区块链算法和技术原理

Ⅰ 深入了解区块链的共识机制及算法原理

所谓“共识机制”，是通过特殊节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认；对一笔交易，如果利益不相干的若干个节点能够达成共识，我们就可以认为全网对此也能够达成共识。再通俗一点来讲，如果中国一名微博大V、美国一名虚拟币玩家、一名非洲留学生和一名欧洲旅行者互不相识，但他们都一致认为你是个好人，那么基本上就可以断定你这人还不坏。

要想整个区块链网络节点维持一份相同的数据，同时保证每个参与者的公平性，整个体系的所有参与者必须要有统一的协议，也就是我们这里要将的共识算法。比特币所有的节点都遵循统一的协议规范。协议规范（共识算法）由相关的共识规则组成，这些规则可以分为两个大的核心：工作量证明与最长链机制。所有规则（共识）的最终体现就是比特币的最长链。共识算法的目的就是保证比特币不停地在最长链条上运转，从而保证整个记账系统的一致性和可靠性。

区块链中的用户进行交易时不需要考虑对方的信用、不需要信任对方，也无需一个可信的中介机构或中央机构，只需要依据区块链协议即可实现交易。这种不需要可信第三方中介就可以顺利交易的前提是区块链的共识机制，即在互不了解、信任的市场环境中，参与交易的各节点出于对自身利益考虑，没有任何违规作弊的动机、行为，因此各节点会主动自觉遵守预先设定的规则，来判断每一笔交易的真实性和可靠性，并将检验通过的记录写入到区块链中。各节点的利益各不相同，逻辑上将它们没有合谋欺骗作弊的动机产生，而当网络中有的节点拥有公共信誉时，这一点尤为明显。区块链技术运用基于数学原理的共识算法，在节点之间建立“信任”网络，利用技术手段从而实现一种创新式的信用网络。

目前区款连行业内主流的共识算法机制包含：工作量证明机制、权益证明机制、股份授权证明机制和Pool验证池这四大类。

工作量证明机制即对于工作量的证明，是生成要加入到区块链中的一笔新的交易信息(即新区块)时必须满足的要求。在基于工作量证明机制构建的区块链网络中，节点通过计算随机哈希散列的数值解争夺记账权，求得正确的数值解以生成区块的能力是节点算力的具体表现。工作量证明机制具有完全去中心化的优点，在以工作量证明机制为共识的区块链中，节点可以自由进出。大家所熟知的比特币网络就应用工作量证明机制来生产新的货币。然而，由于工作量证明机制在比特币网络中的应用已经吸引了全球计算机大部分的算力，其他想尝试使用该机制的区块链应用很难获得同样规模的算力来维持自身的安全。同时，基于工作量证明机制的挖矿行为还造成了大量的资源浪费，达成共识所需要的周期也较长，因此该机制并不适合商业应用。

2012年，化名Sunny King的网友推出了Peercoin，该加密电子货币采用工作量证明机制发行新币，采用权益证明机制维护网络安全，这是权益证明机制在加密电子货币中的首次应用。与要求证明人执行一定量的计算工作不同，权益证明要求证明人提供一定数量加密货币的所有权即可。权益证明机制的运作方式是，当创造一个新区块时，矿工需要创建一个“币权”交易，交易会按照预先设定的比例把一些币发送给矿工本身。权益证明机制根据每个节点拥有代币的比例和时间，依据算法等比例地降低节点的挖矿难度，从而加快了寻找随机数的速度。这种共识机制可以缩短达成共识所需的时间，但本质上仍然需要网络中的节点进行挖矿运算。因此，PoS机制并没有从根本上解决PoW机制难以应用于商业领域的问题。

股份授权证明机制是一种新的保障网络安全的共识机制。它在尝试解决传统的PoW机制和PoS机制问题的同时，还能通过实施科技式的民主抵消中心化所带来的负面效应。

股份授权证明机制与董事会投票类似，该机制拥有一个内置的实时股权人投票系统，就像系统随时都在召开一个永不散场的股东大会，所有股东都在这里投票决定公司决策。基于DPoS机制建立的区块链的去中心化依赖于一定数量的代表，而非全体用户。在这样的区块链中，全体节点投票选举出一定数量的节点代表，由他们来代理全体节点确认区块、维持系统有序运行。同时，区块链中的全体节点具有随时罢免和任命代表的权力。如果必要，全体节点可以通过投票让现任节点代表失去代表资格，重新选举新的代表，实现实时的民主。

