有關區塊鏈的數據表格分析

什麼是區塊鏈？一幅漫畫讓你看懂（小白必看）

「區塊鏈」一詞其實在早期的密碼學圈子裡，對於比特幣的底層技術就是稱為「比特幣」，英文則用大寫的B開頭的Bitcoin指比特幣這個網路系統或者網路協議。

但是由於大眾的混淆，現在一談起比特幣人們就十分抵觸，認為比特幣就是違法、騙局、傳銷的代名詞，是互聯網金融又一個現象級泡沫！於是乎，人們只好將所有的底層技術(時間戳、工作量證明機制等等等)合並起來，為了跟比特幣區分，重新取了個名字叫Blockchain，翻譯過來就成了「區塊鏈」，這才有了「區塊鏈」一詞的出現。

區塊鏈不是一個單一的技術，而是一系列技術的集合。

那區塊鏈到底應該如何理解呢？我們首先用大家都愛談的戀愛，舉個簡單的例子。建立一個簡單的區塊鏈模型，那麼在這個區塊鏈模型裡面談戀愛將會出現一下情況：

未來所有適齡男女戀愛，結婚的承諾全過程都被其他所有適齡男女共識，兩個人在一起發生的所有故事就會形成區塊。

其他所有男女就是鏈，如果有第三者來插足或自身違背另一半，其他人都能看到，以後就再也找不到對象了。

區塊鏈准確的說就是「全中心」體系，就是鏈上的每個節點都是中心。

試婚男女談戀愛，曬朋友圈，秀恩愛，承諾相愛一生一世並被其他所有適婚男女所知就是區塊鏈的應用。如果有一天某一方違背諾言，不要以為刪除照片就有用，因為樁樁件件都被所有適婚男女記錄在案。

不可刪除，不可更改，這就是區塊鏈技術。

區塊鏈是什麼通俗解釋，一張圖看懂區塊鏈

區塊鏈是最近一個比較火熱的話題，很多人都在討論區塊鏈的問題，最近國內也有一些公司開始用區塊鏈的技術開發了一些產品，區塊鏈是用於比特幣的一種底層技術，這正式因為比特幣的大火讓很多人關注到了比特幣，但有很多人對於區塊鏈是什麼還並不了解，下面就給我來解釋一下區塊鏈。

比特幣是很多人比較關注的數字貨幣，而比特幣的底層技術就是區塊鏈，區塊鏈是一種計算機技術，是一種新型的應用模式。區塊鏈就好比是一個大的資料庫賬本，在這個大的賬本上記錄了所有的交易情況，而記錄這個賬本的人跟傳統的記賬有很大區別，傳統記賬通常是由專門的記賬方進行操作，例如淘寶、天貓是阿里巴巴進行記賬的，微信交易是由騰訊記賬的，而區塊鏈是由全民參與記賬，每個參與記賬的人入手都有一個賬本。

舉例來給大家說明，例如A想找B借款1萬元，B想將錢借給A，但是又擔心A借錢後賴賬不還，因此在借錢時會找第三方的公證人，由公證人幫忙B將這筆賬給記下來，這種就是傳統的記賬方式，靠第三方來獲取信任，記賬的賬本是在第三方手中的，這種記賬方式存在第三方篡改賬本的可能性，而去中心話的意思就是在借款時不需要公證人，不需要依靠第三方來獲取信任，去中心化的形勢就好比B給A借錢時，B拿著大喇叭喊」A找我借了一萬元錢，你們幫我記下賬「這個時候，大家都會拿著自己手上的賬本將這筆賬給記錄下來，每個人都有一個賬本，可以避免賬本被篡改的可能。

2019年10月25日，新聞聯播傳遞出一個非常重要的信號：國家要大力發展區塊鏈。之後，區塊鏈簡直就是網紅，大街小巷都飄盪著「區塊鏈「的身影。實際上，很多科技企業早已在區塊鏈技術上布局。

盡管說區塊鏈很火，但是很多人對於區塊鏈並不是很了解。

區塊鏈是什麼呢？

我們先看一下度娘是怎麼解釋的。網路顯示：區塊鏈是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密演算法等計算機技術的新型應用模式。

區塊鏈為什麼會被叫做區塊鏈呢？

區塊鏈是由一個個的區塊鏈接而成，而區塊是一個一個的存儲單元，記錄了各區塊節點的交流信息，區塊很像資料庫的記錄，每次寫入數據，就是創建一個區塊。而隨著信息交流的擴大，一個區塊與一個區塊相繼續，形成的結果就叫區塊鏈。

