区块链科普系列第2天：区块链的工作流程和技术组合
文/杜豆豆
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首先讲讲区块链技术的一般工作流程。
区块链系统有很多种。第一个应用的软件就是比特币。后来，又出现了许多衍生系统，比如闪电网络、公证通、以太坊、超级账本项目等。但从工作流程上讲，都是类似的。
以转账交易的流程为例。简单理解，就是发送一笔数据。该数据被发送后，就会打包进区块，然后广播给所有节点确认，通过后就写入各节点的本地区块链账本中。当网络中大多数节点都确认写入后，转账过程完成。
其他各种系统都是在这个基础上进行的衍生和扩展。
比如，加个身份认证功能啊，扩展数据表达能力等等。但万变不离其宗，说到底，就是大家维护一份公共账本，区块链技术就是围绕如何保持数据一致，保证公共账本数据不被篡改而展开的。为了解决这些问题，区块链技术拥有一套技术栈。
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所谓技术栈，简单理解，就是一个个模块化部件组成的技术组合。
区块链本身实际就是一种数据的记录格式，但是和我们常用的表格或者文档不一样的是，区块链是把数据按照一定的时间间隔分成一个个的数据块来记录的，然后再根据数据块的先后关系串联起来。按照时间线来记录的目的是为了防止数据被篡改。
那么为什么这样会能实现数据不被篡改呢？
是因为它有一套技术组合来保证。这套技术组合包括区块链账本、共识机制、密码算法、网络路由和脚本系统，称为区块链的技术栈。
这套基本的技术组合，我们可以理解为是区块链的一个个零部件，只要把这些零部件装备在一起，就可以形成一个区块链软件，然后做成客户端软件就变成了节点。多个这样的节点运行起来就组成一个网络，每个节点都是平等的，大家互相服务，那这种网络就被称为点对点的对等网络。
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区块链技术栈的第一个模块就是区块链账本。
区块链账本，表示的是一种特有的数据记录格式。我们可以把区块链，拆解为“区块+链”。区块就是一个个数据块，每个数据块之间是通过某个标识连接起来的，这样就会形成一条链。
我们以比特币为例，看看这个区块数据是怎么组成的。你可以把区块数据想象成一条拉链，在逻辑上它分为区块头和区块体，每个区块头里面都通过称为“梅克尔根”的事务性身份证号来关联区块中众多的交易事务，而区块和区块之间是通过区块头的哈希值（区块的身份证号）来进行串联。这样，就会形成一个一环套一环的数据格式。
在同步这些数据的时候，这些数据就可以并行地从各个节点来获得。到达本地后，再根据身份证号组装起来。如果中间被破坏了，因为有区块哈希值和事务梅克尔根这样的限制，破坏的数据会马上再形成一个新的区块哈希值和事务梅克尔根值，那所有的数据都要跟着变才行，而不是单独这一个数据块和节点，改自己的账本容易，改所有人的难度就很大，而且，当你发送到网络中其他节点要验证时，其他节点也是没办法通过的，因为数据匹配不起来，这样的话就能防止数据被篡改。
另外，这种格式还有个巧妙的地方。以比特币为例，因为是共同记录的，每个区块数据交给谁记录和打包产生，就可以玩个游戏规则，比如掷骰子。负责打包的那个人会为此付出劳动，为了补偿他的劳动投入，就需要奖励给他一些收益。奖励的比特币就需要不断地发行，就会产生新发行的比特币。
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区块链技术栈的第二大模块是共识机制。
所谓共识，就是大家都达成一致。区块链的网络结构，不是主机为核心的集中式结构，而是分布式的对等结构。你可以理解为，是个没有领导的会议，只有临时选出的主持人，大家各抒己见，产生各种信息数据，每个人都有自己的会议记录，主持人负责最后打包汇总所有人的信息，然后再把这些信息发给各个参会者。
在这种结构里，没有哪个节点是老大，一切都要商量着来，所以必须要有一个游戏规则，让各自的数据保持一致。这个问题的解决方案就是制定一套共识算法。共识算法就是一个规则，每个节点都按照这个规则去确认各自的数据。比如，刚才讲到的开会，大家都在各抒己见，但最后如何统一出一个决定呢？我们就可以规定，一个时间段只能选出一个人发言，负责汇总大家的意见，然后投票表决，最后谁的支持者多就以谁的最终意见为准。这就是一种共识算法。
那人少可以像上面那样做，人多怎么办呢？就可以依靠软件来帮我们筛选，怎么去筛选呢？就是要设置一组条件，这些条件组成一组就变成了算法，其实就是不同的游戏玩法。
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区块链技术栈的第三大模块是密码算法。
密码算法的应用很多，我们这里只讲几个关键应用。
前面讲到，区块链账本是连接起来的一个个区块。那么靠什么来连接呢？
不同于我们以前所知道的数据结构。数据结构里有个变量叫做指针，可以指向某个地址来联结数据。但区块链中，区块之间的连接不是靠数据地址来关联的，而是靠一种叫做哈希值的数据来关联。
那什么是哈希值呢？
就是通过哈希算法计算出来的一种数值。哈希算法是对一段数据计算后得出一段摘要字符串。这种摘要字符串和原始数据是唯一对应的，当你对原始数据进行修改时，计算出来的哈希值都会发生完全的变化，哪怕只是一点点修改。
区块链帐本会对每个区块都计算一个哈希值，叫做区块哈西，然后用区块哈西把各个区块串联起来，所以如果有人篡改了中间的某一个区块数据，那么后面的区块都要改才行。
还有一个密码算法的应用，就是梅克尔根树结构。
除了整个区块会被计算哈希值之外，区块中包含的每个事务数据，也会被计算出一个哈希值，称为事务哈希。一个区块中所有的事务进行哈希计算后，就可以得出一组事务哈希，然后对这些事务哈希进行处理，就会得到一棵哈希数的数据结构。哈希数的顶部就是树根，称为梅克尔根。通过这个梅克尔根，就可以把整个区块中的事务约束起来，只要区块中的事务有变化，每个梅克尔根就会跟着变，这样就确保了区块数据的完整性。
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区块链技术栈的第四大模块，脚本系统。
脚本系统听起来很抽象，但很重要，它就像汽车里的发动机，作用是驱动系统进行各种数据的收发。
所谓脚本，就是一组程序规则。在区块链系统中，有些脚本系统是固定的，比如只能进行比特币的发送和接收。有些系统，是允许用户自行编写的。这些脚本系统编写好之后，还可以部署到区块链账本中，用来扩展功能。比如以太坊里就有一套自定义功能的脚本系统，可以实现智能合约的功能。
说白了，脚本系统就是在区块链中帮助你实现各种各样业务功能的小程序。通过这些程序，你才可以记录各种数据，互相进行收发传递。
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区块链技术栈的第五大模块是网络路由。
节点之间，要传输信息就一定要进行通信。我们前面说到，区块链的网络结构是分布式网络。在分布式的网络结构里，没有指定的主机，没办法通过一台主机来进行身份信息的交换，只能依靠彼此联系来传播信息。那么这个功能，就会被定义成一种协议，称为“节点发现协议”。你可以把它想象成手机对Wi-Fi的发现功能。
除了发现节点以外，还有一个重要功能就是同步数据。因为没有服务器来帮助你汇总和更新数据，那就要通过临近的节点来更新。节点之间，互相服务，来达成数据的一致。换句话说，网络路由就是一种特殊的通讯协议，通过这个协议，节点之间可以互相发现并且同步数据。
（未完待续）
本文观点和案例均参考自《白话区块链》。
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