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区块链技术原理

在学习区块链的正确姿势章节中，我们知道了学习区块链的正确姿势。在本章中，我们使用前面介绍的姿势来概述区块链原理的技术。

比特币转账

比特币实际上是一个货币系统。要了解区块链的技术原理，最好的方法是从比特币转账机制入手。

比如我张英平想把0.1个比特币转给刚珠桥买一部iPhone。

这个过程分为两个阶段。第一阶段是通过钱包转账，第二阶段是矿工使用矿机记账。

让我们先看看如何通过钱包转账。钱包转账分为三个步骤：

图 1-04-01 比特币转账

对比上图，大家就可以明白比特币转账的原理了。事实上，比特币钱包仅能做到这一点。这三个步骤与密码密切相关，这就是为什么密码学是区块链的基石。

在上述转账过程中，张英平将0.1个比特币转给乔刚珠，以保证0.1个比特币不被他人修改0.2、@ >0.3 个比特币，所以这里使用哈希算法对0.1 个比特币和公钥进行哈希运算。

要验证我是否真的将0.1比特币转给了Joe，只需用我的公钥解密签名，得到原始哈希，然后使用哈希算法对0.进行另一次哈希运算1个比特币给乔帮主，最后对比两次hash运算的结果，验证0.1个比特币是否被篡改，是否是张英平发来的比特币。

从上面的解释中，我们可以看出密码学在区块链中的价值。使用哈希算法可以保证数据不可篡改，使用私钥进行数字签名可以保证身份的唯一性。

当然，密码的使用不限于此。防止双花（双花、重放攻击）和确保数据隐私与密码算法密切相关。总之，区块链与密码学的血缘关系十分密切，因此有人怀疑比特币的发明极有可能是一群在密码学领域知识渊博的专家。

密码学相关的知识已经用完了，这里就不赘述了，重点说一下双花吧。

2008 年 11 月 1 日，一位名叫 Satoshi Nakamoto 的加密货币极客发布了比特币白皮书（“比特币：一种点对点电子现金系统”）。中本聪在比特币白皮书中使用了大量篇幅来描述如何防止双重支出。这也是区块链技术被称为价值互联网的原因。

图 1-04-02 比特币白皮书

什么是双花？

例如，互联网允许以几乎零成本传输信息。比如知识付费时代有很多大IP。即使一门课程的价格很低，也可以卖到几十万甚至几十万美元。 100,000用户阅读它，因此收入将非常高。

但价值的传递和信息的传递恰恰相反。我的一美元是给老王的，不是给小王的。在生活中，如果我们使用实物交割，很容易解决双重支付的问题，比如纸币。我给了老王一张一美元的钞票，但不是小王，但是一旦价值数字化，因为信息很容易被复制，同样的数字资产可能会被重复使用。

在比特币系统中，每笔交易都会被打上时间戳，所有的交易都会按时间顺序存储在一个链式数据结构中，因为每笔交易都有一个唯一可信的时间戳，即使一笔交易被重复花费，系统也只会识别最早的交易，可以有效防止一笔交易同时被花费，解决价值转移的唯一性问题。

说到这里，想必很多人都有这样的疑问，为什么支付宝和微信可以传递价值？这里需要说明的是，支付宝和微信有一个集中的权限来解决双重支付的问题。

例如，张三通过支付宝向李四转账100元。支付宝此时会先销毁张三的100元，然后再发行新的100元支付给李四。整个支付过程只有支付宝发行的新币才有效，可以有效解决双重支付问题。

但是比特币是一个去中心化的系统，没有支付宝这样的中心化机构，所以他需要使用可信的时间戳来解决双重支付的问题。

双重支付是比特币白皮书的重点内容。了解了双重支付之后，也就不难理解为什么区块链是价值互联网了。

正如我们前面提到的，当我将0.1个比特币转给Qiao的主人时，计算哈希、签名和发送的动作实际上是在钱包中完成的。钱包只是比特币中一种特殊的节点。它本身不存储数据。真正存储数据的是全节点，也就是我们所说的挖矿节点。