區塊鏈的特點有哪些呢？

區塊鏈主要有以下幾個方面的特點：

1、去中心化：在區塊鏈的系統中，每一個節點都有同等的權利和義務，這里沒有中心管制。去中心化很好的建立了彼此之前的信任聯系，盡管沒有一個中央管理機構，但是人們之間可以相互協作相互信任。這主要應用了區塊鏈分布式賬本技術。

2、開放性：區塊鏈的數據對所有的人是開放的，除了一些加密的信息不被開放之外，所有人都可以在這里查到數據。

3、獨立性：整個區塊鏈系統不依賴其他第三方，所有節點能夠在系統內自動安全地驗證、交換數據，不需要任何人為的干預。

4、安全性：區塊鏈具有一定的安全性，不可篡改性。因為區塊鏈系統中大家手裡都是一樣的賬本，如果有人想篡改的話，那麼只有在控制了超過51%的記賬節點，才有可能偽造出一條不存在的記錄。當然了，這基本上是不可能的。這主要是源於區塊鏈的核心技術：共識機制，共識機制具備「少數服從多數」以及「人人平等」的特點。

5、匿名性：很多人覺得區塊鏈這么開放，這么透明，是不是我們就沒有隱私了？其實不是，雖然說在區塊鏈中的交易信息是公開透明的，但是賬戶的身份信息是被進行加密的，只有得到了授權，才能訪問。

現在給大家講一個故事，幫助大家更好的理解區塊鏈。

家裡一共三口人，爸爸媽媽和哥哥弟弟。去年的時候，家裡的賬本是由爸爸來負責的，家裡所有的進賬以及支出都是爸爸一個人在負責。

然而雙十一那天，一向節儉的媽媽想在某寶上給自己買一件漂亮的衣衣，一查賬本，發現不對勁兒。按理說除了存銀行和理財的一些錢，家裡的日常消費的的錢的去向都在這個賬本上，但是怎麼看怎麼都不對。有的消費明明沒有，卻被記錄在內。

後來，爸爸主動招供，說是自己忍不住買了一包煙。

後來媽媽改了策略，全家人都記賬，每個月的消費支出大家都記在自己的賬本上。每當家裡產生了一筆交易或者消費的時候，媽媽都會喊一聲，記賬啦，大家就都把交易記載自己的賬本上。這就是去中心化記賬模式，人人都是中心，人人手裡都有賬本。

而之前的爸爸記賬模式就是中心化記賬，如果爸爸一個人想做手腳，很難有人看得出來，而去中心化記賬模式很好的解決了中心化記賬的弊端，如果爸爸想篡改賬本的話，非常難。

比如說，爸爸如果想從賬本里拿點兒錢再偷偷買煙的話，錢的數量是有限的，而想拿錢就得改改賬本，但是光篡改自己的賬本是不行的，他得把包含他在內的三個人的賬本都改掉。而這無疑是比登天還難。

所以，很多次爸爸動了抽煙的念頭之後，但是無奈現狀如此，只得放棄這個念頭。

區塊鏈和比特幣是不是一回事兒呢？

實際上，區塊鏈和比特幣並不是一回事兒，它只是比特幣的底層技術，比特幣是區塊鏈第一個應用的數字貨幣而已。

2008年中本聰第一次提出了區塊鏈的概念，隨後幾年，成為了電子貨幣比特幣的核心組成部分，作為所有交易的公共賬簿。而區塊鏈首先被應用於比特幣。

區塊鏈的緣起是解決信任問題，而且，區塊鏈最成功的一個應用是數字貨幣。比特幣可以說是到目前為止區塊鏈最成功的一個應用。

區塊鏈的應用有哪些？

區塊鏈的應用其實很廣泛，除了數字貨幣，比特幣未來的應用還是非常廣泛的，區塊鏈技術目前已在不同行業得到了廣泛的應用。如商品溯源、版權保護與交易、支付清算、物聯網、數字營銷、醫療等，推動不同行業快速進入「區塊鏈+」時代。

