程序員必看區(qū)塊鏈技術

??閱讀數(shù)：336??閱讀數(shù)：336干貨分享【程序員必看】人才稀缺的區(qū)塊鏈，轉(zhuǎn)型入門需要這四項技能！愛名網(wǎng)？？2018-03-0114:40:51?舉報C:\Users\ztt\Desktop\1.jpg區(qū)塊鏈（BlockChain），是區(qū)塊（Block）和鏈（Chain）的直譯，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示，即每個區(qū)塊保存規(guī)定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄，并通過密碼學的方式，構(gòu)建一條安全可信的鏈條，形成一個不可篡改、全員共有的分布式賬本。比特幣的區(qū)塊分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分。區(qū)塊頭的大小為80字節(jié)，包括4字節(jié)的版本號、32字節(jié)（256位）的上一區(qū)塊哈希值、32字節(jié)的Merkle根節(jié)點、4字節(jié)的時間戳、4字節(jié)的難度值和4字節(jié)的隨機數(shù)。區(qū)塊體包含10分鐘內(nèi)選定的交易記錄，第一筆交易（coinbase交易）是用于獎勵礦工比特幣的特殊交易，由礦工自己添加進區(qū)塊。

區(qū)塊回 區(qū)塊N+1 新區(qū)塊版本號區(qū)版本號版本號上一區(qū)頊晴忌位材巳「klw根若點'上一區(qū)塊郵修上一區(qū)塊哈希值5HA?泌、調(diào)節(jié)點MerkleIB節(jié)點時間戡時間離時間畿唯度值難度值.一髓機數(shù)隨機散R易數(shù)夜匠塊體交易數(shù)據(jù)反塊體交易數(shù)據(jù)C:\Users\ztt\Desktop\2.jpg圖1?區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖基本概念區(qū)塊鏈是很多現(xiàn)有技術交叉融合在一起的集成創(chuàng)新。因此，要了解區(qū)塊鏈，首先要了解區(qū)塊鏈到底集成了哪些技術。P2P網(wǎng)絡如圖2所示，P2P（Peer-to-Peer）網(wǎng)絡是一種端到端的網(wǎng)絡。P2P網(wǎng)絡分為結(jié)構(gòu)化（例如基于Chord的P2P網(wǎng)絡）和非結(jié)構(gòu)化的P2P網(wǎng)絡（例如Gnutella）。比特幣的區(qū)塊鏈采用的是非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡，整個網(wǎng)絡沒有中心化的硬件或管理機構(gòu)，任一節(jié)點既是服務端，也是客戶端。任何節(jié)點只要安裝相應的客戶端軟件，就能接入P2P網(wǎng)絡（例如BT軟件），參與區(qū)塊鏈的記錄和驗證，不超過1/3節(jié)點的損壞、退出甚至被植入惡意代碼，都不會影響整個系統(tǒng)的運作。金融系統(tǒng)在機構(gòu)之間

使用一個中心化的賬本

來追蹤資產(chǎn)的流動通過去中心化賬本來普代中心機構(gòu)認證資產(chǎn)所有權(quán)“多個機構(gòu)共同運行和檢驗,來防止欺詐和人為操控金融系統(tǒng)在機構(gòu)之間

使用一個中心化的賬本

來追蹤資產(chǎn)的流動通過去中心化賬本來普代中心機構(gòu)認證資產(chǎn)所有權(quán)“多個機構(gòu)共同運行和檢驗,來防止欺詐和人為操控C:\Users\ztt\Desktop\3.jpg圖2?傳統(tǒng)中心化系統(tǒng)和P2P網(wǎng)絡的拓撲對比圖加密算法和數(shù)字簽名加密技術分為對稱、非對稱和哈希（Hash）加密。對稱加密是指用同樣的密鑰來進行加密和解密，非對稱加密是指用一個密鑰對來進行加密和解密，哈希加密主要是通過對數(shù)據(jù)進行哈希運算，用固定的哈希結(jié)果值驗證信息是否被篡改。非對稱加密在非對稱加密技術中，對外公開、分發(fā)出去的密鑰叫做公鑰，不能公開、自己留存的密鑰叫做私鑰。公鑰加密的，對應的私鑰才能解密。反之亦然。如圖3所示。明文加密密文解密明曳98 =11 11―? 1儼伽d187二日8——88公鑰=（7,187） 私鑰水23」167）C:\Users\ztt\Desktop\4.jpg圖3?非對稱加密RSA算法的簡化示例圖非對稱加密算法有RSA、DSA和ECC等種類，區(qū)塊鏈使用的是基于橢圓曲線加密技術的數(shù)字簽名（ECDSA），具體實現(xiàn)是secp256k1。ECDSA相當于

