区块链如何运作?你需要知道的一切



区块链技术已成为全球通用术语,但了解其工作原理还需要进行一些研究。那么,区块链是如何运作的呢?区块链本质上是一个几乎不可能伪造的数字日记。许多计算机和设备都为这本日记做出了贡献,从而消除了一个中心故障点。

区块链通常由许多网络参与者组成——连续工作的计算机或硬件设置。这些参与者通常分散在全球各地,每个人都携带区块链整个交易历史的副本,并根据该历史验证任何新交易的真实性。这些参与者不断竞争以获取产生新资产以及促进交易的奖励。

哈希函数

让我们想象一下,一个房间里的 10 个人决定制作一种新货币。他们必须跟踪资金流向以确保代币在其新货币生态系统中的有效性。一个人让我们称他为鲍勃,决定在日记中保留一份所有行动的清单。然而,另一个人让我们称他为杰克,决定偷钱。为了隐藏这一点,他更改了日记中的条目。

然后有一天,鲍勃注意到有人干扰了他的日记。他决定改变日记的格式,以防止将来被篡改。他使用了一个称为散列函数的程序,该程序将文本转换为一组数字和字母。

此过程利用安全散列算法或 SHA,将字母转换为字符串。Bob 可以选择不同类型的 SHA,每种类型的复杂性各不相同,满足不同的需求。

散列是由散列函数产生的一串数字和字母。哈希函数是一种数学函数,可将可变数量的字符转换为具有固定数量字符的字符串。

字符串中的一个小改动会创建一个全新的哈希。在每个日记条目之后,Bob 插入一个哈希值。但随后杰克决定再次更改条目。他找到了日记,更改了记录并生成了一个新的哈希值。

鲍勃注意到有人又翻阅了日记。他决定将每笔交易的记录复杂化。在每条记录之后,他插入一个从记录的最后一个散列生成的新散列。因此,每个条目都依赖于前一个条目。

如果 Jack 尝试更改记录,他将不得不更改所有先前条目中的哈希值。然而,杰克是一个坚定的小偷,所以他整夜都在计算所有的哈希值。

Bob 不想放弃,所以他在每条记录后添加了一个不同的随机数。这个数字被称为“nonce”。随机数的选择方式应导致生成的散列以两个零结尾。

为了使用 Bob 更新的输入系统伪造记录,Jack 现在必须花费数小时和数小时来确定每行的随机数。

即使是计算机也很难计算出随机数,但这项任务是可能的,因为矿工在区块链挖掘过程中竞相发现它们。

节点

鲍勃以这种方式记下了很短的时间。然而,随着新交易的不断发生,他很快就被记录数量所累,认为他当前的系统不可持续。因此,当他的日记达到 5,000 笔交易时,他立即将其转换为一页电子表格。玛丽检查了所有交易的准确性。

然后,Bob 将他的电子表格日记提供给 3,000 台不同的计算机,每台计算机都位于全球不同的地区。这些计算机称为节点。每次交易发生时,都必须经过那些节点的批准,每个节点都会检查交易的有效性。一旦每个节点都检查了一笔交易,本质上就会发生一种电子投票。一些节点可能认为交易是有效的,而另一些节点可能认为它是欺诈性的。

每个节点都有一份电子表格日记的副本。每个节点检查每笔交易的有效性。如果大多数节点表示交易有效,则将其写入区块。

现在,如果 Jack 想要更改电子表格日记中的一个条目,所有其他计算机都将拥有原始哈希值。他们不会允许改变发生。



Bob 最初包含 5,000 笔交易的电子表格称为创世区块——该区块链的起点。这种货币的采用已经普及,因此交易来得迅速而频繁。新块被创建,它也可以容纳多达 5,000 笔交易,并且具有与以前的块相关的代码,使它们不可伪造。

让我们假设这个区块链每 10 分钟更新一次新区块。它会自动执行此操作。没有主计算机或中央计算机指示计算机执行此操作。

一旦电子表格或分类帐或注册表更新,就不能再更改。因此,伪造它是不可能的。你只能向其中添加新条目。同时更新网络上所有计算机上的注册表。对区块链的更改需要大多数网络参与者的共识。区块链的一个潜在风险是“51% 攻击”,在此期间,一方超过了区块链的大部分哈希率,从而允许他们支配网络。

