區塊鏈演算法和技術原理

Ⅰ 深入了解區塊鏈的共識機制及演算法原理

所謂「共識機制」，是通過特殊節點的投票，在很短的時間內完成對交易的驗證和確認；對一筆交易，如果利益不相乾的若干個節點能夠達成共識，我們就可以認為全網對此也能夠達成共識。再通俗一點來講，如果中國一名微博大V、美國一名虛擬幣玩家、一名非洲留學生和一名歐洲旅行者互不相識，但他們都一致認為你是個好人，那麼基本上就可以斷定你這人還不壞。

要想整個區塊鏈網路節點維持一份相同的數據，同時保證每個參與者的公平性，整個體系的所有參與者必須要有統一的協議，也就是我們這里要將的共識演算法。比特幣所有的節點都遵循統一的協議規范。協議規范（共識演算法）由相關的共識規則組成，這些規則可以分為兩個大的核心：工作量證明與最長鏈機制。所有規則（共識）的最終體現就是比特幣的最長鏈。共識演算法的目的就是保證比特幣不停地在最長鏈條上運轉，從而保證整個記賬系統的一致性和可靠性。

區塊鏈中的用戶進行交易時不需要考慮對方的信用、不需要信任對方，也無需一個可信的中介機構或中央機構，只需要依據區塊鏈協議即可實現交易。這種不需要可信第三方中介就可以順利交易的前提是區塊鏈的共識機制，即在互不了解、信任的市場環境中，參與交易的各節點出於對自身利益考慮，沒有任何違規作弊的動機、行為，因此各節點會主動自覺遵守預先設定的規則，來判斷每一筆交易的真實性和可靠性，並將檢驗通過的記錄寫入到區塊鏈中。各節點的利益各不相同，邏輯上將它們沒有合謀欺騙作弊的動機產生，而當網路中有的節點擁有公共信譽時，這一點尤為明顯。區塊鏈技術運用基於數學原理的共識演算法，在節點之間建立「信任」網路，利用技術手段從而實現一種創新式的信用網路。

目前區款連行業內主流的共識演算法機制包含：工作量證明機制、權益證明機制、股份授權證明機制和Pool驗證池這四大類。

工作量證明機制即對於工作量的證明，是生成要加入到區塊鏈中的一筆新的交易信息(即新區塊)時必須滿足的要求。在基於工作量證明機制構建的區塊鏈網路中，節點通過計算隨機哈希散列的數值解爭奪記賬權，求得正確的數值解以生成區塊的能力是節點算力的具體表現。工作量證明機制具有完全去中心化的優點，在以工作量證明機制為共識的區塊鏈中，節點可以自由進出。大家所熟知的比特幣網路就應用工作量證明機制來生產新的貨幣。然而，由於工作量證明機制在比特幣網路中的應用已經吸引了全球計算機大部分的算力，其他想嘗試使用該機制的區塊鏈應用很難獲得同樣規模的算力來維持自身的安全。同時，基於工作量證明機制的挖礦行為還造成了大量的資源浪費，達成共識所需要的周期也較長，因此該機制並不適合商業應用。

2012年，化名Sunny King的網友推出了Peercoin，該加密電子貨幣採用工作量證明機制發行新幣，採用權益證明機制維護網路安全，這是權益證明機制在加密電子貨幣中的首次應用。與要求證明人執行一定量的計算工作不同，權益證明要求證明人提供一定數量加密貨幣的所有權即可。權益證明機制的運作方式是，當創造一個新區塊時，礦工需要創建一個「幣權」交易，交易會按照預先設定的比例把一些幣發送給礦工本身。權益證明機制根據每個節點擁有代幣的比例和時間，依據演算法等比例地降低節點的挖礦難度，從而加快了尋找隨機數的速度。這種共識機制可以縮短達成共識所需的時間，但本質上仍然需要網路中的節點進行挖礦運算。因此，PoS機制並沒有從根本上解決PoW機制難以應用於商業領域的問題。

股份授權證明機制是一種新的保障網路安全的共識機制。它在嘗試解決傳統的PoW機制和PoS機制問題的同時，還能通過實施科技式的民主抵消中心化所帶來的負面效應。

股份授權證明機制與董事會投票類似，該機制擁有一個內置的實時股權人投票系統，就像系統隨時都在召開一個永不散場的股東大會，所有股東都在這里投票決定公司決策。基於DPoS機制建立的區塊鏈的去中心化依賴於一定數量的代表，而非全體用戶。在這樣的區塊鏈中，全體節點投票選舉出一定數量的節點代表，由他們來代理全體節點確認區塊、維持系統有序運行。同時，區塊鏈中的全體節點具有隨時罷免和任命代表的權力。如果必要，全體節點可以通過投票讓現任節點代表失去代表資格，重新選舉新的代表，實現實時的民主。