是DSA和非對稱加密ECC的結(jié)合。相比RSA算法，ECDSA具有計算量小、存儲空間小、帶寬要求低等特點。數(shù)字簽名基于數(shù)字簽名的通信機制工作原理，如圖4所示，發(fā)送報文時，發(fā)送方用一個哈希函數(shù)從報文文本中生成文件摘要，然后用自己的私鑰對摘要進行加密，加密后的摘要將作為報文的數(shù)字簽名和報文一起發(fā)送給接收方。接收方首先用與發(fā)送方一樣的哈希函數(shù)從接收到的原始報文中計算出報文摘要，接著再用發(fā)送方的公鑰來對報文附加的數(shù)字簽名進行解密，如果得到的明文相同，那么接收方就能確認傳輸?shù)奈募⑽词艿酱鄹?，是安全可信的。文樣揭? 就字簽乞C:\Users\ztt\Desktop\5.jpg如邛同「文樣揭茬2 就字簽乞C:\Users\ztt\Desktop\5.jpg如邛同「臉可值。始果不同,文1㈱登1 _/費會□就盼折\凰竺箜戶發(fā)送文件文件腱圖4?數(shù)字簽名的流程示意圖哈希加密安全哈希算法(SecureHashAlgorithm，SHA)是由美國國家安全局研發(fā)，由美國國家標準與技術研究院(NIST)發(fā)布的一系列密碼哈希函數(shù)，包括SHA-0、SHA-1、SHA-2和SHA-3等系列。比特幣的區(qū)塊鏈使用的是SHA-256哈希加密算法，于2001年發(fā)布，屬于SHA-2分支。由于SHA256偽隨機性的特點，只要是相同的數(shù)據(jù)輸入，一定會得到相同的結(jié)果，如果輸入數(shù)據(jù)稍有變化，將得到一個千差萬別的結(jié)果，如圖5所示。SHA256還是一個單向不可逆的算法，即根據(jù)一個輸入數(shù)算SHA256的結(jié)果很容易，但根據(jù)SHA256的結(jié)果反算輸入數(shù)幾乎是不可能。除此之外，比特幣還使用ripemd160算法來生成比特幣錢包的地址。

C:\Users\ztt\Desktop\6.jpgC:\Users\ztt\Desktop\6.jpg圖5?哈希加密的示意圖梅克爾樹梅克爾（Merkle）樹是區(qū)塊鏈的基本組成部分。如果沒有梅克爾樹，區(qū)塊鏈也是可以運轉(zhuǎn)，但是要在區(qū)塊頭里包含所有交易記錄，擴展性方面存在很大挑戰(zhàn)。如圖6所示，區(qū)塊鏈中的每個區(qū)塊，由區(qū)塊頭和區(qū)塊體構(gòu)成，區(qū)塊頭中含有一個Merkle根節(jié)點的字段，通過對區(qū)塊體中所有交易記錄，以二叉樹的形式迭代地兩兩拼接、進行哈希操作，可以得到一個最終的哈希值，我們稱之為Merkle根哈希。Merkle根哈希相當于是對區(qū)塊中所有交易記錄進行了一個快照，區(qū)塊中交易記錄的任意改動都可以通過比較Merkle根哈希而很容易地察覺。Merkle根哈希主要用于簡單支付驗證（SPV），在驗證某個交易是否在區(qū)塊中時，也能極大地減少網(wǎng)絡傳輸成本。區(qū)域N區(qū)塊N+1新區(qū)塊區(qū)域N區(qū)塊N+1新區(qū)塊貌妃5界Merkle^的