1、支付清算：區塊鏈可摒棄中轉銀行的角色，實現點到點支付，減少中轉費用，加速資金利用率。

2、商品追溯：比如我們在某寶上買一件衣服，我們可以看到這件衣服的前世今生。

3、證券交易：傳統的證券交易需要經過四大機構協調工作，效率低、成本高。區塊鏈技術可獨立地完成一條龍式服務。

4、供應鏈：將區塊鏈技術引入供應鏈系統，系統內部同步信息、可做到對各個環節把控，更好的完成分工協作，便於事後追責。

5、知識產權：版權上鏈，我們的攝影作品、音樂作品、文學作品等都會成為我們的信息，信息所有權將得以確認，成為我們的財產。

漫畫圖解：什麼是區塊鏈

什麼是區塊鏈？

區塊鏈，英文Blockchain，本質上是一種去中心化的分布式資料庫。任何人只要架設自己的伺服器，接入區塊鏈網路，都可以成為這個龐大網路的一個節點。

區塊鏈既然本質是資料庫，裡面究竟存儲了什麼東西呢？讓我們來了解一下區塊鏈的基本單元：區塊（Block）。

一個區塊分為兩大部分：

1.區塊頭

區塊頭裡面存儲著區塊的頭信息，包含上一個區塊的哈希值（PreHash），本區塊體的哈希值（Hash），以及時間戳（TimeStamp）等等。

2.區塊體

區塊體存儲著這個區塊的詳細數據（Data），這個數據包含若干行記錄，可以是交易信息，也可以是其他某種信息。

剛才提及的哈希值又是什麼意思呢？

想必大家都聽說過MD5，MD5就是典型的哈希演算法，可以把一串任意長度的明文轉化成一串固定長度（128bit）的字元串，這個字元串就是哈希值。

而在我們的區塊鏈中，採用的是一種更為復雜的哈希演算法，叫做SHA256。最新的數據信息（比如交易記錄）經過一系列復雜的計算，最終會通過這個哈希演算法轉化成了長度為256bit的哈希值字元串，也就是區塊頭當中的Hash，格式如下：

區塊與Hash是一一對應的，Hash可以當做是區塊的唯一標識。

不同的區塊之間是如何進行關聯的呢？依靠Hash和PreHash來關聯。每一個區塊的PreHash和前一個區塊的Hash值是相等的。

為什麼要計算區塊的哈希值呢？

既然區塊鏈是一個鏈狀結構，就必然存在鏈條的頭節點（第一個區塊）和尾節點（最後一個區塊）。一旦有人計算出區塊鏈最新數據信息的哈希值，相當於對最新的交易記錄進行打包，新的區塊會被創建出來，銜接在區塊鏈的末尾。

新區塊頭的Hash就是剛剛計算出的哈希值，PreHash等於上一個區塊的Hash。區塊體的Data存儲的是打包前的交易記錄，這部分數據信息已經變得不可修改。

這個計算Hash值，創建新區塊的過程就叫做挖礦。

用於進行海量計算的伺服器，叫做礦機。

操作計算的工作人員，叫做礦工。

計算哈希值究竟難在哪裡？咱們來做一個最粗淺的解釋，哈希值計算的公式如下：

Hash=SHA-256（最後一個區塊的Hash+新區塊基本信息+交易記錄信息+隨機數）

其中，交易記錄信息也是一串哈希值，它的計算涉及到一個數據結構MerkleTree。有興趣的小夥伴可以查閱相關資料，我們暫時不做展開介紹。

這里關鍵的計算難點在於隨機數的生成。猥瑣的區塊鏈發明者為了增大Hash的計算難度，要求Hash結果的前72bit必須都是0，這個幾率實在是太小太小。

由於（最後一個區塊的Hash+新區塊基本信息+交易記錄信息）是固定的，所以能否獲得符合要求的Hash，完全取決於隨機數的值。挖礦者必須經過海量計算，反復生成隨機數進行「撞大運」一般的嘗試，才有可能得到正確的Hash，從而挖礦成功。

同時，區塊頭內還包含著一個動態的難度系數，當全世界的硬體計算能力越來越快的時候，區塊鏈的難度系數也會水漲船高，使得全網平均每10分鍾才能產生出一個新區塊。

小夥伴們明白挖礦有多麼難了吧？需要補充的是，不同的區塊鏈應用在細節上是不同的，這里所描述的挖礦規則是以比特幣為例。

區塊鏈的應用

比特幣（BitCoin）的概念最初由中本聰於2008年提出，而後根據這一思路設計發布了開源軟體以及建構其上的P2P網路。比特幣是一種P2P形式的數字貨幣。點對點的傳輸意味著一個去中心化的支付系統。