股份授權證明機制可以大大縮小參與驗證和記賬節點的數量，從而達到秒級的共識驗證。然而，該共識機制仍然不能完美解決區塊鏈在商業中的應用問題，因為該共識機制無法擺脫對於代幣的依賴，而在很多商業應用中並不需要代幣的存在。

Pool驗證池基於傳統的分布式一致性技術建立，並輔之以數據驗證機制，是目前區塊鏈中廣泛使用的一種共識機制。

Pool驗證池不需要依賴代幣就可以工作，在成熟的分布式一致性演算法(Pasox、Raft)基礎之上，可以實現秒級共識驗證，更適合有多方參與的多中心商業模式。不過，Pool驗證池也存在一些不足，例如該共識機制能夠實現的分布式程度不如PoW機制等

這里主要講解區塊鏈工作量證明機制的一些演算法原理以及比特幣網路是如何證明自己的工作量的，希望大家能夠對共識演算法有一個基本的認識。

工作量證明系統的主要特徵是客戶端要做一定難度的工作來得到一個結果，驗證方則很容易通過結果來檢查客戶端是不是做了相應的工作。這種方案的一個核心特徵是不對稱性：工作對於請求方是適中中的，對於驗證方是易於驗證的。它與驗證碼不同，驗證碼是易於被人類解決而不是易於被計算機解決。

下圖所示的為工作量證明流程。

舉個例子，給個一個基本的字元創「hello，world！」，我們給出的工作量要求是，可以在這個字元創後面添加一個叫做nonce（隨機數）的整數值，對變更後（添加nonce）的字元創進行SHA-256運算，如果得到的結果（一十六進制的形式表示）以「0000」開頭的，則驗證通過。為了達到這個工作量證明的目標，需要不停地遞增nonce值，對得到的字元創進行SHA-256哈希運算。按照這個規則，需要經過4251次運算，才能找到前導為4個0的哈希散列。

通過這個示例我們對工作量證明機制有了一個初步的理解。有人或許認為如果工作量證明只是這樣一個過程，那是不是只要記住nonce為4521使計算能通過驗證就行了，當然不是了，這只是一個例子。

下面我們將輸入簡單的變更為」Hello,World!+整數值」，整數值取1~1000，也就是說將輸入變成一個1~1000的數組：Hello,World!1；Hello,World!2；...；Hello,World!1000。然後對數組中的每一個輸入依次進行上面的工作量證明—找到前導為4個0的哈希散列。

由於哈希值偽隨機的特性，根據概率論的相關知識容易計算出，預計要進行2的16次方次數的嘗試，才能得到前導為4個0的哈希散列。而統計一下剛剛進行的1000次計算的實際結果會發現，進行計算的平均次數為66958次，十分接近2的16次方（65536）。在這個例子中，數學期望的計算次數實際就是要求的「工作量」，重復進行多次的工作量證明會是一個符合統計學規律的概率事件。

統計輸入的字元創與得到對應目標結果實際使用的計算次數如下：

對於比特幣網路中的任何節點，如果想生成一個新的區塊加入到區塊鏈中，則必須解決出比特幣網路出的這道謎題。這道題的關鍵要素是工作量證明函數、區塊及難度值。工作量證明函數是這道題的計算方法，區塊是這道題的輸入數據，難度值決定了解這道題的所需要的計算量。

比特幣網路中使用的工作量證明函數正是上文提及的SHA-256。區塊其實就是在工作量證明環節產生的。曠工通過不停地構造區塊數據，檢驗每次計算出的結果是否滿足要求的工作量，從而判斷該區塊是不是符合網路難度。區塊頭即比特幣工作量證明函數的輸入數據。

難度值是礦工們挖掘的重要參考指標，它決定了曠工需要經過多少次哈希運算才能產生一個合法的區塊。比特幣網路大約每10分鍾生成一個區塊，如果在不同的全網算力條件下，新區塊的產生基本都保持這個速度，難度值必須根據全網算力的變化進行調整。總的原則即為無論挖礦能力如何，使得網路始終保持10分鍾產生一個新區塊。

