2023年度区块链技术方案
下面是小编为大家整理的2023年度区块链技术方案,供大家参考。
区块链技术方案 目录 二、区块链技术 区块链技术是虚拟数字货币的底层技术，它可能带来互联网的第二次革命，让“信息互联网”转向“价值互联网”。变革即将发生，未来已来，学习区块链就是抓住了世界发展的浪潮。区块链是一个“另类”的孩子，它的去中心化、自金融、共识算法等都是与现实公司和社会世界冲突的。
在 2008 年由中本聪发表的论文《比特币：一种点对点电子现金系统》中，区块链被首次提出。最初的区块链是作为去电子货币比特币的一种基础技术框架被提出，在论文中，中本聪将区块链描述为一种交易记录链条，具体工作原理为通过随机散列将交易加上时间戳，并将他们合并到一个不断衍生的基于随机散列工作量证明的链条中，原文提及除非重新完成全部工作量证明共识流程，否则无法更改交易记录。当前比特币仍是影响最大的区块链应用场景。
但是随着不断的研究和发展，区块链已经逐渐与比特币解绑，也有了自己的技术发展路线和更多的应用场景。区块链作 为一种新型底层存储框架，具有很强的普适性，可以帮助金融、信息、供应和能源等行业进行技术变革。
区块链的发展大致经历了三大阶段，区块链 1.0 为数字货币时代，以比特币、莱特币等加密货币的发展为代表，主要探索了如何将区块链应用于转账、支付和密码学货币；区块链2.0 为智能合约时代，以以太坊为代表的应用将智能合约部署在区块链中，使交易过程自动化，区块链在金融领域的发展更进一步；区块链 3.0 为大规模应用时代，目标为扩大区块链的应用场景，利用区块链为各行各业提供去中心化解决方案，消除信任危机。
区块链作为一种基于密码学的去中心化分布式共享账本，链中没有固定的中心机构，而是一种以分布式处理群体为网络结构基础，链式存储方案为存储结构基础，非对称加密技术为安全保障基础的技术体系。狭义上可以认为区块链是一种链式结构的数据库；广义上可以将区块链理解为拥有去中心化思想的分布式计算范式。
区块链允许体系内有一个处理群体，也就是各个处理节点的集合。群体内部是相互监督的平等关系，每个节点都拥有当前区块链存储内容的完整副本，并且拥有修改自己的副本的权力。区块链数据存储采用链式结构，每隔一段时间需要更新副 本时，该时段记账节点将上个区块生成时间点后到当前记录时间点前的所有需要存储的内容整合成为一个区块，加以时间戳和密码学签名，并将该区块连接到上一区块之后，形成链式结构。
1 2.1 区块链定义 第一种区块链的定义 比特币：一种加密数字货币；区块链：一种基础技术。
区块链是一种源自于“比特币”的底层技术。换句话说，比特币是区块链技术的第一个大获成功的应用。
第二种区块链的定义 区块链是数字世界中进行“价值表示”和“价值转移”的技术。区块链硬币一面是表示价值的加密数字货币或通证，另一面是进行价值转移的分布式账本与去中心网络。
分布式账本与去中心网络也常被称为“链”，它可被视为一个软件平台；而表示价值的通证常被称为“币”。
通证存储在链上，通过链上的代码（主要形式的智能合约）来管理，它是可编程的。
图 5区块链定义 从科技层面来看，区块链涉及数学、密码学、互联网和计算机编程等很多科学技术问题。从应用视角来看，简单来说，区块链是一个分布式的共享账本和数据库，具有去中心化、不可篡改、全程留痕、可以追溯、集体维护、公开透明等特点。这些特点保证了区块链的“诚实”与“透明”，为区块链创造信任奠定基础。而区块链丰富的应用场景，基本上都基于区块链能够解决信息不对称问题，实现多个主体之间的协作信任与一致行动。
区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链（Blockchain），是比特币的一个重要概念，它本质上是一个去中心化的数据库，同时作为比特币的底层技术，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一批次比特币网络交易的信息，用于验证其信息的有效性（防伪）和生成下一个区块。
2 2.2 区块链分类 区块链分为共有链、联盟链和私有链三类。
公有区块链（Public Block Chains)是指：世界上任何个体或者团体都可以发送交易，且交易能够获得该区块链的有效确认，任何人都可以参与其共识过程。公有区块链是最早的区块 链，也是应用最广泛的区块链，各大 bitcoins 系列的虚拟数字货币均基于公有区块链，世界上有且仅有一条该币种对应的区块链。
