1. 簡介

有關區塊鏈的介紹文章太多了，自己讀了很多篇，感徑訓是理解不深，我在這里也以自己的理解來做個說明，個別圖片和表格來自網路，如果原作者認為不合適可以聯系作者洗掉，本文的主要內容已作為ICAA 2021英文會議論文“Overview of the basic principles of blockchain”發表，覺得有必要與國內讀者分享，

　　作為位元幣的底層實作技術，區塊鏈受到了政府部門和企業的高度關注，并在金融領域和非金融領域展開了廣泛研究與應用，區塊鏈本質上是一個由若干區塊構成的資料鏈，這條資料鏈被分散保存到多個計算機節點，這些計算機節點相互獨立，相互不信任，沒有一個權威的中心節點，因而區塊鏈被認為是一個“去中心化”、“去信任”的系統，在這兩個概念中，“去中心化”是方法，“去信任”是目的，后者需要通過前者來解決；很多人強調前者，但后者才是根本，“去信任”是指去除第三方信任，交易雙方不經過可信的第三方而直接交易，然而，區塊鏈本身并不要求交易雙方互信，交易資料允許存在造假和欺騙，由此導致在位元幣的底層可能同時存在多條區塊鏈，但通過“共識機制”、“獎勵”、“造假懲罰”等措施，最終區塊鏈為位元幣建立了一套可靠的、可信任的解決方案，然而，在一些小型應用中，“共識機制”和“獎勵”并不能從根本上解決“去信任”或資料造假問題，當前開發的很多區塊鏈應用，某種程度上都建立在“信任”的基礎上，與位元幣的區塊鏈有較大區別；即便如此，其中的一些系統仍能解決其他技術所難以解決的問題，并具有較高應用價值，本文重點闡述位元幣的區塊鏈的基本原理，并為基于區塊鏈技術開發應用提供一些合理化建議，

2. 區塊鏈與位元幣

2.1 區塊鏈發展歷史

位元幣是上層應用，區塊鏈是位元幣的底層實作軟體，區塊鏈的發展經歷了三個階段，分別是1.0、2.0、3.0，

區塊鏈1.0是以位元幣為代表的虛擬貨幣時代，實作了貨幣的去中心化與支付手段，涌現出了大量的山寨幣等，區塊鏈1.0支持兩個人之間的虛擬貨幣交易，無法普及到其他行業，

區塊鏈2.0多了智能合約的概念，一個交易允許多個人共同簽名后發送給別人，智能合約給金融領域提供了更加廣泛的應用場景，譬如多方合同下的商品買賣，區塊鏈2.0的代表是以太坊，支持智能合約并提供編程介面，用戶可以開發自己的虛擬貨幣，區塊鏈2.0通常應用于金融領域，

區塊鏈3.0則將區塊鏈應用于金融行業之外的其他行業，區塊鏈3.0被稱為互聯網技術之后的新一代技術創新，足以推動更大的產業改革，由于不再依賴于第三方或某機構獲取信任與建立信用，區塊鏈技術能夠提高整體系統的作業效率，區塊鏈3.0的代表是Hyperledger Fabric，該軟體在交易時不需要手續費，

2.2 位元幣的價值和獲取

位元幣從誕生之日起，具有濃厚的投機性，且缺乏第三方監管，像人民幣、美元、歐元都是依賴國家信用和黃金儲備等而作為流通貨幣，但位元幣的信用卻是一些數學演算法，由于不具備明確的價值基礎，因而在中國被認為是非法活動，

位元幣至少可以通過三種途徑獲得，一是從一些交易網站上購買獲得；二是別人通過位元幣軟體轉賬而獲得；三是通過位元幣軟體挖礦獲得，“挖礦”是區塊鏈的核心概念之一，在后續將逐步對其展開描述，本文不討論非法交易，只是對區塊鏈的基本原理進行探討研究，