難度值的調整是在每個完整節點中獨立自動發生的。每隔2016個區塊，所有節點都會按照統一的格式自動調整難度值，這個公式是由最新產生的2016個區塊的花費時長與期望時長（按每10分鍾產生一個取款，則期望時長為20160分鍾）比較得出來的，根據實際時長一期望時長的比值進行調整。也就是說，如果區塊產生的速度比10分鍾快，則增加難度值；反正，則降低難度值。用公式來表達如下：

新難度值=舊難度值*（20160分鍾/過去2016個區塊花費時長）。

工作量證明需要有一個目標值。比特幣工作量證明的目標值（Target）的計算公式如下：

目標值=最大目標值/難度值，其中最大目標值為一個恆定值

目標值的大小與難度值成反比，比特幣工作量證明的達成就是礦中計算出來的區塊哈希值必須小於目標值。

我們也可以將比特幣工作量的過程簡單的理解成，通過不停變更區塊頭（即嘗試不同nonce值）並將其作為輸入，進行SHA-256哈希運算，找出一個有特定格式哈希值的過程（即要求有一定數量的前導0），而要求的前導0個數越多，難度越大。

可以把比特幣將這道工作量證明謎題的步驟大致歸納如下：

該過程可以用下圖表示：

比特幣的工作量證明，就是我們俗稱「挖礦」所做的主要工作。理解工作量證明機制，將為我們進一步理解比特幣區塊鏈的共識機制奠定基礎。

Ⅱ 剛剛了解，誰能告訴我區塊鏈是什麼通俗解釋一下區塊鏈技術的方法

大家共同記賬的方式，也被稱為「分布式」或「去中心化」，因為人人都記賬，且賬本的准確性由程式演算法決定，而非某個權威機構。

這就是區塊鏈，核心講完了，區塊鏈就這么簡單，一個共同記賬的賬本

區塊鏈技術六大核心演算法：

區塊鏈核心演算法一：拜占庭協定

拜占庭的故事大概是這么說的：拜占庭帝國擁有巨大的財富，周圍10個鄰邦垂誕已久，但拜占庭高牆聳立，固若金湯，沒有一個單獨的鄰邦能夠成功入侵。任何單個鄰邦入侵的都會失敗，同時也有可能自身被其他9個鄰邦入侵。拜占庭帝國防禦能力如此之強，至少要有十個鄰邦中的一半以上同時進攻，才有可能攻破。然而，如果其中的一個或者幾個鄰邦本身答應好一起進攻，但實際過程出現背叛，那麼入侵者可能都會被殲滅。於是每一方都小心行事，不敢輕易相信鄰國。這就是拜占庭將軍問題。

區塊鏈核心演算法二：非對稱加密技術

在上述拜占庭協定中，如果10個將軍中的幾個同時發起消息，勢必會造成系統的混亂，造成各說各的攻擊時間方案，行動難以一致。誰都可以發起進攻的信息，但由誰來發出呢？其實這只要加入一個成本就可以了，即：一段時間內只有一個節點可以傳播信息。當某個節點發出統一進攻的消息後，各個節點收到發起者的消息必須簽名蓋章，確認各自的身份。

區塊鏈核心演算法三：容錯問題

我們假設在此網路中，消息可能會丟失、損壞、延遲、重復發送，並且接受的順序與發送的順序不一致。此外，節點的行為可以是任意的：可以隨時加入、退出網路，可以丟棄消息、偽造消息、停止工作等，還可能發生各種人為或非人為的故障。我們的演算法對由共識節點組成的共識系統，提供的容錯能力，這種容錯能力同時包含安全性和可用性，並適用於任何網路環境。

區塊鏈核心演算法四：Paxos 演算法（一致性演算法）

Paxos演算法解決的問題是一個分布式系統如何就某個值(決議)達成一致。一個典型的場景是，在一個分布式資料庫系統中，如果各節點的初始狀態一致，每個節點都執行相同的操作序列，那麼他們最後能得到一個一致的狀態。為保證每個節點執行相同的命令序列，需要在每一條指令上執行一個「一致性演算法」以保證每個節點看到的指令一致。一個通用的一致性演算法可以應用在許多場景中，是分布式計算中的重要問題。 節點通信存在兩種模型：共享內存和消息傳遞。Paxos演算法就是一種基於消息傳遞模型的一致性演算法。

