什么是区块链技术？它是如何运作的？

用简单的话来说，什么是区块链？

区块链是一种不可篡改的分布式账本。你可以把区块链想象成一条时间线，记录着发生了什么以及何时发生的。

让我们用简单的语言来分解这个问题，简要解释每个方面。

• 账本最简单的形式是交易记录，但区块链还可以存储其他信息。
• 在区块链中，账本是分布式的，这意味着许多计算机（称为节点）都持有账本的相同副本。在某些区块链网络中，节点数量可达数万个。例如，比特币在全球拥有超过 5 万个节点，其中超过 1.7 万个节点是可访问的。
• 区块链也具有不可篡改性，这意味着它们无法被更改——或者更准确地说——区块链很难被更改。例如，以目前的技术而言，几乎不可能更改比特币区块链上的交易。

简单来说，区块链提供交易记录（以及其他数据），类似于数据库。这些交易记录被存储在区块中，就像一个容器。

然而，与数据库不同，区块链数据不易被篡改。任何人都可以轻点几下鼠标就更改或删除整个数据库。区块链通过分布式存储数据来保护数据安全，使得历史数据极难被篡改。我们将在下一节详细讨论这一点。

区块链技术是如何运作的？

首先，我们来看一个典型的区块链结构。然后，我们将探讨支撑当今许多知名区块链的支柱技术。

为了说明区块链技术的工作原理，让我们来看一个比特币交易示例，以及它如何成为不可篡改的账本的一部分。

1. 杰克向吉尔发送了一个比特币。杰克使用比特币钱包发起交易，钱包应用将交易广播到比特币网络。杰克的钱包使用杰克和吉尔的加密地址，而不是他们各自的真​​实身份。
2. 比特币矿工会处理交易。网络中被称为矿工的计算机负责解决包含待处理区块交易的密码学难题。这就是工作量证明（PoW），它是比特币的共识机制（协议机制）。
3. 矿工找到一个可以存放交易的区块。在交易被打包进区块之前，它会被保存在内存池（mempool）中，这是一个等待区域。
4. 比特币网络会验证区块的有效性。一旦网络确认区块有效，新区块就会被添加到区块链中。在此过程中，前一个区块的加密哈希值会成为新区块的一部分。这一步骤将各个区块连接成一条链。
5. 比特币节点会更新其区块链副本。目前，全球数千个比特币节点托管着更新后的区块链，其中杰克的比特币数量减少了一个，而吉尔的比特币数量增加了一个。每个区块中的交易都使用时间戳来防止双重支付。

Jack 和 Jill 之间的这笔交易包含了区块链的所有关键支柱：去中心化、不可篡改性、透明性和安全性。

接下来，让我们更详细地讨论一下这些支柱。

1）去中心化

去中心化指的是没有任何单一实体或团体拥有过大的影响力。在许多区块链网络中，区块链被复制到分布于全球各地的数千个节点上。

共识，即对区块链状态的一致意见，也是以去中心化的方式实现的。

简而言之，没有任何中央机构来判定交易的有效性。

相反，一套规则（协议）决定了网络如何就区块链的状态达成一致，以及如何将新交易添加到链中的区块。

这种方法与传统金融不同，在传统金融中，银行或支付处理机构可能是交易的最终仲裁者。

一般来说，区块链支付网络考虑的因素较少。以上述杰克和吉尔的例子为例，比特币网络只考虑杰克是否还剩下一个比特币可以发送给吉尔。支付目的和参与者的真实身份都不在考虑范围内。

然而，并非所有区块链都是去中心化的。例如，私有区块链在共识机制或其他方面可能具有中心化特征。

同样，区块链最初可能具有中心化特征，之后逐渐去中心化。例如，Cardano 网络正致力于通过其计划中的Voltaire 分叉，利用投票机制实现网络开发的去中心化。

2）不可篡改性：数据不能被更改

在区块链语境中，不可篡改性指的是无法更改存储在区块链上的交易。

在传统的金融或数据存储领域，黑客或拥有管理员权限的人可以篡改数据。例如，电视剧《黑客军团》（Mr. Robot）讲述的就是一个黑客组织企图通过攻击金融数据库来抹去全球消费者债务的故事。

