区块链技术原理与应用_区块链应用、原理

1.区块链技术简介

1.1什么是区块链技术

区块链技术又称为“分布式记账”(distributed ledger)技术，被认为是确保数据储存和移动安全的最新方式——它不是将数据存放在一个中心化的地方，而是将其“化整为零”后分别存放在全球互联网络中的数以千计的节点上，并同时使用一种强大的加密技术将这些数据相互锁定在一起，从而能够确保数据的完整性和安全性。

区块链的本质是由分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法、智能合约等技术组合而构成的技术体系。这些技术以新的方式组合在一起，可以完成防篡改的数据存储、可追溯的数据查看、可信任的点对点传输，可解决许久以来的信任构建难题。

1.2区块链发展历程

在2008年11月1日中本聪提出比特币（Bitcoin）的概念，并于2009年1月3日正式诞生，比特币的设计初衷是在不信任环境下进行数字货币的支付，通过哈希函数、 非对称加密、签名等密码学方法来实现用户的匿名以及交易的确认，通过共识机制对共同维护的数据达成一致，对信任危机提出了一种新的解决思路自比特币问世以来，比特币的底层技术———区块链技术也在不断的发展，目前区块链的发展可分为4个阶段。

（1）区块链1.0（BT为代表的数字应用）

区块链1.0时代见证了整个去中心化概念的迭代，都围绕着加密货币的演进。区块链的最初出现始于第一个加密货币比特币的诞生和发展。在这一阶段，区块链以完全去中心化的数字货币的高度安全、匿名、点对点交易为中心。

（2）区块链2.0（金融领域的运用）

作为继区块链 1.0 之后的下一代区块链技术，区块链 2.0 显然是以以太坊为代表的区块链 1.0 的升级版。区块链 2.0 基本上集中在以太坊的崛起和智能合约的整合上。以太坊已被构建为分散应用程序的建立手段。因此，区块链 2.0 以它为中心，因为它为开发人员以开源和无需许可的方式将智能合约部署到以太坊区块链提供了更大的途径。这项技术引发了去中心化金融的创新（去中心化金融)、去中心化自治组织 (DAO)、初始代币发行 (ICO) 和不可替代的代币 (NFT）。总的来说，区块链 2.0 可以定义为专注于智能合约的第二代区块链技术。

（3）区块链3.0

这是区块链进化的阶段，旨在提高可扩展性的特性，同时允许区块链相互交互。区块链 3.0 试图引入 Cardano (ADA) 到现场。尽管对于它对互联网的承诺没有明确的定义，也没有一定的看法，但人们认为区块链采用了一种权益证明(PoS) 机制。然而，它的潜力集中在为经济之外的服务和行业创造解决方案。区块链 3.0 被视为企业和机构区块链。它旨在降低先前版本带来的高昂gas费用，同时还增强了区块链的安全功能。3.0超越了货币、金融领域，甚至是商业领域，延伸到一切领域，渗透到我们生活的方方面面，包括政治、社交、教育、医疗等。

（4）区块链 4.0（新一代技术）

区块链 4.0 是继区块链 3.0 之后的新一代区块链技术。它旨在使区块链最终在商业环境中用于创建和运行应用程序，从而使该技术完全成为主流。专注于创新。速度、用户体验和 04可用性将是区块链4.0的重点领域。它可以将区块链4.0应用分为两个垂直领域：Web3.0和元宇宙。

 

2.区块链技术的原理

区块链是一种去中心化的分布式记账机制。运行原理就是一个人们在互联网中达成共识，彼此信任的过程。区块链的实质是一个人人都可以参与记账的大账本。每个人还有一个小的账本，可以将大账本里的全部数据备份下来。当一笔交易数据完成后，会有人将这笔数据进行处理。然后同步到每个人的小账本中给大家进行确认。其中大部分的人认为这个数据是真实可信的时候。这笔数据才会记录到整个区块链网络的账本中。所有人再去同步更新新的数据。这个机制的好处就在于解决了信任问题。像现在的社交、购物。数据都是掌握在中心化的巨头手中。一旦他们更改我们的数据，我们也无从得知。但放在区块链的世界中，只要有人想要更改数据，就会跟其他小账本所记录的数据发生冲突。很快就会被人发现。从而保证了数据的安全问题和信任问题。也即是一个大家共同记账、互相验证、达成共识的过程。下面详细介绍一下区块链运行原理。