根節(jié)點哈希值交易的 交易的哈希值 哈希與有交荔。的哈希值交易1的哈希值交易2的哈泠伯交荔。的哈希值交易1的哈希值交易2的哈泠伯交期？的C:\Users\ztt\Desktop\7.jpg圖6?Merkle樹示意圖工作量證明機制工作量證明機制，簡單地說，就是一種共識機制，用來確認你是否做過一定量工作的證明。比特幣的區(qū)塊鏈主要是依托計算數(shù)學難題來衡量工作量。每個區(qū)塊，當選定一定數(shù)量的交易記錄之后，填充版本號、時間戳、難度值，生成相應的Merkle根哈希。很容易看到，這些數(shù)值在選定交易記錄以后，都是確定的，唯一能夠改變的就只有隨機數(shù)（Nonce）這個值。如圖7所示，系統(tǒng)根據(jù)難度值，要求計算整個區(qū)塊頭的兩次SHA256算法，得到的哈希結(jié)果要小于一個閾值。根據(jù)前面描述的SHA256算法的偽隨機性，只有通過不斷地嘗試和枚舉，才能找到相應的隨機數(shù)，證明自己的工作量。新區(qū)塊上一個區(qū)塊的哈希值#78Aadqddq 上一個區(qū)塊的哈希值#78Aadqddq 梅克爾根節(jié)點［兩次SHA256哈希61dldflahjm隨機數(shù)（不斷猜測）30282937302829383028293930282940302829413028294230282943C:\Users\ztt\Desktop\8.jpg圖7?工作量證明機制示意圖除了工作量證明機制（PoW）這類共識機制之外，還有股權(quán)證明機制（PoS）、授權(quán)股權(quán)證明機制（DPoS）、拜占庭容錯機制（BFT）、實用拜占庭容錯機制（PBFT）這些在不可信環(huán)境下的共識機制以及要求在可信環(huán)境下的共識機制，例如PaxOS和Raft。表1是做了簡單的對比。表1?共識機制的簡單對比表共識機制PaxosRaftPoWBFTPBFT一致性強一致性強一,致姓弱一致性致一弱性弱一致性網(wǎng)絡組織主從主從對等對等精導..數(shù)據(jù)庫適配levelDBlevelDBrocksDB允許失敗的節(jié)點數(shù)<1/2<1/2<1/3<1/3<1/3惡意節(jié)點不允許不允許允許允許允許虛擬機無無無有需要代幣無無有有無C:\Users\ztt\Desktop\9.jpg運行機制接入網(wǎng)絡和驗證節(jié)點通過安裝相應的軟件（例如比特幣核心），接入?yún)^(qū)塊鏈。節(jié)點啟動以后，主要是在P2P網(wǎng)絡上發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點、鏈接鄰居節(jié)點、傳遞P2P消息和下載區(qū)塊鏈驗證。節(jié)點可以選擇下載全量的區(qū)塊鏈進行驗證，或者是只下載區(qū)塊頭，通過Merkle樹節(jié)點來進行簡單支付驗證（SPV）。錢包軟件可以分為移動錢包、桌面錢包、互聯(lián)網(wǎng)錢包和紙錢包，都支持保存用戶的私鑰，錢包也可以根據(jù)私鑰是否是種子產(chǎn)生的，而分為決定性錢包和非決定性錢包，關鍵區(qū)別在于私鑰的備份和易恢復性。區(qū)塊鏈的存儲和接受比特幣的區(qū)塊鏈使用BerkeleyDB（文件數(shù)據(jù)庫）作為錢包數(shù)據(jù)庫，使用LevelDB（鍵值數(shù)據(jù)庫）存儲區(qū)塊的索引和UTXO（UnspentTransactionOutput，未開銷的比特幣交易輸出）。節(jié)點在啟動的時候，將整個區(qū)塊鏈的索引從LevelDB加載入內(nèi)存。當收到一個新區(qū)塊時，節(jié)點對新區(qū)塊中的所有交易進行檢測，驗證交易格式、交易大小、交易簽名、UTXO是否匹配、交易簽名、腳本合規(guī)等方面。如果驗證成功，檢查上一區(qū)塊頭與鏈頭區(qū)塊哈希值是否一致，如果是一致，則更新UTXO數(shù)據(jù)庫和回滾交易數(shù)據(jù)庫，如果不是，則將該區(qū)塊放在孤兒區(qū)塊池中。當節(jié)點發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中存在另一條更長的區(qū)塊鏈時，就需要斷開現(xiàn)有的區(qū)塊并對區(qū)塊鏈進行重組。如果驗證不成功，會拋棄該區(qū)塊，繼續(xù)等待新區(qū)塊的到來（礦工會繼續(xù)計算新區(qū)塊的數(shù)學難題）。

