区块链 - 图文

区块链

1 起源

区块链的概念首次在论文《比特币：一种点对点的电子现金系统（Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System）》中提出，作者为自称中本聪（Satoshi Nakamoto）的个人（或团体）。因此可以把比特币看成区块链的首个在金融支付领域中的应用。

2 定义

区块链（Blockchain）：通过去中心化和去信任的方式集体维护一个可靠数据库的技术方案。该技术方案主要让参与系统中的任意多个节点，通过一串使用密码学方法相关联产生的数据块（block），每个数据块中包含了一定时间内的系统全部信息交流数据，并且生成数据指纹用于验证其信息的有效性和链接（chain）下一个数据库块。

区块链是一种类似于NoSQL（非关系型数据库）这样的技术解决方案统称，并不是某种特定技术，能够通过很多编程语言和架构来实现区块链技术。并且实现区块链的方式种类也有很多，目前常见的包括POW（Proof of Work，工作量证明），POS（Proof of Stake，权益证明），DPOS（Delegate Proof of Stake，股份授权证明机制）等。

3 特征

结合区块链的定义，区块链需要有四大特征：去中心化（Decentralized）、去信任（Trustless）、集体维护（Collectively maintain）、可靠数据库（Reliable Database）。并且由这四个特征引申出另外两个特征：开源（Open Source）、匿名性（Anonymity）。如果一个系统不具备这些特征，将不能视其为基于区块链技术的应用。

（1）去中心化（Decentralized）：整个网络没有中心化的硬件或者管理机构，任意节点之间的权利和义务都是均等的，且任一节点的损坏或者失去都会不影响整个系统的运作。因此也可以认为区块链系统具有极好的健壮性。

（2）去信任（Trustless）：参与整个系统中的每个节点之间进行数据交换是无需互相信任的，整个系统的运作规则是公开透明的，所有的数据内容也是公开的，因此在系统指定的规则范围和时间范围内，节点之间是不能也无法欺骗其它节点。

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（3）集体维护（Collectively maintain）：系统中的数据块由整个系统中所有具有维护功能的节点来共同维护的，而这些具有维护功能的节点是任何人都可以参与的。

（4）可靠数据库（Reliable Database）：整个系统将通过分数据库的形式，让每个参与节点都能获得一份完整数据库的拷贝。除非能够同时控制整个系统中超过51%的节点，否则单个节点上对数据库的修改是无效的，也无法影响其他节点上的数据内容。因此参与系统中的节点越多和计算能力越强，该系统中的数据安全性越高。

（5）开源（Open Source）：由于整个系统的运作规则必须是公开透明的，所以对于程序而言，整个系统必定是开源的。

（6）匿名性（Anonymity）：由于节点和节点之间是无需互相信任的，因此节点和节点之间无需公开身份，在系统中的每个参与的节点都是匿名的。

4 区块链意义

4.1 区块链意义之一：解决拜占庭将军问题

区块链解决的核心问题不是“数字货币”，而是在信息不对称、不确定的环境下，如何建立满足经济活动赖以发生、发展的“信任”生态体系。而这个问题称之为“拜占庭将军问题”，也可称为“拜占庭容错”或者“两军问题”，这是一个分布式系统中进行信息机交互时面临的难题，即在整个网络中的任意节点都无法信任与之通信的对方时，如何能创建出共识基础来进行安全的信息交互而无需担心数据被篡改。区块链使用算法证明机制来保证整个网络的安全，借助它，整个系统中的所有节点能够在去信任的环境下自动安全的交换数据。

4.2 区块链意义之二：实现跨国价值转移

互联网诞生最初，最早核心解决的问题是信息制造和传输，我们可以通过互联网将信息快速生成并且复制到全世界每一个有着网络的角落，但是它尚始终不能解决价值转移和信用转移。这里所谓的价值转移是指，在网络中每个人都能够认可和确认的方式，将某一部分价值精确的从某一个地址转移到另一个地址，而且必须确保当价值转移后，原来的地址减少了被转移的部分，而新的地址增加了所转移的价值。这里说的价值可以是货币资产，也可以是某种实体资产或者虚拟资产（包括有价证券、金融衍生品等）。而这操作的结果必须获得所有参与方的认可，且其结果不能受到任何某一方的操纵。

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在目前的互联网中也有各种各样的金融体系，也有许多政府银行提供或者第三方提供的支付系统，但是它还是依靠中心化的方案来解决。所谓中心化的方案，就是通过某个公司或者政府信用作为背书，将所有的价值转移计算放在一个中心服务器（集群）中，尽管所有的计算也是由程序自动完成，但是却必须信任这个中心化的人或者机构。事实上通过中心化的信用背书来解决，也只能将信用局限在一定的机构、地区或者国家的范围之内。由此可以看出，必须要解决的这个根本问题，那就是信用。所以价值转移的核心问题是跨国信用共识。

