區塊鏈是怎么工作的

林小新

區塊鏈的工作原理

簡單描述區塊鏈的工作原理，A想要發送錢給B，這筆交易在網絡上以一個區塊作為代表，該區塊廣播給網絡里所有的參與者，參與者同意交易有效，該區塊被添加到鏈上，這條鏈提供永久和透明的交易記錄，資金從A轉移到B。全網一本帳，每個人都可以查找。

我們能看到的是這個分布式的數據庫里，記賬不是由個人或者某個中心化的主體來控制的，而是由所有節點共同維護、共同記賬的。所有的單一節點都無法篡改，想篡改一個記錄，需要同時控制整個網絡超過51 %的節點或計算能力才可以，而區塊鏈中的節點無限多且無時無刻都在增加新的節點，這基本上是不可能完成的事情。

區塊鏈的本質是一個互相驗證的公開記賬系統，這個系統所做的事情，就是記錄所有賬戶發生的所有交易。每個賬號的每筆數額變化都會被記錄在全網總賬本中。而且每個人手上都有一份完整的賬本，每個人都可以獨立統計出有史以來比特幣系統每個賬號的所有賬目，也能算出任意賬號當前余額是多少。

由于所有數據公開透明，任何人都可以去查看它的源代碼，人們便會信任這套去中心化的系統，而不擔心里面是否隱藏著什么陰謀。

區塊鏈的6層模型

區塊鏈的基礎模型分為6層：數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層與應用層。每層分別完成一個核心功能，相互配合，實現一個去中心化的信任機制。

1.數據層：數據區塊、鏈式結構、時間戳、哈希函數、Merkle樹和非對稱加密；

2.網絡層：點對點（P2P）網絡、傳播機制和驗證機制；

3.共識層：工作量證明（pow）、權益證明（pos和股份授權證明（dpos）；

4.激勵層：發行機制、分配機制；

5.合約層：腳本代碼、算法機制和智能合約；

6.應用層：可編程貨幣、可編程金融和可編程社會；

大多屬于技術范疇，不在過多的贅述。

區塊鏈的發展脈絡

區塊鏈1.0：以比特幣為代表的可編程貨幣，它更多是指數字貨幣領域的創新，如貨幣轉移、兌付和支付系統。

區塊鏈2.0：基于區塊鏈的可編程金融。它更多涉及一些合約方面的創新，特別是商業合同以及交易方面的創新，比如股票、證券、貸款、清算結算和所謂的智能合約等。

區塊鏈3.0：區塊鏈在其他行業的應用。它更多地對應人類組織形態的變革，包括健康、科學、文化和基于區塊鏈的司法、投票等。

區塊鏈的基本類型

公有鏈

公有鏈是指全世界任何人都可讀取、發送交易且交易能獲得有效確認的、也可以參與其中共識過程的區塊鏈。

公有鏈的幾個特點：

1.保護用戶免受開發者的影響，在公有鏈中程序開發者無權干涉用戶，區塊鏈可以保護其用戶；

2.訪問門檻低，任何人都可以訪問，只要有一臺能夠聯網的計算機就能夠滿足基本的訪問條件；

3.所有數據默認公開，公有鏈中的每個參與者可以看到整個分布式賬本的所有交易記錄。

私有鏈

私有鏈是指其寫入權限僅在一個組織手里的區塊鏈，目的是對讀取權限或者對外開放權限進行限制。

私有鏈的幾個特點：

1.交易速度非常之快，一個私有鏈的交易速度可以比任何其他的區塊鏈都快，甚至接近了并不是一個區塊鏈的常規數據庫的速度。這是因為就算少量的節點也都具有很高的信任度，并不需要每個節點來驗證一個交易。

2.給隱私更好的保障，私有鏈使得在那個區塊鏈上的數據隱私政策像在另一個數據庫中似的完全一致；不用處理訪問權限和使用所有的老辦法，但至少說，這個數據不會公開地被擁有網絡連接的任何人獲得。