相比之下，区块链的设计目标是永久性的，前提是网络中的节点仍然存在。

不可篡改性的另一个方面是最终性，指的是交易无法被撤销的临界点。例如，在比特币网络中，一笔交易在获得六个确认（区块）后即被视为最终完成，大约需要一个小时。此后修改交易所需的计算成本极高，几乎不可能实现。

实际上，小额交易一旦被包含在区块中，就最终确定了。

不可更改性带来了诸多好处，其中一些好处有利于业务用例。

• 欺诈预防：区块链的不可篡改性使得更改先前的交易或插入新交易以实施欺诈成为不可能。
• 安全性：金融交易和供应链跟踪等业务应用依赖于可靠的数据，而不可篡改性可确保数据未被更改。
• 审计效率：基于区块链数据的审计比基于数据库的审计效率更高，后者成本可能很高。在区块链上，数据就是数据本身。
• 问责制：永久记录使任何拥有区块链访问权限的人都能追踪事件，并精确定位事件发生的时间。这有助于解决责任问题或提高效率。

3）透明度：公共账簿

公有区块链使用公共账本。这一特性使得任何人都可以查看交易数据和历史记录。由于区块链在全球各地的节点上都有副本，因此数据对所有人开放。

例如，blockchain.com 提供比特币区块链的完整交易数据，从创世区块（第一个比特币区块）开始。同样，以太坊的第一个区块也对所有人公开。大多数流行的加密货币区块链都使用透明的公共账本。

然而，并非所有区块链都是透明的。私有区块链通常不会公开交易数据。

4）安全：信息保护中的密码学

区块链利用密码学来保护网络安全、记录交易和保护身份信息。

加密货币得名于其各自网络中对密码学的使用。区块链使用密码哈希值，这是一种通过加密算法从源数据中导出的字母数字值。

例如，比特币使用双重 SHA-256 编码来生成数据输入的哈希值，如下例所示：

密码学是比特币挖矿的核心，但加密哈希也用于钱包地址以及将一个区块链接到下一个区块。

例如，在前面的例子中，当 Jack 想向 Jill 发送一个比特币时，Jack 使用他的公共钱包地址作为发送地址，使用 Jill 的公共地址作为接收地址。

区块链上的这两个地址都源自对每个用户私钥的加密，生成了一组看似随机的字母和数字。然而，它们实际上并非随机。

对于给定的加密算法，相同的输入总是会生成相同的输出。如果输入中的一个字符发生变化，生成的哈希值也会随之改变。

区块的加密哈希值会被包含在下一个区块中，从而形成一条不可篡改的链。因此，密码学能够保护区块链上存储的交易和数据免受更改。

区块链网络的三种主要类型

区块链网络是由一组计算机组成的，它们托管区块链，验证要添加到区块链中的数据或交易，并在某些情况下执行网络上的智能合约。我们稍后会更详细地讨论智能合约。

一般来说，这些网络分为三大类：公共区块链网络、私有区块链网络和联盟区块链。

公共区块链网络

前面描述比特币交易的例子阐明了公共区块链网络的关键特征。

• 公共区块链提供普遍访问权限。任何人都可以运行节点、下载区块链副本或在网络上进行交易。
• 公有区块链是透明的。大多数公有区块链都允许任何人访问区块链数据。然而，像门罗币（Monero）这样的隐私区块链则会隐藏交易金额或其他数据。
• 大多数公共区块链都是去中心化的。去中心化可以描述网络的多个方面，包括托管区块链的节点数量、参与共识的节点数量以及用于改进网络的决策方法。
• 去中心化共识机制通常会导致公有区块链比私有区块链速度更慢。像比特币的工作量证明这样的共识机制会导致区块生成时间更长（比特币大约需要 10 分钟）。
• 公有区块链使用匿名地址。公有区块链不使用您的真实姓名或登录名，而是使用钱包地址作为用户身份标识。然而，通过某些模式或其他线索，仍有可能将您的真实身份与区块链地址关联起来。
• 公共区块链是不可篡改的。交易最终性是区块链技术的核心。交易和数据都不能更改。

