区块链概念及其运行方式介绍
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区块链概念及其运行方式介绍

区块链概念及其运行方式介绍

初阶
发布时间 May 15, 2023更新时间 Nov 28, 2023
11m

摘要

  • 区块链是一个去中心化的数字账本,通过网络上的多个专用计算机安全记录交易数据。

  • 区块链通过密码学和共识机制确保数据的完整性,由于其不可篡改,一旦信息被记录,就无法进行逆向更改。

  • 区块链是比特币与以太币等加密货币的支柱,它可以提升各个领域的透明度、安全度和信任度,而非仅仅局限于金融领域。 

什么是区块链?

区块链是一种特殊的数据库,也被称为去中心化的数字账本,由分布在世界各地的计算机共同维护。区块链数据组成区块,由密码学技术提供保护,按照时间顺序排列。

区块链最早的模型构建于20世纪90年代初。当时,计算机科学家Stuart Haber和物理学家W. Scott Stornetta使用加密技术保护数据不被篡改。

Haber和Stornetta启发了许多计算机科学家与密码学爱好者,推动了首个由区块链技术支持的加密货币——比特币的诞生。从那时起,区块链技术的应用范围越来越广,全球越来越多的人开始使用加密货币。

尽管区块链技术常常用于记录数字货币交易,但它也可以用于记录各种数字数据,用途非常广泛。

什么是区块链的去中心化?

区块链的去中心化指的是将对网络的控制和决策权分散给用户,而不是由政府或公司等单一实体控制。在需要与陌生人协调或者确保数据的安全性和完整性的情况下,这种方式非常有用。

在去中心化的区块链网络中,没有中央机构或中间机构控制数据或交易的流动。相反,交易由分布式计算机网络验证和记录,这些计算机协同工作以维护网络的完整性。

当人们谈论区块链技术时,通常不仅限于数据库。区块链技术支持加密货币和非同质化代币(NFT)等应用,使人们无需依赖中央机构也能进行合作和交易。

区块链的工作原理

从本质上讲,区块链是一种可以安全记录两个参与方交易的数字账本,而且这些记录是不可篡改的。这些交易数据由专用计算机(即节点)的全球分布式网络进行记录。

当用户发起交易,例如向其他用户发送一定数量的加密货币时,该交易就会被广播到网络上。每个节点通过验证数字签名和其他交易数据来验证交易。

交易经过验证后,将与其他已验证交易一起被添加到区块中。使用加密方法将区块链接在一起,就形成了区块链。验证交易并将其添加到区块链中的过程是通过共识机制完成的。共识机制是一组规则,它规定网络上的节点就区块链状态和交易的有效性达成一致。

密码学对于区块链维护安全、透明和防篡改的交易记录至关重要。例如,哈希运算是区块链使用的重要的加密方法。这一加密过程可将任意输入信息转换成固定长度的字符串。

区块链中使用的哈希函数通常具有抗冲突性,这意味着两个不同数据生成相同哈希值的几率极小。另一个特征被称为雪崩效应,指的是输入数据的任何微小变化都会导致输出结果截然不同。

我们以比特币使用的SHA256函数为例进行说明。如您所见,改变字母大小写会导致输出结果截然不同。通过逆向工程从哈希输出倒推输入数据是不可行的,因此哈希函数也是单向函数。

输入数据

SHA256 输出

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区块链中的每个区块都包含前一个区块的哈希值,从而形成坚固的区块链。想要更改一个区块,就必须更改所有后续区块,这不仅在技术上具有挑战性,而且成本高昂。

另一种在区块链中广泛使用的加密方法是公钥密码学。它也被称为不对称加密,可以帮助用户之间建立安全、可验证的交易。

它的运作方式如下。每位参与者都有一对独一无二的密钥:私钥需要保密,公钥则可公开。当用户发起交易时,他们使用私钥对其进行签名,从而创建数字签名。

其他网络用户可以通过将发送者的公钥应用于数字签名来验证交易的真实性。这种方法可以确保安全交易,因为只有私钥的合法所有者才能授权交易,但每个人都可以使用公钥验证签名。

区块链的另一个特点是透明性。通常情况下,任何人都可以在公共区块链网站查看区块链的所有数据,包括交易数据和区块数据。例如,您可以在区块链浏览器网站上查看比特币网络上记录的每笔交易,包括发送者和接收者的标识符、转账金额以及所有比特币持有者的列表。您还可以从现在的区块(区块788,995,截至GMT 2023年5月29日18:52:21)一直追溯到首个区块(即创世区块)。

什么是共识机制?

共识算法是一种机制,允许用户或计算机在分布式设置中互相协调。它需要确保系统中的所有代理都能就单一事实来源达成一致,即便是在有些代理存在故障的情况下。它们确保网络中的所有节点都拥有相同的账本副本,其中包含了所有交易的记录。由于没有中央机构来验证交易和维护网络的完整性,因此共识机制对区块链来说是必要的。

当成千上万个节点保存区块链数据的副本时,数据一致性和恶意节点等挑战很快涌现出来。为了保证区块链的完整性,存在各种共识机制来规定网络节点如何达成一致。现在让我们来了解一下主要的共识机制。

共识机制的类型

什么是工作量证明?

