区块链技术原理介绍

01

基础知识介绍

2008年，一个叫中本聪的人在加密技术邮件列表上发表了比特币白皮书《比特币：一种点对点的电子现金系统》。 论文详细描述了如何创建一个去中心化的电子交易系统。 本系统主要通过技术手段解决交易主体之间建立共识机制的问题。 简单的说，就是不通过任何中介机构，实现一笔钱给另一个人的支付。

2014年后，区块链作为比特币背后的技术被发现并受到关注。 那么什么是区块链？ 我们先看看定义：

区块链是一种利用区块链数据结构验证和存储数据、分布式节点共识算法产生和更新数据、密码学保证数据传输和访问安全、自动脚本代码编程的一种新型分布式基础设施。和操纵数据的计算范式。

顾名思义，区块链是由区块和链组成的。 区块负责承载数据（对比特币来说就是交易数据），链条链接区块，这个链接不是简单的链接。 对于每个区块而言，对于一个区块而言，他在链上的前一个区块的哈希值将作为区块内容的组成部分，可以提高整个链的防篡改能力。

为实现无中介的货币兑换，区块链必须具备以下特点：

a) 去中心化，所有节点完全平等，系统数据由节点共同维护；

b) 高度自治先有区块链还是先有比特币，无需中介机构信用背书，所有节点都可以在去信任的环境中自由安全地交换数据；

c) 数据不可篡改，数据永久保存，只能添加不能更新和删除；

d) 匿名，使用加密算法，交易时无需提供真实身份。

根据以上特点，很容易推断出区块链的适用场景：

a) 业务发展需要跨学科协作。 在业务参与者之间相对独立、平等的跨主体业务协同场景下，利用区块链数据共享、不可篡改、分布式、数字化合约的特点，解决了以往一些需要在业务层面协调解决的问题可以在技术层面解决问题，使问题解决过程更加高效、灵活和客观。

b) 参与者之间需要建立低成本的信任。 区块链将密码学哈希和数字签名相结合，将数据变化的历史按照时间顺序以区块链链的形式串联在一起，通过共识协议，参与各方共同拥有数据。

c) 存在长期交易和长周期链，区块链从技术上保证了整个长期交易和长周期链的参与者身份真实、数据可信、多层次实现信用转移，促进业务链条扁平化，提高业务效率。

对于京东而言，区块链适用但不限于以下场景：商品防伪溯源、贸易融资、金融领域等。例如，目前上线的京东至真链防伪溯源平台，可以实现品牌商、渠道商、零售商、消费者、监管部门、第三方检测机构之间的信任共享，全面提升品牌、效率、体验、监管和供应链的整体效益。 将商品原料过程、生产过程、流通过程、销售过程等信息整合写入区块链，实现真品全程可追溯，一物一码。

从本质上讲，区块链可以分为三类：

a) 公有链，完全去中心化的区块链，不受任何机构控制。 世界上任何个人或团体都可以发送交易，交易可以通过区块链进行有效确认。

b) 联盟链，多个预选节点被某个组指定为记账人。 每个区块的产生由所有预选节点共同决定。 其他接入节点可以参与交易，但不询问记账过程。 其他 任何人都可以通过区块链开放的 API 进行有限的查询。

c) 私有链是指具有一定中心化控制的区块链。 仅使用区块链的总账技术进行记账。 它可以是公司或个人，拥有写入区块链的独占权限。

自2008年比特币问世以来，区块链也一同成长。 到目前为止，大致可以分为以下几个阶段：

a) 区块链1.0，中本聪发表比特币论文，以比特币为代表的加密货币开花结果。

b) 区块链2.0，以基于智能合约的以太坊为典型代表，即可编程区块链。

c) 区块链3.0，分布式应用在各个行业的落地，目前还只是概念阶段。

02

技术原理详解

由于比特币是迄今为止基于区块链技术最成功的应用，下面将以比特币为例，简单介绍一下区块链的基本技术原理。

比特币使用 UTXO 模型记录交易，不同于传统的簿记模型（如银行卡）记录每个账户的余额。 比特币不直接记录账户剩余金额，而是通过记录全网所有交易来计算。 每个账户的余额。 UTXO模型定义如下：

（Unspent Transaction Outputs，未使用的交易输出），比特币不记录余额。 每发生一笔交易，交易记录实际上被写入比特币网络账本，经网络确认后交易才算完成。 所以比特币网络实际上是一个公共账本，记录了整个网络上的所有交易。

因此，我们常说的比特币钱包余额，其实就是钱包地址的UTXO集合。

那么什么是比特币钱包地址呢？ 在比特币中，接收地址实际上由非对称加密算法生成的公钥和私钥组成。 通过非对称加密算法生成一对公钥和私钥后，公钥是一个160位（20字节）的字符串，经过一系列的Hash（HASH160，或先SHA256，再RIPEMD160）和编码操作后生成. 作为比特币接收地址。 私钥由用户保管，以证明公钥的合法拥有权。 丢失私钥就相当于丢失了公钥对应地址上的所有比特币。 一个自然人可以拥有无​​限个收款地址，他所拥有的私钥是收款地址资产合法性的唯一证明。 验证过程基于数学原理，与自然人的社会身份无关。 关联，这也是比特币匿名性的原则。

