什么是「区块链技术」、区块链又是什么？

之前文章说到了元宇宙，那作为元宇宙的技术核心之一 「区块链技术」，我们就不得不说一说了，接下来带大家来了解一下什么是区块链吧 !

一、什么是区块链

区块链技术（Blockchain Technology）被称之为分布式账本技术， 实质就是一个特殊的分布式数据库。存储于其中的数据或者信息具有 “不可伪造”、“全程留痕”、“可以追溯”、“公开透明”、“集体维护” 等 特征。传统的分布式数据库主要是按照一定规则分成多份进行存储，由中心节点向其他备份节点同步数据。而区块链使用的分布式存储数据库是每个节点都保存完整的数据，且根据链式结构进行存储。没有任何一个节点可以单独记录账本数据，从而避免了单一记账人被控制或者被贿赂而记假账的可能性。

区块链可以借由密码学，串接并保护内容的串联交易记录（又称区块）。在区块链中，区块内容具有难以篡改的特性，每一个区块都包含了前一个区块的加密散列、相应时间戳记以及交易数据（通常用Hash树计算的散列值表示）。用区块链串接的分布式账本能让交易双方有效地记录交易，且可永久查验。

二、区块链特性

1. 去中心化：区块链是分布式存储的，不存在中心点，所有每个节点都可以是中心。在生活中像银行、支付宝就属于中心点。

去中心化就是指网络中各个节点的地位相等，传输内容和交易数据不再需要通过某个中心节点进行，数据也不再存储在中心节点上，这样可以防止因中心节点权力过大而引起的风险。区块链模式中，每个节点都存储数据交易中所有的价值交换数据，取代了中央计算机存储所有信息的模式。
另外，每个节点不仅会参与数据存储，还会验证其他节点记录信息的正确性。只有当某个记录的正确性被大部分节点认同，或者所有节点的对比结果一致时，它才可以被写入链中。
同时，为了保护数据信息不会因节点受攻击或其他意外而丢失，区块链会对所有数据进行分布式存储（将数据存储在网络中的每一个参与的节点中），并实时更新，极大地提高了数据库的安全性。

2. 开放性（信息透明）：区块链中的数据是公开透明的，每个人都可以参与进来。比如未来没有银行帮忙记账，我们的交易会记录在区块链中，里面有我们的交易流水，账户余额等，涉及到个人隐私的部分会加密。在共识的范围内，规则和机制完全透明，避免暗箱操作。

3. 自治性（可共同维护）：

在整个区块链系统中，无论是价值的提供者还是价值的接收者，都可以充当维护者，共同维护整个区块链信息的可靠性。

区块链系统是开放的，除了价值交易双方的私有信息被加密外，系统还由其中所有参与节点共同维护，任何一个节点都可以通过公开的接口查询区块链数据和开发相关应用，共同维护整个系统的信息透明度和可信赖性。

区块链采用基于协商达成一致的规范和协议（一套公开透明的算法）。比如一个画家想卖掉他的画，委托了一个画商帮他卖，约定卖出一幅画画商分得30%的佣金。这里就可能出现一个问题：（画商出售了10000块的画，给作者画家报价卖了8000，先吃掉2000，再加上8000的30%提成一共4400），但是使用区块链之后就不会出现这种问题，在交易之前会约定好，售价的30%做为佣金，这一条写入区块链之后就无法修改，画家就不担心暗箱操作的问题。

4. 匿名性（信息不可篡改）：区块链上的个人信息都是加密之后的，是一串数字和字母组成的字符串，不会出现信息泄露的问题。区块链网络中，每个参与节点都保存一份完整的交易历史记录，这样，任何一个节点想篡改这些历史记录，别的节点都可以拿出自己的数据备份进行证伪。所以，信息一旦被写入区块中，就不能更改、撤销了。

三、区块链的结构

区块头（Head）：记录当前区块的元信息。区块中包含上一个区块的标志位（可以是加密之后的字符串），即它链接在谁后面，本身的标志位，给下一个区块使用。

区块头包含三组元数据：

1、用于连接前面的区块、索引自父区块哈希值的数据。
2、挖矿难度、Nonce（随机数，用于工作量证明算法的计数器）、时间戳。
3、能够总结并快速归纳校验区块中所有交易数据的Merkle（默克尔）树根数据。

区块体（Body）：实际的数据。每一个区块（大小1M左右），记录了一些信息，按照数据产生的时间顺序，存储在区块中。一个区块存满了，会生成一个新的区块，通过链（哈希指针）找到下一个区块。

三、区块链的工作流程

由于区块链实现了去中心化，所以如何记账、谁来记账、如何保证记账数据的准确性成为了需要考虑的问题。针对该问题的解决，提出了“共识机制算法”。

区块链会在交易广播出来的同时，给到每一台记账电脑一个算术题和一个随机值，这是一道概率的算术题。

只要你的电脑在全网里首先算出这道题，那么你这个账户就具有在全网唯一记录这笔交易区块的权利。

当你把这笔交易记录在自己的账本以后，你也会把这个消息告诉给其他全网的成员，其他成员在核验你这个记录没有错的时候，就会把你的这个记录交易区块也加到自己的账本中。

目前我们转账都是中心化的，银行是一个中心化账本。例如 A 账号里有 400 块钱，B 账号里有 100 块钱。当 A 要转 100 块钱给 B 时，A 要通过银行提交转账申请，银行验证通过后，就从 A 账号上扣除 100 块，B 账号增加 100 块。计算后 A 账号扣除 100 后余额为300元，B 账号加上 100 后余额为 200 元。

