我們假想太平洋上有一個與世隔絕的海島，名叫桃花島。在桃花島上，每個家庭擁有定規(guī)模的資產(chǎn)， 這些資產(chǎn)以糧食、蔬菜、日用品、房地產(chǎn)等形式存在。島上的物質(zhì)交換只在島內(nèi)居民之間進行。所有的交易都由這個島上唯一能寫會算的人一 島主黃老邪記錄。每天隨著島內(nèi)交易的進行，交易信息都在不斷增長，黃老邪將所有的交易信息都記錄在一本賬本中， 并由自己來保管。
但是，由黃老邪一人記賬的模式出現(xiàn)了諸多問題，隨著島上居民的交易行為日益頻繁，每天要記的賬目越來越多，黃老邪的記賬壓力也越來越大。為了緩解自己的工作壓力，黃老邪將記賬技能傳授給島上的所有居民，使他們都參與到記賬過程中來。黃老邪要求居民將交易金額及交易時間等信息都記錄下來，并且每一筆交易記錄經(jīng)交易雙方簽字后方可生效。黃老邪還為島上每一個家庭分配了各自獨立的信箱，只有該家庭的成員才能使用鑰匙打開自家的信箱，查看信箱中儲存的賬目信息。有了信箱以后，島上的記賬模式發(fā)生了翻天覆地的變化：當新的交易記錄產(chǎn)生時，交易人將一-頁記載了新的交易信息的記錄放入每家每戶的信箱中。這些交易信息按照放入信箱的先后順序形成了一個天然的賬本，每一戶居民都可以打開信箱進行查看。
在這種情況下，即使有個別人將信箱中的信息進行篡改，整體的交易記錄依舊不會出現(xiàn)偏差。居民只要拿出每個人那里保存的賬本，根據(jù)多數(shù)原則確定統(tǒng)-的交 易歷史，并糾正個別人手中錯誤的賬本頁目，就可以在無需島主黃老邪監(jiān)管的情況下完成記賬。經(jīng)過黃老邪改變后的分布式記賬方式與我們下文所要闡述的區(qū)塊鏈有異曲同工之妙。
什么是區(qū)塊鏈
區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個分布式賬本技術(shù)。如果以數(shù)學(xué)函數(shù)來類比的話，我們可以將分布式網(wǎng)絡(luò)、共識機制、去中心化、加密算祛、智能合約、權(quán)限許可、價值和資產(chǎn)等要素理解為函數(shù)中的變量或因子。這些變量和因子的有機組合形成了區(qū)塊鏈有別于傳統(tǒng)技術(shù)的些新的技術(shù)特征。 在對 區(qū)塊鏈進行更加深入的技術(shù)解 讀前，我們需要先對區(qū)塊鏈中的一些核心概念進行梳理 。
分布式賬本技術(shù)函數(shù)見下圖
區(qū)塊鏈是一個動態(tài)的點對點網(wǎng)絡(luò)
區(qū)塊鏈的動態(tài)點對點網(wǎng)絡(luò)
上文的故事中，由黃老邪一人記賬的時期與我們?nèi)缃竦纳鐣铑愃疲际怯摄y行等中心化機構(gòu)來對信息進行記錄。相對應(yīng)地，黃老邪改變記賬模式后，島上的居民都可以參與到記賬環(huán)節(jié)中，每個居民之間都可以發(fā)生交易并自行進行記賬，這與區(qū)塊鏈點對點的特性很相似。
與傳統(tǒng)的中心化集中式架構(gòu)相比，區(qū)塊鏈弱化了中央服務(wù)器的概念。各個節(jié)點不再區(qū)分服務(wù)器和客戶端的關(guān)系，每個節(jié)點既可請求服務(wù)也可提供服務(wù)，各個節(jié)點可以直接交換資源而不再需要通過服務(wù)器的橋接，用戶與用戶之間可以實現(xiàn)資源的直接分享與利用。在區(qū)塊鏈分布式網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點的地位都是同等的。一筆剛通過驗證且被傳遞到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點的交易會被發(fā)送到周邊的相鄰節(jié)點，而每一個相鄰節(jié)點又會將交易發(fā)送到其他的相鄰節(jié)點。以此類推，在短時間之內(nèi)，一筆有效的交易就會傳播到網(wǎng)絡(luò)中的各個角落，直到所有連接到網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點都接收到它。