工作量证明(PoW)被许多区块链网络用于验证交易和维护区块链完整性。这是比特币最初使用的共识机制。

在工作量证明机制中,矿工竞相解决复杂的数学问题,以将下一个区块添加到区块链中。在挖矿过程中,第一个解决问题的矿工会获得加密货币奖励。

矿工必须使用算力强大的计算机来解决数学问题,以获得加密货币,同时保障网络安全。正因如此,挖矿过程需要消耗大量算力和能源。

什么是权益证明?

权益证明(PoS)共识机制旨在解决工作量证明(PoW)机制的一些不足之处。在权益证明系统中,矿工并非通过竞相解决复杂的数学问题以验证交易并向区块链添加新的区块,而是根据他们“质押”在网络中的加密货币数量来选择验证者。

验证者需要持有一定数量的加密货币作为抵押品或“权益”,才能参与共识过程。基于权益大小,他们会被随机选择来创建新区块并验证交易。验证者因创建新区块而获得交易费用奖励,这将激励他们最大程度地维护网络利益。

其他热门的共识机制

工作量证明和权益证明是最常见的共识算法,但还有一些其他的共识算法。有些算法结合了工作量证明和权益证明的元素,而另一些则采用完全不同的方法。

委托权益证明(DPoS)类似于权益证明,但并非所有验证者都有资格创建新区块,代币持有者会选举一小部分代表代替他们创建新区块。

另一方面,在权威证明(PoA)中,验证者是凭借其声誉或身份选出,而非持有的加密货币数量。验证者因其可信度而被选中,但如果他们做出恶意行为,就会被移出网络。

区块链的优势

1.去中心化

区块链的去中心化特性意味着不存在单点控制或单点故障,这使得区块链更加安全,能够抵御攻击或数据泄露。

2.透明性

区块链上的交易对所有参与者都是可见的,因此更容易跟踪和验证交易,并确保其准确性。

3.不变性

当一笔交易被记录在区块链上,就不可更改或者删除。区块链会创建一个包含所有交易信息的永久记录,任何能够访问区块链网络的人都能对其进行验证。这与传统系统有很大的区别。在传统系统中,交易是可以撤销的。

4.效率高

由于区块链不需要银行等中间机构,因此能够实现更快速、更高效的交易。

5.手续费更低

通过消除中间机构和自动化流程,区块链可以降低交易成本,提高业务运营效率。

6.去信任化

区块链技术可实现交易的透明性,由网络参与者验证和确认交易,无需中间机构。

区块链网络有哪些类型?

公共区块链

公共区块链是任何人都可以访问的去中心化网络。这些网络通常开源、透明、无需许可,这意味着任何人都可以访问和使用它们。比特币和以太坊就属于公共区块链。

私有区块链

顾名思义,私有区块链就是不对公众开放的区块链网络。私有区块链通常由单个实体(如公司)运营,用于内部目的和用途。

私有区块链属于许可环境,包含关于查看区块链和写入数据权限的既定规则。由于存在明确的控制层级,它们不是去中心化系统。但是它们可以是分布式的,这是因为多个节点在各自的机器上维护着区块链的副本。

联盟链

联盟链是公共区块链和私有区块链的混合体。在联盟链中,多个组织共同创建和管理一个共享的区块链网络。根据联盟成员的需求,这些网络可以是开放的或封闭的。

区别于任何人都可以验证区块的开放系统,以及由单个实体指定区块生产者的封闭系统,在联盟链中,多个平等的参与方共同充当验证者。

这个系统的规则非常灵活:链的可见范围可以限于验证者,对授权的个人可见,或者对所有人可见。只要验证者达成共识,就可以轻松进行更改。就区块链的运作而言,只要足够比例的参与方遵守规则,系统就不会出现问题。

区块链有何用途?

尽管区块链技术还处于起步阶段,但已经在许多不同的行业中得到应用。区块链技术目前最常见的应用包括:

1.加密货币

区块链技术是为了支持创建加密货币而诞生的,后者将区块链作为安全、去中心化的账本来记录交易。

2.数字身份

区块链可用于创建安全、防篡改的数字身份,可用于验证个人信息和其他敏感数据。随着我们的个人信息和资产越来越多地迁移到线上,这一点变得越来越重要。

3.投票

通过去中心化、防篡改的账本记录所有投票信息,区块链技术可以创建一个安全、透明的投票系统,杜绝投票舞弊,确保投票过程的公正性。

4.供应链管理

区块链技术可用于创建供应链中所有交易的账本。每笔交易都可以在区块链上记录为一个区块,从而创建整个供应链流程不可变且透明的记录。

5.智能合约

智能合约是自动执行的合约,可以在满足特定条件时自动执行操作。区块链技术以安全、去中心化的方式创建和执行智能合约。智能合约最具前景的应用之一是去中心化应用程序(dApp)和去中心化自治组织(DAO)。

结语

区块链技术提供了一种安全、透明的方式来记录交易和存储数据。它有潜力提升数字世界的信任和安全水平,从而彻底变革行业。

无论是实现点对点交易、创建新型数字资产,还是推动去中心化应用程序发展,区块链技术都为我们打开了一个充满可能性的世界。随着技术的不断发展和广泛应用,相信未来会出现更多具有创新和变革性的用例。

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