区块链技术背后的运行逻辑

（滴滴科技信息微信公众号DDKJZX）

区块链技术可能是自互联网技术以来最伟大的发明。 区块链可以实现价值或财富的交换，而无需中央权威或两方之间的信任。 想象一下，你和我为旧金山明天的天气下注 50 美元。 我打赌明天会出太阳，你打赌明天会下雨。 今天，我们将通过三种方式管理我们的赌注：

1.我们可以互相信任。 无论是下雨还是晴天，输家都会向赢家支付 50 美元。 如果我们是朋友，这种管理方式很好。 然而，无论是朋友还是陌生人，总会有人默认。

2. 我们可以记下赌注以订立合约。 签订合同保证双方都将完成最终的赌注。 但是，如果败诉方不愿意支付，胜诉方将不得不额外花费打官司等费用，这可能需要很长时间。 特别是对于零用现金，这可能不是管理交易的最佳方式。

3.我们可以找一个中立的第三方机构。 我们每人给了机构50美元，机构把所有的钱都给了赢的一方。 但是，也有一种情况，这个机构可能会卷走我们的钱。 所以我们最终选择了前两个选项之一：信任或合同。

区块链技术可以让我们写几行代码，一个运行在区块链上的程序，这样我们双方都支付50美元。 该程序将节省 100 美元，然后自动从各种数据源验证明天的天气。 无论是晴天还是雨天，它都会自动将所有资金转移给获胜者。 每一方都可以验证合约的执行情况。 这种方法对于 50 美元的赌注来说可能成本太高，但想象一下房屋销售或买卖企业。

本文的目的是解释区块链是如何工作的，但不涉及区块链背后的技术细节。 它只是让你直观地了解区块链的逻辑和背后的运行机制。

区块链技术最著名和讨论最多的应用是比特币。 这种数字货币可以用来交易和购买商品和服务，就像美元、欧元、人民币和其他国家货币一样。 让我们从比特币开始，了解区块链的工作原理。

“比特币让我们第一次能够将数字财产从一个互联网用户转移到另一个互联网用户，整个交易过程非常安全可靠，每个人都知道它会发生，没有人质疑它。” 本次转让的合法性。 这一突破是向前迈出的一大步。”——马克·安德森

那么，什么是比特币？

比特币是一个单位的比特币数字货币，就像一美元本身没有价值一样，一美元之所以有价值，是因为我们愿意用美元购买能给我们带来更多美元的商品和服务，而且我们相信其他人也会这样做.

为了跟踪我们每个人拥有多少比特币，我们可以使用分类账技术，这是一个跟踪所有比特币交易的数据文件。

表 1 - 比特币账本数字文件

分类帐文件不存储在中央机构、银行或数据中心的服务器上。 这些分类帐文件通过能够存储数据和执行计算功能的私人计算机网络分布在世界各地。 每台计算机代表区块链网络中的一个“节点”，都有一个账本文件。

如果大卫想发送比特币给桑德拉，他可以向网络广播一条消息，表明他将个人账户中的比特币数量减少 5 个比特币，同时将桑德拉账户中的比特币数量增加 5 个比特币. 网络中的每个节点都会收到这些信息，并根据交易信息将交易结果记录在自己的账本文件中。

表 2 - 交易请求信息

分类帐由一组联网的计算机维护，而不是由银行等中央机构维护，这有几个含义：

·在银行系统中，我们只知道自己的交易和账户状态，每个人都可以在区块链上看到其他人的交易。

·您可以完全信任您的银行，比特币网络是分布式的，如果出现问题，没有帮助台可以打电话或起诉某人。

区块链的设计模式使得完全不需要信任，而是通过特殊的数学函数和编程来保证安全可靠。

“我们可以将区块链定义为一个系统，该系统允许一组互连的计算机保持信息分类账的更新和安全。”

要在区块链上执行交易，您需要有一个钱包，一个允许您存储和交换比特币的程序。 由于只有您可以使用您帐户中的比特币，因此每个钱包都通过使用一对不同但相互关联的密钥进行加密保护：私钥和公钥。

