區塊鏈概念很火，尤其是2018年伊始在各互聯網指數上熱度都極大上揚。區塊鏈到底是怎麼回事？區塊鏈原理到底是什麼？本文就是為揭開區塊鏈原理而來，讓我們仔細研究下區塊鏈，探究區塊鏈的奧秘。
如果說互聯網使得信息可以自由傳播，那麼，區塊鏈則可以做到價值在互聯網上傳播，說區塊鏈是革命可能有點誇大，但至少是在信息技術基礎上，區塊鏈使得價值在可信賴的去中心化價值體系中傳播。
先嚐試用一句話來描述什麼是區塊鏈：區塊鏈建立了一個各節點地位對等的網絡，在節點之間無需事先信任的情況下，通過加密算法和共識機制，以及塊鏈結構的數據存儲，實現數字資產在節點之間的轉移（節點是指加入該網絡的計算設備）。本質上可以說是一個基於分佈式的價值傳輸體系。
圖1 中心化網絡
什麼是節點地位對等的網絡？區塊鏈的眾多文章中都提到了，就是點對點的去中心化。反之，就是中心化網絡，圖1就是中心化的網絡，內容或交易數據都需要通過中心化處理，用戶都在中心繫統擁有賬戶，數據是在中心繫統的兩個賬戶間轉移。常規的網絡系統大多都是中心化的，賬戶和數據存儲在中心服務器上，然後通過客戶端App查看數據。
去中心化的利弊不多做分析，因為放到實際的行業應用中即可以發現其用途，比如某個行業內我們不希望某個公司控制所有數據和資產，一家獨大而增大行業風險；比如我們總擔心花錢購買的一些商家的折扣卡，在商家倒閉或跑路之後，導致錢財損失。有了區塊鏈技術，上述問題可以解決，前者問題可以通過類似比特幣的區塊鏈解決，後者問題可以通過類似以太坊的智能合約區塊鏈解決。因此我們時常希望構建一個節點地位對等的去中心化網絡。
圖2 節點對等的P2P網絡
區塊鏈的去中心化特徵明白了，但是對等的用戶節點之間如何通信呢？P2P（peer to peer） 技術可以解決這個問題，P2P技術在早年的下載軟件中被廣泛應用，例如BT下載，節點既下載也上傳數據，達到網絡中所有節點間數據的逐漸同步。通過P2P，用戶之間就可以直接交換信息了，在比特幣的網絡中，就可以同步交易數據。圖2是點對點的去中心化系統，節點間直接交換數據。
節點地位對等的P2P網絡建立了，但仔細想想，這樣的網絡用於價值傳輸，似乎還存在較多問題。
圖3 全量賬本
如圖3，每個節點都全量記錄交易數據，通過P2P網絡來同步，全量記錄是需要的，否則只能依賴別人的記錄。但是，部分節點可能會某些時間不在線，或者某些交易數據記錄有誤，長期積累後，就很難同步，問題也隨之而來，以哪個節點為準？這就類似拜占庭將軍問題。我們希望該P2P網絡具備容錯能力，確保信息傳遞的一致性，零信任基礎的節點達成共識。區塊鏈的塊鏈存儲結構解決了上述問題。
圖4 短時賬本
首先，按固定時間段劃分，所有節點記錄這段時間內的賬本。以比特幣網絡為例，交易信息會通過P2P網絡廣播到所有在線節點，在線節點會記錄十分鐘左右的交易記錄，如圖4。當然即使是十分鐘的賬本，也可能出現圖3中的節點不在線的問題，不急，我們接著看。
圖5 競爭記賬