区块链上转账的步骤则是：A 要转账给 B 100 块钱，A 就会在网络上把要转账的这个信息告诉大家，大家会去查看 A 的账户上是否有足够的钱去完成这个转账，如果验证通过后，大家就把这个信息都记录到自己的电脑上区块链中，且每个人记入的信息都是同步一致的，这样 A 就顺利将 100 块钱转移到了 B 的账户上。（去掉了银行在交易中发挥的作用）

四、区块链的核心技术

非对称加密算法：非对称加密是指加密跟解密使用不同的秘钥。一般用对方（会生成一对公私钥）的公钥进行加密，在信息传输过程中，只有拥有私钥的人才可以解密，保证信息传输过程中的安全性。双方交易过程使用非对称加密算法，保证交易数据安全性。

共识机制：在区块链网络中，由于应用场景的不同，所以采用了不同的共识算法。

目前区块链的共识机制主要有四类：

• 1. 工作量证明(Proof of Work，简称POW)

  可简单理解为一份证明，证明你做过一定量的工作。通过查看工作结果，就能知道你完成了指定量的工作。区块链共识算法用的最多的就是POW。比特币和以太坊都是基于POW的共识机制。

  例：比特币在区块的生成过程中使用的就是POW机制，简单理解就是大家共同争夺记账权利，谁先抢到并正确完成记账工作，谁就得到系统的奖励，奖励为比特币，也就是所谓的“挖矿”。矿工（参与挖矿的人）通过计算机的算力去完成这个记账工作，这个拥有计算能力的专业计算机就是所谓的“矿机”。

  优点：

  ① 完全去中心化，节点自由进出，避免了建立和维护中心化信用机构的成本。

  ② 只要网络破坏者的算力不超过全网总算力的50%，网络的交易状态就能达成一致，并不可篡改历史记录。

  ③ 投入越多算力，获得记账权概率越大，越有可能产生新的区块奖励。

  缺点：

  ① 目前比特币挖矿造成大量的算力和能源浪费。

  ② 挖矿的激励机制也造成挖矿算力的高度集中

  ③ 结算周期长，每秒最多结算7笔交易，不适合商业应用。

• 2. 权益证明(Proof of Stake，简称POS)

  通过持有Token（代币）的数量和时长来决定你获得记账的机率，类似于股票的分红制度，持有股权越多的人就能够获得更多的分红。Token相当于区块链系统的权益。目前有很多数字资产用pow发行新币。

  优点：

  ① 降低了PoW机制的资源浪费。

  ② 加快了运算速度，也可以理解为工作量证明的升级版

  缺点：

  ① 拥有币龄越长的节点获得记账权的几率越大，容易导致马太效应，富者越富，权益会越来越集中,从而失去公正性。

• 3. 委托权益证明(Delegated Proof of Stake，简称DPOS)

  是基于POS衍生出的更专业的解决方案，类似于董事会投票，指拥有Token的人投票给固定的节点，选举若干代理人，由代理人负责验证和记账。不同于POW和POS的全网都可以参与记账竞争，DPOS的记账节点在一定时间段内是确定的。
  为了激励更多人参与竞选，系统会生成少量代币作为奖励。比特股就采用该方式。

  优点：

  ① 相较pow，dpos大幅提高区块链处理数据的能力，甚至可以实现秒到账，同时也大幅降低维护区块链网络安全的费用。

  缺点：

  ① 去中心程度较弱，节点代理是人为选出的，公平性相比POS较低，依赖于代币的增发来维持代理节点的稳定性。

• 4.验证池共识机制pool。

  这是一种基于传统的分布式一致性技术，加上数据验证的机制，是目前行业链大范围在使用的共识机制；

  优点：① 不需要依赖代币也可以实现秒级共识验证；

  缺点：① 去中心化程度弱，更适合多方参与的多中心商业模式；

  总结：每一种共识机制都不能同时满足安全、效率、公平。去中心程度越弱，安全性就越低，区块链的速度就越快；去中心化程度越强，安全性就会越高，区块链的速度就会越慢。POW完全去中心化，但运行效率太低。POS提高了效率，但却降低了公平与安全。DPOS有强烈的中心化特性，却在短期内效率最高。目前行业区块链大范围使用Pool共识。