股份授权证明机制可以大大缩小参与验证和记账节点的数量，从而达到秒级的共识验证。然而，该共识机制仍然不能完美解决区块链在商业中的应用问题，因为该共识机制无法摆脱对于代币的依赖，而在很多商业应用中并不需要代币的存在。

Pool验证池基于传统的分布式一致性技术建立，并辅之以数据验证机制，是目前区块链中广泛使用的一种共识机制。

Pool验证池不需要依赖代币就可以工作，在成熟的分布式一致性算法(Pasox、Raft)基础之上，可以实现秒级共识验证，更适合有多方参与的多中心商业模式。不过，Pool验证池也存在一些不足，例如该共识机制能够实现的分布式程度不如PoW机制等

这里主要讲解区块链工作量证明机制的一些算法原理以及比特币网络是如何证明自己的工作量的，希望大家能够对共识算法有一个基本的认识。

工作量证明系统的主要特征是客户端要做一定难度的工作来得到一个结果，验证方则很容易通过结果来检查客户端是不是做了相应的工作。这种方案的一个核心特征是不对称性：工作对于请求方是适中中的，对于验证方是易于验证的。它与验证码不同，验证码是易于被人类解决而不是易于被计算机解决。

下图所示的为工作量证明流程。

举个例子，给个一个基本的字符创“hello，world！”，我们给出的工作量要求是，可以在这个字符创后面添加一个叫做nonce（随机数）的整数值，对变更后（添加nonce）的字符创进行SHA-256运算，如果得到的结果（一十六进制的形式表示）以“0000”开头的，则验证通过。为了达到这个工作量证明的目标，需要不停地递增nonce值，对得到的字符创进行SHA-256哈希运算。按照这个规则，需要经过4251次运算，才能找到前导为4个0的哈希散列。

通过这个示例我们对工作量证明机制有了一个初步的理解。有人或许认为如果工作量证明只是这样一个过程，那是不是只要记住nonce为4521使计算能通过验证就行了，当然不是了，这只是一个例子。

下面我们将输入简单的变更为”Hello,World!+整数值”，整数值取1~1000，也就是说将输入变成一个1~1000的数组：Hello,World!1；Hello,World!2；...；Hello,World!1000。然后对数组中的每一个输入依次进行上面的工作量证明—找到前导为4个0的哈希散列。

由于哈希值伪随机的特性，根据概率论的相关知识容易计算出，预计要进行2的16次方次数的尝试，才能得到前导为4个0的哈希散列。而统计一下刚刚进行的1000次计算的实际结果会发现，进行计算的平均次数为66958次，十分接近2的16次方（65536）。在这个例子中，数学期望的计算次数实际就是要求的“工作量”，重复进行多次的工作量证明会是一个符合统计学规律的概率事件。

统计输入的字符创与得到对应目标结果实际使用的计算次数如下：

对于比特币网络中的任何节点，如果想生成一个新的区块加入到区块链中，则必须解决出比特币网络出的这道谜题。这道题的关键要素是工作量证明函数、区块及难度值。工作量证明函数是这道题的计算方法，区块是这道题的输入数据，难度值决定了解这道题的所需要的计算量。

比特币网络中使用的工作量证明函数正是上文提及的SHA-256。区块其实就是在工作量证明环节产生的。旷工通过不停地构造区块数据，检验每次计算出的结果是否满足要求的工作量，从而判断该区块是不是符合网络难度。区块头即比特币工作量证明函数的输入数据。

难度值是矿工们挖掘的重要参考指标，它决定了旷工需要经过多少次哈希运算才能产生一个合法的区块。比特币网络大约每10分钟生成一个区块，如果在不同的全网算力条件下，新区块的产生基本都保持这个速度，难度值必须根据全网算力的变化进行调整。总的原则即为无论挖矿能力如何，使得网络始终保持10分钟产生一个新区块。

