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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 Nov 28, 2024
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關鍵要點

  • 區塊鏈是一種數位分類帳,可安全地記錄分散式電腦網路上的交易資料。

  • 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網路的骨幹,在促進金融以外各領域透明度、安全性和信任度方面發揮關鍵作用。

前言

區塊鏈技術引進去中心化、透明且安全的資料和交易管理方式,改變了各個產業,尤其是金融業。雖然它一開始是比特幣等加密貨幣的基礎,但其應用已經發展到包括供應鏈管理、醫療保健、投票系統等。

什麼是區塊鏈?

區塊鏈是一種特殊的資料庫。它是由分散式電腦網路維護的去中心化數位分類帳。區塊鏈資料組織成區塊,按時間順序排列,並受密碼學保護。

這種結構可確保資料透明、安全且不可篡改。在區塊被確認並新增到鏈上後,儲存在區塊中的資料幾乎不可能更改。去中心化結構也消除了對中央機構的需求。區塊鏈交易可以在用戶之間進行,不需要中間機構。

不同類型的區塊鏈具有不同程度的去中心化。儘管如此,區塊鏈一詞通常是指去中心化數位分類帳,用於記錄加密貨幣交易。

區塊鏈簡史

最早的區塊鏈模型在 1990 年代早期建立,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遭到篡改。

Haber 和 Stornetta 啟發了許多其他電腦科學家和密碼學愛好者的工作,最終創造出比特幣,第一個由區塊鏈技術驅動的加密貨幣。從那時起,區塊鏈的採用率顯著成長,加密貨幣目前已成為全球現象。

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,並且可以用於多種用例。

區塊鏈的主要特點和好處

  • 去中心化:資訊儲存在電腦 (節點) 網路,而不是單一中央伺服器。像比特幣這樣的大型去中心化網路對攻擊具有很高的抵抗力。

  • 透明度:大多數區塊鏈都是公開的,代表所有參與者都可以存取相同資料庫。所有參與者都可以看到交易。

  • 不可篡改性:一旦資料新增至區塊鏈,未經網路共識即無法更改。

  • 資料安全:密碼學和共識機制可確保防範資料篡改。

  • 效率:區塊鏈消除了對中間機構的需求,可以實現更快速、更便宜的交易。交易以近乎即時的方式處理。

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,而不是由單一實體 (例如銀行、政府或公司) 控制。

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。

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由分散式電腦網路 (節點) 記錄。

當 Alice 向 Bob 發送一些比特幣時,交易會在網路上推播。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,便會與其他交易一起新增到區塊中。我們可以將每個區塊視為數位分類帳的一個頁面。

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透過共識機制完成,這是一組治理網路節點針對區塊鏈狀態和交易有效性達成協議之方式的規則。

區塊鏈簡介

1. 交易記錄

啟動交易時 (例如,轉帳加密貨幣),會將其推播至網路節點。每個節點都使用預定義的規則驗證交易。

2. 區塊形成

經過驗證的交易被分組成一個區塊。每個區塊包含:

  • 資料 (例如交易詳情)

  • 時間戳

  • 加密雜湊:透過雜湊演算法處理區塊資料而產生的唯一識別碼。

  • 前一個區塊的雜湊:此雜湊將區塊連結在一起形成鏈。

3. 共識機制

若要將區塊新增到鏈上,網路參與者必須同意其有效性。這部分使用工作量證明 (PoW) 和權益證明 (PoS) 等共識演算法來實現。我們稍後會更詳細討論這兩個演算法,以下是簡短摘要:

