前言

区块链是一个信息技术领域的术语。从本质上讲，它是一个共享数据库，存储于其中的数据或信息，具有“不可伪造”“全程留痕”“可以追溯”“公开透明”“集体维护”等特征。基于这些特征，区块链技术奠定了坚实的“信任”基础，创造了可靠的“合作”机制，具有广阔的运用前景。-- 百度百科

区块链要素

两种结构：

  • P2P组网结构，点对点的灵活网络
  • 链式账本结构，验证和存储数据

两种算法：

  • 密码算法，保证数据传输和访问的安全
  • 共识算法，维护节点间的数据一致性

一个合约：

  • 智能合约，编程和操作数据

区块链记账原理

区块链(1.0)是一个基于密码学安全的分布式账本，是一个方便验证，不可篡改的账本。

区块链在记账时会把账页信息（包含序号、记账时间、交易记录）作为原始信息进行Hash, 得到一个Hash值，如：787635ACD, 用函数表示为：

Hash(序号0、记账时间、交易记录) = 787635ACD

账页信息和Hash值组合在一起就构成了第一个区块。在记第2个账页的时候，会把上一个块的Hash值和当前的账页信息一起作为原始信息进行Hash, 即：

Hash(上一个Hash值、序号1、记账时间、交易记录) = 456635BCD

这样第2个区块不仅包含了本账页信息，还间接的包含了第一个区块的信息。依次按照此方法继续记账，则最新的区块总是间接包含了所有之前的账页信息。
所有这些区块组合起来就形成了区块链，这样的区块链就构成了一个便于验证（只要验证最后一个区块的Hash值就相当于验证了整个账本），不可更改（任何一个交易信息的更改，会让所有之后的区块的Hash值发生变化，这样在验证时就无法通过）的总账本。

比特币所有权及隐私问题

比特币的账户是用地址来表示，账本上不显示个人信息，转账是把比特币从一个地址转移到另一个地址。转账记录如这样：

{    "付款地址"："2A39CBa2390FDe"    "收款地址"："AAC9CBa239aFcc"    "金额"："0.2btc"}

接下来问题就变为了：谁有权用某个地址进行付款？

比特币的解决方案：谁拥有某个地址的私钥，谁就能用这个地址进行支付。（所以私钥一定保管好，如果私钥泄漏，比特币就可能丢失）。
比特币地址和私钥是一个非对称的关系，私钥经过两次Hash之后，可以得到地址, 但是无法从地址反推得到私钥。

地址： 2A39CBa2390FDe私钥： sdgHsdniNIhdsgaKIhkgnakgaihNKHIskdgalHash(Hash(fun(sdgHsdniNIhdsgaKIhkgnakgaihNKHIskdgal)))  -> 2A39CBa2390FDe

如何证明你拥有某个地址的私钥？

对交易信息进行签名，流程如下：

  1. 对交易进行hash， 得到一个摘要信息（Hash值）
hash('    {"付款地址"："2A39CBa2390FDe",    "收款地址"："AAC9CBa239aFcc",    "金额"："0.2btc"    }') -> 8aDB23CDEA6
  1. 用私钥对交易摘要进行签名（付款方在安全的环境下进行，以避免私钥泄密）
#参数1为交易摘要#参数2为私钥#返回签名信息sign("8aDB23CDEA6", "J78sknJhidhLIqdngalket") -> "3cdferdadgadg"
① 广播

在签名运算之后，付款节点就开始在全网进行广播：我支付了 0.2btc 到 AAC9CBa239aFcc ,签名信息是 3cdferdadgadg 。（发信息到相连的其它节点，其它节点在验证通过后再转发到与之相连的节点，这样的扩散过程）

② 验证

其它节点在收到广播信息之后，会验证签名信息是不是付款方用私钥对交易原始信息签名产生的。验证过程实际是签名过程的逆运算：

#参数1为签名信息#参数2为付款方地址#返回交易摘要verify("3cdferdadgadg", "2A39CBa2390FDe") -> "8aDB23CDEA6"

如果验证输出的信息和原始交易信息的hash一致，则验证通过，记录账本

if(verify("3cdferdadgadg", "2A39CBa2390FDe")    == hash('{"付款地址"："2A39CBa2390FDe",              "收款地址"："AAC9CBa239aFcc",              "金额"："0.2btc"}')) :    # 写入账本     # 广播else:   # donothing

补充

比特币系统使用了椭圆曲线签名算法，算法的私钥由32个字节随机数组成，通过私钥可以计算出公钥，公钥经过一序列哈希算法和编码算法得到比特币地址，地址也可以理解为公钥的摘要。

挖矿原理——工作量证明

前言

在中本聪（比特币之父）的设计里，完成记账的节点可以获得系统给与的一定数量的比特币奖励，这个奖励的过程也就是比特币的发行过程，因此大家形象的把记账称为“挖矿”。

记账工作

大家争相记账，大家一起记账就会引起问题：出现记账不一致的问题，比特币系统引入工作量证明来解决这个问题，规则如下：

  • 一段时间内（例如10分钟左右，具体时间会与密码学难题难度相互影响）只有一人可以记账成功
  • 通过解决密码学难题（即工作量证明）竞争获得唯一记账权
  • 其他节点复制记账结果

不过在进行工作量证明之前，记账节点会做进行如下准备工作：

  • 收集广播中还没有被记录账本的原始交易信息
  • 检查每个交易信息中付款地址有没有足够的余额
  • 验证交易是否有正确的签名
  • 把验证通过的交易信息进行打包记录
  • 添加一个奖励交易：给自己的地址增加12.5比特币（如果节点争夺记账权成功的话，就可以得到12.5比特币的奖励）

工作量证明

为了保证10分钟左右（比特币为例）只有一个人可以记账，就必须要提高记账的难度，使得Hash的结果必须以若干个0开头。同时为了满足这个条件，在进行Hash时引入一个随机数变量。

# 未加随机数Hash(上一个Hash值，交易记录集) = 456635BCD# 加入随机数使结果以4个0开头的情况Hash(上一个Hash值，交易记录集，随机数) = 0000aFD635BCD

率先找到随机数的节点就获得此次记账的唯一记账权。
目前没有单矿工独立参与挖矿，基本都是由矿工联合起来组成矿池进行挖矿（矿池里的矿工按算力百分比来分收益）。从经济的角度讲，只有挖矿还有收益（比特币价格不断上涨也让收益变大），就会有新的矿工加入，从而加剧竞争，提高算力难度，挖矿就需要耗费更多的运算和电力，相互作用引起最终成本会接近收益。

验证

  • 在节点成功找到满足的Hash值之后，会马上对全网进行广播打包区块，网络的节点收到广播打包区块，会立刻对其进行验证。
  • 如果验证通过，则表明已经有节点成功挖出区块，自己就不再竞争当前区块打包，而是选择接受这个区块，记录到自己的账本中，然后进行下一个区块的竞争。
  • 网络中只有最快解谜的区块，才会添加的账本中，其他的节点进行复制，这样就保证了整个账本的唯一性。
  • 假如节点有任何的作弊行为，都会导致网络的节点验证不通过，直接丢弃其打包的区块，这个区块就无法记录到总账本中，作弊的节点耗费的成本就白费了，因此在巨大的挖矿成本下，也使得矿工自觉自愿的遵守比特币系统的共识协议，也就确保了整个系统的安全。