一 、什么是区块链?

    区块链(Blockchain)是由节点参与的分布式数据库系统[1],它的特点是不可更改,不可伪造,也可以将其理解为账簿系统(ledger)。它是比特币的一个重要概念,完整比特币区块链的副本,记录了其代币(token)的每一笔交易。通过这些信息,我们可以找到每一个地址,在历史上任何一点所拥有的价值。

    区块链是由一串使用密码学方法产生的数据块组成的,每一个区块都包含了上一个区块的哈希值(hash),从创始区块(genesis block)开始连接到当前区块,形成块链。每一个区块都确保按照时间顺序在上一个区块之后产生,否则前一个区块的哈希值是未知的。这些特征使得比特币的双花(double-spending)非常困难。区块链是比特币的核心创新。

    区块链概念的出现,首先是在中本聪的比特币白皮书[2]中提到的,但是以工作量证明链(proof-of-work chain)的形式而存在,以下是中本聪对区块链概念的描述:

    时间戳服务器通过对以区块(block)形式存在的一组数据,实施随机散列而加上时间戳,并将该随机散列进行广播,就像在新闻或世界性新闻组网络(Usenet)的发帖一样 。显然,该时间戳能够证实特定数据必然于某特定时间是的确存在的,因为只有在该时刻存在了才能获取相应的随机散列值。每个时间戳应当将前一个时间戳纳入其随机散列值中,每一个随后的时间戳都对之前的一个时间戳进行增强(reinforcing),这样就形成了一条链(Chain)。

    节点始终都将最长的链视为正确链,并持续工作和延长它。如果有两个节点同时广播不同版本的新区块,那么其他节点在接收到该区块的时间上,将存在先后差别。当此情形,他们将在率先收到的区块基础上进行工作,但也会保留另外一条链,以防后者变成最长链。该僵局(tie)的打破,要等到下一个工作量证明被发现,而其中的一条链被证实为是较长的一条,那么在另一条分支链上工作的节点将转换阵营,开始在较长的链上工作。

    比特币钱包的功能依赖于与区块链的确认,一次有效检验称为一次确认。通常一次交易要获得数个确认才能进行。轻量级(SPV )[3]比特币钱包, 其客户端在本地只需保存与用户可支配交易相关的数据,而不会存储完整的区块链。

    区块链技术是众多加密数字货币的核心,包括比特币以太坊莱特币狗狗币等。维护区块链的方式,有工作量证明(proof-of-work)、权益证明(proof-of-stake)等。

    二、区块链系统核心优势

    区块链体系结构的核心优势包括:

    1. 任何节点都可以创建交易,在经过一段时间的确认之后,就可以合理地确认该交易是否为有效,区块链可有效地防止双花问题的发生。
    2. 对于试图重写或者修改交易记录而言,它的成本是非常高的。
    3. 区块链实现了两种记录:交易(transactions)以及区块(blocks)。交易是被存储在区块链上的实际数据,而区块则是记录确认某些交易是在何时,以及以何种顺序成为区块链数据库的一部分。交易是由参与者在正常过程中使用系统所创建的(在加密数字货币的例子中,一笔交易是由bob将代币发送给alice所创建的),而区块则是由我们称之为矿工(miners)的单位负责创建。

    三、区块链工作原理

    3.1 什么是区块?

    数据通过称之为区块(block)的文件,永久记录在数字货币网络上。它们好比是一个股票交易账本。新的区块会被添加到记录(区块链)的末端,而且一旦书写就很难修改或移除。

    Blockchain

    3.2 .区块结构

    大小 字段 描述
    4字节 区块大小 用字节表示的该字段之后的区块大小
    80字节 区块头 组成区块头的几个字段
    1-9 (可变整数) 交易计数器 交易的数量
    可变的 交易 记录在区块里的交易信息

     3.3  区块头

    区块头由三组区块元数据组成。首先是一组引用父区块哈希值的数据,这组元数据用于将该区块与区块链中前一区块相连接。第二组元数据,即难度、时间戳和nonce,与挖矿竞争相关 。第三组元数据是merkle树根[4](一种用来有效地总结区块中所有交易的数据结构)。

