什麼是區塊鏈?它是如何運作的?
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什麼是區塊鏈?它是如何運作的?

什麼是區塊鏈?它是如何運作的?

初階
發佈時間 May 15, 2023更新時間 Dec 11, 2023
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摘要

  • 區塊鏈是一種去中心化的數位分類帳,可安全地記錄網路上許多專用計算機的交易資料。

  • 區塊鏈在密碼學和共識機制下透過不可改變的性質確保資料的完整性,這意味著,資訊一旦記錄,就無法追溯更改。

  • 區塊鏈構成了比特幣和以太坊等加密貨幣的骨幹,在促進金融以外各個領域的透明度、安全性和信任度方面發揮了作用。 

什麼是區塊鏈?

區塊鏈是一種特殊的資料庫,也稱為去中心化的數位分類帳,由分佈在世界各地的眾多計算機進行維護。區塊鏈資料組織成區塊,按時間順序排列,並受密碼學保護。

最早的區塊鏈模型在 1990 年代初建立。當時電腦科學家 Stuart Haber 和物理學家 W. Scott Stornetta 在一連串的區塊中採用加密技術,以保護數位文件中的資料不會受到篡改。

Haber 和 Stornetta 啟發了許多其他計算機科學家和密碼學愛好者的工作,最終創建了第一個由區塊鏈技術支援的加密貨幣,比特幣。從那時起,區塊鏈技術的採用逐漸擴大,全球越來越多的人使用加密貨幣。

雖然區塊鏈技術主要用於記錄加密貨幣交易,但它也適合記錄許多其他類型的數位資料,並且可以作為廣泛的應用案例。

什麼是區塊鏈的去中心化?

區塊鏈的去中心化是指網路的控制和決策能力分佈在用戶之間,而不是由單個實體 (例如政府或公司) 控制。這在人們需要與陌生人協作、或想要確保資料安全性和完整性的情況下,很有幫助。

在去中心化的區塊鏈網路中,沒有中央機構或中介機構可以控制資料或交易流。相反地,交易是由分散式網路上的電腦進行驗證和記錄,它們共同運作以維護網路完整性。

當人們談論區塊鏈技術時,他們通常不僅僅是在談論資料庫。區塊鏈技術為諸如加密貨幣和非同質化代幣 (NFT)之類的應用提供支援,因此人們無需依賴中央機構,即可相互協作和交易。

區塊鏈如何運作?

區塊鏈的核心是一種數位分類帳,以無法篡改的方式安全記錄雙方交易。這些交易資料在全球分散式網路上由稱為節點的特殊計算機所記錄。

當用戶啟動交易 (例如向其他用戶發送一定數量的加密貨幣) 時,該交易將廣播送至網路上。每個節點都會驗證數位簽章和其他交易資料,以驗證交易。

一旦交易通過驗證,便會與其他通過驗證的交易一起新增到區塊中。區塊由加密方法串連在一起,形成區塊鏈。驗證交易並新增到區塊鏈的過程是透過共識機制完成的,這是用於管理網路節點如何達成有關區塊鏈狀態和交易有效性協議的一組規則。

密碼學是區塊鏈維護安全、透明性和防止篡改交易記錄的關鍵。例如,雜湊是區塊鏈使用的重要加密方法。它是一個加密過程,將任何大小的輸入轉換為固定大小的字符串。

區塊鏈中使用的雜湊函數通常具有抗衝突性,這意味著兩組資料產生相同輸出的的可能性非常小。另一個特徵稱為雪崩效應,指的是輸入資料中的任何輕微變化都會產生截然不同輸出的現象。 

讓我們用 SHA256 來說明這一點,這是比特幣中使用的一個函數。正如你所看到的,改變字母的大寫,將導致輸出值顯著不同。雜湊函數也是單向函數,因為透過反向工程將雜湊輸出送達輸入資料在計算上是不可行的。 

輸入資料

SHA256 輸出

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幣安學院

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區塊鏈中的每個區塊都安全包含前一區塊的雜湊值,從而建立了強大的區塊鏈。任何人若想改變任一區塊,都需要修改所有後續的區塊,這個任務不僅在技術上具有挑戰性,而且非常昂貴。 