區(qū)塊鏈也是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，不斷有新節(jié)點的加入和原區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的退出。新節(jié)點的不斷加入為系統(tǒng)引入新的資源，整個網(wǎng)絡(luò)由此得以構(gòu)建和發(fā)展，資源的豐富性與多樣性隨之擴充，點對點網(wǎng)絡(luò)的分散性、健壯性、可用性與整體性能也將隨著節(jié)點的數(shù)量增加而增強。
區(qū)塊鏈是一個分布式賬本
區(qū)塊鏈的分布式賬本結(jié)構(gòu)
在桃花島上，由黃老邪一人記賬的時期，整座島上只有一本賬本來對所有的信息進行記錄。改變記賬模式后， 島上的每一戶人家都擁有一本賬本，這就相當于區(qū)塊鏈這個分布式的公共賬本。
區(qū)塊鏈推翻了傳統(tǒng)的記賬模式。與傳統(tǒng)記賬模式不同，區(qū)塊鏈中的交易信息不再由單個機構(gòu)來記錄，而是由其中的每一個節(jié)點共同參與記賬。在這個分布式網(wǎng)絡(luò)上，每個節(jié)點都有賬本的完整備份。如果有人想篡改賬本上的記錄，他必須改動各節(jié)點存儲的賬本備份，這就使篡改賬本記錄的行為難以實現(xiàn)。
區(qū)塊鏈用哈希算法實現(xiàn)信息的不可篡改
隨著新交易的不斷產(chǎn)生，桃花島每家每戶賬本里記錄的交易信息也快速增長，越來越多的記錄信息頁會保存到信箱中。類似地，在區(qū)塊鏈中，一個又一個新產(chǎn)生的區(qū)塊會不斷鏈接到現(xiàn)有區(qū)塊鏈的尾端。如何能夠保證這個記錄信息頁的每一頁，以及區(qū)塊鏈賬本中的每一個區(qū)塊都是真實準確、沒有被篡改過的呢？
設(shè)想一下， 如果我們通過一種算法對賬本信息進行加密，給區(qū)塊鏈上第一個區(qū)塊打上一個唯一的標簽， 之后的每一個區(qū)塊也通過加密后打上一個唯一標簽，同時又能夠包含前一個區(qū)塊鏈的標簽。這時，只要采用一種方法保證這個標簽無法被輕易替換更改，那么就能保證這個區(qū)塊記錄的信息沒有被篡改過。
哈希算法就是上面提到的區(qū)塊鏈中保證交易信息不可篡改的單向密碼體制。該算法的思想是接收一段明文， 以一種不可逆的方式將它轉(zhuǎn)化成一段長度較短、位數(shù)固定的輸出做列。這個加密過程是不可逆的，這就意味著無法通過輸出散列的內(nèi)容推斷出任何與原文有關(guān)的信息。任何輸入信息的變化，哪怕僅僅是一~位數(shù)字的更改，都將導(dǎo)致散列結(jié)果的明顯變化。基于輸出散列與輸人原文一 一對應(yīng)的特性，哈希算法可以被用于驗證信息是否被修改。通過哈希算法可對一個交易區(qū)塊的所有交易信息進行加密，并把記賬內(nèi)容壓縮成一串數(shù)字和字母組成的字符串，這個字符串無法反推出原來的內(nèi)容。區(qū)塊鏈的哈希值可以唯一、準確地標識--個區(qū)塊，并且任何節(jié)點通過簡單地對區(qū)塊頭進行哈希計算都可以獨立地獲取該區(qū)塊哈希值。如果想要確認區(qū)塊的內(nèi)容是否被篡改，那么利用哈希算法重新進行計算，記賬信息沒有變化，計算出的哈希值也將不會產(chǎn)生變化。
在區(qū)塊鏈中，通常使用SHA-256的哈希算法進行區(qū)塊的加密，該算法的輸出長度為256位，即生成長度為32字節(jié)的隨機散列。
區(qū)塊鏈用公鑰、私鑰來標識身份
