區塊鏈（Blockchain）

標籤：系統   body   延長   第一個   hang   構建   script   ebs   on()   

一 、什麼是區塊鏈？

區塊鏈（Blockchain）是由節點參與的分散式資料庫系統[1]，它的特點是不可更改，不可偽造，也可以將其理解為賬簿系統(ledger)。它是比特幣的一個重要概念，完整比特幣區塊鏈的副本，記錄了其代幣（token）的每一筆交易。通過這些資訊，我們可以找到每一個地址，在曆史上任何一點所擁有的價值。

區塊鏈是由一串使用密碼學方法產生的資料區塊組成的，每一個區塊都包含了上一個區塊的雜湊值（hash），從創始區塊（genesis block）開始串連到當前區塊，形成塊鏈。每一個區塊都確保按照時間順序在上一個區塊之後產生，否則前一個區塊的雜湊值是未知的。這些特徵使得比特幣的雙花（double-spending）非常困難。區塊鏈是比特幣的核心創新。

區塊鏈概念的出現，首先是在中本聰的比特幣白皮書[2]中提到的，但是以工作量證明鏈（proof-of-work chain）的形式而存在，以下是中本聰對區塊鏈概念的描述：

時間戳記伺服器通過對以區塊(block)形式存在的一組資料，實施隨機散列而加上時間戳記，並將該隨機散列進行廣播，就像在新聞或世界性新聞群組網路（Usenet）的發帖一樣 。顯然，該時間戳記能夠證實特定資料必然於某特定時間是的確存在的，因為只有在該時刻存在了才能擷取相應的隨機散列值。每個時間戳記應當將前一個時間戳記納入其隨機散列值中，每一個隨後的時間戳記都對之前的一個時間戳記進行增強(reinforcing)，這樣就形成了一條鏈（Chain）。

節點始終都將最長的鏈視為正確鏈，並持續工作和延長它。如果有兩個節點同時廣播不同版本的新區塊，那麼其他節點在接收到該區塊的時間上，將存在先後差別。當此情形，他們將在率先收到的區塊基礎上進行工作，但也會保留另外一條鏈，以防後者變成最長鏈。該僵局（tie）的打破，要等到下一個工作量證明被發現，而其中的一條鏈被證實為是較長的一條，那麼在另一條分支鏈上工作的節點將轉換陣營，開始在較長的鏈上工作。

比特幣錢包的功能依賴於與區塊鏈的確認，一次有效檢驗稱為一次確認。通常一次交易要獲得數個確認才能進行。輕量級（SPV ）[3]比特幣錢包, 其用戶端在本地只需儲存與使用者可支配交易相關的資料，而不會儲存完整的區塊鏈。

區塊鏈技術是眾多加密數字貨幣的核心，包括比特幣、以太坊、萊特幣、狗狗幣等。維護區塊鏈的方式，有工作量證明（proof-of-work）、權益證明(proof-of-stake)等。

二、區塊鏈系統核心優勢

區塊鏈體繫結構的核心優勢包括：

1. 任何節點都可以建立交易，在經過一段時間的確認之後，就可以合理地確認該交易是否為有效，區塊鏈可有效地防止雙花問題的發生。
2. 對於試圖重寫或者修改交易記錄而言，它的成本是非常高的。
3. 區塊鏈實現了兩種記錄：交易（transactions）以及區塊（blocks）。交易是被儲存在區塊鏈上的實際資料，而區塊則是記錄確認某些交易是在何時，以及以何種順序成為區塊鏈資料庫的一部分。交易是由參與者在正常過程中使用系統所建立的（在加密數字貨幣的例子中，一筆交易是由bob將代幣發送給alice所建立的），而區塊則是由我們稱之為礦工（miners）的單位負責建立。

 三、區塊鏈工作原理3.1 什麼是區塊？

資料通過稱之為區塊(block)的檔案，永久記錄在數字貨幣網路上。它們好比是一個股票交易賬本。新的區塊會被添加到記錄（區塊鏈）的末端，而且一旦書寫就很難修改或移除。

3.2 .區塊結構

大小	欄位	描述
4位元組	區塊大小	用位元組表示的該欄位之後的區塊大小
80位元組	區塊頭	組成區塊頭的幾個欄位
1-9 （可變整數）	交易計數器	交易的數量
可變的	交易	記錄在區塊裡的交易資訊

3.3 區塊頭

區塊頭由三組區塊中繼資料組成。首先是一組引用父區塊雜湊值的資料，這組中繼資料用於將該區塊與區塊鏈中前一區塊相串連。第二組中繼資料，即難度、時間戳記和nonce，與挖礦競爭相關 。第三組中繼資料是merkle樹根[4]（一種用來有效地總結區塊中所有交易的資料結構）。

3.4 區塊頭結構

 