另一種在區塊鏈中廣泛使用的加密方法是公鑰加密。也稱為非對稱式密碼學,它有助於在用戶之間建立安全且可驗證的交易。

以下是它的運作方式。每個參與者都有一對唯一的密鑰:一個私鑰,由他們秘密保管,以及一個公開共享的公鑰。當用戶啟動交易時,他們使用私鑰針對交易進行簽章,從而創建了數位簽章。

然後,網路中的其他用戶可將發送者的公鑰應用於數位簽章,以驗證交易的真實性。這種方法可確保交易安全,因為只有私鑰的合法擁有者可以授權交易,但每個人都可以使用公鑰驗證簽章。 

區塊鏈的另一個特點是:透明度。任何人通常都可以在公鏈站點上查看區塊鏈的資料,包括所有交易資料和區塊資料。  例如,您可以在區塊鏈探索網站上查看比特幣網路記錄的每筆交易,包括發送者和接收者的識別碼、轉移金額以及比特幣的所有者列表。您還可以從今天 (格林威治標準時間為 2023 年 5 月 29 日 18:52:21 的第 788,995 個區塊) 開始,一直追溯到第一個區塊,稱為創世紀塊。

什麼是共識機制?

共識演算法是一種允許用戶或機器在分散式環境中進行協調的機制。需要確保系統中的所有代理皆可對真實的單一來源達成一致,即使有些代理失敗。它們可確保網路中所有節點具有分類帳的相同副本,包含所有交易的記錄。共識機制對於區塊鏈來說至關必要,因為沒有中央權限可驗證交易並維護網路的完整性。

當成千上萬個節點保留區塊鏈資料副本時,可能會很快出現諸多問題,包括資料一致性和惡意節點。為了確保區塊鏈的完整性,各種共識機制可以控制網路節點如何達成協議。現在讓我們來看看主要的共識機制。

共識機制的種類

什麼是工作量證明?

工作量證明 (PoW) 是許多區塊鏈網路所使用的共識機制,用於驗證交易,並維護區塊鏈的完整性。這是比特幣最初使用的共識機制。

在工作量證明機制下,礦工們相互競爭解決一個複雜的數學難題,優先解出的礦工有權將下一個區塊新增至區塊鏈。在被稱為挖礦的過程中,第一個解決問題的礦工將獲得加密貨幣的獎勵。 

礦工必須使用功能強大的計算機來解決數學問題,開採新代幣並保護網路。這就是為什麼挖礦礦過程需要大量的計算能力,也亦即需要大量能源。 

什麼是權益證明?

權益證明 (PoS) 是一種共識機制,旨在解決工作量證明 (PoW) 的一些缺點。在 PoS 系統中,礦工不需要相互競爭,不用傷腦筋解決複雜的數學問題,以驗證交易並向區塊鏈新增區塊,驗證人的選擇是根據網路「質押」的加密貨幣數量。

驗證人持有一定數量的加密貨幣作為抵押品或「質押」以參與共識過程。然後根據質押量的大小以隨機方式選擇他們以創建新區塊並驗證交易。驗證人將獲得創建新區塊的交易手續費,並作為以網路為最佳利益的行動鼓勵。

其他普遍的共識機制

工作量證明和權益證明是最常見的共識演算法,但是還有其他的機制。有些是結合來自兩個系統元素的混合方法,而另一些則是完全不同的方法。

例如,委派的權益證明 (DPoS) 與 PoS 類似,但並不是所有有資格建立新區塊的驗證人,而是代幣持有者選出一組人數較少的代表人代表辦事。

另一方面,在權威證明 (PoA) 中,驗證人透過聲譽或身份識別,而不是由持有的加密貨幣數量來識別。驗證人是根據可信度選擇的,如果驗證程序有惡意行為,則可以從網路中刪除。

