不懂区块链？先来看一下这篇

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笔记中提供了必要的代码示例，需要说明的是，大部分代码示例都是本人所敲代码并进行测试，不足之处，请大家指正~

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• 前言

      从最初开始学习 JavaEE，到自学大数据，现在实习在做区块链方面的东西，也算是一边实习，一边学习。忙完了一阵工作，总结一下实习四个月来所学到的知识，希望能够对自己和别人有所帮助。

• 比特币

      要说区块链，我想先从从比特币说起……

一、比特币的基本信息

1. 什么是比特币

  1）比特币系统：一个软件，每个人都可以下载运行，大家都维护一个版本

  2）比特币：比特币系统所维护账本上的交易数字（为了完成支付功能而产生的交易数字）

  3）区块链：（简单提一下区块链）一个数字账本，记录各种交易数字，是伴随比特币在系统中流通而产生的概念

2. 比特币和区块链的关系

1）比特币是区块链技术的落地应用

2）区块链是比特币的底层支撑系统

3）区块链是从比特币中抽离出来的概念

二、比特币区块链使用的基本技术

1. Hash 算法（用于工作量的证明）

1）作用：将任意长度的输入格式化为固定长度的 16 进制字符串

2）主流算法：MD5（128位）、sha256（256位）

3）性质

  ① 抗碰撞性：当知道一个 x，无法求出一个 y，使 x 和 y 的 Hash 值相同

  ② 原像不可逆性：根据 x 的 Hash 值无法求出 x

  ③ 谜题友好性：计算 Hash 的时候，没有捷径可走，若想计算出预定的 Hash 值，只能一次次的尝试 （这是 pow 共识机制的基础）

2. 密码学（用于资产所有权和交易的验证）

1）对称加密：A、B 双方使用同一把秘钥

2）非对称加密（生成公私钥）

  ① 介绍：公钥和私钥一一对应，公钥负责加密对外公开；私钥用于解密和签名，决不能外露

  ② 公钥：用对方的公钥加密，对方用自己的私钥解密，因为私钥自己持有，且公钥无法解密，可以保证安全

  ③ 私钥：签名，保证数据来源，保证数据未被篡改，但不能保证数据安全

  ④ 常用算法：RSA、ECC

  ⑤ 特点：安全性高、加解密复杂、效率低

3. 编码（用于网络传输、生成地址等）

  区块链底层较为常用的编码方式是 base64 编码

4. p2p 网络（点对点、端对端）

1）介绍：点对点技术，无中心的服务器，依靠用户群交换信息的互联网体系

2）特点：耐攻击、高容错、地位平等

5. 默克尔树（用于快速交易验证）

1）介绍：Merkle Tree，通常也被称为 Hash Tree，是存储 Hash 值的一棵树，Merkle Tree 的叶子是数据块的 Hash 值

2）特点：二叉树

3）应用：可快速检索，由其是在数量猛增时，搜索效率高（比特币中可以用来校验某一笔交易是否存在某个区块中）

6. 工作量证明（Proof Of Work）

1）比特币的 POW 要求运行一个 Hash 算法（sha256），找到一个符合要求的 Block Hash（Block Hash = sha256（区块信息+随机值n）），该 Hash 值由 n 个前导 0 构成，零的个数取决于网络的难度值。要找到合理的 Block Hash 需要经过大量的尝试计算，计算时间取决于机器的 Hash 运算速度。

2）工作量证明的过程：生成 Coinbase 交易，并与其他所有准备打包进区块的交易组成交易列表，通过 Merkle Tree 算法生成 Merkle Tree Hash，把 Merkle Tree Hash 及其他相关字段组装成区块头，将区块头的 80 字节数据（Block Header）作为工作量证明的输入不停的变更区块头中的随机数即 nonce 值，并对每次变更够的区块头做双重 SHA256 运算（即 SHA256（SHA256（Block_Header））），将结果与当前网络的目标值做对比，如果小于目标值，则解题成功，工作量证明完成

三、比特币的区块结构

1. 区块结构

比特币的区块结构由区块大小、区块头、交易计数器、交易组成

2. 区块头

区块头的信息主要包括版本、父区块头的哈希值、Merkle根、时间戳、难度目标、Nonce

3. 区块体（交易）

1）Coinbase 交易：第一条交易、挖矿交易（没有支付人，只有收款人，即矿工）；每一个区块都有一个 Coinbase 交易

2）普通转账交易：每笔交易包括付款方、收款方、付款金额、手续费等

4. 完整结构图

四、交易

UTXO（unspent transaction output）：未消费输出，是比特币交易中最小的支付单元，不可分割，每一个 UTXO 必须一次性消耗完，然后形成新的 UTXO，存放在比特币网络的 UTXO 池中

• 区块链

一、区块链的基本信息

1. 什么是区块链

伴随比特币而生，是一个分布式数据库（本质）；一种网络底层协议（抽象）；存储引擎、计算引擎

2. 区块链的特点

1）去中心化：所有参与其中的网络节点共同维护，无需中心节点控制

2）不可篡改：一旦发出交易便不可再修改和删除，每笔交易和每个区块都有时间戳

3）匿名性：私钥和地址是使用网络的所有条件，无需身份验证

4）可追溯性

二、区块链协议

区块链是一种网络底层协议，可以分为数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层

1. 数据层

区块链数据、链式结构、哈希函数、Merkel树、非对称加密、时间戳。数据层需要突破的是区块容量的问题

2. 网络层

P2P 网络、传播机制、验证机制（自组网）

3. 共识层

共识机制：可以使所有的节点对某一状态达成一致的方式，有共识机制去中心化才有意义，才具备可信度，否则只是数据共享。目前主流的共识机制有：POW、POS、DPOS、PBFT等

