区块链原理及其应用

徐春雨

摘 要：区块链是目前存在的大多数加密货币背后的技术，它提供了一种范式转换技术，它有可能改变我们在互联网上记录和验证事件的方式。通过提供一个非中心化的、不可变的、社区验证的交易记录，不管这些交易代表什么，区块链技术承诺将改变许多行业。本文对这一重要技术进行了研究，并探讨了其可能的用例及其对社会的影响。本文系统地梳理了区块链技术的基本原理、技术、方法与应用。目的是让读者熟悉区块链世界的最新技术和社会影响。

关键词：区块链 加密货币 比特币 以太坊

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（c）-0026-02

正如其名称所表述的，区块链技术是一个链块。这些块中的每一个都包含一组被加密验证的事务，这些事务都是确定的，并且这些块是通过一个链连接的，它遵从每个块中所包含的事务的时间顺序，因此也就是区块链。

区块链表示一种分布式账本，它存储系统中发生的事件。该分类器是不可变的，它的内容由系统社区中的所有节点验证。这个简单的想法为各种各样的应用提供了基础。本文区块链背后的技术进行了审视，然后对其使用进行了研究。

1 基本原理阐述

1.1 区块链原理

传统的因特网应用程序大多遵循一种中心化的客户机-服务器体系结构，其中服务器存储了所有需要的信息。任何需要存储在因特网上的信息通常都在一个中央化的客户机-服务器体系结构中进行，服务器具有所有信息，并且在安全性和可用性方面为整个系统提供了一个单点故障诊断。

如果该服务器被黑客攻击或被恶意的代理管理，它所包含的信息是依然可以实现。同样的，如果服务器失败或被占用维护，服务器提供的可用性就会因受到影响。缓解这一问题的方法通常是在服务器上复制数据，但仍然受到上述问题的困扰，因为这些服务器通常是由同一类实体控制的，因此也受到相同的安全威胁和物理环境的影响，最严重的话可能导致停机。

区块链的动机是为存储信息提供一种不同的替代方式。通过将数据从一个集中的系统中释放出来，它的安全性变得更加强大，并且不会在单个站点的物理故障下被删除。对于最初的区块链，一种为货币比特币提供动力的方案，一个其他的原因是，将系统的参与者从中央银行这样的中央集权的集权统治下解放出来，从而为货币领域的民主化提供了一些措施。从这个动机中，我们发现了大量的区块链，它们都试图将人类活动的特定领域作为目标。

1.2 比特币的原理

2008年，在美国次贷危机的时候，一个化名中本聪的匿名作者，描述了支持创建和使用虚拟货币的区块链的实现方式。这种虚拟货币是比特币。与法定货币不同的是，比特币不是由中央银行发行的，而是作为一种对点对点网络的奖励而建立的，这是一种对P2P网络的奖励，该网络将其置于自身上，将一组已验证的交易添加到现有的比特币区块链中。

我们进一步阐述的话，就是比特币网络是由一组由全球各地的、分布式的计算机组成的，它们都在运行开源软件。当事务发生时，系统中的所有节点都验证其真实性。系统中的一组计算机，被称为“矿工”，把它放在自己的位置上，将经过验证的事务块添加到比特币区块链中，实际上是将事物变成一个不可变的分布式分类账。作为对他们工作的奖励，系统创造新的比特币，并将新创建的比特币分配给他们。

请注意，系统中的所有节点验证跨操作，这被称为社区验证。社区验证对于确保系统中关于交易的真实性的共识是必不可少的。一旦事务被社区验证并放置在一个块中，这些矿商就争着将其添加到区块链。因此，系统中所有的矿商现在都相互竞争。成功地完成这一任务的矿工得到了回报，因为它证明了它做了最多的工作。这被称为工作证明。

与其把所有的数据都放在一个位置上，在安全、隐私和可靠性方面提供一个单一的故障点，还不如把你的文件存储在区块链上。区块链可以用来协商在某些计算机上存储文件的代价，并且它的回馈将提供安全以便应对数据丢失。当然，数据本身会被加密以确保隐私。

比特币矿商使用的硬件已经随着系统中采矿节点数量的增加而不断发展，因此，这一问题的难度水平也随之提高了。一开始，矿工们可以用他们的CPU来挖比特币。但是随着难度的增加，矿工们将目光转移到GPU上，又随着复杂度进一步增加，矿工们进而转向了定制设计的硬件，即ASICs（专用集成电路）。这可以在尽量少消耗电力的情况下来解决这个问题。这一演变过程中固有的事实是，比特币挖掘是一种权衡。这种权衡即是在所收到的报酬和按所需计算所消耗的功率之间进行权衡。这种对更快、更高效硬件的需求日益增长，其后果之一是采矿变得更加集中。这是因为它使矿工们能够集中他们的资源以实现规模经济，并聚集在能源成本较低的地区。