區塊鏈的益處

1. 去中心化

區塊鏈的去中心化性質意味著沒有單一控制點或故障點,因而能更加安全,並且對攻擊或資料洩露較有防禦能力。

2. 透明性

所有參與者都可以看到區塊鏈上的交易,從而更輕鬆地跟蹤和驗證交易,並確保交易的準確性。

3. 不可篡改

一旦交易記錄至區塊鏈,即無法更改或刪除。它創建了所有交易的永久記錄,造訪區塊鏈網路的任何人都可以進行驗證。這與傳統系統有重大不同,傳統交易是皮很薄的。

4. 效率

區塊鏈可以實現更快、更高效率的交易,因為它不需要中介機構,例如銀行。

5. 降低手續費

區塊鏈可以透過刪除中介機構和自動化流程降低交易成本,並使特定業務運作更有效率。

6. 去信任化

區塊鏈技術使透明的交易可由網路參與者自行驗證和證實有效,無需引進有公信力的中介機構。

有哪些不同類型的區塊鏈網路?

公鏈

公鏈是一種去中心化網路,可開放任何人參與。這些網路通常是開放原始碼、透明且非許可制,意味著任何人都可以存取和使用。比特幣和以太坊都是公鏈的例子。

私有區塊鏈

顧名思義,私有區塊鏈是一個不向公眾開放的區塊鏈網路。私有區塊鏈通常由單個實體 (例如公司) 營運,並作為內部目的和應用案例。

私有區塊鏈是已授權環境,具有既定的規則,以決定鏈上可查看與寫入的對象。它們不是去中心化的系統,因為有一個明確的控制層次結構。但是,它們可以分散在許多節點上,在個別機器上保存鏈的副本。

聯盟鏈

聯盟區塊鏈是公共和私有區塊鏈的混合體。在聯盟鏈中,多個組織聚在一起,創建共同管理和治理的共享區塊鏈網路。根據聯盟成員的需求,這些網路可為開放或關閉。

聯盟鏈不是任何人都可以驗證區塊的開放系統,或只有單一實體指定區塊生產者的封閉系統,而是由同等權力的多組參與方作為驗證人。 

系統的規則十分靈活:鏈的可見性可僅限為驗證人、僅限為獲授權的個人,或是所有人都可以看到。如果驗證人可以達成共識,則更改可以很容易實施。至於區塊鏈的運作原理,如果達到各路參與方的某個門檻皆表現誠實,則系統不會出現問題。

區塊鏈有什麼用途?

儘管區塊鏈技術仍處於起步階段,但它已經在許多不同行業中具有應用案例。區塊鏈技術的一些最常見的應用包括:

1. 加密貨幣

區塊鏈技術的開發是為了支援加密貨幣創建,加密貨幣使用區塊鏈作為安全且去中心化的帳本,以記錄交易。

2. 數位身分

區塊鏈可用於創建安全且防止篡改的數位身分,並可用於驗證個人資訊和其他敏感資料。隨著越來越多的個人資訊和資產移至線上,未來區塊鏈會變得越來越重要。

3. 投票

區塊鏈技術可提供所有投票數去中心化及防篡改分類帳,因此能用於創建安全且透明的投票系統,消除欺詐選民的可能性,並確保投票過程的完整性。

4. 供應鏈管理

區塊鏈技術可用於創建供應鏈中所有交易的分類帳。每筆交易都被記錄為區塊鏈上的一個區塊,為整個供應鏈流程建立不可變且透明的記錄。

5. 智能合約

智能合約是自動執行的合約,可設計成達到特定條件時自動執行。區塊鏈技術使智能合約能夠以安全和分散的方式創建和執行。智能合約最有前景的應用包括:去中心化應用程式(DApps) 和去中心化自治組織 (DAO)。

總結

區塊鏈技術提供了一種安全且透明的交易記錄和資料儲存方式。它能為數位世界帶來全新層次的信賴和安全性,具有徹底改變行業的潛力。

無論是實現點對點交易、創建新形式的數位資產,還是促進去中心化應用程式,區塊鏈技術開闢了一個充滿可能性的世界。隨著技術不斷發展並獲得更廣泛的採用,我們可以預期,未來幾年會出現更多創新和具有變革性的應用案例。

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