1）POW（Proof of Work）：工作量证明

  特点：算一道很难的谜题，系统给予挖矿奖励；多劳多得

  优点：

     ① 所有节点均可参与，记账权公平的分派到每个节点，去中心化

     ② 多劳多得，矿工的积极性高

     ③ 安全性高，欺诈成本高，如果能够欺诈成功，那么做诚实节点收益更大

  缺点：

     ① 主流矿池垄断严重，存在51%算力攻击风险

     ② 浪费资源严重（2018年底消耗全球0.5%的电量）

     ③ 持币人没有话语权，算力决定一切

     ④ 网络性能低，共识时间长

  项目：比特币、以太坊、比原链等

2）POS（Proof of Stake）：股权证明，根据持有货币的量和时间来发利息（币天销毁）

  特点：

     ① 不挖矿，依靠币龄（持币数量 * 持有天数）决定记账权，利息即为奖励

     ② 按钱分配，钱生钱

  优点：

     ① 在一定程度上缩短了共识打成的时间

     ② 节约资源

     ③ 防作弊，币龄越大，获得记账权几率越大、避免51%攻击，因为攻击会使自己的权益受损

  缺点：数字货币过于集中化，富有者越来越富有，散户参与积极性低

3）DPOS（Delegated Proof of Stake）：委托权益证明

  让每一个持有币的人进行投票，由此产生 n 个代表，可以理解为 n 个超级节点或矿池，这 n 个超级节点彼此的权利是完全相等的

  特点：不挖矿，每年按比例增发代币，奖励超级节点

  优点：高效、扩展性强

  缺点：非去中心化，而是多中心化

  项目：EOS

4）PBFT 后期会单独讲解

4. 激励层：发行机制，分配机制

5. 合约层

智能合约

  定义：一个智能合约是一套以数字形式定义的承诺，包括参与方可以在上面执行这些承诺的协议

  本质：数字化合同

  特点：代码代替人仲裁和执行合同，同时能够触发支付

  1）构建：本地构建

     智能合约由区块链内的多个用户共同参与制定，可用于用户之间的任何交易行为。协议种明确了双方的权利和义务，开发人员将这些权利和义务以电子化的方式进行编程，代码中包含会触发合约自动执行的条件

  2）存储：链上存储

     一旦编码完成，这份智能合约就被上传到区块链网络上，即全网验证节点都会收到你和对方的合约

  3）执行：EVM 中执行

     ① 智能合约会定期检查是否存在相关事件和触发条件，满足条件的事件将会推送到待验证的队列中

     ② 区块链上的验证节点先对该事件进行验证签名，以确保其有效性；等大多数验证节点对该事件达成共识后，智能合约将成功执行，并通知用户

6. 应用层：业务逻辑

三、区块链的分类

按应用场景可分为：

1）公有链：所有人都可以随时加入和退出，每个节点平等，都有权交易和记账，属于开放式      代表：比特币、以太坊等

2）联盟链：仅部分人参与，加入和退出需要授权，选定某些节点为记账人，其他人可以交易，但无记账权，属于半封闭式     代表：R3CEV、IBM Farbric

3）私有链：公司内部使用，可实现更好的权限控制，管理和审计，属于半封闭式

四、区块链的相关概念

1. 矿工：由运行比特币客户端的节点充当，竞争记账权，从而获得奖励

2. 矿机：CPU挖矿 —> GPU挖矿 –> FPGA挖矿 –> ASIC挖矿（专业矿机）

3. 挖矿

   1）矿场：集中矿机设备的场所

   2）矿池：一个软件，矿场和普通矿工接入，矿池负责打包，接入的设备负责挖矿，按照贡献算力的比例来分配收益

4. 算力：即计算能力，表明一个矿工挖矿的能力，算力越大算出 Hash 值的概率就越高

5. 分叉：代码升级时不同社区意见发生分歧时的结果，出现重大 bug 修复会分叉

   1）软分叉：旧节点接收新协议产生的区块，毫无感知，新老协议共同维护一条链

   2）硬分叉：旧节点拒绝接收新节点创造的区块，从此分裂为两条独立的链（以太坊分叉）

6. 叔块（孤块）

在同一时间出现两个矿工同时挖出矿的情况，此时出现临时的分叉，区块链会同时保留两条链，并等待新生成的区块，新区块选择连接的链就是最长链，即主链，那么另外一个区块就被称为叔块（以太坊中的叔块是有奖励的，比特币中的叔块无奖励）。

7. 节点

    1）轻节点SPV（Simplifed Payment Verification）：手机端钱包，只同步所有区块头信息以及和自己相关的交易数据

    2）全节点：包含账本的节点

    联盟链中还可以细分为共识节点、交易节点、账本节点、钱包节点、托管节点

8. 代币（Token）：创建交易以及运行智能合约运行的燃料，以太坊代币为 eth，燃料为 gas，最小单位为 wei

9. 钱包：创建公私钥，保存私钥，相当于钱包，可以存放多个地址

    种类：PC 钱包、手机钱包、轻节点钱包

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