拥有账户后，您就可以开始交易了。 基础知识介绍中提到，比特币交易会以区块的形式存储。 一个区块由多个交易组成。 每笔交易主要包含以下信息：

a) 交易引用的版本，通过版本号字段，可以指定本次交易引用的规则，节点根据相应的规则验证交易的有效性。

b) 一个或多个输入，每个输入包括所引用交易的哈希和索引，以及证明其使用合理性的解锁脚本。

c) 一个或多个输出，每个输出包含输出的数量，以及一个锁定脚本来限制谁可以使用交易输出。

d) 其他信息，记录交易时间戳、区块高度等交易所需的信息。

当一条交易信息根据上述信息组织起来后，将在全网广播。 矿工收到交易信息后，将其记录在区块中。 在记录之前，矿工需要验证以下问题：

a) 交易是否已处理？

b) 交易的输入值之和是否大于输出值之和？

c) 地址是否合法，交易发起方是否为输入地址的合法拥有者，是否为UTXO？

a和b容易验证，c怎么验证？ 这时需要在交易中使用，输入信息中的解锁脚本和输出信息中的锁定脚本。 假设交易是A给B的转账，交易由A发起，A需要提供之前别人转给A的未使用交易（UTXO），并提供解锁脚本证明其使用的合法性交易输出。 输出为B，包括B的收款地址（可以理解为B的公钥），并附带一个锁定脚本，限制交易以后只能由B使用。 上面提到的解锁脚本和锁定脚本实际上是一种类Forth的脚本语言，是一种非图灵完备栈的执行语言。 矿工收到交易后，取出脚本执行，验证交易。 流程大致如下：

如果最终结果为真，则交易合法，矿工将其加入区块。 广播后，其他节点将区块同步到自己的链上，交易完成。

这就是结局？ 当然不是，有人可能会问，矿工不止一个，每个人都在广播区块。 长此以往，那岂不是一团糟，所以还有一个很重要的概念，就是工作量证明。 在块中，有一个随机值。 矿工在全网广播之前，需要做如下计算：哈希（区块+随机数）<目标哈希。 由于哈希计算不可逆，矿工需要反复替换随机数，使等式成立，这个过程常被称为挖矿。 在比特币网络中，一个区块通常在10分钟左右生成，系统会每2016个区块（约两周）自动调整一次难度（即目标哈希），从而使整个网络的区块生成速度控制在10分钟左右。

第一个计算出随机数的矿工将被全网识别，他的区块将被添加到区块链的末尾。 作为奖励，比特币规定每个区块记录的第一笔交易是系统贡献给矿工接收地址的转账，奖励初始值为50，每四年减半，总数为比特币是2100万。 挖矿是一项资源密集型作业。 记账成功后的比特币奖励让矿工有动力投入资源参与记账，也降低了恶意记账的积极性，因为恶意记账的成本其实远大于诚实挖矿。 采矿收入（簿记）。 当挖出所有比特币后，每笔交易的输入从输出中减去，剩下的部分称为交易手续费。 交易手续费将代替奖励，维持系统的正常运行。

与传统软件的升级不同，分布式共识系统的升级非常困难，需要所有系统参与者的协调。 每次升级都可能伴随着区块链共识规则的变化，这将导致全网中升级了软件的节点与未升级软件的节点运行在不同的规则下，从而出现分叉。 比特币中的分叉通常分为硬分叉和软分叉。

a) 硬分叉，如果改变了区块链软件的共识规则，而这种规则的改变是不向前兼容的，老节点不能识别新节点产生的区块，就是硬分叉。 这时候老节点会拒绝新规则的区块，于是新节点和老节点开始在不同的区块链上运行（挖矿、交易、验证等）。 由于新旧节点可能长期存在，这种分叉可能会持续很长时间。

b) 软分叉，如果改变了区块链的共识规则，这种改变是前向兼容的，旧节点可以兼容新节点产生的区块先有区块链还是先有比特币，这就是软分叉。 软分叉一开始通常不会产生两条区块链，因为新规则下产生的区块会被老节点接受，而老节点就是无法识别新规则的真正含义。 因此，新旧节点仍然在同一条区块链上，对整个系统的影响较小。

以上全文从技术角度简单介绍了区块链的基本原理。 想必大家对区块链都有一定的技术了解。 事实上，区块链并不是一项新技术，而是现有技术的延伸。 组合创新借鉴了数字货币、密码学、博弈论、分布式系统、控制论等多个领域的技术成果。 随着关注度的提高，会发现越来越多的使用场景，各行各业都将从中受益。返回搜狐查看更多