作者： ChainEpic

摘要

区块链是一个去中心化的数字账本，通过网络上的多个专用计算机安全记录交易数据。

区块链通过密码学和共识机制确保数据的完整性，由于其不可篡改，一旦信息被记录，就无法进行逆向更改。

区块链是比特币与以太币等加密货币的支柱，它可以提升各个领域的透明度、安全度和信任度，而非仅仅局限于金融领域。 

什么是区块链？

区块链是一种特殊的数据库，也被称为去中心化的数字账本，由分布在世界各地的计算机共同维护。区块链数据组成区块，由密码学技术提供保护，按照时间顺序排列。

区块链最早的模型构建于20世纪90年代初。当时，计算机科学家Stuart Haber和物理学家W. Scott Stornetta使用加密技术保护数据不被篡改。

Haber和Stornetta启发了许多计算机科学家与密码学爱好者，推动了首个由区块链技术支持的加密货币——比特币的诞生。从那时起，区块链技术的应用范围越来越广，全球越来越多的人开始使用加密货币。

尽管区块链技术常常用于记录数字货币交易，但它也可以用于记录各种数字数据，用途非常广泛。

什么是区块链的去中心化？

区块链的去中心化指的是将对网络的控制和决策权分散给用户，而不是由政府或公司等单一实体控制。在需要与陌生人协调或者确保数据的安全性和完整性的情况下，这种方式非常有用。

在去中心化的区块链网络中，没有中央机构或中间机构控制数据或交易的流动。相反，交易由分布式计算机网络验证和记录，这些计算机协同工作以维护网络的完整性。

当人们谈论区块链技术时，通常不仅限于数据库。区块链技术支持加密货币和非同质化代币(NFT)等应用，使人们无需依赖中央机构也能进行合作和交易。

区块链的工作原理

从本质上讲，区块链是一种可以安全记录两个参与方交易的数字账本，而且这些记录是不可篡改的。这些交易数据由专用计算机（即节点）的全球分布式网络进行记录。

当用户发起交易，例如向其他用户发送一定数量的加密货币时，该交易就会被广播到网络上。每个节点通过验证数字签名和其他交易数据来验证交易。

交易经过验证后，将与其他已验证交易一起被添加到区块中。使用加密方法将区块链接在一起，就形成了区块链。验证交易并将其添加到区块链中的过程是通过共识机制完成的。共识机制是一组规则，它规定网络上的节点就区块链状态和交易的有效性达成一致。

密码学对于区块链维护安全、透明和防篡改的交易记录至关重要。例如，哈希运算是区块链使用的重要的加密方法。这一加密过程可将任意输入信息转换成固定长度的字符串。

区块链中使用的哈希函数通常具有抗冲突性，这意味着两个不同数据生成相同哈希值的几率极小。另一个特征被称为雪崩效应，指的是输入数据的任何微小变化都会导致输出结果截然不同。

我们以比特币使用的SHA256函数为例进行说明。如您所见，改变字母大小写会导致输出结果截然不同。通过逆向工程从哈希输出倒推输入数据是不可行的，因此哈希函数也是单向函数。

输入数据	SHA256 输出
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区块链中的每个区块都包含前一个区块的哈希值，从而形成坚固的区块链。想要更改一个区块，就必须更改所有后续区块，这不仅在技术上具有挑战性，而且成本高昂。

另一种在区块链中广泛使用的加密方法是公钥密码学。它也被称为不对称加密，可以帮助用户之间建立安全、可验证的交易。

它的运作方式如下。每位参与者都有一对独一无二的密钥：私钥需要保密，公钥则可公开。当用户发起交易时，他们使用私钥对其进行签名，从而创建数字签名。

其他网络用户可以通过将发送者的公钥应用于数字签名来验证交易的真实性。这种方法可以确保安全交易，因为只有私钥的合法所有者才能授权交易，但每个人都可以使用公钥验证签名。

区块链的另一个特点是透明性。通常情况下，任何人都可以在公共区块链网站查看区块链的所有数据，包括交易数据和区块数据。例如，您可以在区块链浏览器网站上查看比特币网络上记录的每笔交易，包括发送者和接收者的标识符、转账金额以及所有比特币持有者的列表。您还可以从现在的区块（区块788,995，截至GMT 2023年5月29日18:52:21）一直追溯到首个区块（即创世区块）。