3. 兩個數學演算法

區塊鏈采用了兩個基礎的數學演算法：非對稱加密和哈希函式，通過這兩個演算法對資料進行加密和解密，并使得資料很難被第三方破解，

3.1 非對稱加密演算法

對稱加密只有一個密鑰，加密和解密都使用它，譬如，用“123456”作為密碼壓縮一個檔案夾，在解壓時也同樣使用該字串，

非對稱加密則有兩個不同的密鑰：公鑰和私鑰，如果用公鑰對資料進行加密，只有用對應的私鑰才能解密；如果用私鑰對資料進行加密，那么只有用對應的公鑰才能解密，通常將公鑰發給其他人，私鑰自己留著；其他人可以通過公鑰進行加密，但只有自己才有私鑰解密，因而安全性較高，

3.2 哈希演算法

數學中的模運算（取余數）是一種極簡單的哈希演算法，譬如1,2,3,4,5,6,7,10001除以４后的余數分別為1,2,3,0,1,2,3,1，以另一種形式可以寫成：hash(1)=1, hash(2)=2, hash(3)=3, hash(4)=0, hash(5)=1, hash(6)=2, hash(7)=3, hash(10001)=1，可以看出，在哈希演算法中，不同的數可能有相同的值，

科學家們創建了很多更復雜的哈希演算法，譬如MD5、SHA1、SHA256等，下表列出了字串“Hello World!”對應的各個哈希演算法的取值，

這些哈希演算法具有這樣的特點：

• 給定一個字串key，容易計算其哈希值value；
• 給定一個哈希值value，很難推出對應的key，

雖然從理論上來說，可能有多個key對應同一個value，但實際上概率很低，因此，可以近似地認為key與value是一一對應的，value被稱為key的資料指紋，資料指紋意味著很難造假，一個value只能找到一個匹配的key，

4. 區塊鏈邏輯結構

4.1 鏈表

　　區塊鏈由“區塊”和“鏈”兩個詞組成，“區塊”用于保存資料，對于位元幣來說，大約每10分鐘產生１個區塊，由其存放10分鐘內的所有交易，交易存放的是貨幣所有權從一個人到另外一個人的流轉資訊，每個交易都需要一定的手續費，在區塊鏈中被稱之為“汽油”，

　　資料鏈有正向鏈、反向鏈、雙向鏈之分，

• 正向鏈，支持從鏈表的頭向后搜索，
• 反向鏈，支持從鏈表的尾部向前回溯搜索，
• 雙向鏈，支持雙向搜索，是一種效率較高的資料結構，

　　區塊鏈采用反向鏈，便于從后向前追溯，對比幾種鏈表結構，有下列結論，

　　命題１. 高性能不是區塊鏈考慮的根本因素，

　　另外，區塊鏈中的第一個區塊被稱之為“創世區塊”，

4.2 去中心化

如圖1所示，左側是一個中心化的架構，節點５中的資料庫可以被其他４個節點所共享，便于讀取和修改操作，

右側是一個去中心化的P2P架構，所有節點對等，并且每個節點都保存一個完整的區塊鏈，這種架構本質上是一種多副本備份機制，具有更好的可靠性，

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圖1. 中心化與區塊鏈	圖2. 塊結構

　　命題２. 區塊鏈不能太大，

　　對于位元幣來說，世界上任何人都可以參與挖礦，區塊鏈太大可能導致普通電腦無法保存整個區塊鏈，導致很多人無法參與，10多年以來，當前的區塊鏈只有300g之多，能夠為一般電腦所保存，

　　命題３. 區塊鏈不要更新太快，

　　再次強調，這里是指位元幣的區塊鏈，一個區塊需要包括一段時間之內的幾乎所有的交易，由于交易在互聯網的所有節點之間進行傳遞，如果更新太快，則可能有些交易不能被打入區塊鏈；另外，由于所有節點都可以挖礦，互聯網上會存在多個不一致的區塊鏈，

4.3 挖礦

　　區塊鏈由多個區塊組成，所謂挖礦是指生成一個新區塊的程序，

　　如圖2所示，一個區塊由區塊頭和區塊體組成[參見: https://cloud.tencent.com/developer/news/167233 ; http://www.woshipm.com/blockchain/1022259.html]，