联合（行业）区块链（Consortium Block Chains)：由某个群体内部指定多个预选的节点为记账人，每个块的生成由所有的预选节点共同决定（预选节点参与共识过程），其他接入节点可以参与交易，但不过问记账过程(本质上还是托管记账，只是变成分布式记账，预选节点的多少，如何决定每个块的记账者成为该区块链的主要风险点），其他任何人可以通过该区块链开放的 API 进行限定查询。
私有区块链（Private Block Chains)：仅仅使用区块链的总账技术进行记账，可以是一个公司，也可以是个人，独享该区块链的写入权限，本链与其他的分布式存储方案没有太大区别。传统金融都是想实验尝试私有区块链，而公链的应用例如bitcoin 已经工业化，私链的应用产品还在摸索当中。
表 2三种区块链类型 中心化程度 参与者 共有链 去中心化 任何人 联盟链 多中心化 预先设定、具有特殊特征的 成员 信任机制 记账者 优势 工作量证明 所有参与者 1.完全解决信任问题 2.全球用户可访问，应 用程序容易不熟，进入壁 垒最低 缺点交易量受限，挖矿能耗高 共识机制 参与者协商决定 1.容易进行控 制权限定 2.具有很高的 可扩展性 不能完全解决信任问题 私有链 中心化 中心控制着指定的可以 参与的成员 自定 1.一般而言没有挖矿过 程 2.规则修改容易，交 易量，交易速度无限制 3.节点通过授权进入 接入节点受限，不能完 全解决信任问题使用场景网络节点之间没有信任链接多个公司或中心化组织节点之间高度信任典型案例比特币，以太坊清算 R3 联盟等金融领域联盟 3 2.3 区块链特征 区块链网络中的成员节点不依赖于第三方（比如金融机构）来仲裁交易，它们使用共识协议来协商账本内容，使用哈希加密算法和数字签名来确保交易的完整性。
共识性能确保共享账本是精确副本，并降低了发生交易欺诈的风险，因为篡改需要在许多地方同时执行。哈希加密算法（比如 SHA256 计算算法）能确保对交易输入的任何改动—甚至是最细微的改动—都会计算出一个不同的哈希值，表明交易输入可能被损坏。数字签名确保交易源自发送方（已使用私钥签名）而不是冒名顶替者。
去中心化对等区块链网络可阻止任何单个或一组参与者控制底层基础架构或破坏整个系统。网络中的参与者是平等的，都遵守相同的协议。它们可以是个人、国家代表、企业或所有这三种参与者的组合。
在其核心，该系统会记录交易的时间顺序，而且所有节点都使用选定的共识模型来协商交易的有效性。这会使交易不可逆并被网络中的所有成员接受。
因此，区块链具有如下特征：
➢去中心化。区块链技术不依赖额外的第三方管理机构或硬件设施，没有中心 管制，除了自成一体的区块链本身，通过分布式核算和存储，各个节点实现 了信息自我验证、传递和管理。去中心化是区块链最突出最本质的特征。➢开放性。区块链技术基础是开源的，除了交易各方的私有信息被加密外，区 块链的数据对所有人开放，任何人都可以通过公开的接口查询区块链数据和 开发相关应用，因此整个系统信息高度透明。
➢独立性。基于协商一致的规范和协议(类似比特币采用的哈希算法等各种数 学算法)，整个区块链系统不依赖其他第三方，所有节点能够在系统内自动安 全地验证、交换数据，不需要任何人为的干预。
➢安全性。只要不能掌控全部数据节点的 51%，就无法肆意操控修改网络数据， 这使区块链本身变得相对安全，避免了主观人为的数据变更。
➢匿名性。除非有法律规范要求，单从技术上来讲，各区块节点的身份信息不 需要公开或验证，信息传递可以匿名进行。
4 2.4 核心技术 比特币系统包括三层：比特币、比特币协议、比特币区块链，即比特币的分布式账本与去中心网络。
区块链常指的是“账本+网络+协议+货币”。在产业中提到区块链时，通常指的是指“账本+网络+协议”。而很多软件开发者在说起区块链时通常指的是“账本+网络”，即分布式账本加去中心网络。
区块链的存储基于分布式数据库；数据库是区块链的数据载体，区块链是交易的业务逻辑载体；区块链按时间序列化区块数据，整个网络有一个最终确定状态；区块链只对添加有效，对其他操作无效；交易基于非对称加密的公私钥验证；区块链网络要求拜占庭将军容错；共识算法能够“解决”双花问题。
1）节点之间的数据交换过程不可篡改，并且已生成的历史记录不可被篡改；
2）每个节点的数据会同步到最新数据，并且会验证最新数据的有效性；
3）基于少数服从多数的原则，整体节点维护的数据可以客观反映交换历史。
无论是公链还是联盟链，至少需要四个模块组成：P2P 网络协议、分布式一致性算法（共识机制）、加密签名算法、账户与存储模型。
1. P2P 网络协议 P2P 网络协议是所有区块链的最底层模块，负责交易数据的网络传输和广播、节点发现和维护。
