《祝福》日更第八篇-区块链基础知识

大家好，近段时间比较充足，开启我本号的日更之旅，先让自己21天养成良好的习惯，感谢大家的支持，万分感谢

早在 1999 年，文件共享网络 Napster 就出现了，可方便用户在混合对等网络（之所以使用“混合”一词是因为它使用了中央目录服务器）上轻松共享音频文件（通常包含音乐）。文件共享网络不仅仅可用于共享音乐文件，还允许所有用户保留这些共享文件的副本。这样一来，单个数字资产就会跨全球网络生成无限个合理副本。这项技术简单易用，只要有计算机，任何人都可以利用它。这让备受尊崇的淘儿唱片业绩意外下滑。到 2006 年，淘儿唱片被迫关闭了它在美国国内的所有 89 家门店。

2008 年，次贷危机爆发。在此期间，成立已久、实力强大的美国金融机构和保险公司纷纷宣布破产或濒临破产边缘。在这种情况下，联邦政府必须立即干预，以免爆发全国性乃至全球金融危机。这一重大事件让民众对中央银行心存疑虑，并揭露了资金账本不接受公众监督的危险性。2008 年 3 月，哈特兰支付系统公司数据泄露曝光了超过 1.3 亿信用卡号，导致其中许多信用卡号后来被盗用于进行欺诈性购买。

这些事件说明了生活在数字化互联世界的极大危险性，不仅依赖交易费用生成中间商，还易受数字攻击、贪婪和犯罪行为影响。学术挑战在于，如何创建脱媒数字基础结构，用于在所有者之间公开可靠地转让（而不是复制和共享）数字资产，既没有腐败或不可靠的中央集权机构，而又安全且可信任。

比特币区块链入门

2009 年 1 月 3 日，出现了一种新型基础结构，似乎是在历史背景下应运而生。它挖矿获得 50 个数字币，并将它们记录在防篡改公用账本上。此帐本被复制到由已联网计算机组成的分散式对等网络上。这 50 个加密货币单位就称为“比特币”，记录为创世区块，即被认为是比特币区块链的第一个链接。

这种由区块链提供技术支持的加密货币的非凡之处在于，不通过任何信任或监管机构（如银行或政府）验证每笔交易。此外，它还让交易脱媒，即使用不涉及中间商（如代理或代理机构）的全球网络，在全球范围内转让数字货币。由于依赖新式加密，因此区块链中的数据是防篡改的匿名数据。此外，因为给定区块链被复制到对等网络中的每个节点，所以没有单一故障点，确保了这项技术的可用性和可靠性。

自比特币推出以来，区块链技术快速发展，不断成熟完善。区块链实现细节的差异很大，这就让区块链研究成为一项不断变化且非常复杂的庞大任务。实际上，“区块链”一词不再只适用于通常所说的加密货币，特别是比特币。区块链正在不断优化和完善，旨在成为更快更智能的技术。实际上，一些区块链技术允许编写脚本来支持智能合同，这样就可以将自定义规则应用于交易。这样一来，区块链就已演变成一种新型可编程的防黑客存储技术。正是出于这一原因，IT 专业人士、企业、金融机构等强烈要求发挥它的真正潜能。

如果一直在局外观望区块链，现在是时候急起直追了。这是一篇介绍性文章，不可能涵盖所有区块链技术的详尽技术细节，每项技术都有自己的规则、功能和自定义。不过，我在本文中介绍了许多概念，将有助于读者了解众多新式区块链技术所依据的核心技术基础。

区块链的工作原理

比特币区块链是世界上首个区块链技术实例。由于这种特质，“区块链”经常被误解为与比特币密不可分。不过，新式区块链技术产品/服务跟踪除数字货币外的数字资产，此类区块链的工作原理与比特币区块链大不相同。此外，比特币区块链还推广了一种观念，即区块链是虚拟化银行账本的数据结构，具体是通过跟踪借贷，同时提供有创意的加密解决方案，以有效禁止加密货币单位的双重支出。因此，“数字账本”和“双重支出”术语就与加密货币区块链关联起来。不过，这两个术语分别广泛应用于跟踪所有权和强制单次转让数字资产。看到这两个术语时，不要以为它们只是指面向加密货币的区块链技术