區塊鏈核心演算法五：共識機制

區塊鏈共識演算法主要是工作量證明和權益證明。拿比特幣來說，其實從技術角度來看可以把PoW看成重復使用的Hashcash，生成工作量證明在概率上來說是一個隨機的過程。開采新的機密貨幣，生成區塊時，必須得到所有參與者的同意，那礦工必須得到區塊中所有數據的PoW工作證明。與此同時礦工還要時時觀察調整這項工作的難度，因為對網路要求是平均每10分鍾生成一個區塊。

區塊鏈核心演算法六：分布式存儲是一種數據存儲技術，通過網路使用每台機器上的磁碟空間，並將這些分散的存儲資源構成一個虛擬的存儲設備，數據分散的存儲在網路中的各個角落。所以，分布式存儲技術並不是每台電腦都存放完整的數據，而是把數據切割後存放在不同的電腦里。就像存放100個雞蛋，不是放在同一個籃子里，而是分開放在不同的地方，加起來的總和是100個。想了解更多可以多利用網路搜索，網路搜索結果-小知識

Ⅲ 區塊鏈原理

區塊鏈是一種技術,但它不是一種單一的技術,而是由多種技術整合的結果,包括密碼學、數學、經濟學、網路科學等。你可以把它看做是一個分布式共享記賬技術,也可以看做是一個資料庫,只不過這個資料庫是由在這個鏈上的所有節點共同維護,每個節點都有一份賬本,因為所有節點的賬本一致,不同節點之間可以互相信任,對數據沒有疑問,所以大家都說區塊鏈從技術上實現了信任。詳細的專業技術可以咨詢一些專業的技術公司，例：金博科技，專注開發區塊鏈相關產品，專業研發團隊和完善的售後服務，可以電話咨詢。

Ⅳ 什麼是區塊鏈技術區塊鏈技術的核心構成是什麼

從技術的角度，架構的角度，用通俗的語言來跟大家講講，我對區塊鏈的一些理解。

究竟啥是區塊鏈？Block chain，一句話來說，區塊鏈是一個存儲系統，存儲系統更細一點，區塊鏈是一個沒有管理員，每個節點都擁有全部數據的分布式存儲系統。

那常見的存儲系統，是什麼樣子的呢？

首先看一下如何保證高可用？

普通的存儲系統通常是用「冗餘」的方式來解決高可用問題的。圖上圖所示如果能夠把數據復製成幾份，冗餘到多個地方，就能夠保證高可用。一個地方的數據掛了，另外的地方還存有數據，例如MySQL的主從集群就是這個原理，磁碟的RAID也是這個原理。

這個地方需要強調的兩點是：數據冗餘，往往會引發一致性的問題

1、例如MySQL的主從集群中中其實讀寫會有延時的，它其實就是有一個短的時間內讀寫不一致。這個是數據冗餘，帶來的一個副作用。

2、第二個點是數據冗餘往往會降低寫入的效率，因為數據同步也是需要消耗資源的。你看單點寫入，如果加了兩個從庫之後，其實寫入的效率會受影響。普通的存儲系統，就是採用冗餘的方式，保證數據的高可用的。

那麼第二個問題，普通的存儲系統，能否多點寫入呢？

答案是可以的，比如說以這個圖為例：

其實MySQL的話可以做一個雙主的主從同步，雙主的主從同步，兩個節點，同時可以寫入。如果要做多機房多活的數據中心，其實多機房多活也是進行數據同步的。這里要強調的是多點寫入，往往會引發寫寫沖突的一致性問題，以MySQl為例，假設有一個表的屬性是自增ID，那麼現在資料庫中的數據是1234，那麼其中一個節點寫入，插入了一條數據，那它可能變成5了，然後這5條數據，向另外一個主節點進行數據同步，同步完成之前，如果另外一個寫入節點，也插入了一條數據，也生成了一條這個自增id為5的數據。那麼，生成之後，往另外一個節點同步，然後同步數據到達之後會與本地的這兩條5沖突，就會同步失敗，會引發寫寫的一致性沖突問題。這個多點寫入的話都會出現這個問題。