由于每个国家的政治、经济和文化情况不同，对于两个国家的企业和政府完全互信是几乎做不到的，这也就意味着无论是以个人抑或企业政府的信用进行背书，对于跨国之间的价值交换即使可以完成，也有着巨大的时间和经济成本。但是在漫长的人类历史中，无论每个国家的宗教、政治和文化是如何的不同，唯一能取得共识的是数学（基础科学）。因此，可以毫不夸张的说，数学（算法）是全球文明的最大公约数，也是全球人类获得最多共识的基础。如果我们以数学算法（程序）作为背书，所有的规则都建立一个公开透明的数学算法（程序）之上，能够让所有不同政治文化背景的人群获得共识。

5 区块链设计

大型区块链网络的工程设计是去中心化和中心化相结合的星型网络。

（1）要有全节点和瘦节点相结合，并不是每一个节点数据都要运行一个数据，对很多人来讲只需要存储跟你相关的数据就OK了。

（2）一定要有海量处理能力的超级节点，你不可能要求所有的人纯粹去中心化，所有的人都是对等的节点，这里面应该要有一些超级节点，能够存储所有的数据，我们做超级节点存储这样的数据没问题的，后台有各种各样的数据结构可以支持它。这个transaction不能靠纯广播，否则就瘫痪了，互联网就是这么过来的。

（3）一定要引用transaction的交换机和路由器。

（4）最后一个是共识机制，存在很多误区，因为目前很多的区块链系统在参照比特币系统，但是比特币的Pro of work不只是为了共识，其实共识有很多的方法。整个一个大型的区块链网络应该是去中心化和中心化相结合的新型网络，跟今天的互联网类似，要有区域的交换机和区域的中心节点，所以这应该是一个庞大的生态，而不是每一个人的计算机上运行一个节点。

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6 区块链结构

区块链的层叠结构（blockchain stack）：

这幅图的基本思想就是：每个长方形条的内容都是去中心化和开源的，称之为“共享式的数据层和协议层”。没有哪个人能够控制这个系统的任何一部分，而这些部分对所有个人和企业都是开放的。以比特币为例，区块链就是共享的数据层，而比特币协议就是一个去中心化的协议，它是共享的协议层的一部分。

在这副图里，越往上每一层就越薄，而共享的数据层和协议层在整个层叠结构里占了 80%的比例。现在的互联网应用建基于如 TCP/IP 和 HTTP 这样的开放式的去中心化技术之上，但如果你把现在的互联网应用按照这幅图描绘出来，去中心化技术只占 15%，因为那些应用基本都不是开放的，而是中心化的。

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6.1 矿工和区块链

每个矿工都是计算机组成的网络里的节点，这些计算机构成了一个整体，去验证所有的比特币交易。在每一笔交易中，算法会以比特币奖励他们，因为比特币在真实世界具有价值，这些机器的操作者就有激励让机器保持运作。

区块链就是一个公开账簿，它存有所有交易的记录，区块链由矿工去维持，它不是由某一个实体独家控制的，是对所有人开放的。

6.2 各种网络的覆盖重叠

开发者开始创建与区块链平行的各种网络，借由它们去完成比特币网络无法完成的任务，但是可以利用区块链，比如去给他们的工作加上时间戳或去确认工作。

比如Counterparty（它是一个在比特币网络里的免费开放的金融工具平台），比如“侧链”。无论这些网络使用何种形式来覆盖重叠，它们的一个共同点就是它们都与比特币区块链联系在一起，而且它们能从中获得的网络效应就是流动性，而不用它们的加密货币做辅助程序，或者不用如Ethereum要求的区块链做备选方案。

6.3 去中心化的协议

开发一套开源的、去中心化的协议，还有内置的数据、验证方式和交易体系，而没有一个实体可以单独控制。这正是传统的软件业开始瓦解的地方。最佳例子也正是比特币，我们已经意识到它对货币和金融的冲击。

6.4 开源和商业化的 API

一般的开发者难以建立协议，但有机会能让他们轻松搞定。从长期来看这个行业是否会发展良好，这个问题还存在争议，但是我认为这个行业是整个层级结构里的重要组成部分。在这些去中心化协议上，让任何开发者能迅速创建新的应用或实验至关重要。

这可以是商业化的服务，或是开源项目。这个趋势的好例子就是 Chain.com 的 API，还有Coinbase的开源节点工具Toshi。这两个的目标是一样的，不过 Chain 是一个商业服务，而Toshi是开源的。

6.5 应用

这是这个结构图里面向用户的部分。大多数时候，建立在这个基础上的应用和我们现在的方式是一样的，就像Coinbase和 PayPal 的运作方式相似。但对于用户而言，一个很大的

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