难度值的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每隔2016个区块，所有节点都会按照统一的格式自动调整难度值，这个公式是由最新产生的2016个区块的花费时长与期望时长（按每10分钟产生一个取款，则期望时长为20160分钟）比较得出来的，根据实际时长一期望时长的比值进行调整。也就是说，如果区块产生的速度比10分钟快，则增加难度值；反正，则降低难度值。用公式来表达如下：

新难度值=旧难度值*（20160分钟/过去2016个区块花费时长）。

工作量证明需要有一个目标值。比特币工作量证明的目标值（Target）的计算公式如下：

目标值=最大目标值/难度值，其中最大目标值为一个恒定值

目标值的大小与难度值成反比，比特币工作量证明的达成就是矿中计算出来的区块哈希值必须小于目标值。

我们也可以将比特币工作量的过程简单的理解成，通过不停变更区块头（即尝试不同nonce值）并将其作为输入，进行SHA-256哈希运算，找出一个有特定格式哈希值的过程（即要求有一定数量的前导0），而要求的前导0个数越多，难度越大。

可以把比特币将这道工作量证明谜题的步骤大致归纳如下：

该过程可以用下图表示：

比特币的工作量证明，就是我们俗称“挖矿”所做的主要工作。理解工作量证明机制，将为我们进一步理解比特币区块链的共识机制奠定基础。

Ⅱ 刚刚了解，谁能告诉我区块链是什么通俗解释一下区块链技术的方法

大家共同记账的方式，也被称为“分布式”或“去中心化”，因为人人都记账，且账本的准确性由程式算法决定，而非某个权威机构。

这就是区块链，核心讲完了，区块链就这么简单，一个共同记账的账本

区块链技术六大核心算法：

区块链核心算法一：拜占庭协定

拜占庭的故事大概是这么说的：拜占庭帝国拥有巨大的财富，周围10个邻邦垂诞已久，但拜占庭高墙耸立，固若金汤，没有一个单独的邻邦能够成功入侵。任何单个邻邦入侵的都会失败，同时也有可能自身被其他9个邻邦入侵。拜占庭帝国防御能力如此之强，至少要有十个邻邦中的一半以上同时进攻，才有可能攻破。然而，如果其中的一个或者几个邻邦本身答应好一起进攻，但实际过程出现背叛，那么入侵者可能都会被歼灭。于是每一方都小心行事，不敢轻易相信邻国。这就是拜占庭将军问题。

区块链核心算法二：非对称加密技术

在上述拜占庭协定中，如果10个将军中的几个同时发起消息，势必会造成系统的混乱，造成各说各的攻击时间方案，行动难以一致。谁都可以发起进攻的信息，但由谁来发出呢？其实这只要加入一个成本就可以了，即：一段时间内只有一个节点可以传播信息。当某个节点发出统一进攻的消息后，各个节点收到发起者的消息必须签名盖章，确认各自的身份。

区块链核心算法三：容错问题

我们假设在此网络中，消息可能会丢失、损坏、延迟、重复发送，并且接受的顺序与发送的顺序不一致。此外，节点的行为可以是任意的：可以随时加入、退出网络，可以丢弃消息、伪造消息、停止工作等，还可能发生各种人为或非人为的故障。我们的算法对由共识节点组成的共识系统，提供的容错能力，这种容错能力同时包含安全性和可用性，并适用于任何网络环境。

区块链核心算法四：Paxos 算法（一致性算法）

Paxos算法解决的问题是一个分布式系统如何就某个值(决议)达成一致。一个典型的场景是，在一个分布式数据库系统中，如果各节点的初始状态一致，每个节点都执行相同的操作序列，那么他们最后能得到一个一致的状态。为保证每个节点执行相同的命令序列，需要在每一条指令上执行一个“一致性算法”以保证每个节点看到的指令一致。一个通用的一致性算法可以应用在许多场景中，是分布式计算中的重要问题。 节点通信存在两种模型：共享内存和消息传递。Paxos算法就是一种基于消息传递模型的一致性算法。