一旦我们在钱包中点击发送比特币，我们就需要挖矿节点来完成这项工作。挖矿节点会做以下四件事，而这四个步骤与共识机制息息相关：

第一步是让挖矿节点通过核对表来验证交易。说要验证签名，检查hash是否一致。

第二步、第三步、第三步都需要工作量证明机制的参与。

挖矿节点首先将交易打包进区块，也就是将我们刚才做的转账记录打包进区块（当然区块中通常有1000条左右的记录），然后挖矿成功的节点会链接当前区块到区块链；

需要注意的是，由于比特币节点分布在世界各地，此时很容易分叉。这就像我们去火车站买票并排队一样。有时会有几条不同的线路。这时候大家都会选择最长的线路。为了保证全网数据的一致性，此时我们会选择全网累计工作量最大的链。

通过密码学和共识机制这两条主线，大家可以了解区块链的基本原理。如果对密码学、共识机制、交易、区块、区块链、P2P网络等概念不清楚，可以学习《大华区块链》的相关章节。

以太坊复活智能合约

除了发币，区块链最大的创新就是智能合约。由于智能合约，现在区块链可以用于许多领域。区块链中的密码学、分发、共识机制、P2P都是大家已经熟悉的技术，而智能合约是区块链的独特发明。

智能合约

智能合约是 Nick Szabo 在 1990 年代提出的概念。由于缺乏可信的执行环境，一直没有应用。在实际行业中。区块链技术的出现为智能合约带来了新的机遇。

因为区块链是一个历史记录不可篡改的数据库，在链上写电脑代码可以让代码“智能”，有点像自动售货机。智能合约本质上是在区块链上运行的一段代码。该代码具有去中心化、公开透明、不可篡改等特点。

现实生活中，双方要进行交易，需要签订合同，其中约定合同法规定的合同主体、内容、权利、义务等条款，并由双方盖章并盖章。签名，一种形式，两份。以买卖合同为例，一旦双方签订合同，就会按照合同约定执行。但在现实中，由于法律观念意识薄弱，违约行为时有发生，尤其是在中国。即使签订了合同，也不会按照合同约定执行。这时，合同就变成了一张废纸，对双方没有约束力。如果发生纠纷，唯一的选择是诉诸法律并由法院强制执行。

那么有没有更有效的方式来保证合同的执行呢？答案是在智能合约中写入上述合约内容。一旦智能合约中的某个条件达到比特币的运行机制分析，合约就会自动执行。由于区块链信任的特性，合约的执行不依赖于人和现有的中心化机构，可以有效解决合约纠纷。

以太坊虚拟机

在比特币网络上，我们只能转账。在以太坊网络上，我们不仅可以转账，还可以运行智能合约。

以太坊虚拟机 (EVM) 是以太坊智能合约的运行时环境。不仅是被沙箱封装，实际上是完全隔离的，也就是说EVM内部运行的代码不能接触网络、文件系统或其他进程，甚至智能合约之间的调用也只能受到限制。

EVM的主要功能是将高级开发语言编写的智能合约编译成以太坊可以识别的字节码。智能合约写好后，我们需要将智能合约编译成字节码，部署到区块链上。

调用智能合约实际上是向智能合约地址发起交易，该地址不仅包含以太币，还包含数据。部署智能合约其实就是在以太坊网络节点的以太坊虚拟机上运行一段代码。

由于代码运行在每个以太坊节点的虚拟机上，每个节点都在进行并行计算，牺牲了程序的效率比特币的运行机制分析，但同时又保证了代码足够安全。另一方面，智能合约适用于运行一些确定性的业务逻辑。如果运行一些随机性很强的业务，需要对业务进行特殊处理，保证各个节点每次操作结果的一致性。

Hyperledger Fabric 企业应用先锋

Hyperledger引入权限控制机制，将区块链带入跨企业应用场景，让区块链技术不再局限于完全开放的公链模式，分布式账本技术（DLT）正在被主流企业认可和采用。 （详见第三章）