什麼是P2P網路呢？

傳統的貨幣都是由中央銀行統一發行，所有的個人儲蓄也是由銀行統一管理，這是典型的中心化系統。

而比特幣則是部署在一個全世界眾多對等節點組成的去中心化網路之上。每一個節點都有資格對這種數字貨幣進行記錄和發行。

至於比特幣底層的數據存儲，正是基於了區塊鏈技術。比特幣的每一筆交易，都對應了區塊體數據中的一行，簡單的示意如下：

交易記錄的每一行都包含時間戳、交易明細、數字簽名。

表格中只是為了方便理解。實際存儲的交易明細是匿名的，只會記錄支付方和收款方的錢包地址。

至於數字簽名呢，可以理解為每一條單筆交易的防偽標識，由非對稱加密演算法所生成。

接下來說一說比特幣礦工的獎勵：

比特幣協議規定，挖到新區塊的礦工將獲得獎勵，從2008年起是50個比特幣，然後每4年減半，目前2018年是12.5個比特幣。流通中新增的比特幣都是這樣誕生的，也難怪大家對挖掘比特幣的工作如此趨之若鶩！

區塊鏈的優勢和劣勢

區塊鏈的優勢：

1.去中心化

區塊鏈不依賴於某個中心節點，整個系統的數據由全網所有對等節點共同維護，都可以進行數據的存儲和檢驗。這樣一來，除非攻擊者黑掉全網半數以上的節點，否則整個系統是不會遭到破壞的。

2.信息不可篡改

區塊內的數據是無法被篡改的。一旦數據遭到篡改哪怕一丁點，整個區塊對應的哈希值就會隨之改變，不再是一個有效的哈希值，後面鏈接的區塊也會隨之斷裂。

區塊鏈的劣勢：

1.過度消耗能源

想要生成一個新的區塊，必須要大量伺服器資源進行大量無謂的嘗試性計算，嚴重耗費電能。

2.信息的網路延遲

以比特幣為例，任何一筆交易數據都需要同步到其他所有節點，同步過程中難免會受到網路傳輸延遲的影響，帶來較長的耗時。

幾點補充：

1.本漫畫部分內容參考了阮一峰的博文《區塊鏈入門教程》，感謝這位大神的科普。

2.由於篇幅有限，關於MerkleTree和非對稱加密的知識暫時沒有展開細講，有興趣的小夥伴們可以查閱資料進行更深一步的學習。

C. POA(Proof of Activity)區塊鏈共識演算法

POA(Proof of Activity)演算法是一個區塊鏈的共識演算法，基本原理是結合POW(Proof of work)和POS(Proof of stake)演算法的特點進行工作，POW演算法和POS演算法的具體內容可以參考：

POW演算法 ： https://www.jianshu.com/p/b23cbafbbad2
POS演算法 ： https://blog.csdn.net/wgwgnihao/article/details/80635162

POA演算法相比於其他演算法可以改進網路拓撲，維持在線節點比例，需求更少的交易費同時減少共識演算法過程中的能量損耗。
POA演算法需求的網路中同樣包含兩類節點，礦工和普通參與者，其中普通參與者不一定一直保持在線。POA演算法首先由礦工構造區塊頭，由塊頭選出N個幣，這N個幣的所有者參與後續的校驗和生成塊的過程。
從這里可以看到POA演算法不僅與算力有關，後續的N個參與者的選舉則完全由參與者在網路中所擁有的幣的總數量決定。擁有越多幣的參與者越有機會被選為N個後續的參與者。而後續N個參與者參與的必要條件是這N個參與者必須在線，這也是POA命名的由來，POA演算法的維護取決於網路中的活躍節點(Active)。

POA演算法的一個理想的基本流程是，類似於POW協議，礦工構造出一個符合難度要求的塊頭，通過礦工得到的塊頭計算衍生出N個幣的編號，從區塊鏈中追溯可以得到這幾個幣目前所述的參與者。礦工將這個塊頭發送給這N個參與者，其中前N-1個參與者對這個塊進行校驗和簽名，最後第N個參與者校驗並將交易加入到該塊中，將這個區塊發布出去，即完成一個區塊的出塊。
一個理想過程如下圖所示：

在實際運行中，無法保證網路上所有參與者都在線，而不在線的參與者則無法進行校驗和簽名，這個無法被校驗和簽名的塊頭則會被廢棄。
即在實際運行中，應該是一個礦工構造出塊頭後廣播給各個參與者簽名，同時繼續重新構造新的塊頭，以免上一個塊頭衍生的N個參與者存在有某一個沒有在線，而導致塊頭被廢棄。
因此，在這種情況下，一個塊是否被確認不僅與礦工的計算能力有關同時也與網路上的在線比例有關。
與純POW相比，在與比特幣(POW)同樣10分鍾出一個塊的情況下，POA由於會有參與者不在線而產生的損耗，因此，10分鍾內礦工可以構造的塊的數量會更多，即塊頭的難度限制會降低，那麼礦工在挖礦過程中會造成的能量損耗也會降低。
與純POS相比，可以看到POA的出塊流程並不會將構造區塊過程中的相關信息上鏈，可以明顯減少區塊鏈上用於維護協議產生的冗餘信息的量。

