区块链数据结构示意图 区块链走势图分析

一、漫画图解 什么是区块链

漫画图解：什么是区块链

什么是区块链？

区块链，英文 Blockchain，本质上是一种去中心化的分布式数据库。任何人只要架设自己的服务器，接入区块链网络，都可以成为这个庞大网络的一个节点。

区块链既然本质是数据库，里面究竟存储了什么东西呢？让我们来了解一下区块链的基本单元：区块（Block）。

一个区块分为两大部分：

1.区块头

区块头里面存储着区块的头信息，包含上一个区块的哈希值（PreHash），本区块体的哈希值（Hash），以及时间戳（TimeStamp）等等。

2.区块体

区块体存储着这个区块的详细数据（Data），这个数据包含若干行记录，可以是交易信息，也可以是其他某种信息。

刚才提及的哈希值又是什么意思呢？

想必大家都听说过MD5，MD5就是典型的哈希算法，可以把一串任意长度的明文转化成一串固定长度（128bit）的字符串，这个字符串就是哈希值。

而在我们的区块链中，采用的是一种更为复杂的哈希算法，叫做SHA256。最新的数据信息（比如交易记录）经过一系列复杂的计算，最终会通过这个哈希算法转化成了长度为256bit的哈希值字符串，也就是区块头当中的Hash，格式如下：

a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0

区块与Hash是一一对应的，Hash可以当做是区块的唯一标识。

不同的区块之间是如何进行关联的呢？依靠Hash和PreHash来关联。每一个区块的PreHash和前一个区块的Hash值是相等的。

为什么要计算区块的哈希值呢？

既然区块链是一个链状结构，就必然存在链条的头节点（第一个区块）和尾节点（最后一个区块）。一旦有人计算出区块链最新数据信息的哈希值，相当于对最新的交易记录进行打包，新的区块会被创建出来，衔接在区块链的末尾。

新区块头的Hash就是刚刚计算出的哈希值，PreHash等于上一个区块的Hash。区块体的Data存储的是打包前的交易记录，这部分数据信息已经变得不可修改。

这个计算Hash值，创建新区块的过程就叫做挖矿。

用于进行海量计算的服务器，叫做矿机。

操作计算的工作人员，叫做矿工。

计算哈希值究竟难在哪里？咱们来做一个最粗浅的解释，哈希值计算的公式如下：

Hash= SHA-256（最后一个区块的Hash+新区块基本信息+交易记录信息+随机数）

其中，交易记录信息也是一串哈希值，它的计算涉及到一个数据结构 Merkle Tree。有兴趣的小伙伴可以查阅相关资料，我们暂时不做展开介绍。

这里关键的计算难点在于随机数的生成。猥琐的区块链发明者为了增大Hash的计算难度，要求Hash结果的前72bit必须都是0，这个几率实在是太小太小。

由于（最后一个区块的Hash+新区块基本信息+交易记录信息）是固定的，所以能否获得符合要求的Hash，完全取决于随机数的值。挖矿者必须经过海量计算，反复生成随机数进行“撞大运”一般的尝试，才有可能得到正确的Hash，从而挖矿成功。

同时，区块头内还包含着一个动态的难度系数，当全世界的硬件计算能力越来越快的时候，区块链的难度系数也会水涨船高，使得全网平均每10分钟才能产生出一个新区块。

小伙伴们明白挖矿有多么难了吧？需要补充的是，不同的区块链应用在细节上是不同的，这里所描述的挖矿规则是以比特币为例。

区块链的应用

比特币（BitCoin）的概念最初由中本聪于2008年提出，而后根据这一思路设计发布了开源软件以及建构其上的P2P网络。比特币是一种P2P形式的数字货币。点对点的传输意味着一个去中心化的支付系统。

什么是P2P网络呢？

传统的货币都是由中央银行统一发行，所有的个人储蓄也是由银行统一管理，这是典型的中心化系统。

而比特币则是部署在一个全世界众多对等节点组成的去中心化网络之上。每一个节点都有资格对这种数字货币进行记录和发行。

至于比特币底层的数据存储，正是基于了区块链技术。比特币的每一笔交易，都对应了区块体数据中的一行，简单的示意如下：

交易记录的每一行都包含时间戳、交易明细、数字签名。

表格中只是为了方便理解。实际存储的交易明细是匿名的，只会记录支付方和收款方的钱包地址。

至于数字签名呢，可以理解为每一条单笔交易的防伪标识，由非对称加密算法所生成。

接下来说一说比特币矿工的奖励：

比特币协议规定，挖到新区块的矿工将获得奖励，从2008年起是50个比特币，然后每4年减半，目前2018年是12.5个比特币。流通中新增的比特币都是这样诞生的，也难怪大家对挖掘比特币的工作如此趋之若鹜！

