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从零开始学基于以太坊的区块链应用开发系列07

在本课的内容中,我们将学习区块链技术的基本原理,从而为后面的开发打好基础。

一.SHA256

在了解什么是区块链之前,首先我们要了解一下SHA256 Hash。

简单来说,SHA-256是一种加密算法的实现,属于单向哈希函数,是SHA-2家族的一员。SHA-2由NSA(美国国家安全局)设计,使用所谓的Merkle-Damgard结构,包含了6种哈希函数: SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512, SHA-512/224, SHA-512/256. 后面的数字代表信息中所包含的bit(位)。

关于SHA-2的详细知识,大家可以通过维基百科或者密码学的相关知识了解:

https://en.wikipedia.org/wiki/SHA-2

简单来说,SHA-256是比特币中用于实现数据加密的算法。对于没有接触过加密算法的童鞋来说,我们先不要直接深入算法底层的研究,而是重点关注下这种加密算法是如何应用于区块链技术的。

打开Chrome浏览器,输入以下网址:https://anders.com/blockchain/hash.html

此时会看到类似下面的界面:

在这个页面中,只要我们在数据区(Data)的文本框中输入任何信息,都会看到Hash区所生成的加密后的信息。

无论在Data区输入什么信息,在Hash区所显示的都是字母和数字的组合。

如果把人比作数据,那么Hash值就相当于人的指纹,或者DNA。

此外,我们可以尝试着在Data区输入某个信息,比如Apple,然后把下面的Hash值截图保存。接着删除Data区的数据,然后重新输入Apple,会发现此时生成的Hash值和之前所保存的Hash值完全相同。

所以,就像人的指纹或者DNA一样,一旦确定,是不会改变的。

还有一点要说明的,我们可以把一段文字,一本书,甚至是整个人类图书馆中古往今来所有的信息都输入到Data区,最后得到的仍然是一个单一的Hash值,惊不惊喜~

比如:

无论Data区中的信息是空的,一句话,一段文字,甚至是人类历史上所有的信息,在Hash区我们得到的仍然是一个Hash值。

此外,我们之前提到过SHA256属于单向哈希函数,也就是说无论我们输入什么信息,都会得到一个Hash值。但是,我们无法从这个Hash值反向生成Data区的数据,这样就一定程度上保证了数据信息的安全性。

好了,关于SHA256 Hash的介绍就到这里了。

现在大家知道为什么比特币被称为加密数字货币cryptocurrency了吧?这是因为比特币和区块链是基于加密技术(cryptography)的。

二.Block(区块)

现在大家已经了解了关于SHA256加密算法的一些基础知识,接下来要了解的就是区块链(BlockChain)的核心基础概念Block(区块)。

那么,究竟什么是区块呢?

这里不想用干巴巴的文字来解释,大家还是直接打开Chrome浏览器,输入以下网址:https://anders.com/blockchain/block.html

此时会看到类似下面的界面:

通过这个页面,我们将初步了解区块的基本概念,以及究竟什么是Mine(挖矿)~

这个页面跟刚才的Hash页面的区别在于,我们将数据分为了三个组成部分,分别是Block,Nonce和Data。Hash值区保持不变。

不过如果你仔细观察,会发现跟Hash页面相比,Block页面的Hash值都是以0000开头的。

因为有了这开头的0000,我们可以说这个Block区块已经被sign(签名)了。

好了,接下来试试看,如果我们尝试更改Block,Nonce和Data区的任一处数据(或者全部都更改),会发生些什么呢?

你会看到,当更改任一个地方的数据后,Hash值都不再以0000开头。当然,页面上使用了红色预警的方式,提示我们Hash值发生了变动。

也就是说,在这种情况下,这个block区块的数值不再有效,或者说不再被sign(签名)。

好了,这个时候Nonce的作用就体现出来了。

顾名思义,Nonce的中文意思是随机数。通过更改Nonce随机数,我们希望在Data区信息更改的情况下,Hash值仍然以0000开头。

你可以尝试着手动调整Nonce的数据,看看能否将Hash值更改为0000开头的,恐怕颇有难度吧~

你可能会花上一整天时间,也不一定得到希望的数据(看运气了)~

但是当我们点击页面下方的Mine按钮时,会在比较短的时间里面计算出合适的Nonce值。

这就是所谓的Mine(挖矿),当然,这是最简单最极端情况下的挖矿,我们甚至可以人工采矿~

另外,需要注意的是0000之后的Hash值仍然发生了变化。

通过这种方式,block区块再次回到验证状态。

这就是block区块。

三.Blockchain(区块链)

在了解了block区块的概念之后,接下来我们来认识什么是blockchain(区块链)。

相信大家已经看到了不少图文的说明,但还是那句话,百闻不如一见,直接用一种更直观的方式来了解一下,究竟什么是区块链吧。

在Chrome浏览器中输入以下网址:

https://anders.com/blockchain/blockchain.html

会看到类似下面的界面:

简单来说,我们可以把blockchain看做一种特殊的数据结构。

跟Block页面相比,Blockchain页面的区别来于,出现了多个Block,而每个Block除了Block,Nonce,Data和Hash值区,还增加了一个Prev区。正是因为这个Prev区的存在,多个独立的Block区块才得以组合在一起,形成了一个Blockchain区块链。

仔细观察发现,Block2的Prev值区保存的信息其实是Block1的Hash值,而Bock3的Prev值区保存的信息其实是Block2的Hash值,以此类推。

好了,现在让我们尝试着更改Block5的Data,那么跟之前一样,只需要在当前区块进行Mine计算就好了。

问题来了,如果我们更改Block4的Data,看看会发生些什么。

可以看到,因为Block5的Prev指向的是Block4的Hash值区,所以Block4中Data的变化也会导致Block5的验证失效。

事实上,如果我们更改Block1到Block4中的任何一个中的信息,都会导致后面的区块全部验证失效。

为了让区块重新验证签名,我们需要从所更改的区块开始Mine挖矿,然后在其完成验证后,需要从邻接的下一个区块继续mine,一直到最后面的区块为止。这样的计算量相比刚才的单个block区块,就大大增加了难度。

想象一下这个blockchain中有成千上万个block,那么企图随意篡改历史上某个block信息的可能性就大大降低了。

但是,即便更改blockchain中某个block的历史信息很难,仍然存在这种可能性。那么,我们如何才能知道当前的blockchain中的block是原始区块,而不是更改信息之后remine重新验证生效的区块呢?

我们下一课再见~

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