如果消息使用特定的公钥加密，则只有与该公钥配对的私钥的所有者才能解密和读取消息。 换句话说，如果您使用私钥加密信息，则只有配对的公钥才能解密该信息。 当大卫要发送比特币时，他需要用他钱包里的私钥加密广播信息，所以只有他才能使用他个人账户里的比特币，因为只有大卫知道他的私钥，而这个私钥钥匙是打开他个人​​钱包的钥匙。 网络中的每个节点都可以通过使用大卫个人钱包中的公钥解密交易请求来交叉验证交易请求来自大卫。

当您使用个人钱包的私钥加密交易请求时，您会生成一个数字签名，区块链网络中的计算机使用该数字签名来复核其来源和交易的真实性。 数字签名是一串文本，是交易请求与私钥结合的结果，因此不能用于其他交易。 如果您更改交易请求消息中的一个字母，数字签名就会更改，因此潜在的攻击者无法更改您的交易请求或更改您发送的比特币数量。

表 3 - 数字签名交易加密

钱包的公钥会被发送到比特币网络的某个地方，所以当你向某人发送比特币时，你实际上是在将公钥发送给对方。 要发送比特币，你需要证明你有钱包的私钥，因为你需要使用私钥来加密交易请求消息。 请注意，信息只有在加密后才会被广播，切勿泄露您的私钥。

区块链上的每个节点都会有一份账本副本。 那么，一个节点怎么知道你账户的余额呢？ 区块链系统根本不跟踪账户余额（表 1），它只记录请求的每笔交易。 分类帐实际上并不跟踪余额变化，它只跟踪比特币网络中广播的每笔交易（表 4）。 要了解您钱包中的余额，您需要分析并确认在与您的钱包关联的网络中发生的所有交易。

表 4 - 区块链账本

这种“余额”的确认正是因为它与以前的交易相关联而得到验证。 要向 John 发送 10 个比特币，Mary 必须生成一个交易请求，其中包含指向总金额等于或超过 10 个比特币的先前交易的链接。 这些链接称为输入，网络中的节点会验证总计 10 个比特币或更多的所有交易是否未被花费。 事实上，每次你在一笔交易中提到输入，而这些输入在以后的交易中被认为是无效的，这一切都是在玛丽的钱包中自动执行的，并由比特币网络中的节点再次验证，她只是发送了一个 10 个比特币使用约翰的公钥交易到约翰的钱包。

表 5 - 区块链交易请求结构

那么，系统如何信任输入交易并认为这些输入是有效的呢？ 系统会检查与您发送比特币的钱包相关的所有先前交易。 为了简化验证流程，提高验证速度，网络节点会保存未花费的交易记录。 正是因为有了这种安全审计机制，收到的比特币才不会被二次消费。

“拥有比特币意味着账本上会有交易指向你的钱包地址，而那些比特币还没有被花掉。”

用于在比特币网络上执行交易的所有代码都是开源的，这意味着任何拥有计算机和互联网访问权限的人都可以执行交易。 但是，如果广播给比特币的交易请求消息中存在编码错误，则关联的比特币将永久丢失。 请记住，由于网络是分布式的，您无法致电客户支持比特币价格波动背后的逻辑是什么，也没有人可以帮助您恢复消失的交易或忘记的钱包密码。 基于此，如果您有兴趣在比特币网络上进行交易，建议使用开源或官方版本的比特币钱包软件（如BitcoinCore），并将钱包密码或私钥保存在安全的数据库中。

那么，这真的安全吗？ 为什么叫区块链？

任何通过匿名连接访问比特币网络的人都可以提交或接收用他们的公钥签名的交易。 但是比特币价格波动背后的逻辑是什么，如果有人重复使用同一个公钥，它会将所有交易链接到同一个所有者。 比特币网络允许您生成任意数量的钱包，每个钱包都有自己的私钥和公钥。 这使您可以接受不同钱包中的付款，而无需相互链接。 任何人都不可能知道你拥有所有这些钱包的私钥，除非你将收到的所有比特币都发送到一个钱包。

比特币地址可能有 2 的 160 次方或 1461501637330902918203684832716283019655932542976。如此大的数量可以防止可能的网络攻击。

