快速了解区块链背后的三项基本技术

作者 Thijs Maas

编译 Mika 本文为 CDA 数据分析师原创作品,转载需授权

如果问十个人"什么是区块链技术?",你可能会得到十种不同的答案。理解区块链的最佳方法是逐步了解当中的基本技术。

因此在本文中,我将介绍区块链技术的三个主要部分:区块链本身、点对点网络和共识机制。一旦缺少任何一个部分,比特币将无法存在。首先让我们看到区块链。

区块链 (blockchain)

简而言之,区块链只是数据结构化的一种方式。区块链是分类账:记录账务记录的文件。

可以把这个文件理解为一本永不会完的书。

书上的每一页都记录着信息,同时在底部标有页码。通过页码,你马上可以知道该页面所属的位置,比如49页显然位于48页与50页之间。

就像页面一样,区块也都充满了信息。尽管区块没有确切的编号,但它们附有时间戳,具有与编号相同的功能。新的区块总是加在具有最新时间戳的区块之后,因此形成了链。

区块链很棒的一点是当中使用了加密技术,因此当书中某一页的信息发生改变时,我们都会注意到。该属性使区块链成为很好的数据结构,用来跟踪记录任何有价值的事物。

区块链的用例

在比特币的区块链中,区块包含比特币的交易信息。区块中记录了谁发送给谁多少比特币。

由于区块链从一开始就被用于跟踪所有比特币的流向,因此通过检查分类账可以明确谁在某个时间拥有哪些比特币。在任何时间内"谁拥有多少"就是所谓区块链的当前"状态"

交易只有在包含到区块中,并被添加到区块链中才会发生,因此,当一个区块被添加到区块链中时,区块链的状态就被更新。毕竟,比特币发送了移动。

这意味着如果我想验证某人是否真的对我做了交易,我必须能够检查区块链的状态。为了做到这一点,分类帐必须是公开的。这里就需要用到点对点网络。

点对点网络

(peer-to-peer networks)

为了将区块链作为交易数据的分类帐,我必须要检查区块链,查看是否有人对我的账号或钱包进行了交易。

如果区块链仅存储在一台计算机上,并且恰好被关闭了,那么这是很烦人的。因此,区块链的当前状态需要能够下载、同步并能被全球的计算机所提供。

这些计算机被称为"节点",它们在点对点网络中运行,用来确保区块链的安全性和最新性。每个节点都存储着区块链完整的最新版本。每当添加新的区块时,所有节点都会更新其区块链。

使用点对点网络具有以下优点:

· 可以随时查看自己区块链的状态;

· 无需通过某一方查看区块链的真实状态;

· 无需依靠一台服务器的安全性去确保区块链是否安全;

· 不法分子必须同时攻击数千台计算机,而不是一台服务器;

· 区块链不会被删除,因为它必须被所有节点删除。

基于服务器的模型 vs 点对点网络

这很重要,但以上并不意味着区块链就足够安全,能够用于存储或交易任何有价值的事物。

例如,如何确认区块链中的(交易)数据是正确的?如何确认区块中没有无效的交易?如果存在不同版本的区块链,如何确认哪个显示了区块链的真实状态?

这些问题能够通过共识机制解决,这种机制是通过点对点网络实现的。

共识机制 (consensus mechanism)

Napster公司早在1999年就使用了点对点机制。

区块链在比特币出现之前就已经存在。

比特币神秘的匿名创始人——中本聪,在白皮书中通过基于密码学的共识机制,他巧妙地将两者结合起来。共识机制允许点对点网络中的节点一起合作,而不必相互了解或信任。

"共识算法的目的是根据特定的状态转换规则,考虑到安全的更新状态,其中执行状态转换的权利分布在用户中,这些用户能够通过算法共同进行交易。"

——以太坊创始人 Vitalik Buterin

如果你还是不太懂,那么这样理解,其实共识机制就是一系列规则,网络中的节点通过运行网络软件来达成一致。这些规则确保网络正常工作并保持同步。

共识协议规定:

· 如何将区块添加到区块链中;

· 区块何时被认为是有效的;

· 如何解决冲突。

添加区块

不同的区块链添加区块的方式各不相同。其中最广为人知的共识机制是比特币的工作量证明(Proof of Work )