什么是共识机制？

共识算法是一种机制，允许用户或计算机在分布式设置中互相协调。它需要确保系统中的所有代理都能就单一事实来源达成一致，即便是在有些代理存在故障的情况下。它们确保网络中的所有节点都拥有相同的账本副本，其中包含了所有交易的记录。由于没有中央机构来验证交易和维护网络的完整性，因此共识机制对区块链来说是必要的。

当成千上万个节点保存区块链数据的副本时，数据一致性和恶意节点等挑战很快涌现出来。为了保证区块链的完整性，存在各种共识机制来规定网络节点如何达成一致。现在让我们来了解一下主要的共识机制。

共识机制的类型

什么是工作量证明？

工作量证明(PoW)被许多区块链网络用于验证交易和维护区块链完整性。这是比特币最初使用的共识机制。

在工作量证明机制中，矿工竞相解决复杂的数学问题，以将下一个区块添加到区块链中。在挖矿过程中，第一个解决问题的矿工会获得加密货币奖励。

矿工必须使用算力强大的计算机来解决数学问题，以获得加密货币，同时保障网络安全。正因如此，挖矿过程需要消耗大量算力和能源。

什么是权益证明？

权益证明(PoS)共识机制旨在解决工作量证明(PoW)机制的一些不足之处。在权益证明系统中，矿工并非通过竞相解决复杂的数学问题以验证交易并向区块链添加新的区块，而是根据他们“质押”在网络中的加密货币数量来选择验证者。

验证者需要持有一定数量的加密货币作为抵押品或“权益”，才能参与共识过程。基于权益大小，他们会被随机选择来创建新区块并验证交易。验证者因创建新区块而获得交易费用奖励，这将激励他们最大程度地维护网络利益。

其他热门的共识机制

工作量证明和权益证明是最常见的共识算法，但还有一些其他的共识算法。有些算法结合了工作量证明和权益证明的元素，而另一些则采用完全不同的方法。

委托权益证明(DPoS)类似于权益证明，但并非所有验证者都有资格创建新区块，代币持有者会选举一小部分代表代替他们创建新区块。

另一方面，在权威证明(PoA)中，验证者是凭借其声誉或身份选出，而非持有的加密货币数量。验证者因其可信度而被选中，但如果他们做出恶意行为，就会被移出网络。

区块链的优势

1.去中心化

区块链的去中心化特性意味着不存在单点控制或单点故障，这使得区块链更加安全，能够抵御攻击或数据泄露。

2.透明性

区块链上的交易对所有参与者都是可见的，因此更容易跟踪和验证交易，并确保其准确性。

3.不变性

当一笔交易被记录在区块链上，就不可更改或者删除。区块链会创建一个包含所有交易信息的永久记录，任何能够访问区块链网络的人都能对其进行验证。这与传统系统有很大的区别。在传统系统中，交易是可以撤销的。

4.效率高

由于区块链不需要银行等中间机构，因此能够实现更快速、更高效的交易。

5.手续费更低

通过消除中间机构和自动化流程，区块链可以降低交易成本，提高业务运营效率。

6.去信任化

区块链技术可实现交易的透明性，由网络参与者验证和确认交易，无需中间机构。

区块链网络有哪些类型？

公共区块链

公共区块链是任何人都可以访问的去中心化网络。这些网络通常开源、透明、无需许可，这意味着任何人都可以访问和使用它们。比特币和以太坊就属于公共区块链。

私有区块链

顾名思义，私有区块链就是不对公众开放的区块链网络。私有区块链通常由单个实体（如公司）运营，用于内部目的和用途。

私有区块链属于许可环境，包含关于查看区块链和写入数据权限的既定规则。由于存在明确的控制层级，它们不是去中心化系统。但是它们可以是分布式的，这是因为多个节点在各自的机器上维护着区块链的副本。