一般来说,一个区块包含一个时间戳、对前一个区块的引用、交易和在区块进入区块链之前必须解决的计算问题。必须达成共识的分布式节点网络使得区块链内几乎不可能发生欺诈。

钱包、数字签名和协议

继续同一个例子,Bob 将 10 个人聚集在一起(最初聚集的 10 个人是新货币的一部分)。他需要向他们解释新的数字硬币和分类帐系统。

杰克向众人认罪并道歉。为了证明他的诚意,他把硬币还给了安和玛丽。

整理完所有这些,鲍勃解释了为什么这再也不会发生了。他决定实施一种叫做数字签名的东西来确认每笔交易。但首先,他给了每个人一个钱包。

什么是钱包?

如果你拥有数字货币,那么你需要一个数字钱包或一个在线平台或交易所进行存储。

钱包是一串数字和字母,如:18c177926650e5550973303c300e136f22673b74。当交易发生时,这个地址将出现在区块链内的各个区块中。不包含姓名或个人身份信息——只包含钱包号码。

公共钱包地址是可以将某些资产发送到的字符串。每个特定钱包的地址都是从公钥生成的。

数字签名

要进行交易,你需要两件事:钱包(基本上是地址)和私钥。私钥是一串随机数。然而,与地址不同的是,私钥必须保密。私钥控制其相关钱包中持有的资金。

当有人决定将硬币发送给其他任何人时,他们必须使用他们的私钥来签署包含交易的消息。两个密钥系统——一个私钥和一个公钥——是加密和密码学的核心,它的使用早于区块链的存在。它于 1970 年代首次提出。

一旦消息被发送,它就会被广播到区块链网络。然后节点网络处理消息以确保它包含的交易是有效的。如果它确认有效性,则交易被放置在一个块中。之后,有关它的任何信息都无法更改。

什么是加密密钥?

加密密钥是一串数字和字母。加密密钥由密钥生成器或密钥生成器生成。这些密钥生成器使用涉及素数的非常高级的数学来创建密钥。此类密钥可用于加密或解密信息。

协议

区块链技术由个人行为规范和编程到其中的大量规则组成。这些规范称为协议。特定协议的实现本质上使区块链成为现实——分布式、点对点、安全的信息数据库。

区块链协议确保网络按照其创建者预期的方式运行,即使它是完全自主的并且不受任何人控制。以下是在区块链中实现的一些协议示例:

每个散列号的输入信息必须包括前一个块的散列号。

挖完 210,000 个区块后,成功挖出一个区块的奖励减半。对于比特币 ( BTC ),这称为减半。以每个区块 10 分钟计算,开采 210000 个区块大约需要四年时间,因此比特币每四年减半一次。



为了将挖掘一个区块所需的时间保持在大约 10 分钟,每 2,016 个区块重新计算挖掘难度。挖矿难度基本上平衡了网络以考虑矿工的数量。更多的矿工意味着更具竞争性的氛围,使区块更难开采。更少的矿工意味着开采区块相对容易,从而吸引矿工参与。

工作量证明

将交易放入区块称为工作量证明 (PoW) 挑战的成功结论,由称为矿工的特殊节点执行。

PoW 是一个需要服务请求者做一些工作的系统,通常意味着计算机的处理时间。产生一个 PoW 是一个概率很低的随机过程,所以通常需要大量的反复试验才能产生一个有效的 PoW。说到比特币,哈希就是作为 PoW 的东西。

什么是挖矿?

区块链上的矿工是通过解决工作量证明问题来生产区块的节点。如果矿工产生了一个由节点的电子共识批准的区块,矿工将获得特定数量的硬币奖励,称为区块奖励。

然而,这种区块奖励并不是矿工继续运行硬件的唯一动力。他们通常还收取用户为发送交易而支付的交易费用。交易费用可能因任何给定时间在整个网络上发送的交易数量而异。更多的网络流量可能意味着更高的费用。尽管在大多数情况下发送方可以选择费用金额,但矿工总是会优先考虑交易费用较高的转账。因此,除非你愿意支付相当高的费用,否则如果网络流量膨胀,你的交易可能需要很长时间才能处理。

什么是赌注?