区块链的优势和劣势

区块链的优势：

1.去中心化

区块链不依赖于某个中心节点，整个系统的数据由全网所有对等节点共同维护，都可以进行数据的存储和检验。这样一来，除非攻击者黑掉全网半数以上的节点，否则整个系统是不会遭到破坏的。

2.信息不可篡改

区块内的数据是无法被篡改的。一旦数据遭到篡改哪怕一丁点，整个区块对应的哈希值就会随之改变，不再是一个有效的哈希值，后面链接的区块也会随之断裂。

区块链的劣势：

1.过度消耗能源

想要生成一个新的区块，必须要大量服务器资源进行大量无谓的尝试性计算，严重耗费电能。

2.信息的网络延迟

以比特币为例，任何一笔交易数据都需要同步到其他所有节点，同步过程中难免会受到网络传输延迟的影响，带来较长的耗时。

几点补充：

1.本漫画部分内容参考了阮一峰的博文《区块链入门教程》，感谢这位大神的科普。

2.由于篇幅有限，关于Merkle Tree和非对称加密的知识暂时没有展开细讲，有兴趣的小伙伴们可以查阅资料进行更深一步的学习。

二、组成区块链基础运算功能的组织架构内容

随着互联网的都不发展，消费者对区块链技术和数字虚拟货币的认知程度也在不断的提高。今天，我们就一起来了解一下区块链技术的基础运算方法都有哪些结构构成的。下面java课程就一起来了解一下具体情况吧。

构成计算技术的基本元素是存储、处理和通信。大型主机、PC、移动设备和云服务都以各自的方式展现这些元素。各个元素之内还有专门的构件块来分配资源。

本文聚焦于区块链的大框架：介绍区块链中各个计算元素的模块以及各个模块的一些实现案例，偏向概论而非详解。

区块链的组成模块

以下是去中心化技术中各个计算元素的构件块：

存储：代币存储、数据库、文件系统/blob

处理：有状态的业务逻辑、无状态的业务逻辑、高性能计算

通信：数据、价值和状态的连接网络

存储

作为基本计算元素，存储部分包含了以下构件块。

代币存储。代币是价值的存储媒介(例如资产、证券等)，价值可以是比特币、航空里程或是数字作品的版权。代币存储系统的主要作用是发放和传输代币(有多种变体)，同时防止多重支付之类的事件发生。

比特币和Zcash是两大“纯净”的、只关注代币本身的系统。以太坊则开始将代币用于各种服务，以实现其充当全球计算中心的理想。这些例子中代币被用作运营整个网络架构的内部激励。

还有些代币不是网络用来推动自身运行的内部工具，而是用做更高级别网络的激励，但它们的代币实际上是存储在底层架构中的。一个例子是像Golem这样的ERC20代币，运行在以太坊网络层上。另一个例子是Envoke的IP授权代币，运行在IPDB网络层上。

数据库。数据库专门用来存储结构化的元数据，例如数据表(关系型数据库)、文档存储(例如JSON)、键值存储、时间序列或图数据库。数据库可以使用SQL这样的查询快速检索数据。

传统的分布式(但中心化)数据库如MongoDB和Cassandra通常会存储数百TB甚至PB级的数据，性能可达到每秒百万次写入。

SQL这样的查询语言是很强大的，因为它将实现与规范区分开来，这样就不会绑定在某个具体的应用上。SQL已经作为标准应用了数十年，所以同一个数据库系统可以用在很多不同的行业中。

换言之，要在比特币之外讨论一般性，不一定要拿图灵完备性说事。你只需要一个数据库就够了，这样既简洁又方便扩展。有些时候图灵完备也是很有用的，我们将在“去中心化处理”一节具体讨论。

BigchainDB是去中心化的数据库软件，是专门的文档存储系统。它基于MongoDB(或RethinkDB)，继承了后者的查询和扩展逻辑。但它也具备了区块链的特征，诸如去中心化控制、防篡改和代币支持。IPDB是BigchainDB的一个受监管的公开实例。

