区块链基础入门 区块链技术最初源自于中本聪（Satoshi Nakamoto）2008年提出的比特币（Bitcoin），其去中心化、开放性、信息不可篡改等特性将很可能会对金融、服务等一系列行业带来颠覆性的影响。2016年1月，中国人民银行在北京召开“数字货币”研讨会，探讨采用区块链技术发行“虚拟数字货币”的可行性[1]，这一消息迅速在各大主流媒体和社区传播和热炒，于是“区块链”这个带着些神秘色彩的名词突然间成为热议的话题，接踵而来的是区块链技术在国内迅速升温，越来越多的区块链初创公司和相关研究机构小组相继成立，这带动了区块链技术高速发展，使其成为近年来最具革命性的新兴技术之一，甚至被认为是继大型机、个人电脑、互联网、移动/社交网络之后计算范式的第五次颠覆式创新，同时它还被誉为人类信用进化史上继血亲信用、贵金属信用、纸币信用之后的第四个信用里程碑[2]。 本章将对区块链技术进行全面剖析，从区块链的基础知识、发展历程、关键技术、产业现状、场景模式和主流平台等方面进行全景分析，使读者对区块链技术有一个整体而直观的认识，为区块链技术的进阶与实战打好基础。 1.1　区块链基础知识 学习一项新技术，必始于了解其基本概念。本节将从比特币讲起，引出区块链技术，然后介绍区块链技术入门所必备的基础知识，例如区块链的定义、相关基本概念和区块链的分类等。 1.1.1　从比特币到区块链 谈到区块链技术，人们往往会先联想到比特币，因为区块链技术最初是作为比特币的底层框架技术出现的。因此，我们在探究区块链技术之前，先来简单地了解一下区块链的起源——比特币。 早在20世纪80年代，人们就已经开始了“数字货币”的探索[3]。但是直到比特币出现，“数字加密货币”的想法才变成了现实[4]，“数字货币”及其衍生应用才开始迅猛发展。比特币是第一个区块链应用，也是迄今为止规模最大、应用范围最广的区块链应用。在2008年11月，一个化名为中本聪的人在一篇“比特币：一种点对点的电子现金系统”论文中，描述了一种如何建立一套全新的、去中心化的点到点交易系统的方法[5]，并将他在论文中提出的理念付诸实践，着手开发比特币的发行、交易和账户管理系统。2009年1月3日，比特币系统正式开始运行，比特币的第一个区块（也称“创世区块”）诞生了。不久后的2009年1月12日，中本聪通过比特币系统发送了10个比特币给密码学家哈尔•芬尼（Hal Finney），这是比特币系统自上线以来完成的第一笔交易。尽管充满了争议，但从技术角度来说，比特币是“数字货币”历史上一次了不起的创新。自2009年上线以来，它在没有任何中心机构运维参与的情况下，在全球范围内运行了8年多的时间，最大支持过单笔1.5亿美元的交易。而根据blockchain.info统计，截至2017年2月22日，平均每天有约总价值2.3亿元的28万笔交易写入比特币区块链账本中，截至2017年7月，比特币系统已累计生成超过47万个区块。专家预测，到2019年将会有500万比特币用户，这个不断增长的群体可以在在线商城中购买比特币，并把这些比特币放入他们的“数字钱包”，用来购买商品和服务[6]。 与传统货币和在比特币诞生之前的“数字货币”相比，比特币最大的不同是不依赖于任何中心化机构，而是仅仅依赖于其系统中完全透明的数学原理——加密和共识算法。这就是技术创新所带来的美好，人们不再需要为了信任某个机构而进行一系列的保护措施。这是比特币和区块链技术受到如此多关注和追捧的最主要原因。 比特币作为一种基于区块链技术创造出的“虚拟数字货币”，旨在解决之前的“数字货币”所存在的以下几个问题[7]：  发行机构控制货币的发行以及相关政策，可以决定一切；  以前的“数字货币”都无法做到匿名化交易；  货币自身的价值无法得到保证；  所持货币对于持币人来说不具备完全的安全性。 当前的银行系统作为货币的第三方机构，确实可以有代价地解决上面的几个问题，但是如果把交易范围扩大到全球范围，又有哪一所银行能确保它在全球都是可以信任的呢？于是，就有人提出是否可以设计出一套分布式的数据库系统，它在全球范围内都可访问，并完全中立、公正、安全。