     3.4  区块头结构

     

    大小 字段 描述
    4字节 版本 版本号,用于跟踪软件/协议的更新
    32字节 父区块哈希值 引用区块链中父区块的哈希值
    32字节 Merkle根 该区块中交易的merkle树根的哈希值
    4字节 时间戳 该区块产生的近似时间(精确到秒的Unix时间戳)
    4字节 难度目标 该区块工作量证明算法的难度目标
    4字节 Nonce 用于工作量证明算法的计数器

     3.4  创始区块

    比特币区块链的第一个区块,创建于2009年,我们称之为创世区块。它是比特币区块链里所有区块的共同祖先,这意味着你从任一区块,循链向后回溯,最终都将到达创世区块。

    每一个节点都“知道”创世区块的哈希值、结构、被创建的时间和里面的一个交易。因此,每个节点都把该区块作为区块链的首区块,从而构建了一个安全的、可信的区块链的根。

    在chainparams.cpp里可以看到创世区块被编入到比特币核心客户端里。

    创世区块的哈希值为:

    0000000000 19d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f

    你可以在任何区块浏览网站搜索这个区块哈希值,如区块元(blockmeta),你会发现一个用包含这个哈希值的链接来描述这一区块内容的页面:

    http://blockmeta.com/block/000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f

    在命令行使用比特币核心客户端:

    $ bitcoindgetblock 000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f{    "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"}

    创世区块包含一个隐藏的信息。在其Coinbase交易的输入中包含这样一句话“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout forbanks.”这句话是泰晤士报当天的头版文章标题,引用这句话,既是对该区块产生时间的说明,也可视为半开玩笑地提醒人们 , 一个独立的货币制度的重要性,同时告诉人们随着比特币的发展,一场前所未有的世界性货币革命将要发生。该消息是由比特币的创立者中本聪嵌入创世区块中。

    四、区块链分叉

    诚实矿工只创建最长有效链上的最新区块。“长度”(Length)指区块链的累计计算难度,而不是是区块数目。当包括在链中的所有区块以及交易都有效,且是从创世区块开始的链,才是被我们承认的有效区块链。

    对于区块链中的任意一个区块,到达创世块的路径只有一条。然而,从创世块开始,会有分叉的情况出现。当创建两个区块的时间差只有几秒时,经常会创建出一个分叉[5]区块。当发生这种情况时,节点就会在他们最先接收到的那个区块上创建区块。无论哪一个区块包含在下一个区块中,它都会成为主链的一部分,因为这条链更长。

    短链(无效链)中的区块没有什么作用。当比特币客户端切换至另外一条更长的区块链时,短链中的所有有效交易区块都重新添加到序列交易池中,且会包含在下一个区块中。短链中的区块奖励不会呈现在最长的区块链中,因此实际上他们是有损失的,这就是为什么需要网络强制的100个区块的成熟时间来让产生存在。

    在短链中的区块,我们通常称之为“孤儿块”(orphans)。这是因为,在长链中这个生成交易并没有父系区块,因为这些生成交易在交易PRC列表中显示为孤儿。一些矿池误解这些信息,声称他们的区块是”孤儿“。事实上,这些区块都有父系区块,而且甚至可能有子系。

    五、区块链衍生概念

    5.1 公链(public blockchain)

    公链,是指全世界任何人都可读取、发送交易且能获得有效确认的共识区块链。公链的安全由工作量证明机制(pow)或权益证明机制(pos)等方式负责维护。它们是以经济奖励与加密数字验证相结合的方式而存在的,并遵循着一般原则:每个人从中可获得的经济奖励,与对共识过程作出的贡献成正比。这些区块链通常被认为是“完全去中心化”的。

    5.2 共同体区块链:(Consortium blockchains)

    共同体区块链,是指其共识过程受到预选节点控制的区块链;例如,有15个金融机构组成一个共同体,每个机构都运行着一个节点,而且为了使每个区块生效需要获得其中10个机构的确认。区块链或许允许每个人都可读取,或者只受限于参与者,或走混合型的路线,例如区块的根哈希及其API(应用程序接口)对外公开,API可允许外界用来作有限次数的查询和获取区块链状态的信息。这些区块链可视为“部分去中心化”。