使用此设置，仍然存在安全漏洞，可以利用这些漏洞在比特币被花费后召回比特币。 交易在网络中从一个节点传递到另一个节点，因此两个交易到达每个节点的顺序可能不同。 攻击者可能发送一笔交易，等到对方发出产品后，再向自己的账户发送反向交易指令。 在这种情况下，一些节点可能在第一条消息之前收到了第二条交易消息，因此他们认为第一条交易消息无效。 那么你怎么知道哪个请求的交易是第一个呢？ 按时间戳对交易进行排序并不安全，因为它很容易伪造。 因此，无法判断一笔交易是否发生在另一笔交易之前，这就增加了被攻击或欺诈的可能性。

如果出现上述情况，那么每笔交易在网络节点中发生的顺序就会不一致。 所以区块链系统在设计上就是利用节点协议来进行交易排序，防止上述可能出现的欺诈情况。

比特币网络将交易信息聚合形成区块，每个区块包含一定数量的交易，并与之前的区块相连。 这将一个块及时链接到另一个块。 这样，所有的区块都按照时间链组织起来（表6），就形成了一个完整的系统：区块链。

表 6 - 区块链序列结构

同一个区块内的交易被认为是并发的，不在同一个区块内的交易被认为是未确认的。 每个节点都可以将交易组织成块，并向网络广播下一个块应该是什么样子。 既然任何节点都可以形成一个新区块，那么系统如何就下一个区块达成一致呢？

要加入区块链，每个区块都必须对使用加密哈希函数生成的复杂数学问题有一个答案。 解决数学问题的唯一方法是猜测一个包含前一个块内容的随机数，产生一个确定的结果（通常是一个小于特定值的数字）。 一台普通计算机大约需要一年的时间才能猜出正确的数字并解决一道数学题。 但是，由于网络中有大量的计算机猜数，一个区块平均可以在 10 分钟内解决数学问题。 解决数学问题的节点获得在区块链上配置下一个区块的权利，并在整个网络中宣传其权利。

如果两个节点同时解决数学问题，同时产生新的区块呢？ 在这种情况下，两个区块都会被广播到网络中，每个节点都会建立在第一个收到广播的区块上，但是区块链系统要求节点建立在最长的区块链上。 所以如果不清楚哪个区块是最后一个收到广播区块的，每个节点都会使用最长的链作为唯一的选择。

表 7 - 区块链末端的选择逻辑

由于同时解决数学问题的可能性比较低，所以也不太可能多个区块同时解决数学问题，所以整个区块链会很稳定的形成一系列的区块，每个节点都没有异议.

欺诈风险源于对哪个区块是链尾的分歧。 如果交易发生在属于较短尾的区块中（表 7 中的区块 B），则一旦数学问题在下一个区块中被解决，此类交易将返回未确认状态。

让我们看看 Mary 如何利用链末端的歧义来执行双花攻击。 Mary 将资金发送给 John，然后 John 将产品发送给 Mary，现在该节点具有较长的尾巴作为已确认的交易，如果 Mary 可以生成更长的尾巴，该尾巴又包含反向交易，并且具有相同的输入参考，John损失金钱和物品。

表 8 - Mary 进行的重复支付攻击的简化图

那么系统如何防止此类欺诈行为呢？ 每个块都包含对前一个块的引用（表 6）。 要将下一个区块扩展到网络中，必须解决节点上的一个数学问题，而对前一个区块的引用是上述数学问题的一部分。 . 因此，由于在一个区块中解决数学问题并将其添加到区块链中需要猜测随机数，并且由于随机数很难正确猜测，因此提前计算一系列区块非常困难。 在将下一个区块添加到区块链之前，玛丽正在与网络中的所有其他计算机竞争解决数学问题。 即使她在所有其他计算机之前解决了数学问题，她也不太可能连续解决 2、3 个或更多块的数学问题，因为每次她都在与整个网络竞争。 那么，玛丽能不能用超快的计算机产生随机数，与整个网络竞争呢？ 这很好，但即使使用非常非常快的计算机，由于成员数量众多，Mary 也不太可能在执行双花攻击所需的时间内连续解决几个数学块在网络中。