从本质上讲，区块链是一种防篡改数据结构，可以跟踪在所有者之间传递的有价值或感兴趣内容。这里所指的“内容”可以是任何一种数字资产，如数字币、Word 文档或 Microsoft Surface 平板电脑序列号。实际上，只要是可以与唯一数字指纹关联的项，就能在区块链上进行跟踪。区块链要求转让数字资产所有权，而不是复制或共享，解决了所谓的“双重支出”问题。不过，区块链技术的有趣之处在于，它不仅建立了协议和强制执行交易规则，还能够让计算机分布式网络中的节点自我监督整个操作。而且，它是在没有中央服务器或信任颁发机构的情况下，迅速在全球范围内完成了这一非凡壮举。这样的前景激起了人们的兴趣，希望通过它来消除中间商、减少或停征交易费用，同时让企业和使用者都能提高商务效率。

区块链核心组成部分

比特币区块链网络是公用的。也就是说，任何人可以随时随地参与进来。不过，新式区块链产品/服务（如 Microsoft Azure 托管区块链）可以配置为公用网络、专用网络或特权网络。虽然区块链是分散的，但分散的含义需要进一步澄清。正如 Vitalik Buterin 所解释 (bit.ly/2tEUYyT)，“分散式区块链”是指它们“不仅在政治上是分散的（不受任何监管），在体系结构上也是分散的（无基础结构中心故障点），但它们在逻辑上并不是分散的（有一个共同商定的状态，且系统就像一台计算机一样运转）”。 分散化提供容错、攻击防御和勾结防御（稍后我将介绍工作量证明，届时此含义就会变得清晰明了）

若要了解如何设计公用区块链，需要了解加密哈希、公钥加密 (PKC)、二叉哈希链（特别是 Merkle 树）和一致性算法。我将简要回顾一下这些概念，并介绍区块链是包含交易哈希链的哈希链。掌握此嵌套哈希链概念后，就会理解区块链技术的基本设计

加密哈希：虽然有许多单向加密哈希算法变体，但通常选用的是 SHA-256 (bit.ly/29kkpft)。这是一种单向哈希函数，接受最大为 (264-1)/8 字节的消息，并返回 32 字节的哈希值（64 个十六进制字符），十进制范围介于 0 和约 1.16 x 1077之间。为了能够正确看待数量级，需要指出的是，一滴水大约包含 5 x 1012个原子；可观测宇宙的原子数估计介于 1078和 1082之间。调整消息中的任何字符，并重新计算 SHA-256 哈希值，就可以生成全新的哈希值。（若要试验，请访问onlinemd5.com，并将文件或文本校验和类型设置为 SHA-256。）

如果输入相同，SHA-256 算法始终生成相同的定长输出。对于区块链技术，使用 SHA-256 加密哈希的价值在于，它们是唯一的，可同时用作数字指纹和校验和。此外，（作为惯例）单向哈希函数不能进行解码。以我名字的 SHA-256 值为例：8F12D83BA54AC0EA7687AD4AFDE5E258BBFF970AA8D60C6588381784C502CA8E。由于这是哈希值，因此实际上无法使用算法反向推出我的名字。（一种黑客技术利用的是彩虹表，其中列出了已计算出的常见字符串（如“密码”）哈希值，但这也不是通过算法来反向推出哈希。为了抵御此类攻击，惯例做法是通过附加随机字符串（称为“加密盐”值），修饰要哈希处理的字符串。）

如果没有 SHA-256 生成器可用，请参阅图 1中的表，它表明不同长度的字符串始终生成 64 位十六进制哈希值，以及对任何字符串稍作更改就会导致结果完全不同。

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编译者/作者：祝福

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