大小	欄位	描述
4位元組	版本	版本號碼，用於跟蹤軟體/協議的更新
32位元組	父區塊雜湊值	引用區塊鏈中父區塊的雜湊值
32位元組	Merkle根	該區塊中交易的merkle樹根的雜湊值
4位元組	時間戳記	該區塊產生的近似時間（精確到秒的Unix時間戳記）
4位元組	難度目標	該區塊工作量證明演算法的難度目標
4位元組	Nonce	用於工作量證明演算法的計數器

3.4 創始區塊

比特幣區塊鏈的第一個區塊，建立於2009年，我們稱之為創世區塊。它是比特幣區塊鏈裡所有區塊的共同祖先，這意味著你從任一區塊，循鏈向後回溯，最終都將到達創世區塊。

每一個節點都“知道”創世區塊的雜湊值、結構、被建立的時間和裡面的一個交易。因此，每個節點都把該區塊作為區塊鏈的首區塊，從而構建了一個安全的、可信的區塊鏈的根。

在chainparams.cpp裡可以看到創世區塊被編入到比特幣核心用戶端裡。

創世區塊的雜湊值為：

0000000000 19d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f

你可以在任何區塊瀏覽網站搜尋這個區塊雜湊值，如區塊元（blockmeta），你會發現一個用包含這個雜湊值的連結來描述這一區塊內容的頁面：

http://blockmeta.com/block/000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f

在命令列使用比特幣核心用戶端：

$ bitcoindgetblock 000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f{    "hash":"000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f",    "confirmations":308321,    "size":285,    "height":0,    "version":1,    "merkleroot":"4a5e1e4baab89f3a32518a88c31bc87f618f76673e2cc77ab2127b7afdeda33b",    "tx":["4a5e1e4baab89f3a32518a88c31bc87f618f76673e2cc77ab2127b7afdeda33b"],    "time":1231006505,    "nonce":2083236893,    "bits":"1d00ffff",    "difficulty":1.00000000,    "nextblockhash":"00000000839a8e6886ab5951d76f411475428afc90947ee320161bbf18eb6048"}

創世區塊包含一個隱藏的資訊。在其Coinbase交易的輸入中包含這樣一句話

“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks" 

“財政大臣站在第二次救助銀行的邊緣”

這句話是泰晤士報當天的頭版文章標題，引用這句話，既是對該區塊產生時間的說明，也可視為半開玩笑地提醒人們 , 一個獨立的貨幣制度的重要性，同時告訴人們隨著比特幣的發展，一場前所未有的世界性貨幣革命將要發生。該訊息是由比特幣的創立者中本聰嵌入創世區塊中。

四、區塊鏈分叉

誠實礦工只建立最長有效鏈上的最新區塊。“長度”（Length）指區塊鏈的累計計算難度，而不是是區塊數目。當包括在鏈中的所有區塊以及交易都有效，且是從創世區塊開始的鏈，才是被我們承認的有效區塊鏈。

對於區塊鏈中的任意一個區塊，到達創世塊的路徑只有一條。然而，從創世塊開始，會有分叉的情況出現。當建立兩個區塊的時間差只有幾秒時，經常會建立出一個分叉[5]區塊。當發生這種情況時，節點就會在他們最先接收到的那個區塊上建立區塊。無論哪一個區塊包含在下一個區塊中，它都會成為主鏈的一部分，因為這條鏈更長。

短鏈（無效鏈）中的區塊沒有什麼作用。當比特幣用戶端切換至另外一條更長的區塊鏈時，短鏈中的所有有效交易區塊都重新添加到序列交易池中，且會包含在下一個區塊中。短鏈中的區塊獎勵不會呈現在最長的區塊鏈中，因此實際上他們是有損失的，這就是為什麼需要網路強制的100個區塊的成熟時間來讓產生存在。

在短鏈中的區塊，我們通常稱之為“孤兒塊”（orphans）。這是因為，在長鏈中這個產生交易並沒有父系區塊，因為這些產生交易在交易PRC列表中顯示為孤兒。一些礦池誤解這些資訊，聲稱他們的區塊是”孤兒“。事實上，這些區塊都有父系區塊，而且甚至可能有子系。

五、區塊鏈衍生概念5.1 公鏈（public blockchain）

公鏈，是指全世界任何人都可讀取、發送交易且能獲得有效確認的共識區塊鏈。公鏈的安全由工作量證明機制（pow）或權益證明機制(pos)等方式負責維護。它們是以經濟獎勵與加密數字驗證相結合的方式而存在的，並遵循著一般原則：每個人從中可獲得的經濟獎勵，與對共識過程作出的貢獻成正比。這些區塊鏈通常被認為是“完全去中心化”的。