联盟链

联盟链是公共区块链和私有区块链的混合体。在联盟链中，多个组织共同创建和管理一个共享的区块链网络。根据联盟成员的需求，这些网络可以是开放的或封闭的。

区别于任何人都可以验证区块的开放系统，以及由单个实体指定区块生产者的封闭系统，在联盟链中，多个平等的参与方共同充当验证者。

这个系统的规则非常灵活：链的可见范围可以限于验证者，对授权的个人可见，或者对所有人可见。只要验证者达成共识，就可以轻松进行更改。就区块链的运作而言，只要足够比例的参与方遵守规则，系统就不会出现问题。

区块链有何用途？

尽管区块链技术还处于起步阶段，但已经在许多不同的行业中得到应用。区块链技术目前最常见的应用包括：

1.加密货币

区块链技术是为了支持创建加密货币而诞生的，后者将区块链作为安全、去中心化的账本来记录交易。

2.数字身份

区块链可用于创建安全、防篡改的数字身份，可用于验证个人信息和其他敏感数据。随着我们的个人信息和资产越来越多地迁移到线上，这一点变得越来越重要。

3.投票

通过去中心化、防篡改的账本记录所有投票信息，区块链技术可以创建一个安全、透明的投票系统，杜绝投票舞弊，确保投票过程的公正性。

4.供应链管理

区块链技术可用于创建供应链中所有交易的账本。每笔交易都可以在区块链上记录为一个区块，从而创建整个供应链流程不可变且透明的记录。

5.智能合约

智能合约是自动执行的合约，可以在满足特定条件时自动执行操作。区块链技术以安全、去中心化的方式创建和执行智能合约。智能合约最具前景的应用之一是去中心化应用程序(dApp)和去中心化自治组织(DAO)。

结语

区块链技术提供了一种安全、透明的方式来记录交易和存储数据。它有潜力提升数字世界的信任和安全水平，从而彻底变革行业。

无论是实现点对点交易、创建新型数字资产，还是推动去中心化应用程序发展，区块链技术都为我们打开了一个充满可能性的世界。随着技术的不断发展和广泛应用，相信未来会出现更多具有创新和变革性的用例。

当比特币问世后，它也为其底层协议的基础技术的发展奠定了基础，而这项技术就是区块链。渴望创新的人现在已经发现了这项技术的潜力，正在探索区块链技术在每个行业中可能的应用。

比特币是所谓的加密货币，一种不受任何人控制的数字现金。与其他技术所不同的是，它结合了分布式数据库技术、经济激励措施和加密技术，可以在没有领导者或管理员的情况下形成广泛的生态系统协同。

自比特币网络创建以来的十多年里，它所使用的数据结构在各行业都产生了广泛的吸引力。现在，区块链技术的应用领域已经从金融和供应链覆盖到法律系统和政府的各个部门中，很多行业都在进行试验。

如果您错过了我们发布的区块链技术的初学者指南：区块链是一项简单的数据结构，其上的数据无法进行修改，但是能够不断扩张。将其数据结构其视为电子表格可能会有助于理解，其中每个单元格都指向上一个单元格，因此任何关于之前单元格的修改，都会立即显现出来。通常，区块链存储着有关金融交易的信息，但是它可以与任何类型的电子数据一起使用。

为了与我们的电子表格进行类比，我们假设文档可以有多方进行修改。每个人都可以在其设备上运行专用软件，并且可以与其他设备进行连接，所有参与者都能够获取到最新的数据库。

中央机构无法从中获取到信息（网络是分布式的）。这意味着信息的传播速度较慢，但从安全性和冗余性来看，却能够使网络变得十分强大。

在下文中，我们将研究三种类型的区块链:私有链、公有链和联盟链。在此之前，让我们重申这三种类型区块链的共同点及一些关键特征：

仅附加账本 –按照区块链的特点，系统需要遵循区块的链式结构，其中每个区块都链接到上一个区块。如果我们的区块链是电子表格中单元格的集合，则区块是单个单元格。

对等网络 –网络上的每个参与者都拥有区块链的数据副本。这些参与者称为节点，它们以对等方式进行交互。

共识机制 –必须有一种机制，使节点就跨网络传播事务的正确性达成一致，以确保不会将虚假数据写入区块链中。

下表总结了一些主要差异。

	区块链类型
	公有链	私有链	联盟链
准入限制	无	有	有
读取者	任何人	仅限受邀用户	相关联用户
写入者	任何人	获批参与者	获批参与者
所属者	无	单一实体	多方实体
了解参与者	否	是	是
交易速度	慢	快	快

