区块链背后的关键技术

  区块链本质上是一种分布式数据库,其中存储的每一个区块都是一次交易信息,其核心思想主要有三条,一是去中心化,不存在任何中心机构和中心服务器,连它的创始人都没有出来过,实现节点与节点间的直接交互;二是开放和透明性,系统是完全开放透明的,账簿对所有人公开;三是不可篡改和不可撤销性,区块链采取单向哈希算法,每个新产生的区块严格按照时间线形顺序推进,具有不可篡改和不可撤销性。

  区块链本质上是很多现有技术交叉融合在一起的集成创新。因此,要了解区块链,首先要了解区块链到底集成了哪些关键技术。区块链最初的产生也是源于解决一个30多年前由Leslie Lamport等提出的拜占庭将军问题。拜占庭将军问题是针对所谓的拜占庭失效来说的。而拜占庭失效是指分布式系统中的某一恶意节点允许做任意事情去干扰系统的正常运行(包括选择性不传递消息,选择性伪造消息等)。而拜占庭将军问题是研究如何在这样的失效下,整个系统不会出错和崩溃。在隐私安全方面,可回溯到1982年David Chaum提出注重隐私的密码学支付系统,该系统具有不可追踪的特性,成为比特币区块链在隐私安全面上的雏形。区块链中最关键的的共识机制目前有工作量证明机制、股权证明机制(PoS)、授权股权证明机制(DPoS)、拜占庭容错机制(BFT)及实用拜占庭容错机制(PBFT)等。比特币的区块链使用的工作量证明机制,则是采用由Adam Back在1997年所发明Hashcash(杂凑现金),这是第一代POW(Proof of Work)算法,即工作量证明演算法,解决了比特币网络中重复花费的问题,这个演算法最早被应用于阻挡垃圾邮件。1985年Neal Koblitz和Victor Miller分别提出著名的椭圆曲线密码学(Elliptic curve cryptography,ECC),由于此前发明的RSA的算法计算量过大很难实用, ECC的提出才真正使得非对称加密体系产生了实用的可能。区块链中每笔交易采用的椭圆曲线数位签章演算法(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm,ECDSA)即由ECC演变而来。在21世纪初的几年,区块链底层领域又有了几次重大进展:首先是点对点分布式网络,然后,Napster、EDonkey 2000和BitTorrent先后出现,奠定了P2P网络计算的基础。P2P网络分为结构化的P2P网络和非结构化的P2P网络,前者能够自适应节点的动态加入/退出,有着良好的可扩展性、鲁棒性,而后者面对网络的动态变化具有较好的容错能力,因此可用性较好。比特币的区块链采用的是非结构化P2P网络,整个网络没有中心化的硬件或管理机构,任一节点既是服务端,也是客户端。任何节点只要安装相应的客户端软件,就能接入P2P网络。2001年,NSA发布了SHA-2系列算法,包括目前应用最广的SHA-256算法,而比特币的挖矿哈希散列算法采用的就是SHA-256算法。

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