1.3 以太坊

可以看出，比特币是在区块链之上建立的数字货币。一位创造者Ethereum发现了区块链技术的更大的潜力。刚才所介绍的区块链可以处理的事务有：它可以提供一个不可变的分布式的分类账交易，它是社区验证的，并且不依赖于任何一个中央集权。Ethereum的创建者认为这可以用于许多其他领域。

他们的主要贡献是在区块链上添加了一个图灵虚拟机。这个准许区块链执行定制的书面代码。这种创新为在区块链上实现许多不同的想法打开了大门。比如：一款杀手级应用程序设计的是“smart contracts”，软件负责两个交易对手之间进行编码的协议。例如：如果A和B两方同意，如果某一事件发生，A將支付一定金额的B，这将被编码同时并放置在区块链上。

当触发事件发生时，不需要进行输入请求，钱将会被自动转移。当系统本身，也就是代码片段就会被验证，系统中每个节点都知道该合同的条款，并在触发事件发生时执行它。就像比特币一样，给区块链添加一个特殊的合约或交易的矿商，将会得到以太网的数字货币以太访。

以太坊的底层技术与比特币所使用的技术是一样的，除了使用SHA 256算法作为工作证明之外，以太坊还使用了一种更昂贵的内存哈希函数，称为Ethash。当然，Ethereum还包括了一个完整的虚拟机，允许用户在区块链上执行代码。以太坊设计者选择一种昂贵的内存哈希吗目的是想要降低硬件设计者设计ASICs的能力。通过这样做，他们认为可以防止挖掘过程在一些定制的数据中心中集中起来，这些数据中心使用的是硬件，而不是将其交给那些在CPU和GPU上运行算法的用户。

1.4 其他数字货币

比特币的成功和Ethereum的继续发扬，已经引起了建立在区块链上的大量数字货币的发展。这些货币被称为“altcoin”，简称“altcoin”，是比特币的替代品。这些技术的变化通常会改变验证工作的算法，使之更加集中，或者以其他方式调整底层技术，例如：加速事务处理的时间。其他数字货币的一些例子包括Lite-coin、Dogecoin、Peercoin、Feathercoin、Zetacoin、novacoin。这些货币与以太坊和比特币的差别不大，因此，在本文不对其进行更详细的解释。

1.5 区块链的其他应用

所以说区块链有可能成为一种变化的技术，它将影响到不同的行业，如金融和云计算。通过对一个社区进行验证，不可变的，分布式的交易分类账，它允许大量的使用案例，这将有益于社会和经济。

加密货币，一种区块链应用的例子，提供机会创造一种新的货币，它不是由中央集权控制的，而且是有限的。因此，当央行印更多的钱以鼓励经济增长时，减少货币供应会导致通货膨胀压力，这是2008—2009年金融危机期间开始的量化宽松政策。

在那些被通货膨胀和货币贬值所折磨的国家，加密货币提供了一个安全的避风港，并储存了可以用来对冲这些风险的价值。同时为金融创新也提供了一种潜力，可以通过提供不那么昂贵的筹资方式来为新公司筹集资金，从而为经济提供额外的动力。

区块链还可以用来存储用户身份、身份和文件。所有这些都在一个分布式的、非集中式的环境中。此外，在一些区块链上的图灵机完全虚拟机的内化使他们能够实现智能合同，这一发展对于金融市场和商业组织来说已经有了深远的影响。

2 结语

区块链技术逐渐成为学术界和产业界的热点研究课题。区块链技术的去中心化信用、不可篡改和可编程等特点，使其在数字加密货币、金融和社会系统中有广泛的应用前景。然而，与蓬勃发展的区块链商业应用相比，区块链的基础理论和技术研究仍处于起步阶段，许多更为本质性的、对区块链产业发展至关重要的科学问题函待研究跟进。

简而言之，区块链就像机器学习、大數据和物联网一样，是一种范式转换技术，它将对我们未来几年的生活方式产生重大影响。这篇论文提供了该领域的简要概述以及其应用。希望鼓励读者深入研究围绕这一主题的技术文献，因为我们认为这是一个热门的研究领域。

参考文献

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