5.2 共同體區塊鏈：（Consortium blockchains）

共同體區塊鏈，是指其共識過程受到預選節點控制的區塊鏈；例如，有15個金融機構組成一個共同體，每個機構都運行著一個節點，而且為了使每個區塊生效需要獲得其中10個機構的確認。區塊鏈或許允許每個人都可讀取，或者只受限於參與者，或走混合型的路線，例如區塊的根雜湊及其API（應用程式介面）對外公開，API可允許外界用來作有限次數的查詢和擷取區塊鏈狀態的資訊。這些區塊鏈可視為“部分去中心化”。

5.3 私鏈（private blockchain)，又稱無代幣區塊鏈（Token-less blockchain）

完全私人的區塊鏈 , 是指其寫入許可權僅在一個組織手裡的區塊鏈。讀取許可權或者對外開放，或者被任意程度地進行了限制。相關的應用囊括資料庫管理、審計、甚至一個公司，但在很多的情形下，公用的可讀性並非是必須的。

關於沒有原生代幣的系統，是否能被稱為區塊鏈，仍然有著很大的爭議。一些人認為，沒有代幣的區塊鏈，可以一種分布式多版本並發控制(MVCC)資料庫[6]的形式而存在。多版本並發控制，可防止兩筆交易在資料庫中修改一個單一列，而區塊鏈，則是阻止兩筆交易在區塊鏈中的單個輸出（ output）。

六、 公鏈和私鏈的特點

共同體區塊鏈結合了公鏈的“低信任”和私鏈的“單一高度信任” , 提供了一種混合的模式，而私鏈可以更精確地描述為帶有一定程度數字加密功能，可管理（permissioned）的傳統中心化系統。

公鏈特點：

1. 中立、開放、去中心化；
2. 不可更改，不可撤銷；
3. 擁有網路效應。
4. 抗審查性高；

私鏈特點：

1. 規則易於修改（交易，餘額等）；
2. 交易成本低（交易只需幾個受信節點驗證即可）；
3. 讀取許可權受限；

 七、區塊鏈發展及應用

區塊鏈技術作為數字貨幣的底層技術，已引起了金融世界的高度重視，包括高盛、摩根大通、滙豐銀行、花旗銀行、紐約梅隆銀行、巴克萊銀行、瑞銀（UBS）、蘇格蘭皇家銀行、摩根士丹利在內的眾多金融機構，均與區塊鏈公司進行了合作，研究區塊鏈技術在金融市場的應用。世界經濟論壇更是大膽預測，到2027年世界GDP的10％將被儲存在區塊鏈網路上[7]。

當前，與區塊鏈相關的應用及公司，包括但不限於：

公證防偽：公證通（factom）、Monegraph、Stampery、Bitproof、Uproov、Chronicled、Blockai;
智能合約：彩色幣（coloredcoin）、閃電網路（lightning-network）、側鏈（sidechain）、Tendermint、Chronicled、SuperNET、Blocknet、Tezos、Openchain、Crypti、Rubix、MultiChain、超級賬本（hyperledger）、The DAO（the-dao）、WAVES、Synereo、WINGS;
物聯網：ADEPT、Filament、Tilepay、Slock.it（slock-it）;
身分識別驗證：BlockScore、Shocard、LaunchKey、BitNation;
預測市場：Augur、Truthcoin、Futarchy;
資產交易：OpenLedger、Medici、SETL、Symbiont、DAH、SETL、小蟻（antshares）、SWARM、Koinify、Lighthouse、Safe Cash（safe-cash）、tØ（t0）、Linq、Colu、元界（metaverse）、瑞資鏈金融（reitschain）;
電子商務：OpenBazaar、Eris、BitXBay、Bitmarkets、Skuchain、Purse;
社交通訊：Gems、Codius、位元信（bitmessage）、Twister、Clucker、Diaspora;
檔案儲存體：MaidSafe、Enigma、Filecoin、公證通（factom）、Storj、Tau、BitCloud、IPFS、Mediachain;
資料API：Coinalytics、Blocktrail、BlockCypher、TradeBlock、Scorechain、Gem;
其它：Tierion、Safe Cash（safe-cash）、bitwage、Crypti、IPFS、DECENT、億書（ebookchain）;
銀行結算：R3CEV;

注釋    (↵ returns to text)

1. 區塊鏈英文維基：https://en.wikipedia.org/wiki/Block_chain_(database)↵
2. 中本聰比特幣白皮書：http://www.8btc.com/wiki/bitcoin-a-peer-to-peer-electronic-cash-system↵
3. SPV、SPV節點和SPV錢包: http://www.8btc.com/spv_spv_node_and_spv_wallet↵
4. 精通比特幣：http://8btc.com/topic-mastering-bitcoin.html↵
5. http://blockchain.hk/category/blockchain/↵
6. 沒有代幣的區塊鏈是否具有價值：http://www.multichain.com/blog/2015/07/bitcoin-vs-blockchain-debate/↵
7. 世界經濟論壇預測區塊鏈：http://www.coindesk.com/world-economic-forum-governments-blockchain/↵

 

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