區(qū)塊鏈的工作量證明計算機制“礦工”角色的節(jié)點一直收集網(wǎng)絡中廣播的交易記錄，并致力于計算新區(qū)塊的數(shù)學難題，即工作量證明。如果其他節(jié)點發(fā)來的新區(qū)塊驗證成功，節(jié)點除了更新UTXO數(shù)據(jù)庫和回滾交易數(shù)據(jù)庫，節(jié)點會立即開始下一個新區(qū)塊的計算。新區(qū)塊的構(gòu)建優(yōu)先選取交易內(nèi)存池中優(yōu)先級高的交易記錄。優(yōu)先級的計算方式為：如果自己的工作量證明計算成功，節(jié)點會第一時間將這個區(qū)塊廣播至整個網(wǎng)絡中，其他節(jié)點收到該新區(qū)塊，如上所述，會進行相應的驗證和存儲。我源明.形皤購寂球名「茨起交舄我源明.形皤購寂球名「茨起交舄整個區(qū)塊鏈的運轉(zhuǎn)機制如圖8所示?！复т赶V陶整「揣涓息廣陶整廣描浦E.廣漏陣息F髀-_,讓加洶獻菅點一措希疽，堵克建坦：廣描浦E.廣漏陣息F髀-_,讓加洶獻菅點一措希疽，堵克建坦：— 頭怕荒宇用*一］計筋效學迪眥.—］十I工作址皿十I頭怕荒字網(wǎng)-赧謂S3很，廣那消理［vt^Mtrldc眼節(jié)舟