区块链技术也可以基于权益证明或 PoS 共识算法运行。使用 PoS,质押者通过将区块链的特定资产保存在与质押兼容的钱包或位置中来帮助运行区块链,并因此获得奖励。网络贡献取决于某人持有的相关资产的数量。根据行业术语,这种类型的生态系统不会挖掘区块而是锻造它们。

主节点也存在于 PoS 世界中,以帮助运行网络以获得指定的奖励,尽管主节点通常需要一定数量的给定资产并且必须以某种方式设置。多年来,PoS 与 PoW 之间的争论一直存在,其理由是相互矛盾的。

区块链技术原理

区块链本质上是分布式数据库的类型。数据库就是区块链,区块链上的每个节点都可以访问整条链。没有一个节点或计算机来管理它所包含的信息。每个节点都能够验证区块链的记录。这一切都是在没有一个或几个中间人控制一切的情况下完成的。

它在架构上是去中心化的,并且没有会导致区块链瘫痪的单点故障。

然而,区块链的节点在逻辑上是集中的,因为整个区块链是一个执行某些程序化操作的分布式网络。

点对点传输

在去中心化的点对点 (P2P) 传输中,通信总是直接发生在对等点之间,而不是通过中央节点。有关区块链上发生的事情的信息存储在每个节点上,然后传递给相邻节点。这样,信息在整个网络中传播。

透明但匿名

任何检查区块链的人都能够看到每笔交易及其哈希值。使用区块链的人可以根据需要以假名行事,或者他们可以将自己的身份证明给其他人。在区块链上看到的只是钱包地址之间的交易记录。

一旦交易记录在区块链上并且区块链更新,更改该交易的记录就变得不可能。为什么?那个特定的交易记录链接到每个前面的记录,使其不可变。区块链记录是永久性的,它们按时间顺序排列,并且可供所有其他节点使用。

几乎不可能关闭网络。由于存在大量节点并在全球范围内运行,因此单方几乎不可能接管整个网络。

区块链如何运作?你需要知道的一切

伪造一个块也几乎是不可能的,因为每个块的有效性以及它被纳入区块链的有效性是由节点的电子共识决定的。有成千上万个这样的节点,分散在世界各地。因此,捕获网络需要一台具有几乎不可能的功率的计算机。

然而,将区块链技术用作普通数据库将被证明是困难的。你能否像使用 Microsoft Access、FileMaker 或 MySQL 等数据库平台一样在区块链上存储 3 GB 的文件?这不是一个好主意。大多数区块链在设计上不适合这一点,或者只是缺乏所需的容量。

传统的在线数据库通常使用客户端-服务器网络架构。这意味着具有访问权限的用户可以更改存储在数据库中的条目,但总体控制权仍在管理员手中。对于区块链数据库,每个用户负责维护、计算和更新每个新条目。每个节点都必须协同工作,以确保它们都得出相同的结论。

区块链技术架构还意味着每个节点必须独立工作,并将其工作结果与网络的其余部分进行比较,因此达成共识可能非常耗时。因此,与传统的数字交易技术相比,区块链网络历来被认为是缓慢的。在某些情况下,进步提高了与区块链相关的交易速度,如某些加密资产、项目和解决方案所示。

也就是说,有使用区块链技术生产数据库的实验。这些平台旨在采用企业级分布式数据库并在其基础上进行构建,同时添加区块链的三个关键属性:去中心化、不变性以及注册和转移资产的能力。

区块链技术可以用在哪里?

智能合约围绕特定协议定义规则和惩罚,类似于传统合约的功能。然而,最大的区别在于智能合约会自动执行这些义务。由于他们的编码,智能合约在满足特定标准时解除。


去中心化金融

去中心化金融或 DeFi 是利用区块链技术,允许参与者访问与主流金融世界中常见的功能类似的功能,但以去中心化的方式除外。使用不同的 DeFi 解决方案,参与者可以借贷资金——以及获得其他机会——在区块链上进行管理,不受中央权威的控制。

不可替代的代币

不可替代的代币(NFT)作为区块链技术的一种应用,在许多不同的用例中具有巨大的潜力。此类代币是可验证唯一的,不可与其他代币以相同价值进行一对一交换。NFT 的一个潜在用例是艺术品的认证,艺术品与 NFT 相关联,可以验证其真实性和所有权。