  • 工作量證明 (PoW):比特幣採用的 PoW 要求區塊驗證者使用運算能力來解決複雜問題。

  • 權益證明 (PoS):由以太坊等較新的區塊鏈使用,區塊驗證人是根據其在網路中的質押獲選。

4. 鏈式連結

驗證完成後,區塊即會新增到區塊鏈中。隨後的每個區塊都會引用前一個區塊,以確保結構能夠防篡改。換句話說,待驗證的新區塊必須使用先前的區塊識別碼。

5. 透明性

區塊鏈的另一個特點是其透明性。一般而言,任何人都可以在稱為區塊鏈瀏覽器的公開網站上查看區塊鏈的資料,包括所有交易資料和區塊資料。  

例如,您可以查看比特幣網路記錄的每一筆交易,包括發送方和接收方的錢包地址、轉帳金額等。您也可以追蹤從現在到最初的創世紀區塊的所有比特幣區塊。

區塊鏈密碼學

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,雜湊是區塊鏈所使用的重要加密方法。它是一個加密過程,將任何大小的輸入內容都轉換為固定大小的字元串。

區塊鏈中使用的雜湊函數通常具有抗衝突性,代表兩組資料產生相同輸出內容的可能性非常低。另一個特點稱為雪崩效應,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內容的現象。 

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,改變字母大小寫將導致輸出內容顯著不同。雜湊函數也是單向函數,因為在運算上無法透過逆向工程處理雜湊輸出內容得出輸入資料。

輸入資料

SHA256 輸出

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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。這也稱為非對稱式密碼學,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。

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。

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。它需要確保系統中的所有代理皆同意真實內容的單一來源,即使有些代理失敗。 

共識機制可確保網路中所有節點都具有分類帳的相同副本,包含所有交易的記錄。

當成千上萬個節點保留區塊鏈資料副本時,很快就會出現諸多問題,包括資料不一致性和惡意節點。為了確保區塊鏈的完整性,有各種共識機制可以治理網路節點達成協議的方式。讓我們仔細研究一下主要的共識機制。

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 PoW 中,礦工們相互競爭解決一個複雜的數學難題,以將下一個區塊新增至區塊鏈。在稱為挖礦的過程中,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。這就是挖礦過程需要大量資源 (算力和能源) 的原因。 

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,驗證人根據其在網路中「質押」的加密貨幣數量選擇。

質押代表驗證人持有作為抵押品的加密貨幣數量。PoS 驗證人通常會根據質押量的大小以隨機方式獲選,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作為獎勵,並成為替網路爭取最佳利益的激勵。如果他們是惡意行為者,就有失去質押加密貨幣的風險。

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,但是還有其他演算法。有些是結合來自兩個系統元素的混合方法,而有些則是完全不同的方法。

例如,委派權益證明 (DPoS) 與 PoS 類似,但並不是由所有合格驗證人建立新區塊,而是由代幣持有者選出一組人數較少的代表人為其執行。

另一方面,在權威證明 (PoA) 中,驗證人透過聲譽或身分識別,而不是由持有的加密貨幣數量來選出。驗證人是根據可信度選擇,如果出現惡意行為,則可將其從網路移除。

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、透明且非許可制的,代表任何人都可以存取和使用。比特幣和以太坊都是公鏈的範例。

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,也不是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。

傳統跨境交易涉及中間機構和高額手續費,而區塊鏈可實現更快速、更便宜且更透明的國際轉帳。除了價值儲存特性,許多人使用比特幣和其他加密貨幣進行全球匯款

2. 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。

智能合約最受歡迎的應用之一是供去中心化應用程式 (DApp) 和各種組織 (DAO) 使用,兩者都是去中心化金融 (DeFi) 平台的重要組成部分。DeFi 平台利用區塊鏈在沒有傳統機構的情況下提供借貸和交易等金融服務,使金融工具的使用民主化。

3. 代幣化

房地產、股票或藝術品等現實世界資產 (RWA) 都可以代幣化 (在區塊鏈轉換為數位代幣)。這樣可以提高流動性,並有助於接觸投資機會。

4. 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。

5. 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。

6. 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 (或多筆交易) 都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。

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。這項技術正在徹底改變產業,為數位世界帶來全新層次的信任和安全性。

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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