本節對上訴協議中一些參數設置進行分析

在礦工構造出塊頭後對塊頭進行校驗和區塊構造的N個參與者的數量選定比較類似於比特幣中每一個塊的出塊時間的選取。比特幣中選擇了10分鍾作為每一個塊的期望出塊時間並通過動態調節難度來適應。
這里N的取值同樣可以選擇選定值或者動態調節。動態調節需要更加復雜的協議內容，同時可能會帶來區塊鏈的數據膨脹，而復雜的協議也增加了攻擊者攻擊的可能性。另外暫時沒有辦法證明動態調節可以帶來什麼好處。靜態調節在後續的分析(4 安全分析)中可以得到N=3的取值是比較合適的。

從上面的描述可以看到，構造新的區塊的除了礦工還有從塊頭中衍生出來的N個幣所有者。在構造出一個新的區塊後，這些參與者同樣應該收到一定的激勵，以維持參與者保持在線狀態。
礦工與參與者之間的非配比例與參與者的在線狀態相關。給予參與者的激勵與參與者保持在線狀態的熱情密切相關，越多參與者保持在線狀態，能更好地維持網路的穩定。因此，可以在網路上在線參與者不夠多的時候，提高參與者得到的激勵分成比例，從而激發更多的參與者上線。
如何確定當前參與者的在線情況呢？可以最後第N個參與者構造區塊時，將構造出來但是被廢棄的塊頭加入到區塊中，如果被丟棄的塊頭數量過多，說明在線人數過低，應當調節分成比例。
同時最後第N個參與者與其他參與者的分成同樣需要考慮，第N個參與者需要將交易加入區塊中，即需要維護UTXO池，同時第N個參與者還需要將被丟棄的塊頭加入新構建的區塊中。
為了激勵其將廢棄區塊頭加入新構建的區塊中，可以按照加入的區塊頭，適當增加一點小的激勵。雖然加入更多的區塊頭，可以在下一輪的時候增加分成的比例，應當足夠激勵參與者往區塊中加入未使用的塊頭了(這里參與者不可能為了增加分成而更多地加入區塊頭，每一個區塊頭都意味著一位礦工的工作量)。
一個參與者如果沒有維護UTXO池則無法構造區塊，但是可以參與前N-1個的簽名，因此為了激勵參與者維護UTXO池，作為最後一個構造區塊的參與者，必須給予更多的激勵，比如是其他參與者的兩倍。

從3.2的描述中可以知道一個用戶必須在線且維護UTXO池才可能盡可能地獲得利益。這種機制勢必會導致一些用戶將自己的賬戶託管給一個中心化的機構。這個機構一直保持在線，並為用戶維護其賬戶，在被選為構造區塊的參與者時參與區塊的構建並獲取利益。最後該機構將收益按照某種形式進行分成。
上面說到參與者必須用自己的密鑰進行簽名，而託管給某個機構後，這個機構在可以用這個密鑰簽名構造區塊的同時，也有可能使用這個密鑰消費用戶的財產。這里可以採用一種有限花銷的密鑰，這個密鑰有兩個功能，一個是將賬戶中的部分財產消費出去，另一個是將所有財產轉移到一個指定賬戶。在託管的時候可以使用這個密鑰，在被通知部分財產被花費後可以立即將所有財產轉移到自己的另一個賬戶下，以保證財產的安全。

從上面的分析可以看到，POA的安全性與攻擊者所擁有的算力和攻擊者所擁有的股權有關。假設攻擊者擁有的在線股權佔比為 ，則攻擊者的算力需要達到其他所有算力的 倍才能達成分叉。假設攻擊者股權總佔比為 ，網路中誠實用戶的在線比例為 ，則攻擊者的算力需要達到其他所有算力的 倍才能達成攻擊。
攻擊的分析表格如下：

從上文的分析可以看到，POA演算法相比於其他演算法可以改進網路拓撲，維持在線節點比例，需求更少的交易費同時減少共識演算法過程中的能量損耗。同時，PoA協議的攻擊成本要高於比特幣的純PoW協議。

參考文獻：Proof of Activity: Extending Bitcoin』s Proof of Work via Proof of Stake