智能合约：就是一段写在区块链上的代码，一旦某个事件触发合约中的条款，代码即自动执行。也就是说，满足条件就执行，不需要人为操控。

五、区块链基础架构

区块链系统由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成

• 第一层：数据层，存储底层数据、非对称数据加密和时间戳等基础数据。

• 第二层：网络层，含有分布式组网机制、数据传播机制、数据验证机制等。

• 第三层：共识层，封装有各类共识机制算法，确定记账决定方式，这关系到整个系统的安全性和可靠性。目前较为知名的由共识层封装的共识机制有工作量证明机制（PoW，Proof of Work）、股份授权证明机制（DPoS，Delegated Proof of Stake）、权益证明机制（PoS，Proof of Stake）等。

• 第四层：激励层，在区块链技术体系中使用的经济手段，包括经济激励的发行以及分配，多出现在公有链中。

• 第五层：合约层，封装区块链系统中的脚本代码、算法以及智能合约，帮助区块链灵活地处理数据。

• 第六层：应用层，封装了各种应用场景和案例，如电商购物、新闻浏览、视频观看等。

五、区块链的应用范围

区块链技术已经广泛应用于生活中各个领域，例如金融、医疗、内容社交平台、慈善、教育、版权保护、投票等。

1. 金融

区块链具有的信息透明、不可篡改的特点，在金融领域得到深入应用。各类金融资产如股权、债券、基金等都可以被融入区块链中，以“数字资产”的形式在区块链上进行存储和交易。跨境支付、数字货币、数字票据、支付清算、征信管理、证券交易和保险管理等方面也能从区块链技术中获益。

例如，传统的证券交易需要由证券公司、银行、中央结算机构以及交易所多方协同工作才能共同完成，导致效率低、成本高，容错率也很低，一个环节出现漏洞就会造成巨大的问题和损失。然而，在区块链技术应用在证券交易中后，各参与方便可独立地完成整个结算流程。

再比如，跨境支付是金融领域的重要组成部分，但效率低、速度慢。然而，在区块链点对点的技术应用到跨境支付领域后，汇款通道变得透明，交易历史数据可追溯，让收款方、汇款方都安心，也大大提高了效率和速度。

2. 医疗

区块链在医疗信息安全与隐私保护方面有着极其重要的应用。在当前中心化的信息管理系统下，各种黑客攻击和系统漏洞导致信息安全问题极大，而医疗领域存储着很多用户的私密资料，数据泄露问题一旦发生，就会造成极其严重的后果。因此，医疗领域需要森严的安全措施保护数据。

区块链的去中心化的特点则有针对性地解决了这个问题。去中心化的病人医疗健康信息数据存储与共享的建立大大有益于医疗行业。

3. 内容社交平台

目前，很多内容社交平台都是中心化的，如抖音、微博、微信公众号等，中心化的意思是中心决定节点，节点必须依赖中心，节点离开了中心就无法生存。因此，平台需要做的就是提供平台，然后用户通过平台为自己带来流量，进而利用流量获利。

区块链技术可以给内容社交平台注入新的血液，它利用分布式管理将平台去中心化，在新的去中心化系统中，每个人都是一个节点，任何人也都可以成为一个中心。这样平台可以将权力分散到用户身上，用户也可以贡献出自己的力量并获得平台的奖励和经济回报。

4. 慈善

人们捐赠爱心、传递善意是一件美好而伟大的事，但是层出不穷的慈善黑幕事件给这件美好的事情增添了污点。慈善体系的不透明为这类事情提供了契机，也引发捐赠者对这个行业的担忧。

区块链技术可以大大提高慈善领域的信息透明度，让捐赠者有权对慈善体系和流程进行监督，进而鼓励捐赠者放心捐助，形成良性循环，改善慈善事业。

如利用区块链技术建立公开透明的、不可篡改的信息体系，从善款的流向到受捐赠者的身份确认，建立慈善领域的监督问责机制，增加捐赠者对机构的信任和信心，同时也保护了捐赠方和受赠方的隐私。

5. 教育

教育系统中，学历认证一直十分重要，人工验证纸质版证书的效率低下，且纸质版证书有丢失的风险。区块链由所有参与者进行维护且不可篡改，使用区块链存储和保护学生的证明文件，可以简化流程并提高学历认证的效率。

学生的学历信息和档案记录等全部存储在区块链中，当学生需要证明自己学历和相关信息时，只需让对方加入链并看见自己的文件即可。同时，区块链具有去中心化的特点，证书不会因为中心机构关闭而消失，数据永远存在。

6. 版权保护

版权保护在中国一直是大家十分关注且亟待解决的问题。但是版权登记成本较高、效率低，以及版权保护的效率低、效果差的问题一直存在。将区块链技术应用到版权保护领域，对版权所有者和其版权产出的数据进行存储，可以实现对所有权的溯源，从而达到保护版权的目的。

更高效、便捷、有效的保障内容生产者权益的方式，能激励更多的创作者继续创造新的内容，创作者通过将作品记录于区块链，实现对原创作品的追踪，一旦发生纠纷或者盗用事件，可以尽快展开进一步的措施。

7. 投票

在部分国家，投票被用于进行总统选举。投票本着公平公正、少数服从多数的原则，但是由于系统透明度低，投票结果容易引起部分参与者的怀疑。区块链去中心化和透明化的特点正好可以有针对性地解决这个问题，使投票透明、真实性强。