很多研究者都努力探索并提出了一些解决方案，但都由于种种原因未能真正被社会接纳，而比特币实现了这样的分布式账本技术。 从2014年开始，人们发现比特币的底层支撑技术区块链具有巨大的潜在应用价值，这正式引发了分布式账本（Distributed Ledger）技术的革新浪潮。随着探索者们的不断创新，区块链技术已经脱胎于比特币，在金融、贸易、物流、征信、物联网、共享经济等诸多领域崭露头角。 1.1.2　区块链定义 区块链技术本质上是一个去中心化的数据库，它是比特币的核心技术与基础架构，是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式[8]。狭义来讲，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改、不可伪造的分布式账本。广义来讲，区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式[9]。 区块链上存储的数据需由全网节点共同维护，可以在缺乏信任的节点之间有效地传递价值。相比现有的数据库技术，区块链具有以下技术特征。 1 . 块链式数据结构 区块链利用块链式数据结构来验证和存储数据，通过上文对区块链基本概念的介绍可以知道，每个区块打包记录了一段时间内发生的交易是对当前账本的一次共识，并且通过记录上一个区块的哈希值进行关联，从而形成块链式的数据结构。 2 . 分布式共识算法 区块链系统利用分布式共识算法来生成和更新数据，从技术层面杜绝了非法篡改数据的可能性，从而取代了传统应用中保证信任和交易安全的第三方中介机构，降低了为维护信用而造成的时间成本、人力成本和资源耗用。 3 . 密码学方式 区块链系统利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全。存储在区块链上的交易信息是公开的，但账户的身份信息是高度加密的。区块链系统集成了对称加密、非对称加密及哈希算法的优点，并使用数字签名技术来保证交易的安全。 区块链系统的以上技术特征决定了其应用具有如下功能特征。 1 . 多中心 不同于传统应用的中心化数据管理，区块链网络中有多个机构进行相互监督并实时对账，从而避免了单一记账人造假的可能性，提高了数据的安全性。 2 . 自动化 区块链系统中的智能合约是可以自动化执行一些预先定义好的规则和条款的一段计算机程序代码，它大大提高了经济活动与契约的自动化程度。 3 . 可信任 存储在区块链上的交易记录和其他数据是不可篡改并且可溯源的，所以能够很好地解决各方不信任的问题，无需第三方可信中介。 1.1.3　区块链相关概念 区块链以密码学的方式维护一份不可篡改和不可伪造的分布式账本，并通过基于协商一致的规范和协议（共识机制）解决了去中心化的记账系统的一致性问题[10]，其相关概念主要包括以下三个。  交易（Transaction）：区块链上每一次导致区块状态变化的操作都称为交易，每一次交易对应唯一的交易哈希值，一段时间后便会对交易进行打包。  区块（Block）：打包记录一段时间内发生的交易和状态结果，是对当前账本的一次共识。每个区块以一个相对平稳的时间间隔加入到链上，在企业级区块链平台中，共识时间可以动态设置。  链（Chain）：区块按照时间顺序串联起来，通过每个区块记录上一个区块的哈希值关联，是整个状态改变的日志记录。 图1.1展示的区块链主要结构可以帮助大家理解这些概念。 区块链技术体系不是通过一个权威的中心化机构来保证交易的可信和安全，而是通过加密和分布式共识机制来解决信任和安全问题，其主要技术创新有以下4点。 1 . 分布式账本 交易是由分布式系统中的多个节点共同记录的。每一个节点都记录完整的交易记录，因此它们都可以参与监督交易合法性并验证交易的有效性。不同于传统的中心化技术方案，区块链中没有任何一个节点有权限单独记录交易，从而避免了因单一记账人或节点被控制而造假的可能性。另一方面，由于全网节点参与记录，理论上讲，除非所有的节点都被破坏，否则交易记录就不会丢失，从而保证了数据的安全性。 