區塊鏈關鍵技術一覽

我們可能已經通過各種媒體、科普文章看到過多次關於區塊鏈技術中的各個點，常見的如鏈式結構、P2P、挖礦演算法、加密演算法等等。事實上， 其中多數技術都是有著幾十年的發展歷史，之後被中本聰放到比特幣中使用，今天我們結合上次簡單改過的比特幣代碼，用簡單易懂的語言做一概述。

鏈式的數據結構

區塊鏈之所以被稱為「鏈」，就是因為其數據結構的巧妙設計：多個收支記錄打包為一個數據塊（第一條記錄指定為挖礦所得），數據塊附加有描述信息（頭部信息），其中除了版本號/數據校驗值/時間戳/難度值/隨機數等常規信息外，還包含了前一個數據塊的哈希值，這也是區塊鏈機制中，數據不可修改的原因---所有數據都是通過這種鏈狀的結構鏈接起來。每個數據塊都是通過大量計算才打包的，修改中間數據意味著要修改其後所有的數據，除非擁有超級計算能力，或者說全網計算能力的一半以上，這也就是所謂的「51%攻擊」，在計算能力出現理論機制級別的提升之前，我們不用擔心主要數字貨幣的「51%攻擊」問題。

鏈式的數據結構中，存儲的實際上是所有交易的記錄，所以，又被成為「賬本」，或者ledger。

在源碼的 src/primitives/block.h 中，可以查看 CBlock的結構信息。文件中也包含了對區塊數據的描述：節點收集交易數據進行打包，不斷嘗試隨機數進行哈希計算，似的計算結果符合POW工作量證明機制的條件，一旦達到條件，既是挖塊成功，節點會將信息廣播到網路中，交易信息的第一條數據是特殊定義，其中記錄的是當前區塊的挖礦所得。

P2P去中心化網路技術

點對點技術並不新鮮，我們之前經常聽到的「P2P下載」也是基於此機制。相對於傳統的server-client方式服務，P2P的所有節點都處於對等地位、都擁有全量數據，每一個節點既是server也是client，這使的系統整體的可擴展性、健壯性、性能等方面都非常優秀。在區塊鏈技術中，也意味著，任何接入者都有權獲取所有的賬目信息（公有鏈、聯盟鏈、私有鏈的劃分我們在未來單獨說明）。

在源碼的 src/net.cpp ，net.h中有P2P相關的實現。

為了使系統在啟動時自動獲得其他節點的信息，需要有至少一個「種子地址」，所以，在源碼的src/chainparams.cpp 中設定了多個種子地址（詳見 vSeeds.emplace_back 調用的參數），這都是能夠持續穩定提供服務的節點。同時程序還提供了指定節點的參數。

加密演算法：hash函數、橢圓曲線密碼

hash函數是將任意長度的輸入，經過不可逆的處理過程，轉換為固定長度的輸出內容。主要有兩大類：Message Digest Algorithm（最常見的MD5，以及其前身MD2,MD3,MD4）以及Secure Hash Algorithm（常見的SHA-1，SHA-2，SHA-3，RIPEMD160）。

既然hash演算法是把內容處理之後得到限長度內容，那理論上就存在重複的可能（碰撞），隨著計算能力的增強，MD5、SHA系列的函數都面臨著碰撞攻擊，事實上，SHA-3就是在這樣的環境下誕生的更高級別的處理機制。而未來，加密機制和計算能力一定是循環遞進的過程。

我們知道，比特幣錢包中包含了一系列的密鑰對，每個密鑰對是由一個私鑰和公鑰構成。公鑰由私鑰生成、公鑰再生成比特幣地址。其中公鑰和私鑰的生成，用到了橢圓曲線演算法。具體機制我們在這裡不展開講，可搜索引擎查詢。與傳統的RSA非對稱加密演算法相比，橢圓曲線演算法安全性更高、計算量更小，所佔用的存儲空間也更小，這對於每個節點都記錄完整交易信息的數字貨幣來講，是極其重要的。

相關函數實現，在代碼的 src/crypto/ 目錄下。

共識演算法

比特幣使用工作量證明機制（POW）的共識演算法。這可以說是經濟學和計算機學的一種創新：由計算機的工作量來證明其無差別的勞動價值。從概率上講，計算節點算力佔全網算力的比例，既是它挖礦成功的概率。也正是因為這個機制，使得挖礦、礦機、礦池成為數字貨幣產業鏈條中的重要部分。當然這也是數字貨幣被詬病的地方：人為製造出來的社會資源的消耗。支持者認為這是一種合理的機制，正如實體經濟中的採礦---付出代價獲得礦物，這就是礦物的價值基礎。反對者認為這種資源消耗是一種無謂的浪費，並以此認定數字貨幣沒有價值。

POW機制中，具體計算的成本消耗在了哪裡呢？就是大量的SHA256計算（參見 src/crypto/sha256.cpp ）。

除工作量證明，數字貨幣常見的還有股權證明（POS，Proof of Stake），委任權益證明（DPOS，Delegated Proof of Stake）。

Merkle Tree

Merkle Tree，或稱為Hash Tree，是一種樹狀的Hash結構。常在大量數據傳輸（或被分割成大量數據塊的傳輸）中被用於校驗數據一致性。比特幣數據塊的頭部信息中，包含了一個叫做 hashMerkleRoot 的欄位（詳見src/primitives/block.h），其中保存的就是本數據塊中所有交易信息的Merkle根。我們借用Wikipedia的一張圖來描述生成merkle tree的過程：

對數據塊中的每筆交易信息進行hash計算，並按照hash值進行排序，這就是merkle tree的「葉子」。然後對相鄰兩個hash值進行hash計算，層層遞進，直到只有一個hash值，就是merkle tree的根。

具體可參考代碼的： src/consensus/merkle.cpp

上面只是簡要介紹了部分技術點，其中沒有包括智能合約、側鏈/跨鏈等技術，我會在接下來的時間裡單獨介紹。

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