区块链关键技术一览

我们可能已经通过各种媒体、科普文章看到过多次关于区块链技术中的各个点，常见的如链式结构、P2P、挖矿算法、加密算法等等。事实上， 其中多数技术都是有着几十年的发展历史，之后被中本聪放到比特币中使用，今天我们结合上次简单改过的比特币代码，用简单易懂的语言做一概述。

链式的数据结构

区块链之所以被称为“链”，就是因为其数据结构的巧妙设计：多个收支记录打包为一个数据块（第一条记录指定为挖矿所得），数据块附加有描述信息（头部信息），其中除了版本号/数据校验值/时间戳/难度值/随机数等常规信息外，还包含了前一个数据块的哈希值，这也是区块链机制中，数据不可修改的原因---所有数据都是通过这种链状的结构链接起来。每个数据块都是通过大量计算才打包的，修改中间数据意味着要修改其后所有的数据，除非拥有超级计算能力，或者说全网计算能力的一半以上，这也就是所谓的“51%攻击”，在计算能力出现理论机制级别的提升之前，我们不用担心主要数字货币的“51%攻击”问题。

链式的数据结构中，存储的实际上是所有交易的记录，所以，又被成为“账本”，或者ledger。

在源码的 src/primitives/block.h 中，可以查看 CBlock的结构信息。文件中也包含了对区块数据的描述：节点收集交易数据进行打包，不断尝试随机数进行哈希计算，似的计算结果符合POW工作量证明机制的条件，一旦达到条件，既是挖块成功，节点会将信息广播到网络中，交易信息的第一条数据是特殊定义，其中记录的是当前区块的挖矿所得。

P2P去中心化网络技术

点对点技术并不新鲜，我们之前经常听到的“P2P下载”也是基于此机制。相对于传统的server-client方式服务，P2P的所有节点都处于对等地位、都拥有全量数据，每一个节点既是server也是client，这使的系统整体的可扩展性、健壮性、性能等方面都非常优秀。在区块链技术中，也意味着，任何接入者都有权获取所有的账目信息（公有链、联盟链、私有链的划分我们在未来单独说明）。

在源码的 src/net.cpp ，net.h中有P2P相关的实现。

为了使系统在启动时自动获得其他节点的信息，需要有至少一个“种子地址”，所以，在源码的src/chainparams.cpp 中设定了多个种子地址（详见 vSeeds.emplace_back 调用的参数），这都是能够持续稳定提供服务的节点。同时程序还提供了指定节点的参数。

加密算法：hash函数、椭圆曲线密码

hash函数是将任意长度的输入，经过不可逆的处理过程，转换为固定长度的输出内容。主要有两大类：Message Digest Algorithm（最常见的MD5，以及其前身MD2,MD3,MD4）以及Secure Hash Algorithm（常见的SHA-1，SHA-2，SHA-3，RIPEMD160）。

既然hash算法是把内容处理之后得到限长度内容，那理论上就存在重复的可能（碰撞），随着计算能力的增强，MD5、SHA系列的函数都面临着碰撞攻击，事实上，SHA-3就是在这样的环境下诞生的更高级别的处理机制。而未来，加密机制和计算能力一定是循环递进的过程。

我们知道，比特币钱包中包含了一系列的密钥对，每个密钥对是由一个私钥和公钥构成。公钥由私钥生成、公钥再生成比特币地址。其中公钥和私钥的生成，用到了椭圆曲线算法。具体机制我们在这里不展开讲，可搜索引擎查询。与传统的RSA非对称加密算法相比，椭圆曲线算法安全性更高、计算量更小，所占用的存储空间也更小，这对于每个节点都记录完整交易信息的数字货币来讲，是极其重要的。

相关函数实现，在代码的 src/crypto/ 目录下。

共识算法

比特币使用工作量证明机制（POW）的共识算法。这可以说是经济学和计算机学的一种创新：由计算机的工作量来证明其无差别的劳动价值。从概率上讲，计算节点算力占全网算力的比例，既是它挖矿成功的概率。也正是因为这个机制，使得挖矿、矿机、矿池成为数字货币产业链条中的重要部分。当然这也是数字货币被诟病的地方：人为制造出来的社会资源的消耗。支持者认为这是一种合理的机制，正如实体经济中的采矿---付出代价获得矿物，这就是矿物的价值基础。反对者认为这种资源消耗是一种无谓的浪费，并以此认定数字货币没有价值。

POW机制中，具体计算的成本消耗在了哪里呢？就是大量的SHA256计算（参见 src/crypto/sha256.cpp ）。

除工作量证明，数字货币常见的还有股权证明（POS，Proof of Stake），委任权益证明（DPOS，Delegated Proof of Stake）。

Merkle Tree

Merkle Tree，或称为Hash Tree，是一种树状的Hash结构。常在大量数据传输（或被分割成大量数据块的传输）中被用于校验数据一致性。比特币数据块的头部信息中，包含了一个叫做 hashMerkleRoot 的字段（详见src/primitives/block.h），其中保存的就是本数据块中所有交易信息的Merkle根。我们借用Wikipedia的一张图来描述生成merkle tree的过程：

对数据块中的每笔交易信息进行hash计算，并按照hash值进行排序，这就是merkle tree的“叶子”。然后对相邻两个hash值进行hash计算，层层递进，直到只有一个hash值，就是merkle tree的根。

具体可参考代码的： src/consensus/merkle.cpp

上面只是简要介绍了部分技术点，其中没有包括智能合约、侧链/跨链等技术，我会在接下来的时间里单独介绍。