供应链

供应链是区块链的另一个用例。将区块链技术应用于供应链可以提供追踪成分、食品、材料等更多来源以证明其来源的能力,以及提供有关任何给定供应链的其他相关信息。

保修索赔

对于提出索赔的人来说,解决保修索赔可能既昂贵又耗时,而且通常很困难。可以使用区块链技术实施智能合约,这将不可避免地使过程变得更加容易。

在传统系统中,当提出索赔时,人们会进行所有检查,这可能非常耗时,并为人为错误留有余地。这可能会变得不必要,因为标准检查可以使用区块链自动完成。一旦所有义务都履行完毕,所产生的支出是自动的。这一切都可以通过最少的人工参与来完成。

保险理赔

通过智能合约,可以为特定的保险相关情况建立一套特定的标准。理论上,随着区块链技术的实施,你只需在线提交保险索赔并收到即时自动付款——当然,等待你的索赔满足所有要求的标准。

身份验证

目前使用现有的身份验证方法浪费了太多时间和精力,这也带来了安全风险。借助区块链及其去中心化,在线身份验证可以更快、更安全。

随着区块链的使用,将在线身份数据保存在一个中心位置可能会成为过去的做法,这意味着计算机黑客将不再有集中的攻击点。区块链支持的数据存储也是防篡改和廉洁的。区块链技术还可以应用于医疗信息,改善相关流程和安全性。

物联网

为了交互目的,物联网或 IoT 通过互联网连接在一起,是一个软件友好项目的生态系统,例如车辆和设备,其中包括某些技术规范,使此类交互成为可能。区块链技术及其智能合约可能会有所帮助。

区块链技术可以在物联网的未来发挥作用,部分原因是提供了防范黑客的潜在方法。因为它是为分散控制而构建的,基于它的安全方案应该具有足够的可扩展性以覆盖物联网的扩展。此外,区块链对数据篡改的强大保护可以帮助防止流氓设备传播误导性信息,这可能从根本上破坏家庭、工厂或交通系统。

归档和文件存储

Google Drive、Dropbox 和其他公司已经使用集中式方法彻底开发了文档的电子存档。集中式站点对黑客很有吸引力。区块链及其智能合约提供了大幅减少这种威胁的方法。


多年来,出现了许多分散的云存储解决方案。通过利用区块链技术,这些解决方案允许参与者以去中心化的方式买卖存储访问。

打击犯罪

不法分子必须隐藏和伪装从他们的功绩中获得的金钱。这可以通过假银行账户、赌博和离岸公司等策略来实现。尽管由于区块链技术,所有必要的监管要素——例如识别当事人和信息、交易记录,甚至执行——都可以存在于加密货币系统中,但对加密货币交易的透明度存在许多担忧。

随着该技术获得更多主流关注,区块链及其智能合约有可能有助于打击洗钱策略。

社交媒体

社交媒体组织要求其用户有权使用其个人资料信息和所有上传的内容。社交媒体选项通常是集中式的,更容易受到破坏,并由单个实体管理。区块链技术可能会分散社交媒体,可能会增加对黑客的保护,使内容更具抗审查性,并让用户更好地控制他们的数据。

投票

智能合约和区块链可以极大地改善选举等方面的投票。随着时间的推移,各种相关的应用程序已经出现。在众多好处中,将区块链技术纳入投票可能会使未来的历史更加防篡改和透明。

限制和漏洞

除了比特币的区块链之外,还有大量其他区块链可供项目构建解决方案。此外,一些项目决定开发自己的主网区块链。任何区块链网络在很大程度上取决于其中的活跃用户数量。为了充分发挥其潜力,网络必须健壮,具有广泛分布的节点网格。

此外,与 Visa 或 Mastercard 等主要发卡机构相比,区块链技术在交易速度方面仍然存在困难。

最后,任何给定区块链网络的大规模捕获总是存在理论上的可能性。如果一个组织能够以某种方式设法控制大多数网络节点,那么它就不再是完全意义上的去中心化。

企业区块链

企业区块链是指将区块链技术纳入其基础设施的主流巨头公司。许多主流公司已经研究了区块链技术的各种应用。其他主流公司也提出了框架和工具作为拾起式产品,以帮助实体将技术融入到他们的工作中。

这些区块链通常不像在加密空间中看到的那样具有本地硬币,并且网络参与者不竞争奖励,他们只是进行确认。


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