例如，我们可以看看几个知名的加密货币区块链，它们都是公共区块链的例子。

• 比特币
• 以太坊
• 雪崩
• 狗狗币
• 莱特币

私有区块链网络

顾名思义，私有网络并非为公共访问而设计。企业和组织可以使用私有区块链网络来托管满足其特定需求的数据。

• 私有区块链限制访问权限。只有获得授权的实体才能查看区块链数据或参与区块链网络。
• 私有网络可能使用专有的共识机制。与以去中心化共识为核心价值的公共网络不同，私有网络可能使用安全性较低、节点数量较少的共识机制。
• 私有区块链支持受控审查和审计。审查和审计权仅保留给特定实体。
• 可以采用去中心化技术。私有网络仍然可以支持点对点（P2P）交易和去中心化节点。
• 大多数私有区块链都是不可篡改的。与只需敲击几下键盘即可更改的私有数据库不同，私有区块链上的数据通常无法更改。

Quorum区块链最近被Consensys收购，它是一个采用许可访问机制的私有区块链网络示例。该网络是以太坊区块链的一个分支，支持智能合约，但其区块生成速度比以太坊快十倍。

另一种区块链网络，即混合区块链，同时承载私有数据和公共数据，其中公共数据对所有人开放，而私有数据仅对获得授权的实体可见。上文提到的 Quorum 就同时提供公开和私密的交易。

联盟区块链

联盟区块链是一种由多个实体管理和运行的区块链网络，例如同一行业的成员或同一公司内的业务部门。

该联盟决定如何管理区块链以实现共同目标。

• 联盟区块链能够维护数据隐私。访问权限可能受到限制，以保护敏感数据，从而确保隐私。
• 联盟区块链网络能够实现快速交易。较小的用户基数加上更高效的共识机制，使得联盟区块链比公共区块链网络快得多。联盟区块链通常使用权威证明（PoA），这是一种基于信任的共识方法，它使用少数选定的参与者或节点进行验证。
• 联盟区块链节点遵循一套既定的协议。尽管节点可能由联盟内的不同实体管理，但所有节点都遵循相同的协议。

Corda 是一种流行的联盟区块链解决方案，它将银行、金融服务或保险等类似行业的企业，或者同一公司内部的各个业务部门连接起来。例如，Chubb 就使用基于 Corda 的分布式账本实现了工作流程自动化。

什么是区块链协议和平台？

区块链有其自身的术语和细微的含义。协议和平台是区块链技术的两个关键组成部分，但它们并非总是容易被理解。

区块链协议：规则与程序集

协议本质上就是一套规则。在区块链领域，协议定义了区块链网络运行的规则。你可以把它想象成底层架构。下一节我们将讨论平台，平台能够支撑底层架构和应用生态系统的蓬勃发展。这两个主题相辅相成，在区块链项目中也存在一些重叠之处。

从根本上讲，协议定义了区块链的运行规则。以下仅列举区块链协议的几个要素。

• 治理：去中心化区块链需要治理机制。谁来决定何时修改区块链代码？许多项目允许代币持有者对改进提案进行投票。而在其他情况下，节点运营商则必须在不同的软件版本之间进行选择，以此作为投票方式。
• 共识机制：比特币使用工作量证明（PoW）来达成区块链节点间对区块链状态的共识。以太坊最初也采用工作量证明，但现在使用权益证明（PoS）。其他一些项目也采用了不同的共识机制。
• 密码学：哈希函数在其算法中遵循一套规则。然而，每个项目可能会选择不同的算法，各有其理由。比特币使用 SHA-256 算法，并在许多情况下再次运行该算法来处理生成的哈希值（双重 SHA-256）。而以太坊则使用 Keccak-256 算法。
• 区块大小：比特币使用内存大小来限制区块大小，而以太坊则使用基于手续费的目标大小。
• 代币学：新加密货币的产生方式以及协议如何管理总供应量，代表了规则的另一子集。

如今的区块链网络底层也是各种协议。

• 比特币协议
• 以太坊协议
• Solana协议
• 卡尔达诺协议
• 门罗币协议

区块链平台：部署生态系统

区块链项目的目标可能很简单，例如比特币，旨在成为一个点对点的电子现金系统。或者，区块链项目也可以作为第三方开发平台。

以太坊协议率先支持智能合约，智能合约是在区块链网络上运行的条件程序。后续的区块链将这种可扩展性提升到了一个新的水平，构建了旨在运行其他专用区块链的区块链，每个专用区块链也都能够执行智能合约。