在區(qū)塊鏈中，信息的傳播按照公鑰加私鑰的方式進行。公鑰相當于桃花島上每家每戶居民的信箱地址，當別人獲知你的公鑰時，可以與你通信。相應(yīng)地，私鑰相當于信箱的鑰匙，只有擁有私鑰的人才能查看信箱中的信件信息。在區(qū)塊鏈中，數(shù)字簽名可以用于驗證信息發(fā)送者的身份，用戶可以公布自己的公鑰，然后發(fā)送可以被公鑰所驗證的、已經(jīng)通過私鑰加密過的信息。如果信息的接收者能夠使用公鑰解密加密過的信息，即可證明這條信息發(fā)送者的身份屬實。上述過程可以用圖3-4 表示：區(qū)塊鏈中有兩個用戶Alic和Bob，Alicc想讓Bob知道自己是真實的Alice，而不是他人冒充的。Alice 只需要使用私鑰對文件簽名并發(fā)送給Bob， Bob 使用Alice的公鑰對文件進行簽名驗證，如果驗證成功，則該文件一定是使用Alice的私鑰加密的。由于Alice的私鑰只由Alice一人持有，Bob 就可以確定文件的發(fā)送者正是Alice本人。
此外，公鑰與私鑰還可以保證分布式網(wǎng)絡(luò)中點對點信息傳遞的安全。我們不妨假想這樣一個情形： Alice想在分布式網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送一封情書給Bob。但由于分布式網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞特性，這封情書將被發(fā)送至每一個用戶手中。Alice 不希望情書的內(nèi)容被其他用戶看到，因此Alice使用Bob的公鑰對情書進行加密。網(wǎng)絡(luò)中除Bob外的其他用戶接收到這封經(jīng)過加密的情書，看到的只是一段密文。只有Bob可以使用自己的私鑰對密文進行解密，得到一份情書的明文。通過這個加密與解密的過程，Alice與Bob之間實現(xiàn)了點對點的數(shù)據(jù)傳遞。
在區(qū)塊鏈的信息傳遞過程中，信息傳遞雙方的公私鑰加密與解密往往是成對出現(xiàn)的，即信息發(fā)送方使用私鑰對信息簽名、使用信息接收方公鑰對信息加密，信息接收方使用對方公鑰驗證信息發(fā)送方的身份、使用私鑰對加密信息解密。
區(qū)塊鏈用Merkle樹結(jié)構(gòu)簡化驗證程序
Merkle樹是區(qū)塊鏈的基本組成部分，Merkle樹的葉子節(jié)點存儲的是數(shù)據(jù)文件的哈希值，非葉子節(jié)點存儲的是對其下面所有的葉子節(jié)點值的組合結(jié)果進行哈希計算后得出的哈希值。區(qū)塊鏈利用Merkle樹這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存放所有葉子節(jié)點的哈希值，并以此為基礎(chǔ)生成一個統(tǒng)一的哈希值。區(qū)塊中的任何一筆交易的發(fā)生和交易信息的變動都會使Merkle樹發(fā)生改變。在交易信息的處理、比對及驗證的過程中，尤其是在分布式環(huán)境下進行比對或驗證時，Merkle 樹會大大減少數(shù)據(jù)的傳輸量和計算的復(fù)雜度。
Merkle 樹結(jié)構(gòu)圖
區(qū)塊鏈為每一筆交易蓋上時間戳
黃老邪在傳授記賬方法時，要求居民將發(fā)生在桃花島上的每一筆交易都記錄下來，并且要求他們將交易發(fā)生的時間也一并記錄在賬本上，這就相當于區(qū)塊鏈為每- -筆交易在發(fā)生時蓋上了時間戳。
在區(qū)塊鏈中，時間戳的應(yīng)用是對每一次交易記錄的認證，它就像交易合同公證一樣，能夠顯示交易記錄的真實性。時間戳作為區(qū)塊元數(shù)據(jù)的一部分，具有天然的時間特性。從某種意義上講，區(qū)塊鏈的本質(zhì)可以被理解為構(gòu)造了一個永不停息、無堅不摧的時間戳系統(tǒng)。
在現(xiàn)實經(jīng)濟交易中，常常會出現(xiàn)信息欺詐等虛假交易現(xiàn)象。為了減少這些不法行為給交易中誠實守信的一方帶來的損失，人們通常會尋求有公信力的第三方機構(gòu)對交易進行核驗。區(qū)塊鏈通過時間戳來保證分布式賬本的唯一一性， 避免雙花問題的產(chǎn)生。時間戳從區(qū)塊生成的一刻起就存在于區(qū)塊之中，它扮演了區(qū)塊鏈中的公證人的角色。與現(xiàn)有的公證機制相比，基于時間截的公證系統(tǒng)更為經(jīng)濟，并且完全可信。