　　區塊體包含10分鐘內的所有交易，圖中顯示了４個交易，給每個交易求哈希值，得到hash1、hash2、hash3、hash4，然后每兩個再求hash值，一直到最后得到一個hash1234，即為區塊頭中的默克爾根，如果在區塊體中添加、洗掉、修改某一個交易，則默克爾根就會變化，

　　區塊頭主要包括６個要素：hash(parent)、版本、默克爾根、時間戳、難度目標、亂數，所謂挖礦，就是確定這６個值，

　　在前一個區塊也包含這６個要素，它們的hash值即為hash(parent)，由此可知，如果某一個區塊造假，則需要修改它后面所有區塊的hash(parent)，難度很大，

　　為了使得每10分鐘生成一個區塊，設定了難度目標值，隨著計算機的性能越來越高，該值是動態變化的，如下面公式所示，系統每隔2016 個區塊會根據上一周期的挖礦時間來調整挖礦難度，對于一個具體的區塊而言，該值是固定不變的，

DifficultyTarget = 0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF/Difficulty

從這里可以查到，第674000區塊的難度為21,448,277,761,059.70，從674001區塊查到第674000區塊中６個要素的哈希值如下，這個哈希值前面有19個０，要滿足這個條件就必須進行大量的計算，求出其他的幾個要素，

00000000000000000007f8d1652e3bf35c9d2672be4834fef6ebc6f1c407bd8c

在６個要素中，hash(parent)、版本、默克爾根、難度目標都是固定的，時間戳表示區塊生成的時間，亂數是可變的，在分布式系統中，不要求每個計算機的時鐘完全一致，時間戳的變化對別人而言意義不大；因而為了簡化挖礦難度，時間戳也可以事先確定，這樣，在6個要素中只需要求出亂數，

亂數通常從0開始一個個地嘗試，看６個要素的哈希值是否滿足難度，如果某個亂數滿足難度，就表示挖礦成功，新的區塊生成后被廣播到相鄰的其他節點，

第674000區塊的亂數為4,275,554,107，可見挖礦的作業量挺大，在區塊鏈中，把這樣的作業量叫做作業量證明POW，

從事挖礦的人稱為礦工，由于第１個挖礦成功的人會有位元幣獎勵，并且能識訓所有交易的手續費，因而礦工都在想方設法提高挖礦效率，

命題４. 高性能是礦工追求的因素，

4.4 共識機制

　　若同一時段只有一個合法區塊被生產出來，而沒有與之競爭的其他合法區塊，該區塊將會被接收；若存在競爭區塊，則51%以上的節點確認，累計難度最大且最長的鏈最侄訓被接收，沒有被接收的其他合法區塊則成為孤塊，被淘汰出局，

　　所謂共識機制，即指得到大多數（51%以上）節點確認，

4.5 去信任

　　在互聯網中，節點之間沒有絕對的信任，實際上，如果大多數節點都造假，則區塊鏈將沒有價值，為了防止造假，除了去中心化外，區塊鏈至少還采用了下面幾項措施，

• 當一個節點收到另一個節點的區塊后，會通過哈希值對區塊鏈進行檢查確認，如果區塊鏈造假或者不是最長的區塊鏈，則丟棄，
• 挖礦成功會有獎勵，并且能獲得該區塊中所有交易的手續費，自從中本聰創建第１個區塊并獲得50枚位元幣后，每挖出21萬個區塊（大約４年）后，獎勵減半，當沒有獎勵后仍能獲得手續費，
• 造假代價很大，對于區塊１、區塊２、...、區塊n構成的區塊鏈，如果區塊１造假，則需要重新計算該區塊的亂數；從而導致區塊２中的hash(parent)變化，又需要重新計算區塊２的亂數；進而需要計算后續所有區塊的亂數，實際上，如果造假者的算力超過全網51%挖礦節點的算力，則造假成功，