区块链核心算法五：共识机制

区块链共识算法主要是工作量证明和权益证明。拿比特币来说，其实从技术角度来看可以把PoW看成重复使用的Hashcash，生成工作量证明在概率上来说是一个随机的过程。开采新的机密货币，生成区块时，必须得到所有参与者的同意，那矿工必须得到区块中所有数据的PoW工作证明。与此同时矿工还要时时观察调整这项工作的难度，因为对网络要求是平均每10分钟生成一个区块。

区块链核心算法六：分布式存储是一种数据存储技术，通过网络使用每台机器上的磁盘空间，并将这些分散的存储资源构成一个虚拟的存储设备，数据分散的存储在网络中的各个角落。所以，分布式存储技术并不是每台电脑都存放完整的数据，而是把数据切割后存放在不同的电脑里。就像存放100个鸡蛋，不是放在同一个篮子里，而是分开放在不同的地方，加起来的总和是100个。想了解更多可以多利用网络搜索，网络搜索结果-小知识

Ⅲ 区块链原理

区块链是一种技术,但它不是一种单一的技术,而是由多种技术整合的结果,包括密码学、数学、经济学、网络科学等。你可以把它看做是一个分布式共享记账技术,也可以看做是一个数据库,只不过这个数据库是由在这个链上的所有节点共同维护,每个节点都有一份账本,因为所有节点的账本一致,不同节点之间可以互相信任,对数据没有疑问,所以大家都说区块链从技术上实现了信任。详细的专业技术可以咨询一些专业的技术公司，例：金博科技，专注开发区块链相关产品，专业研发团队和完善的售后服务，可以电话咨询。

Ⅳ 什么是区块链技术区块链技术的核心构成是什么

从技术的角度，架构的角度，用通俗的语言来跟大家讲讲，我对区块链的一些理解。

究竟啥是区块链？Block chain，一句话来说，区块链是一个存储系统，存储系统更细一点，区块链是一个没有管理员，每个节点都拥有全部数据的分布式存储系统。

那常见的存储系统，是什么样子的呢？

首先看一下如何保证高可用？

普通的存储系统通常是用“冗余”的方式来解决高可用问题的。图上图所示如果能够把数据复制成几份，冗余到多个地方，就能够保证高可用。一个地方的数据挂了，另外的地方还存有数据，例如MySQL的主从集群就是这个原理，磁盘的RAID也是这个原理。

这个地方需要强调的两点是：数据冗余，往往会引发一致性的问题

1、例如MySQL的主从集群中中其实读写会有延时的，它其实就是有一个短的时间内读写不一致。这个是数据冗余，带来的一个副作用。

2、第二个点是数据冗余往往会降低写入的效率，因为数据同步也是需要消耗资源的。你看单点写入，如果加了两个从库之后，其实写入的效率会受影响。普通的存储系统，就是采用冗余的方式，保证数据的高可用的。

那么第二个问题，普通的存储系统，能否多点写入呢？

答案是可以的，比如说以这个图为例：

其实MySQL的话可以做一个双主的主从同步，双主的主从同步，两个节点，同时可以写入。如果要做多机房多活的数据中心，其实多机房多活也是进行数据同步的。这里要强调的是多点写入，往往会引发写写冲突的一致性问题，以MySQl为例，假设有一个表的属性是自增ID，那么现在数据库中的数据是1234，那么其中一个节点写入，插入了一条数据，那它可能变成5了，然后这5条数据，向另外一个主节点进行数据同步，同步完成之前，如果另外一个写入节点，也插入了一条数据，也生成了一条这个自增id为5的数据。那么，生成之后，往另外一个节点同步，然后同步数据到达之后会与本地的这两条5冲突，就会同步失败，会引发写写的一致性冲突问题。这个多点写入的话都会出现这个问题。