在区块链领域，也可以说IOTA是一个时间序列数据库。

文件系统/blob数据存储。这些系统以目录和文件的层级结构来存储大文件(电影、音乐、大数据集)。

IPFS和Tahoe-LAFS是去中心化的文件系统，包含去中心化或中心化的blob存储。FileCoin、Storj、Sia和Tieron是去中心化的blob存储系统，古老而出色的BitTorrent也是如此，虽然后者使用的是p2p体系而非代币。以太坊Swarm、Dat、Swarm-JS基本上都支持上述两种方式。

数据市场。这种系统将数据所有者(比如企业)与数据使用者(比如AI创业公司)连接在一起。它们位于数据库与文件系统的上层，但依旧是核心架构，因为数不清的需要数据的应用(例如AI)都依赖这类服务。Ocean就是协议和网络的一个例子，可以基于它创建数据市场。还有一些特定应用的数据市场：EnigmaCatalyst用于加密市场，Datum用于私人数据，DataBrokerDAO则用于物联网数据流。

处理

接下来讨论处理这个基本计算元素。

“智能合约”系统，通常指的是以去中心化形式处理数据的系统[3]。它其实有两个属性完全不同的子集：无状态(组合式)业务逻辑和有状态(顺序式)业务逻辑。无状态和有状态在复杂性、可验证性等方面差异巨大。三种去中心化的处理模块是高性能计算(HPC)。

无状态(组合式)业务逻辑。这是一种任意逻辑，不在内部保留状态。用电子工程术语来说，它可以理解为组合式数字逻辑电路。这一逻辑可以表现为真值表、逻辑示意图、或者带条件语句的代码(if/then、and、or、not等判断的组合)。因为它们没有状态，很容易验证大型无状态智能合约，从而创建大型可验证的安全系统。N个输入和一个输出需要O(2^N)个计算来验证。

跨账本协议(ILP)包含crypto-conditions(CC)协议，以便清楚地标出组合电路。CC很好理解，因为它通过IETF成为了互联网标准，而ILP则在各种中心和去中心化的支付网络(例如超过75家银行使用的瑞波)中广泛应用。CC有很多独立实现的版本，包括JavaScript、Python、Java等。BigchainDB、瑞波等系统也用CC，用以支持组合式业务逻辑/智能合约。

三、区块链怎么生成hash(区块链中数据的生成)

区块链中的哈希算法哈希算法是区块链中最重要的一个底层技术。是用来识别交易数据的一种方法，具有唯一性。加密哈希算法是数据的“指纹”。

加密哈希算法具有5大特征：

1、能够为任意类型的数据快速创建哈希值。

2、确定性。哈希算法为相同的输入数据总能产生相同的哈希值。

3、伪随性。当输入数据被改变时，哈希算法返回的哈希值的变化是不可预测的。不可能根据输入数据预测哈希值。

4、单向函数。不可能基于哈希值恢复原始输入数据。单独根据哈希值是不可能了解任何输入数据的信息。

5、防碰撞。不同数据块产生相同哈希值的机会很小。

区块链哈希算法是什么？哈希算法也被称为“散列”，是区块链的四大核心技术之一。是能计算出一个数字消息所对应的、长度固定的字符串（又称消息摘要）的算法。由于一段数据只有一个哈希值，所以哈希算法可以用于检验数据的完整性。在快速查找和加密算法的应用方面，哈希算法的使用非常普遍。

在互联网时代，尽管人与人之间的距离更近了，但是信任问题却更严重了。现存的第三方中介组织的技术架构都是私密而且中心化的，这种模式永远都无法从根本上解决互信以及价值转移的问题。因此，区块链技术将会利用去中心化的数据库架构完成数据交互信任背书，实现全球互信的一大跨步。在这一过程中，哈希算法发挥了重要作用。

散列算法是区块链中保证交易信息不被篡改的单向密码机制。区块链通过散列算法对一个交易区块中的交易进行加密，并把信息压缩成由一串数字和字母组成的散列字符串。区块链的散列值能够唯一而准确地标识一个区块。在验证区块的真实性时，只需要简单计算出这个区块的散列值，如果没有变化就意味着这个区块上的信息是没有被篡改过的。

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区块链技术中的哈希算法是什么？1.1.简介

计算机行业从业者对哈希这个词应该非常熟悉，哈希能够实现数据从一个维度向另一个维度的映射，通常使用哈希函数实现这种映射。通常业界使用y=hash(x)的方式进行表示，该哈希函数实现对x进行运算计算出一个哈希值y。

区块链中哈希函数特性：

函数参数为string类型；

固定大小输出；

计算高效；

collision-free即冲突概率小：x!=y=hash(x)!=hash(y)