工作量证明的第一条规则是,平均每10分钟会在区块链中添加一个区块。

促进这一过程是所谓的"挖矿"。试图在区块链中链添加区块的节点(称为"矿工")使用计算机的计算能力尝试解决密码"难题"。规则规定,只有这个难题被解决时,区块才能被添加到区块链中。

解决这一难题的矿工"挖"新的区块,并增加到区块链中,同时矿工会得到网络的奖励。预定数量的新币将被创建,并奖励给矿工,以及该区块中包含的所有交易的成本。

随后,所有矿工将开始挖下一个区块。

比特币挖矿设备。为了获得足够的挖掘处理能力,你需要大量的GPU。

比特币的工作量证明不是唯一的共识机制。分布式账本中也常使用权益证明(Proof of Stake)。在基于权益证明的机制中,某人可以对他的币进行"下注",以便被选中从而添加下一个区块。从某种意义上相当于,一位赌徒说:"我用币打赌我正确添加了这个区块。" 如果他说谎就失去币。

关于哪种共识机制是最好的仍存在很大的争论。尽管如此,无论区块是如何创建的,网络中的其他节点仍需要决定该区块是否有效。

区块的有效性

当矿工解决这个难题并挖到区块时,网络中的所有节点将检查该区块是否有效,并将其添加到区块链的副本中。节点首先要对有效性达成一致。只有这样,网络才会同步并更新区块链的状态。

只有当遵循共识机制的规则时,节点才会将新的区块添加到区块链中。他们运行的软件将检查区块是否有效。无效的区块将被拒绝。

当然,区块与其中包含的交易有效性一致。以比特币为例,协议规定,如果首先没从他人那儿收到比特币,或者挖到比特币,那么你将无法发送比特币。

换句话说,如果发送者收到足够的比特币进行交易,节点将检查区块中的所有交易。为此,需要检查网络的状态。

假设我已收到1比特币,我之后将其发送给Alice。接着我试图将相同的比特币发送给Bob。只要我的第一笔交易被添加到链中,所有节点都会更新区块链,从而得出我已经没有那个比特币了。那么我给Bob的交易将会被节点拒绝。节点发现该区块不遵循规则时,则不会将该区块更新到区块链中。

规则还规定,交易只有在比特币所有者的进行数字签名时才有效。只有钱币的所有者才能对交易签字。因此,只有你可以花费你的比特币。

如何解决冲突

在偶然的情况下,两名矿工可能同时向区块链中添加有效区块。想象一下,一部分节点接受了一个有效的区块,其他节点接受了另一个区块。前者包括我与Alice的交易,后者包括我与Bob的交易。现在同时存在两种不同的区块链状态!

我们将其称为(无意)的"分叉(fork)":区块链分成两个不同的链。Alice和Bob谁才收到了我的比特币?两条链中的哪一条是'真正的'区块链?

通常会通过一条简单的规则解决这个问题:最长的区块链获胜。

区块链分叉的可视化

当出现分叉时,一些矿工将开始在其中一条上进行挖矿,而另一些开始在另一条上进行挖矿。不可避免的是,一条区块链将比另一条拥有更多的矿工,因此添加区块的速度会更快。其他的矿工将换到较长的区块链上,那么分叉的区块链将会消亡。这对主区块链没有任何损失。

为什么会这样?

因为矿工是以自我利益行事的经济行为者。矿工没有兴趣对会消亡的分叉区块链进行挖矿。分叉区块链上的所有交易从未在主区块链上发生,这意味着在分叉链上挖矿的矿工不会因为其工作而获得奖励。

在极少数情况下,分叉链上可能产生大量的挖矿能力。这时则需要一段时间才能确定哪条是主区块链。一般认为,在6个区块后确认交易是明智之举。

区块链分叉的可视化。一般不会超过5个区块。

在区块链中添加区块需要巨大的处理能力,以及最长的区块链取胜的规则,这保证了区块链的安全性。攻击网络的唯一方法就是回到区块链中的某个区块,进行分叉并从那里挖新区块。然而要做到这一点,攻击者必须重新完成矿工的所有工作,并赶上主区块链。如果没有比整个矿工网络更多的计算能力,这几乎是不可能实现的。简单地说,这种操作所需的电力和GPU成本非常昂贵。

原文链接:

https://hackernoon.com/3-steps-to-understanding-blockchain-8a285572daa3

原文发布于微信公众号 - CDA数据分析师(cdacdacda)

原文发表时间:2018-03-16

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