在線節點每十分鐘打包交易信息，並需要爭取記賬權，爭取到記賬權的節點就是這次的leader，其他所有節點要以它的賬為準。如何爭取記賬權？在比特幣裡就是工作量證明（PoW算法）。工作量證明如何實施？如圖5所示，節點都對自己的賬本做哈希（Hash）計算，當然如果賬本內容不變，每次計算出來的哈希值（一個16進制字符串）是不會變的，所以需要在賬本里面插入一個隨機數，每次修改隨機數再計算哈希值，直到計算出的哈希值小於預設的閾值。圖5中的f(x)假設為哈希計算，參數是賬本和隨機變量，要反覆嘗試出f(x) 圖6 打包短時賬本 圖6，最先算出的節點就開始打包這十分鐘的賬本了，包裡面含有賬本、隨機數等，當然這時候別的節點還在努力的計算，因為它們並不知道有個節點已經算出來了。 圖7 同步區塊 圖7，打好後的包稱之為塊（block），該節點馬上把塊同步給其他節點，其他節點在收到塊之後就立即停止了手頭的工作量證明計算，並校驗該塊的正確性。比如，工作量證明是否有效，每一筆交易是否正確等。 
圖8 區塊加入鏈
圖8，校驗通過後，該十分鐘的交易信息大家以此為準，把塊加入到鏈上，即所有歷史的塊，按時間順序串聯起來。校驗不通過怎麼辦？當然是捨棄，繼續計算，自然會有別的節點打包出正確的塊。另外，如果有交易記錄因為某些原因沒有被打包進當前區塊怎麼辦？沒問題，只要該交易內容已經廣播給其他節點，在下個時間段也會被打包進區塊。
工作量證明似乎有點浪費資源，為什麼不是固定節點打包塊呢？因為這樣做可以防止惡意攻擊以及節點故障，提升了整個網絡的容錯性和安全性。
圖9 非對稱加密
塊鏈結構搞清楚了，但是還存在問題，十分鐘的賬裡面的每一筆交易，是如何保證正確的呢？這裡就要提到非對稱加密算法了，圖9所示，所謂非對稱加密，就是加密和解密需要不同的兩串密鑰，圖中以鑰匙示例，實際在計算機裡就是兩個不同的密碼字符串。如果用其中一個密鑰加密，則必須用成對的另一個密鑰來解密。於是一個稱之為私鑰，用戶自己留著，一個稱之為公鑰，可以公開給網絡上別的節點。有什麼用呢？除了圖9中的加密，還可以做簽名。
圖10 廣播交易內容和簽名
簽名如圖10，比如A節點先計算出一筆交易內容的哈希值字符串，然後用私鑰將這個哈希值加密為簽名（圖中密封信所示，實際在計算機中也是一個字符串）。A節點將交易內容連同簽名一起發給別的節點，別的節點收到後，用A的公鑰解密簽名就得到了加密前的哈希值，比較交易內容的哈希值，如果兩者一致，說明該交易內容確實是A節點發出的，並且沒有被別人篡改過。
圖11 環環相扣 無法篡改
還有一個問題，如何保證歷史的區塊不被修改？首先，因為鏈式存儲的特性，以哈希值為索引，每個區塊都包含前一個區塊的哈希值，環環相扣。如圖11所示，如果改變97號區塊的內容，那麼其哈希值也變了，98號區塊中填寫的97號哈希值也要相應更改，98號改變了，則連鎖反應，必須更改之後的所有區塊。這樣修改是很難做到的，因為新的區塊也一直在產生，而節點間的同步是以最長鏈為標準。那有人可能會疑問，我修改其中的一個區塊，並一下構造一個很長的鏈不就行了？對不起，很難做到，因為有PoW工作量證明機制的存在，每產生一個區塊，必須是將該時間段內的全網交易+隨機數碰撞出小於閾值的哈希值之後，才能產生被別的節點認可的區塊，這種機制下無法隨意生成一個長鏈，據理論計算，只有擁有全部節點算力51%以上者才有可能具備這個能力。
以上就是小編對於區塊鏈基本原理的初次探討，區塊鏈經過了多年的發展，從比特幣到智能合約，其技術內容也越來越深奧，值得研究的內容很多很多。請靜待後續更新，更多內容請關注我們。
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