哈枷.境充國塊

頭粗演字以厚雙皿1U貌.X17ffiijEfVlM觀訴區(qū)說人一|廄成新區(qū)塊.銷入

原席塊府寸尺+J原晞塊情不懇尼，或:忻匡塊.由人

原厚我M觀訴區(qū)說人一|廄成新區(qū)塊.銷入

原席塊府寸尺+J原晞塊情不懇尼，或:忻匡塊.由人

原厚我鏈制？J?房塊槌末宅+＞原區(qū)塊前末尾qC:\Users\ztt\Desktop\10.jpg圖8?區(qū)塊鏈運轉(zhuǎn)機制示意圖其他相關腳本語言區(qū)塊鏈采用的腳本語言并不是圖靈完備的語言，不支持循環(huán)，只能進行堆棧式操作。這種腳本語言的好處是，不允許礦工提交一個死循環(huán)的腳本，更注重的是安全方面的考量，但其擴展能力有限。從以太坊為首的區(qū)塊鏈編程平臺支持圖靈完備的編程語言，引領區(qū)塊鏈跨入2.0時代。由于支持循環(huán)等復雜操作，以太坊用Gas（燃料）機制來防止死循環(huán)的出現(xiàn)，確保系統(tǒng)的安全。消息隊列比特幣區(qū)塊鏈采用ZeroMQ（ZMQ）作為消息分發(fā)和消息隊列管理工具。與很多人熟悉的RabbitMQ相比，ZMQ不像傳統(tǒng)意義的消息服務器，更像一個底層的網(wǎng)絡通信庫，在多個線程、內(nèi)核和主機盒之間彈性伸縮，在SocketAPI之上將網(wǎng)絡通信、進程通信和線程通信抽象為統(tǒng)一的API接口。挖礦設備和算法演進挖礦設備從支持復雜指令（CISC）、適合串行計算的CPU礦機時代，經(jīng)由基于眾核體系、適合并行簡單計算的GPU挖礦和低功耗卻價格昂貴的FPGA挖礦，逐漸向集約高速的ASIC礦機和規(guī)模效應的礦池演進?；诠ぷ髁孔C明機制的算法，容易導致礦工算力集中的問題。有人將這種“中心化”的責任歸咎于SHA256算法。此時，基于SCRYPT算法的萊特幣（Litecoin）進入了人們視線，其占用內(nèi)存多、計算時間長、并行計算困難的特點，限制了礦工的“軍備競賽”。萊特幣的成功催生了更多算法的交叉融合，衍生出串聯(lián)算法（夸克幣）、并聯(lián)算法（HeavyCoin）和多用途算法（在工作量證明的同時，尋找大素數(shù)的素數(shù)幣，PrimeCoin）。開源項目和工具區(qū)塊鏈的開源項目BitCoinBitCoin是最早、也是現(xiàn)網(wǎng)運行區(qū)塊鏈最成功的一個開源項目，核心技術框架采用C++開發(fā)，共識算法采用PoW，每秒交易量（TPS）為不多于7筆，開源許可協(xié)議為MIT。官方編程語言：C++開源許可協(xié)議：MIT開源項目地址：Ethereum以太坊（Ethereum）是一個支持圖靈完備腳本運行的區(qū)塊鏈開發(fā)平臺，基于智能合約，降低用戶搭建DApp應用的門檻。目前以太坊正式運行的版本是1.0，采用的是POW共識算法，公網(wǎng)TPS是25筆，未來將采用類POS的Casper算法，區(qū)塊鏈的確認速度將得到大幅提升。在規(guī)劃的2.0版本中，TPS有望可以達到2000TPS。官方編程語言：Go開源許可協(xié)議：GPLv3開源項目地址：HyperledgerFabricHyperledgerFabric是RM開源的區(qū)塊鏈項目，開發(fā)環(huán)境可以適配多種環(huán)境（virtualbox虛擬機、自建網(wǎng)絡和舊M的BlueMix），支持Docker，共識算法插件化，注重角色的權(quán)限控制和企業(yè)級的安全機制。主要開發(fā)語言是Go語言，支持JavaScript、Java和Python等語言，交易頻率TPS最高能夠達到100K。其子項目Iroha助力區(qū)塊鏈移動應用程序的開發(fā)，值得關注和進一步跟IE蹤o官方編程語言：Go開源許可協(xié)議：Apache2.0開源項目地址：OpenChainOpenChain是區(qū)塊鏈技術公司Coinprism的開源工具，目標是大型企業(yè)和金融機構(gòu)，基于一種獨特的分布式賬本技術，幫助用戶部署自己定制的區(qū)塊鏈，減少用戶的交易成本和結(jié)算時間。官方編程語言：C#開源許可協(xié)議：Apache2.0開源項目地址：BitShares比特股(BitShares)提供的BitUSD等錨定資產(chǎn)，是虛擬幣歷史上的一個最重要變革之一，消除了虛擬貨幣估值波動大的問題。比特股創(chuàng)新地提出了DPoS共識算法，核心技術框架采用C++語言開發(fā)，既適用于公有鏈，也適合于聯(lián)盟鏈。在比特股2.0中，交易頻率TPS最高能夠達到100K。官方編程語言：C++開源許可協(xié)議：MIT開源項目地址：Ripple瑞波(Ripple)是世界上第一個開放的支付網(wǎng)絡，也是目前最成功的區(qū)塊鏈技術公司。其核心產(chǎn)品Ripple協(xié)議本質(zhì)上是一個實時結(jié)算系統(tǒng)，通過引入新的共識機制RPCA，只要特殊節(jié)點投票，就能在很短時間內(nèi)完成交易的驗證和確認。官方編程語言：C++開源許可協(xié)議：ISC開源項目地址：Tendermint美國公司Tendermint推出的Tendermint是第一個實施分片技術的公共區(qū)塊鏈。Tendermint主核心負責管理所有區(qū)塊鏈分區(qū)，支持比特幣分區(qū)和以太坊分區(qū)，具有很大的靈活性，共識引擎通過Tendermint套接字協(xié)議（TMSP）與應用程序進行連接，不依賴于某一特定的編程語言，所以開發(fā)人員可以使用任意一種編程語言來編寫智能合約。官方編程語言：Go開源許可協(xié)議：Apache2.0開源項目地址：CordaCorda是R3CEV于2016年12月初開源的區(qū)塊鏈平臺，采用一種類區(qū)塊鏈的分布式賬本，基于產(chǎn)業(yè)標準工具，通過創(chuàng)新智能合約和數(shù)據(jù)處理，為金融服務設計一種新型分布式的分類帳平臺。官方編程語言：Go開源許可協(xié)議：Apache2.0開源項目地址具體對比圖如表2所示。表2?開源項目的對比表艮界心UP-曜；BitCoin】知Cl否7mu IEibe