她需要控制全网 50% 的算力，才有 50% 的几率先于其他节点解决一个区块的数学问题，即使在这种情况下，她也只有 25% 的几率连续解决两个区块数学题。 连续解决若干块数学问题，玛丽成功的可能性越小。

“比特币区块链系统中的交易受到解决数学难题的竞争的保护：任何攻击者都在与整个网络竞争。”

因此，交易将变得越来越安全。 过去确认的交易比最近的交易更安全。 因为每10分钟，一个区块就会被添加到链上，在交易进入区块后的1小时内，交易被处理的可能性越高，交易被逆转的可能性就越小。

表 9 - 区块链交易安全

为了能够发送比特币，您需要提及将比特币发送到您的钱包的交易，这适用于网络中发生的所有交易。 那么，比特币最初是从哪里来的呢？

为了平衡由于软件错误或丢失钱包密码导致比特币数量减少的事实，解决每个区块中数学问题的人都会得到奖励。 为了获得这种比特币奖励，这些人运行比特币区块链软件，这种活动被称为“挖矿”。

这种奖励是个人运营节点的主要激励，也为处理比特币交易和稳定整个区块链网络提供了必要的计算能力。

普通计算机解决一个区块的数学问题需要很长时间（平均1年左右），节点组成一个组织，解决下一个区块的数学问题所花费的时间由节点平均承担。组织中的计算机。 这样，整个组织猜测正确数字的时间就会减少，并且更有可能获得奖励。 这样的组织被称为矿池。

有的矿池很大，算力可以占全网的20%以上。 这对网络安全具有非常重要的意义，这与玛丽的双重支付攻击案例相同。 即使其中一个矿池获得了整个网络 50% 的计算能力，一个块在链中越靠后，块中的交易就越安全。

一些算力强的矿池决定限制成员数量，以保护全网安全。

由于技术进步和节点数量的增加，整个网络的计算能力可能会随着时间的推移而增加，区块链系统会重新调整数学问题的难度，以确保每 10 分钟可以添加一个区块。 这确保了网络的稳定性和安全性。

此外，每四年，区块奖励减半，因此开采比特币（运行网络）的奖励越来越少。 为了防止节点宕机，每笔交易都会有一个小奖励，由成功执行交易并解决数学问题的节点收集。 由于这种机制，奖励较高的交易通常比奖励较低的交易处理得更快。 这意味着当发出交易时，您可以决定是让交易处理得更快（更昂贵）还是更便宜（需要更长的时间）。 与银行手续费相比，比特币网络中的交易手续费现在非常小，而且与交易金额无关。

表 10 - 比特币交易

现在您对区块链的工作原理有了基本的了解，让我们来看看为什么区块链如此引人注目。

使用区块链技术有许多明显的好处：

·您可以完全掌控您所拥有的价值或财富，任何第三方都不会为您保全该财富或价值，任何第三方机构都无法限制您使用您的财富或价值。

· 在全球范围内转移价值的成本非常低。

· 数分钟内实现价值转移。

· 由于任何试点中的任何人都可以证明区块链上的每笔交易，因此可以实现完全透明。

·区块链技术可用于开发去中心化应用程序，以快速安全地管理信息和传递价值。

但是，也存在一些挑战：

· 可以匿名发送和接收交易。 这样一方面保护了用户的隐私，但另一方面，机构无法追踪用户的身份。

· 即使出现了许多新的交易平台，使用比特币来交换商品和服务仍然存在很多困难。 然而，这种方法正在逐渐被接受。

· 与许多其他加密货币一样，比特币非常不稳定：市场上的比特币数量不多，需求变化很快。 比特币的价格很容易受到加密货币行业的重大事件或发展的影响。

· 区块链技术仍处于起步阶段。 每天都有新的工具出现，提高了区块链的安全性和稳定性，但同时也带来了其他问题。

简而言之，区块链技术有可能颠覆许多行业，从广告到能源分配。 它的主要优点是不需要信任并且是去中心化的。 区块链技术的许多应用场景正在逐渐出现（例如，建立完全去中心化的自治组织或 DAO 的可能性）。

“互联网讲的是信息，区块链讲的是价值（财富）”

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