隐藏原始信息：例如区块链中各个节点之间对交易的验证只需要验证交易的信息熵，而不需要对原始信息进行比对，节点间不需要传输交易的原始数据只传输交易的哈希即可，常见算法有SHA系列和MD5等算法

1.2.哈希的用法

哈希在区块链中用处广泛，其一我们称之为哈希指针（HashPointer）

哈希指针是指该变量的值是通过实际数据计算出来的且指向实际的数据所在位置，即其既可以表示实际数据内容又可以表示实际数据的存储位置。下图为HashPointer的示意图

HashPointer在区块链中主要有两处使用，第一个就是构建区块链数据结构。了解区块链的读者应该知道区块链数据结构由创世区块向后通过区块之间的指针进行连接，这个指针使用的就是图示的HashPointer.每个区块中都存储了前一个区块的HashPointer。这样的数据结构的好处在于后面区块可以查找前面所有区块中的信息且区块的HashPointer的计算包含了前面区块的信息从而一定程度上保证了区块链的不易篡改的特性。第二个用处在于构建MerkleTree.MerkleTree的各个节点使用HashPointer进行构建，关于区块链数据结构以及MerkleTree的内容我们在后续文章中进行进一步介绍。

哈希还在其他技术中有所应用例如:交易验证以及数字签名等等。

2.加密算法

2.1简述

加密简单而言就是通过一种算法手段将对原始信息进行转换，信息的接收者能够通过秘钥对密文进行解密从而得到原文的过程。按照加密方和解密方秘钥相同与否可以将加密算法大致分为三种子类型：

对称加密

对称加密的加密解密方使用相同的秘钥，这种方式的好处在于加解密的速度快但是秘钥的安全分发比较困难，常见对称加密算法有DES,AES,...

非对称加密

非对称加密体系也称为公钥体系，加解密时加密方拥有公钥和私钥，加密方可以将公钥发送给其他相关方，私钥严格自己保留。例如银行的颁发给个人用户的私钥就存储在个人的U盾里；非对称加密中可以通过私钥加密，他人能够使用公钥进行解密，反之亦然；非对称加密算法一般比较复杂执行时间相对对称加密较长；好处在于无秘钥分发问题。常见的其他非对称加密算法有RSA,ECC,区块链中主要使用ECC椭圆曲线算法。

对称加密与非对称加密的结合

这种方式将加密过程分为两个阶段，阶段一使用非对称加密进行秘钥的分发使得对方安全地得到对称加密的秘钥，阶段二使用对称加密对原文进行加解密。

2.2数字签名

数字签名又称之为公钥数字签名，是一种类似于写在纸上的物理签名。数字签名主要用于数据更改的签名者身份识别以及抗抵赖。数字签名包含三个重要特性：

只有自己可以签署自己的数字签名，但是他人可以验证签名是否是你签发；

数字签名需要和具体的数字文档绑定，就好比现实中你的签名应该和纸质媒介绑定；

数字签名不可伪造；

依赖非对称加密机制可以较容易实现上述三种特性。

首先，需要生成个人的公私钥对：

(sk,pk):=generateKeys(keysize)，sk私钥用户自己保留，pk公钥可以分发给其他人

其次，可以通过sk对一个具体的message进行签名：

sig:=sign(sk,message)这样就得到了具体的签名sig

最后，拥有该签名公钥的一方能够进行签名的验证：

isValid:=verify(pk,message,sig)

在区块链体系中每一条数据交易都需要签名，在比特币的设计过程中直接将用户的公钥来表征用户的比特币地址。这样在用户发起转账等比特币交易时可以方便的进行用户交易的合法性验证。

2.3数字证书和认证中心

2.3.1数字证书（DigitalCertificate）

数字证书又称“数字身份证”、“网络身份证”是经认证中心授权颁发并经认证中心数字签名的包含公开秘钥拥有者及公开秘钥相关信息的电子文件，可以用来判别数字证书拥有者身份。

数字证书包含：公钥、证书名称信息、签发机构对证书的数字签名以及匹配的私钥

证书可以存储在网络中的数据库中。用户可以利用网络彼此交换证书。当证书撤销后，签发此证书的CA仍保留此证书的副本，以备日后解决可能引起的纠纷。

2.3.2认证中心（CertificateAuthority）

认证中心一般简称CA,CA一般是一个公认可信的第三方机构，其作用主要是为每个用户颁发一个独一无二的包含名称和公钥的数字证书。

2.4常见加密算法的对比