(qū)塊鏈。讀取權(quán)限或者對外開放，或者被任意程度地進(jìn)行了限制。相關(guān)的應(yīng)用囊括數(shù)據(jù)庫管理、審計(jì)、甚至一個(gè)公司，但在很多的情形下，公共的可讀性并非是必須的。
關(guān)于沒有原生代幣的系統(tǒng)，是否能被稱為區(qū)塊鏈，仍然有著很大的爭議。一些人認(rèn)為，沒有代幣的區(qū)塊鏈，可以一種分布式多版本并發(fā)控制(MVCC)數(shù)據(jù)庫[6]的形式而存在。多版本并發(fā)控制，可防止兩筆交易在數(shù)據(jù)庫中修改一個(gè)單一列，而區(qū)塊鏈，則是阻止兩筆交易在區(qū)塊鏈中的單個(gè)輸出(output)。
六、公鏈和私鏈的特點(diǎn)
共同體區(qū)塊鏈結(jié)合了公鏈的“低信任”和私鏈的“單一高度信任”,提供了一種混合的模式，而私鏈可以更精確地描述為帶有一定程度數(shù)字加密功能，可管理(permissioned)的傳統(tǒng)中心化系統(tǒng)。
公鏈特點(diǎn)：
中立、開放、去中心化;
不可更改，不可撤銷;
擁有網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。
抗審查性高;
私鏈特點(diǎn)：
規(guī)則易于修改(交易，余額等);
交易成本低(交易只需幾個(gè)受信節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證即可);
讀取權(quán)限受限;
七、區(qū)塊鏈發(fā)展及應(yīng)用
區(qū)塊鏈技術(shù)作為數(shù)字貨幣的底層技術(shù)，已引起了金融世界的高度重視，包括高盛、摩根大通、匯豐銀行、花旗銀行、紐約梅隆銀行、巴克萊銀行、瑞銀(UBS)、蘇格蘭皇家銀行、摩根士丹利在內(nèi)的眾多金融機(jī)構(gòu)，均與區(qū)塊鏈公司進(jìn)行了合作，研究區(qū)塊鏈技術(shù)在金融市場的應(yīng)用。世界經(jīng)濟(jì)論壇更是大膽預(yù)測，到2027年世界GDP的10%將被存儲在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上。
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