每天五分钟，玩转区块链(5):区块链关键技术

摘要：区块链核心技术在于链式的数据结构、P2P去中心化网络技术、共识算法、Merkle Tree、时间戳、加密算法。

链式结构

区块链之所以被称为“链”，就是因为其数据结构的巧妙设计：多个收支记录打包为一个数据块（第一条记录指定为挖矿所得），数据块附加有描述信息（头部信息），其中除了版本号/数据校验值/时间戳/难度值/随机数等常规信息外，还包含了前一个数据块的哈希值，这也是区块链机制中，数据不可修改的原因---所有数据都是通过这种链状的结构链接起来。每个数据块都是通过大量计算才打包的，修改中间数据意味着要修改其后所有的数据，除非拥有超级计算能力，或者说全网计算能力的一半以上，这也就是所谓的“51%攻击”，在计算能力出现理论机制级别的提升之前，我们不用担心主要数字货币的“51%攻击”问题。

链式的数据结构中，存储的实际上是所有交易的记录，所以，又被成为“账本”，或者ledger。

在源码的 src/primitives/block.h 中，可以查看 CBlock的结构信息。文件中也包含了对区块数据的描述：节点收集交易数据进行打包，不断尝试随机数进行哈希计算，似的计算结果符合POW工作量证明机制的条件，一旦达到条件，既是挖块成功，节点会将信息广播到网络中，交易信息的第一条数据是特殊定义，其中记录的是当前区块的挖矿所得。

时间戳

区块链技术要求获得记账权的节点必须在当前数据区块头中加盖时间戳，表明区块数据的写入时间.因此，主链上各区块是按照时间顺序依次排列的.时间戳技术本身并不复杂，但其在区块链技术中的应用是具有重要意义的创新.时间戳可以作为区块数据的存在性证明(Proof of existence)，有助于形成不可篡改和不可伪造的区块链数据库，从而为区块链应用于公证、知识产权注册等时间敏感的领域奠定了基础.更为重要的是，时间戳为未来基于区块链的互联网和大数据增加了时间维度，使得通过区块数据和时间戳来重现历史成为可能。

P2P网络

点对点技术并不新鲜，我们之前经常听到的“P2P下载”也是基于此机制。相对于传统的server-client方式服务，P2P的所有节点都处于对等地位、都拥有全量数据，每一个节点既是server也是client，这使的系统整体的可扩展性、健壮性、性能等方面都非常优秀。在区块链技术中，也意味着，任何接入者都有权获取所有的账目信息（公有链、联盟链、私有链的划分我们在未来单独说明），在源码的 src/net.cpp ，net.h中有P2P相关的实现。

为了使系统在启动时自动获得其他节点的信息，需要有至少一个“种子地址”，所以，在源码的src/chainparams.cpp 中设定了多个种子地址（详见 vSeeds.emplace_back 调用的参数），这都是能够持续稳定提供服务的节点。同时程序还提供了指定节点的参数。

共识算法

共识算法有很多种，我们以比特币为例，比特币使用工作量证明机制（POW）的共识算法。这可以说是经济学和计算机学的一种创新：由计算机的工作量来证明其无差别的劳动价值。从概率上讲，计算节点算力占全网算力的比例，既是它挖矿成功的概率。也正是因为这个机制，使得挖矿、矿机、矿池成为数字货币产业链条中的重要部分。当然这也是数字货币被诟病的地方：人为制造出来的社会资源的消耗。支持者认为这是一种合理的机制，正如实体经济中的采矿---付出代价获得矿物，这就是矿物的价值基础。反对者认为这种资源消耗是一种无谓的浪费，并以此认定数字货币没有价值。

POW机制中，具体计算的成本消耗在了哪里呢？就是大量的SHA256计算（参见 src/crypto/sha256.cpp ）。

除工作量证明，数字货币常见的还有股权证明（POS，Proof of Stake），委任权益证明（DPOS，Delegated Proof of Stake）。

加密算法

加密算法的代表有hash加密和椭圆曲线。

hash加密：hash函数是将任意长度的输入，经过不可逆的处理过程，转换为固定长度的输出内容。主要有两大类：Message Digest Algorithm（最常见的MD5，以及其前身MD2,MD3,MD4）以及Secure Hash Algorithm（常见的SHA-1，SHA-2，SHA-3，RIPEMD160）。

既然hash算法是把内容处理之后得到限长度内容，那理论上就存在重复的可能（碰撞），随着计算能力的增强，MD5、SHA系列的函数都面临着碰撞攻击，事实上，SHA-3就是在这样的环境下诞生的更高级别的处理机制。而未来，加密机制和计算能力一定是循环递进的过程。

椭圆曲线算法：我们知道，比特币钱包中包含了一系列的密钥对，每个密钥对是由一个私钥和公钥构成。公钥由私钥生成、公钥再生成比特币地址。其中公钥和私钥的生成，用到了椭圆曲线算法。具体机制我们在这里不展开讲，可搜索引擎查询。与传统的RSA非对称加密算法相比，椭圆曲线算法安全性更高、计算量更小，所占用的存储空间也更小，这对于每个节点都记录完整交易信息的数字货币来讲，是极其重要的，相关函数实现，在代码的 src/crypto/ 目录下。

默克尔树

Merkle Tree(默克尔树)可以看做Hash List的泛化（Hash List可以看作一种特殊的Merkle Tree，即树高为2的多叉Merkle Tree）。

在最底层，和哈希列表一样，我们把数据分成小的数据块，有相应地哈希和它对应。但是往上走，并不是直接去运算根哈希，而是把相邻的两个哈希合并成一个字符串，然后运算这个字符串的哈希，这样每两个哈希就结婚生子，得到了一个”子哈希“。如果最底层的哈希总数是单数，那到最后必然出现一个单身哈希，这种情况就直接对它进行哈希运算，所以也能得到它的子哈希。于是往上推，依然是一样的方式，可以得到数目更少的新一级哈希，最终必然形成一棵倒挂的树，到了树根的这个位置，这一代就剩下一个根哈希了，我们把它叫做 Merkle Root，整个结构如下图所示：