    5.3 私链(private blockchain),又称无代币区块链(Token-less blockchain)

    完全私有的区块链 , 是指其写入权限仅在一个组织手里的区块链。读取权限或者对外开放,或者被任意程度地进行了限制。相关的应用囊括数据库管理、审计、甚至一个公司,但在很多的情形下,公共的可读性并非是必须的。

    关于没有原生代币的系统,是否能被称为区块链,仍然有着很大的争议。一些人认为,没有代币的区块链,可以一种分布式多版本并发控制(MVCC)数据库[6]的形式而存在。多版本并发控制,可防止两笔交易在数据库中修改一个单一列,而区块链,则是阻止两笔交易在区块链中的单个输出( output)。

    六、 公链和私链的特点

    共同体区块链结合了公链的“低信任”和私链的“单一高度信任” , 提供了一种混合的模式,而私链可以更精确地描述为带有一定程度数字加密功能,可管理(permissioned)的传统中心化系统。

    公链特点:

    1. 中立、开放、去中心化;
    2. 不可更改,不可撤销;
    3. 拥有网络效应。
    4.  抗审查性高;

    私链特点:

    1. 规则易于修改(交易,余额等);
    2.  交易成本低(交易只需几个受信节点验证即可);
    3. 读取权限受限;

    七、区块链发展及应用

    区块链技术作为数字货币的底层技术,已引起了金融世界的高度重视,包括高盛、摩根大通、汇丰银行、花旗银行、纽约梅隆银行、巴克莱银行、瑞银(UBS)、苏格兰皇家银行、摩根士丹利在内的众多金融机构,均与区块链公司进行了合作,研究区块链技术在金融市场的应用。世界经济论坛更是大胆预测,到2027年世界GDP的10%将被存储在区块链网络上[7]

    当前,与区块链相关的应用及公司,包括但不限于:

    公证防伪:公证通(factom)、MonegraphStamperyBitproofUproovChronicledBlockai;
    智能合约:彩色币(coloredcoin)、闪电网络(lightning-network)、侧链(sidechain)、TendermintChronicledSuperNETBlocknetTezosOpenchainCryptiRubixMultiChain超级账本(hyperledger)、The DAO(the-dao)、WAVESSynereoWINGS;
    物联网:ADEPTFilamentTilepaySlock.it(slock-it);
    身份验证:BlockScoreShocardLaunchKeyBitNation;
    预测市场:AugurTruthcoinFutarchy;
    资产交易:OpenLedgerMediciSETLSymbiontDAHSETL小蚁(antshares)、SWARMKoinifyLighthouseSafe Cash(safe-cash)、(t0)、LinqColu元界(metaverse)、瑞资链金融(reitschain);
    电子商务:OpenBazaarErisBitXBayBitmarketsSkuchainPurse;
    社交通讯:GemsCodius比特信(bitmessage)、TwisterCluckerDiaspora;
    文件存储:MaidSafeEnigmaFilecoin公证通(factom)、StorjTauBitCloudIPFSMediachain;
    数据API:CoinalyticsBlocktrailBlockCypherTradeBlockScorechainGem;
    其它:TierionSafe Cash(safe-cash)、bitwageCryptiIPFSDECENT亿书(ebookchain);
    银行结算:R3CEV;

    注释    (↵ returns to text)
    1. 区块链英文维基:https://en.wikipedia.org/wiki/Block_chain_(database)
    2. 中本聪比特币白皮书:http://www.8btc.com/wiki/bitcoin-a-peer-to-peer-electronic-cash-system
    3. SPV、SPV节点和SPV钱包: http://www.8btc.com/spv_spv_node_and_spv_wallet
    4. 精通比特币:http://8btc.com/topic-mastering-bitcoin.html
    5. http://blockchain.hk/category/blockchain/
    6. 没有代币的区块链是否具有价值:http://www.multichain.com/blog/2015/07/bitcoin-vs-blockchain-debate/
    7. 世界经济论坛预测区块链:http://www.coindesk.com/world-economic-forum-governments-blockchain/