區(qū)塊鏈中的時間截比傳統(tǒng)的公證制度更為可信，是因為時間簽名是直接寫在區(qū)塊鏈上的，區(qū)塊鏈中已經(jīng)生成的區(qū)塊不能以任何方式進行修改。一旦區(qū)塊被修改，生成的哈希值就無法匹配，操縱行為也將由此而被系統(tǒng)檢測到。區(qū)塊鏈根據(jù)分布式的協(xié)議，構(gòu)建了一個分布式的開放結(jié)構(gòu)體系，交換的信息可以通過分布式記賬的方式確定信息數(shù)據(jù)內(nèi)容，加蓋時間戳后生成區(qū)塊數(shù)據(jù)，再通過分布式廣播發(fā)送給各個節(jié)點，最終實現(xiàn)分布式存儲。
對數(shù)據(jù)應(yīng)用安全散列算法加蓋時間戳，并將該隨機哈希值在全網(wǎng)中進行廣播能夠證實一組數(shù)據(jù)在某一 -時刻是真實存在的，因為數(shù)據(jù)只有在該時刻的確存在，才能獲取相應(yīng)的隨機哈希值。每個時間戳?xí)⑶耙粋€時間戳納入其隨機哈希值之中， 每一個后面位置的時間截都會對前面的時間戳進行增強，這過程不斷重復(fù)、依次推進，最終形成一個完整 的鏈條。時間戳與哈希算法、Merkle樹共同作用，增強了區(qū)塊鏈的安全性能。
時間戳證明存在性的功能可能是區(qū)塊鏈的另一種用途，它或許會徹底改變?nèi)祟惖奈磥?。由于區(qū)塊哈希值的不可偽造性，一個區(qū)塊能提供出哈希值即可證明區(qū)塊哈希值存在于該區(qū)塊生成時刻之后，就像你在一張白紙上寫下了一串數(shù)字，說明的是數(shù)字出現(xiàn)的時間晚于白紙 這也稱為時間點后向證明。時間點前向證明則需要構(gòu)造一個包含數(shù)字摘要的交易，當該交易進入?yún)^(qū)塊后，便可以證明你在該區(qū)塊時刻之前擁有該數(shù)字摘要。
區(qū)塊鏈使智能合約成為現(xiàn)實
1994年，密碼學(xué)家尼克薩博（Nick Szabo）首次提出了智能合約的理念。 然而在過去的中心化體系下，智能合約幾乎是沒有意義的，因為保存在中心化系統(tǒng)中的合約可以被系統(tǒng)所有者隨時修改甚至刪除。但是有了區(qū)塊鏈以后，智能合約可以被事先寫入到區(qū)塊鏈的分右式網(wǎng)絡(luò)體系中。當合約中的某一事項發(fā)生時， 智能合約就會被觸發(fā)并自動執(zhí)行相應(yīng)的合約條款。在這個過程中，某一個人或者某一個機構(gòu)都不能夠修改或刪除合約，也無法阻礙智能合約的自動執(zhí)行。
智能合約指的是一段部署在分布式賬本中的代碼，它可以處理信息，接收、儲存和發(fā)送價值，是一個能夠自動執(zhí)行合約條款的計算機程序。從本質(zhì)上講，智能合約的工作原理類似于計算機程序中的if-then判斷語句，智能合約以這樣一種方式 與現(xiàn)實世界里的資產(chǎn)進行交互。
智能合約見圖3-6。
智能合約擁有自治、自足和分布式的特點，它由代碼定義并獨立執(zhí)行。智能合約的執(zhí)行流程從雙方達成合約協(xié)定時開始，通過將合約中的內(nèi)容進行數(shù)字化編碼并寫入?yún)^(qū)塊鏈中實現(xiàn)對合約內(nèi)容的形式化。合約中約定的條件事項的發(fā)生將自動觸發(fā)合約的執(zhí)行程序。借助區(qū)塊鏈技術(shù)，智能合約可能會在未來對人們的生活帶來極大的改變。智能合約能夠使得人與人之間的價值交易過程自動化和信任化，通過智能合約實現(xiàn)價值交易不僅節(jié)省了時間和金錢，還提高了交易的效率。在區(qū)塊鏈技術(shù)中，智能合約在分布式交易所、金融衍生品、身份認證、醫(yī)療健康和科學(xué)發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。
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