　　命題５. 區塊鏈造假代價很高，

5. 區塊鏈型別

　　區塊鏈分為三種型別：公有鏈、私有鏈、聯盟鏈，

5.1 公有鏈

　　位元幣的區塊鏈是一種公有鏈，它有如下特點，

　　１）公有的、全開放的、去中心化；

　　２）資料全網公開，不適合銀行、政府、證券等；

　　３）不能篡改資料；

　　４）處理交易速度慢、效率低：全網節點共同參與，每個節點都參與決策（判斷真偽）；

　　５）如果發行電子貨幣，則是各國政府所不能支持的行為，

　　私有鏈、聯盟鏈就是對公有鏈的開放性、效率進行改進的結果，

5.2 私有鏈

　　私有鏈不對外開放，只有被授權節點才能參與，是部分“去中心化”的區塊鏈，主要用戶有金融機構、大型企業、政府部門等，譬如央行發行的數字貨幣，只能由央行進行記賬，個人不能參與，另外，阿里、百度、京東等大型公司也會構建自己的私有鏈，側重區塊鏈的資料安全，

5.3 聯盟鏈

聯盟鏈也稱行業鏈，是公司與公司、組織與組織之間構建的區塊鏈，通常選定多個節點參與區塊共識決策，其他節點僅參與交易而不參與決策，這是一種“多中心化”的區塊鏈，用戶群體包括銀行、證券、保險、集團企業等，

6. 區塊鏈應用

6.1 應用開發考慮

　　隨著區塊鏈技術的發展，越來越多的區塊鏈應用開始出現，特別是由于政府的鼓勵支持，需要避免不結合實際情況而一窩蜂地采用區塊鏈技術的過熱情形，在確定采用區塊鏈技術開發應用之前，需要從下面幾個方面來綜合考慮，

• 傳統方法，一個應用如果能夠采用傳統方法來實作，則不必采用區塊鏈技術，
• 去中心化，去中心化只是意味著資料的多個副本，不是采用區塊鏈的絕對理由，資料庫MySQL、Oracle、MongoDB以及分布式存盤系統Ceph等都支持多副本，并且具有很高的性能，
• 去信任，去信任意味著需要防止資料造假，這是采用區塊鏈的一個理由，
• 可追溯，區塊鏈可以對資料造假進行追溯，資料庫一般不具有可追溯特點，這也是采用區塊鏈的一個理由，

　　性能，如果應用頻繁更新，采用區塊鏈意味著資料量很大，需要很大的存盤設備，對于一些不具備條件的應用則不適合，另外，在區塊鏈中檢索資料極不方便，效率極低，

6.2 融合傳統資料庫的開發方法

　　在確定采用區塊鏈技術開發應用之后，需要考慮一個問題：是否將所有資料都保存到區塊鏈？

　　區塊鏈在性能、資料檢索等方面都不如傳統資料庫；另外，如果所有資料都保存到區塊鏈，則會特別大，一種可行的方法是在應用中采用“區塊鏈+資料庫”的方式來保存資料，那些防止造假需要追溯的重要資訊可放到區塊鏈，其他資訊則放到資料庫，在區塊鏈應用方面，資料通常保存在多處，因此資料庫應具有性能高、支持多備份的特點；甚至可以采用高性能、高可用、高可擴展的Ceph分布式存盤系統來保存資料，

7. 總結

　　區塊鏈具有“去中心化”、“去信任”、“去第三方”的特點，本質上是一個分布式資料存盤系統，將區塊鏈保存到多個計算機節點，通過“共識機制”、“獎勵”、“造假懲罰”等措施，最終區塊鏈為位元幣建立了一套可靠的、可信任的解決方案，然而，區塊鏈也存在一些缺點，包括性能較差、檢索困難等，進而出現了公有鏈、私有鏈、聯盟鏈等適合不同應用場合的型別，私有鏈和聯盟鏈在某種程度上已經不再是“去中心化”、“去信任”的區塊鏈，在開發應用時，應綜合考慮多種因素來確定是否有必要采用區塊鏈技術；在一些區塊鏈應用中，可以采用“區塊鏈+資料庫”的方式來保存資料，即將需要追溯的關鍵資訊保存到區塊鏈，而其他資訊保存到資料庫或分布式存盤系統，