• 以太坊
• 雪崩
• 波尔卡圆点
• 多边形

其他项目则针对商业应用，提供了一种部署专为特定行业用例设计的定制区块链的方法。

• R3 Corda
• 超级账本
• 以太坊
• EOSIO
• ConsenSys 法定人数

什么是智能合约？

区块链为存储数据和交易提供了一种强大的新方式，但智能合约实现了除记录保存之外的新功能。

智能合约是用编程语言构建的条件开关。如果发生这种情况，就执行那件事。

以太坊上线之初就支持智能合约，成为首个智能合约区块链。然而，与区块链技术的许多方面一样，智能合约的概念并非全新。事实上，智能合约的概念可以追溯到上世纪90年代。

在公共区块链上，智能合约能够实现复杂的交易，从而与其他类型的应用程序一起，创造一个去中心化金融（DeFi）世界。

对比来看，比特币支持收发币，并具备一些附加功能，例如铭文，但比特币的设计初衷是作为去中心化货币。而以太坊则承载着功能齐全的去中心化应用程序（dApp），涵盖了从去中心化交易所到借贷平台，再到元宇宙等各种应用。当然，以太坊的代币（以太币）也可以像比特币一样作为货币使用。

在私有区块链上，智能合约可以包含特定行业的合约，这些合约会在满足特定条件时执行。

区块链技术的优势和劣势

区块链技术的创新有望彻底改变我们与资产和数据交互的方式，但区块链和传统系统各有优缺点。哪种方案最佳可能取决于具体目标。

积极方面

与传统系统相比，区块链具有诸多优势。

• 不可篡改性：区块链数据难以更改。任何篡改行为都会破坏区块链。每个协议中内置的经济激励和惩罚机制有助于防止此类尝试。
• 透明性：公共区块链允许任何人访问交易数据。这带来了诸多优势，包括增强信任度和问责制。透明性通常也体现在代码本身。大多数公共区块链协议都会公开源代码。
• 抗审查性：区块链网络使用匿名钱包地址作为标识符。这使得人们（或应用程序）可以进行交易而无需担心金融审查。
• 可追溯性：任何人都可以验证任何交易，甚至可以查看交易历史记录。
• 互操作性：目前大多数区块链无法相互通信。然而，Avalanche、Polygon 2.0 和 Chainlink 等协议正在构建区块链之间的通信方式，使一条链上的资产或数据能够在其他兼容的链上访问。

缺点

然而，与传统系统相比，区块链技术也存在一些缺点。

• 速度和性能：专用数据库和其他应用程序可以运行得更快，绕过去中心化网络的延迟和较慢的共识方法。
• 更高的实施成本：与定制现成的解决方案或使用传统编程语言构建应用程序相比，构建和维护区块链的成本可能很高。
• 数据修改：不可篡改性固然好——直到出现错误为止。传统系统更容易纠正错误数据。

区块链技术常见问题解答

简单来说，区块链技术是什么？

区块链技术是指使用数据块存储数据和交易信息的一种方式，这些数据块相互链接以构建时间线。区块链的设计初衷是使其不可篡改。通常，区块链会在全球成百上千个节点上进行复制，通过去中心化网络来保存数据。

什么是区块链？

区块链并非只有一个。该术语可能指特定的区块链，例如比特币或以太坊，也可能用来描述区块链技术，即一种将数据安全地存储在构成链状的链接区块中的方法。

谁拥有区块链？

大多数公共区块链并非由任何个人或团体所有。例如，比特币和以太坊都属于社区。社区共同决定对协议进行哪些更改，没有任何个人或团体拥有区块链的所有权。

区块链是未来吗？

对于许多应用场景而言，区块链提供了最佳——或许也是最公平的——解决方案。这些应用领域包括金融等。但在其他情况下，传统系统可能仍然是最佳选择，尤其是在涉及专有数据或速度至关重要的情况下。

区块链技术的用途是什么？

区块链技术最初的常见用途是提供无需银行或支付服务提供商等中介机构的点对点交易。后来的应用范围扩大到更复杂的领域，例如去中心化加密货币交易所、借贷平台和游戏。