通常我们所用的都是比特币 P2P 网络协议模块，它遵循一定的交互原则。比如：初次连接到其他节点会被要求按照握手协议来确认状态，在握手之后开始请求 Peer 节点的地址数据以及区块数据。
这套 P2P 交互协议也具有自己的指令集合，指令体现在在消息头（Message Header)的命令（command）域中，这些命令为上层提供了节点发现、节点获取、区块头获取、区块获取等功能，这些功能都是非常底层、非常基础的功能。如果你想要深入了解，可以参考比特币开发者指南中的 Peer Discovery的章节。
2.分布式一致性算法 在经典分布式计算领域，我们有 Raft 和 Paxos 算法家族代表的非拜占庭容错算法，以及具有拜占庭容错特性的 PBFT共识算法。
如果从技术演化的角度来看，我们可以得出一个图，其中，区块链技术把原来的分布式算法进行了经济学上的拓展。
图 11分布式账本 计算机应用在最开始多为单点应用，高可用方便采用的是冷灾备，后来发展到异地多活，这些异地多活可能采用的是负载均衡和路由技术，随着分布式系统技术的发展，我们过渡到了 Paxos 和 Raft为主的分布式系统。
而在区块链领域，多采用 PoW 工作量证明算法、PoS 权益证明算法，以及 DPoS 代理权益证明算法，以上三种是业界主流的共识算法，这些算法与经典分布式一致性算法不同的是，它们融入了经济学博弈的概念，下面我分别简单介绍这三种共识算法。
PoW：通常是指在给定的约束下，求解一个特定难度的数学问题，谁解的速度快，谁就能获得记账权（出块）权利。这个求解过程往往会转换成计算问题，所以在比拼速度的情况下，也就变成了谁的计算方法更优，以及谁的设备性能更好。
PoS：这是一种股权证明机制，它的基本概念是你产生区块的难度应该与你在网络里所占的股权（所有权占比）成比例，它实现的核心思路是：使用你所锁定代币的币龄（CoinAge）以及一个小的工作量证明，去计算一个目标值，当满足目标值时，你将可能获取记账权。
DPoS：简单来理解就是将 PoS 共识算法中的记账者转换为指定节点数组成的小圈子，而不是所有人都可以参与记账。 这个圈子可能是 21 个节点，也有可能是 101 个节点，这一点取决于设计，只有这个圈子中的节点才能获得记账权。这将会极大地提高系统的吞吐量，因为更少的节点也就意味着网络和节点的可控。
3.加密签名算法 在区块链领域，应用得最多的是哈希算法。哈希算法具有抗碰撞性、原像不可逆、难题友好性等特征。
其中，难题友好性正是众多 PoW 币种赖以存在的基础，在比特币中，SHA256 算法被用作工作量证明的计算方法，也就是我们所说的挖矿算法。
而在莱特币身上，我们也会看到 Scrypt 算法，该算法与SHA256 不同的是，需要大内存支持。而在其他一些币种身上，我们也能看到基于 SHA3 算法的挖矿算法。以太坊使用了Dagger-Hashimoto 算法的改良版本，并命名为 Ethash，这是一个 IO 难解性的算法。
当然，除了挖矿算法，我们还会使用到 RIPEMD160 算法，主要用于生成地址，众多的比特币衍生代码中，绝大部分都采用了比特币的地址设计。除了地址，还会使用到最核心的，也是区块链 Token 系统的基石：公私钥密码算法。
在比特币大类的代码中，基本上使用的都是 ECDSA。ECDSA 是 ECC 与 DSA 的结合，整个签名过程与 DSA 类似，所不一样的是签名中采取的算法为 ECC（椭圆曲线函数）。
从技术上看，我们先从生成私钥开始，其次从私钥生成公钥，最后从公钥生成地址，以上每一步都是不可逆过程，也就是说无法从地址推导出公钥，从公钥推导到私钥。
4.账户与交易模型 从一开始的定义我们知道，仅从技术角度可以认为区块链是一种分布式数据库，那么，多数区块链到底使用了什么类型的数据库呢？ 我在设计元界区块链时，参考了多种数据库，有 NoSQL的 BerkelyDB、LevelDB，也有一些币种采用基于 SQL 的SQLite。这些作为底层的存储设施，多以轻量级嵌入式数据库为主，由于并不涉及区块链的账本特性，这些存储技术与其他场合下的使用并没有什么不同。
区块链的账本特性，通常分为 UTXO 结构以及基于Accout-Balance 结构的账本结构，我们也称为账本模型。UTXO 是“unspent transactioninput/output”的缩写，翻译过来就是指“未花费的交易输入输出”。
这个区块链中 Token 转移的一种记账模式，每次转移均以...