多點寫入，如何保證一致？

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Ⅳ 區塊鏈技術是什麼意思

區塊鏈技術是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據、利用分布式節點共識演算法來生成和更新數據、利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構與計算範式，用區塊鏈技術所串接的分布式賬本能讓兩方有效紀錄交易，且可永久查驗此交易。
拓展資料
區塊鏈的基本原理理解起來並不難。基本概念包括：
交易（Transaction）：一次操作，導致賬本狀態的一次改變，如添加一條記錄；
區塊（Block）：記錄一段時間內發生的交易和狀態結果，是對當前賬本狀態的一次共識；
鏈（Chain）：由一個個區塊按照發生順序串聯而成，是整個狀態變化的日誌記錄。
如果把區塊鏈作為一個狀態機，則每次交易就是試圖改變一次狀態，而每次共識生成的區塊，就是參與者對於區塊中所有交易內容導致狀態改變的結果進行確認。
用通俗的話闡述：如果我們把資料庫假設成一本賬本，讀寫資料庫就可以看做一種記賬的行為，區塊鏈技術的原理就是在一段時間內找出記賬最快最好的人，由這個人來記賬，然後將賬本的這一頁信息發給整個系統里的其他所有人。
這也就相當於改變資料庫所有的記錄，發給全網的其他每個節點，所以區塊鏈技術也稱為分布式賬本。
目前區塊鏈的應用，主要有兩種模式：
1）原生型的區塊鏈應用：直接基於去中心化的區塊鏈技術，實現價值傳遞和交易等應用，例如數字貨幣；
2）「區塊鏈+」模式：將傳統的場景和區塊鏈底層協議相結合，以便提高效率，降低成本。預計區塊鏈在各行業的應用，將以第二種模式為主。
區塊鏈具有五大核心屬性，即：交易屬性（價值屬性)、存證屬性、信任屬性、智能屬性、 溯源屬性。如上核心屬性與行業的需求相結合，解決行業痛點問題，成為了區塊鏈在各行業 應用的商業模式。
作為一種基礎性技術，區塊鏈在眾多具有分布式處理、點對點交易、快速建立信任關系等需求的行業領域具有極大的應用價值，其核心是解決了信用的問題,實現了價值的點到點傳遞。因此被認為是未來價值互聯網的基石。
區塊鏈商業模式的核心在於，利用區塊鏈引入的創新屬性，與傳統行業應用相結合，實現商業邏輯的重構，以便創造新的應用場景，或提升效率，降低成本。

Ⅵ 區塊鏈原理是什麼

使看到一些爭論區塊鏈定義的回答， 突然意識到自己這篇解釋原理的回答其實是一直是對著比特幣擼的， 介於區塊鏈的定義業界並沒有一個特別明確和唯一的回答， 這里先給出個人根據所讀論文而總結出的「區塊鏈」應有特質：

1.用了具有 "哈希鏈" (下文有解釋) 形式的數據結構保存基礎數據

2.有多個結點參與系統運行（分布式）

3.通過一定的協議或演算法對於基礎數據的一致性達成共識（共識協議/演算法）。

介於比特幣目前是區塊鏈最典型且最有影響力的應用之一， 理解比特幣如何使用區塊鏈後， 再去理解其他形式各樣的區塊鏈應用就會容易很多。

Ⅶ 區塊鏈的工作原理是什麼

最近很火的區塊鏈技術到底是什麼樣的技術呢？區塊鏈技術是被人們認為在金融科技方面最閃亮的一顆星，而且在未來還可能再繼續發展區塊鏈技術，它有非常多的特點，包括數據的一個分布，以及數據的信任度和集體共識機制，最重要的話就是公開透明以及匿名隱私等這一些非常有特點的特性，根據這一些區塊鏈裡面的數據，我們可以得出當代社會的一些基本的信息。

區塊鏈技術就是這么一個安全科學的資料庫。可以簡單的把它理解為一個已經是權威資料庫了，它裡面的基本內容都是屬實的，都是通過別人所驗證以及審核過的。在金融科技方面的話，會非常的容易找到一些想要的數據，這對於做生意的人來說非常的好。

Ⅷ 區塊鏈技術通俗講解

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。區塊鏈是比特幣的一個重要概念，本質上是一個去中心化的資料庫。同時，作為比特幣的底層技術，它是由密碼技術生成的一系列數據塊。每個數據塊包含一批比特幣網路交易信息，用於驗證其信息的有效性(防偽)並生成下一個數據塊。
首先，它是一個特殊的分布式資料庫，本質上是可以讀寫的。然後輸入資料庫的單位是「區塊」，它是去中心化的。
這樣解釋起來，似乎不那麼好理解，所以讓我們舉一個簡單的例子。

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