2 . 加密技术和授权技术 区块链技术很好地集成了当前对称加密、非对称加密和哈希算法的许多优点，并使用了数字签名技术来保证交易的安全性，其中最具代表性的是使用椭圆曲线加密算法生成用户的公私钥对和使用椭圆曲线数字签名算法来保证交易安全。打包在区块上的交易信息对于参与共识的所有节点是公开的，但是账户的身份信息是经过严格加密的。 3 . 共识机制 共识机制是区块链系统中各个节点达成一致的策略和方法。区块链的共识机制替代了传统应用中保证信任和交易安全的第三方中心机构，能够降低由于各方不信任而产生的第三方信用成本、时间成本和资本耗用。常用的共识机制主要有PoW、PoS、DPoS、Paxos、PBFT等，共识机制既是数据写入的方式，也是防止篡改的手段。 4 . 智能合约 智能合约是可以自动化执行预先定义规则的一段计算机程序代码，它自己就是一个系统参与者。它能够实现价值的存储、传递、控制和管理，为基于区块链的应用提供了创新性的解决方案[11-12]。 1.1.4　区块链分类 按照节点参与方式的不同，区块链技术可以分为：公有链（Public Blockchain）、联盟链（Consortium Blockchain）和私有链（Private Blockchain）。按照权限的不同，区块链技术可以分为：许可链（Permissioned Blockchain）和非许可链（Permissionless Blockchain）。前述的三大类区块链技术中，联盟链和私有链属于许可链，公有链属于非许可链。 1 . 公有链 公有链，顾名思义，就是公开的区块链。公有链是全公开的，所有人都可以作为网络中的一个节点，而不需要任何人给予权限或授权。在公有链中，每个节点都可以自由加入或者退出网络，参与链上数据的读写、执行交易，还可以参与网络中共识达成的过程，即决定哪个区块可以添加到主链上并记录当前的网络状态[13]。公有链是完全意义上的去中心化区块链，它借助密码学中的加密算法保证链上交易的安全。在采取共识算法达成共识时，公有链主要采取工作量证明（PoW，Proof of Work）机制或权益证明（PoS，Proof of Stake）机制等共识算法，将经济奖励和加密数字验证结合起来，来达到去中心化和全网达成共识的目的。在这些算法共识形成的过程中，每个节点都可以为共识过程做出贡献，也是我们俗称的“挖矿”，来获取与贡献成正比的经济奖励，也就是系统中发行的数字代币。 公有链通常也被称为公共链，它属于一种非许可链，不需要许可就可以自由参加退出。当前最典型的代表应用有比特币、以太坊（Ethereum）等。因其完全去中心化和面向大众的特性，公有链通常适用于“虚拟加密货币”和面向大众的一些金融服务以及电子商务等。 2 . 联盟链 联盟链不是完全去中心化的，而是一种多中心化或者部分去中心化的区块链。在区块链系统运行时，它的共识过程可能会受某些指定节点的控制。例如，在一个有15个金融机构接入的区块链系统中，每个机构都作为链上的一个节点，每确认一笔交易，都需要至少对10个节点进行确认（2/3确认），这笔交易或者这个区块才能被认可。联盟链账本上的数据与公有链的完全公开是不同的，只有联盟成员节点才可以访问，并且链上的读写权限、参与记账规则等操作也需要由联盟成员节点共同决定。由于联盟链场景中的参与者组成一个联盟， 参与共识的节点相对公有链而言会少很多，并且一般是针对某个商业场景，所以共识协议一般不采用与工作量证明类似的挖矿机制，同时也不一定需要代币作为激励机制，而是采用PBFT、RAFT这类适用于多中心化且效率较高的共识算法。同时，联盟链对交易的时间、状态、每秒交易数等与公有链有很大区别，所以它比公有链有更高的安全和性能要求。 联盟链属于一种许可链，意味着不是任何人都能自由加入网络中，而是需要一定的权限许可，才可以作为一个新的节点加入。当前联盟链典型的代表有Linux基金会支持的超级账本（Hyperledger）项目、R3区块链联盟开发的Corda，以及趣链科技推出的Hyperchain平台等。 3…