3.交易成本大幅降低甚至為零，私有鏈上可以進行完全免費或者至少說是非常廉價的交易。如果一個實體機構控制和處理所有的交易，那么他們就不再需要為工作而收取費用。

4.有助于保護基本的產品不被破壞，銀行和傳統的金融機構使用私有鏈可以保證它們的既有利益，以至原有的生態系統不被破壞。

聯盟鏈

聯盟鏈是指其共識過程受到預選節點控制的區塊鏈。只針對某個特定群體的成員和有限的第三方，其內部指定多個預選節點為記賬人，每個塊的生成由所有的預選節點共同決定。

聯盟鏈的幾個特點：

1.交易成本更便宜。交易只需被幾個受信的高算力節點驗證就可以了，而無需全網確認。

2.節點可以很好地連接，同時故障可以迅速通過人工干預來修復，并且允許使用共識算法減少區塊時間，從而更快完成交易。

3.如果讀取權限受到限制，可以提供更好的隱私保護。

4.更靈活，如需要的話，運行私有區塊鏈的共同體或公司可以很容易地修改該區塊鏈的規則，還原交易，修改余額等。

區塊鏈的共識機制

區塊鏈共識機制的目的是解決信任的問題，解決兩個完全陌生人之間的信任問題。通過特殊節點的投票，在很短的時間內完成對交易的驗證和確認。

區塊鏈上的共識機制有很多種，不是每一種都適合所有具體應用場景的，共識需要在具體的應用場景下討論。這里討論最常見的三種共識機制：

1.工作量證明

簡稱Pow，通常只能從結果證明，因為監測工作過程通常是繁瑣且低效的，比特幣在區塊生成過程中是使用pow機制。

Pow依賴機器進行數學運算來獲取記賬權，資源消耗大、共識機制高、可監管性弱，同時每次達成共識需要全網共同參與運算，性能效率比較低，容錯性允許全網50 %節點出錯。

Pow的優點：完全去中心化，節點自由進出。

Pow的缺點：目前比特幣已經吸引全球大部分的算力，其他再使用Pow共識機制的區塊鏈應用很難獲得相同的算力來保障自身的安全，挖礦造成大量的資源浪費，共識達成的周期較長。

2.權益證明

簡稱POS，權益證明機制的運作方式是，當創造一個新區塊時，礦工需要創建一個“幣權”交易，交易會按照預先設定的比例把一些幣發送給礦工本身。

權益證明機制根據每個節點擁有代幣的比例和時間，依據算法等比例地降低節點的挖礦難度，從而加快尋找隨機數的速度。這種共識機制可以縮短達成共識所需的時間，但本質上仍然需要網絡中的節點進行挖礦運算。因此，PoS機制并沒有從根本上解決PoW機制難以應用于商業領域的問題。

POS的優點：在一定程度上縮短了共識達成的時間，不再需要大量消耗能源去挖礦。

POS的缺點：還是需要挖礦，本質上沒有解決商業應用的痛點；所有的確認都只是一個概率上的表述，而不是一個確定性的事情，理論上有可能存在其他攻擊影響。

3.股份授權證明

簡稱DPOS，類似于董事會投票，持幣者投出一定數量的節點，進行代理驗證和記賬。

DPOS的工作原理是每個股東按其持股比例擁有相應的影響力，51 %股東投票的結果將是不可逆且有約束力的，其挑戰是通過及時而高效的方法達到“51 %批準”。為了達到這個目標，每個股東可以投票權授予一名代表，獲票數最多的前100位代表按既定時間表輪流產生區塊，每位代表分配一個時間段來生產區塊。

DPOS的投票模式可以每30 s產生一個新區塊，并且在正常的網絡條件下，區塊鏈分叉的可能性極其小，即使發生也可以在幾分鐘內得到解決。

互聯網解決了傳統商業很多不能解決的問題，區塊鏈能夠解決很多互聯網不能解決的問題，尤其是信息泛濫，信任缺失的問題，這些都是商業的基礎。