公有区块链

如果您最近使用过加密货币，就很可能已经与公有链进行了交互。这种类型的区块链涵盖了当今存在的绝大多数分布式账本。我们之所以将它们称为“公开”，是因为任何人都可以查看所发生的交易，并且只需下载必要的软件即可加入。

我们也经常在公共场合使用“准入限制”一词。没有监管方可以阻止参与，任何人都可以参与共识机制（例如，通过挖矿或权益质押）。由于任何人都可以自由加入，且能够按照达成共识所扮演的角色而受到奖励，因此，我们期望在公有链网络上可以看到高度分布式的拓扑结构。

同样，我们希望公有区块链比私有链（或半私有）更具备防审计性。由于任何人都可以加入网络，因此该协议必须包含某些机制，以防止恶意行为者匿名获得优势。

但是，公有链在安全性和性能方面也进行了权衡。公有链上的许多服务器遇到了扩展瓶颈，吞吐量相对较弱。此外，将变更推送到网络又维持网络不分裂，可能是一项挑战，因为所有参与者同时同意某项提议的可能性比较小。

私有区块链

与公有区块链的无准入限制形成鲜明对比的是，私有区块链建立了准入规则，规定谁可以查看和写入区块链（它们是需要经过许可的环境）。私有链也不是去中心化系统，因为在控制方面有明确的层次结构。但是，它们是分布式的，许多节点仍在其计算机上维护区块链的副本。

私有链更适合企业维护，因为企业希望在不让外部网络访问的情况下，能够享受区块链带来的优势。

在某些私有链中，具备安全模型的背景下，工作量证明是多余的。但是，事实证明对于开放环境而言，工作量证明又是必需的。在私有区块链中，不使用PoW并不会造成很严重的威胁，因为每个参与者的身份都是已知的，是手动进行管理的。 

在这种情况下，一种更有效的算法是使用指定的验证程序，这些验证程序是为执行交易验证而选择承担某些功能的节点。一般而言，这其中包括必须在每个区块上签名的节点。如果节点具有恶意行为，则可以迅速发现并从网络中删除。有了区块链这种自上而下的控制，整个系统的协同就容易多了。

联盟区块链

联盟区块链是介于公有链和私有链之间的，结合了两者的特征要素。在共识方面，我们可以观察到联盟链与私有链和公有链最显着的差异。联盟链将少数同等权力的参与方视为验证者，而不是像公有链那样开放的系统，让任何人都可以验证区块，也不是像私有链那样，通过一个封闭的系统，只允许某一个实体来任命区块的生产者。

从这里开始，系统规则的制定非常灵活：链的可见性可以限制于验证者、授权人员或所有人都可以看到。只要与验证者达成共识，就可以轻松的进行修改。至于区块链的功能，如果这些参与者都能够按照预设门槛诚实行事，则系统不会发生任何问题。

在同一行业中运营的多个组织，且需要共同的基础设施进行交易或中继信息的环境中，联盟链将是最佳的选择。加入这种联盟链对组织也是十分有好处的，因为这将使他们能够与其他参与者分享对行业的见解。

哪种类型的区块链更有优势？

从本质上讲，公有、私有和联盟链并不矛盾，它们只是使用了不同的技术：

精心设计的公有链在防审计性方面往往更具优势，但代价是速度和吞吐量较低。这些是对交易结算（或智能合约）提供安全性保证的最佳选择。

私有链可以优先考虑系统的速度，因为它无需像公共区块链那样担心核心故障。理想情况下，将私有链部署在个人或组织可控且信息保密的情况下。

联盟链可减轻私有链中交易对手的风险（通过消除集中控制），并且较少的节点数通常可使它们能够比公共链更有效率的运行。联盟链适合于彼此之间需要相互沟通的单位组织。

总结

对于从事各类活动的个人和企业来说，存在大量的区块链选择。即使在公有链、私有链和联盟链中，根据复杂性的不同，也会出现许多不同的用户体验。根据实际使用情况，用户可以选择最适合实现自己目标的产品。