多点写入，如何保证一致？

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Ⅳ 区块链技术是什么意思

区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式，用区块链技术所串接的分布式账本能让两方有效纪录交易，且可永久查验此交易。
拓展资料
区块链的基本原理理解起来并不难。基本概念包括：
交易（Transaction）：一次操作，导致账本状态的一次改变，如添加一条记录；
区块（Block）：记录一段时间内发生的交易和状态结果，是对当前账本状态的一次共识；
链（Chain）：由一个个区块按照发生顺序串联而成，是整个状态变化的日志记录。
如果把区块链作为一个状态机，则每次交易就是试图改变一次状态，而每次共识生成的区块，就是参与者对于区块中所有交易内容导致状态改变的结果进行确认。
用通俗的话阐述：如果我们把数据库假设成一本账本，读写数据库就可以看做一种记账的行为，区块链技术的原理就是在一段时间内找出记账最快最好的人，由这个人来记账，然后将账本的这一页信息发给整个系统里的其他所有人。
这也就相当于改变数据库所有的记录，发给全网的其他每个节点，所以区块链技术也称为分布式账本。
目前区块链的应用，主要有两种模式：
1）原生型的区块链应用：直接基于去中心化的区块链技术，实现价值传递和交易等应用，例如数字货币；
2）“区块链+”模式：将传统的场景和区块链底层协议相结合，以便提高效率，降低成本。预计区块链在各行业的应用，将以第二种模式为主。
区块链具有五大核心属性，即：交易属性（价值属性)、存证属性、信任属性、智能属性、 溯源属性。如上核心属性与行业的需求相结合，解决行业痛点问题，成为了区块链在各行业 应用的商业模式。
作为一种基础性技术，区块链在众多具有分布式处理、点对点交易、快速建立信任关系等需求的行业领域具有极大的应用价值，其核心是解决了信用的问题,实现了价值的点到点传递。因此被认为是未来价值互联网的基石。
区块链商业模式的核心在于，利用区块链引入的创新属性，与传统行业应用相结合，实现商业逻辑的重构，以便创造新的应用场景，或提升效率，降低成本。

Ⅵ 区块链原理是什么

使看到一些争论区块链定义的回答， 突然意识到自己这篇解释原理的回答其实是一直是对着比特币撸的， 介于区块链的定义业界并没有一个特别明确和唯一的回答， 这里先给出个人根据所读论文而总结出的“区块链”应有特质：

1.用了具有 "哈希链" (下文有解释) 形式的数据结构保存基础数据

2.有多个结点参与系统运行（分布式）

3.通过一定的协议或算法对于基础数据的一致性达成共识（共识协议/算法）。

介于比特币目前是区块链最典型且最有影响力的应用之一， 理解比特币如何使用区块链后， 再去理解其他形式各样的区块链应用就会容易很多。

Ⅶ 区块链的工作原理是什么

最近很火的区块链技术到底是什么样的技术呢？区块链技术是被人们认为在金融科技方面最闪亮的一颗星，而且在未来还可能再继续发展区块链技术，它有非常多的特点，包括数据的一个分布，以及数据的信任度和集体共识机制，最重要的话就是公开透明以及匿名隐私等这一些非常有特点的特性，根据这一些区块链里面的数据，我们可以得出当代社会的一些基本的信息。

区块链技术就是这么一个安全科学的数据库。可以简单的把它理解为一个已经是权威数据库了，它里面的基本内容都是属实的，都是通过别人所验证以及审核过的。在金融科技方面的话，会非常的容易找到一些想要的数据，这对于做生意的人来说非常的好。

Ⅷ 区块链技术通俗讲解

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链是比特币的一个重要概念，本质上是一个去中心化的数据库。同时，作为比特币的底层技术，它是由密码技术生成的一系列数据块。每个数据块包含一批比特币网络交易信息，用于验证其信息的有效性(防伪)并生成下一个数据块。
首先，它是一个特殊的分布式数据库，本质上是可以读写的。然后输入数据库的单位是“区块”，它是去中心化的。
这样解释起来，似乎不那么好理解，所以让我们举一个简单的例子。

当我们在淘宝上购物时，因为买家和卖家都不知道对方的信用，我们需要引入第三方平台——支付宝。支付宝作为一个可信的平台，买家先给支付宝钱，卖家发货后买家收到钱，通知支付宝，支付宝再借钱给卖家，这样交易就不用担心信用问题。