区块链是一种分布式账本，对任何人都是开放的。

分布式账本指的是交易记账由分布在不同地方的多个节点共同完成，而且每一个节点记录的是完整的账目，因此它们都可以参与监督交易合法性，同时也可以共同为其作证。一旦数据被记录在区块链中，日后将很难被修改。这是如何做到的呢？我们首先了解一下区块的组成。

2.1区块的组成

每个数据块都含有三种元素。

 分别是：数据（Data）、Hash值、前一个区块的Hash值。

数据(Data)

存储于块中的数据取决于块的类型。例如：比特币的区块链，记录了交易的细节。如发送人、接收者、钱币数量。

 Hash值

每个块本身有一个Hash值，该值是独一无二的，就好比每个人都有自己独一无二的指纹。它用于鉴定一个块和块的内容。当一个数据块被制作出来，它的Hash值同时也被计算出来了。

一个区块中，包含了两种哈希值：“上一个区块的哈希值”和“本区块的哈希值”。因为每个区块都包含了上一个区块的哈希值，所有的区块就依次连成一条（逻辑上的）链。“上一个区块的哈希值”就起到了“页码”的作用——给页排序。

如果一个区块上的交易信息被人恶意篡改的话，“本区块的哈希值”就会改变。由于区块链中下一个区块包含了“上一个区块的哈希值”，为了让下一个区块依然能连到本区块，需要修改下一个区块。而这又导致下下个、下下下个......区块也必须修改。

2.2区块链的运行步骤

1.发送节点将新的数据记录向全网进行广播。

2.接受节点对收到的数据记录信息尽心验证，如记录信息是否合法，通过检验后，数据记录将被纳入一个区块中。

3.全网所有接受结点对区块执行共识算法，包括工作量证明、权益证明等。

4.区块通过共识算法过程后被正式纳入区块链中存储，全网节点均表示接受该区块，新区块将以该区块链为基础进行延长。

                                                            图表 2-2 区块链运行步骤

全网广播，实际上不需要让全网所有节点收到，只要大部分节点收到即可。对于那些没有收到的、丢失的区块，区块链系统是具有容错能力的，如果某节点没有收到特定区块，当节点发现自己缺失区块时，可以提出自己下载区块的请求。

节点始终都将最长的区块链视为正确的链，并持续以此为基础进行验证和延长。 当其中一条被证实为较长，那么在另一条分支链条上工作的节点将转换阵营，开始在较长的链条。

2.3以比特币为例分析区块链的的工作流程

如图表 3-3节点Ａ与节点Ｂ之间发生转账交易，节点Ａ首先将自己的交易广播到网络中的所有节点，节点在收到交易请求后验证节点Ａ 的签名，验证通过后将一段时间内接收到的交易组成新的区块，各节点（矿 工）通过工作量证明（ＰｒｏｏｆｏｆＷｏｒｋ，ＰｏＷ）竞争算力来获得新区块的记账权，在节点取得记账权后将该区块发布到网络中， 其余节点在监听到新区块后检查区块及交易的正确性，若新 区块符合要求则将新区块保存到本地并与之前的区块链接形 成区块链，同时作为对矿工消耗的计算、电力等资源的补偿， 获得记账权的矿工将得到 一 定 的 比 特 币（２０２０－２０２４ 年 为 ６．２５个比特币）以及其中的交易费作为奖励。

 

                                                    图表 2-3 比特币工作流程

2.4区块链的核心技术

利用块链式数据结构验证与存储数据，利用分布式节点共识算法生成和更新数据，利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全，利用由自动化脚本代码组成的智能合约

编程和操作数据的全新的分布式基础架构与计算范式。区块链技术操作的对象是数据，是对数据的一种处理方式。

（1）块链式数据结构

储存数据信息的区块按照时间先后顺序有序连接成一条链。每一个区块都有一个对应的哈希值0每一个区块均包含前一区块的哈希值确保前一区块的数据无法被篡改。由“区块”构成“链”.

 

图表 2-4-1 块链式数据结构

（2）分布式节点共识算法

每个区块均会有众多分布式节点(能连接在区块链网络上的智能设备)。每个节点的数据都是独立记录和存储。经过节点共同验证的数据存储至区块链上后会被永久储存。

 

图表 2-4-2 分布式节点共识算法

区块链的分布式体系具有天然的数据保护的优势如果有节点意图篡改已上链的数据，那么需要同时控制系统中超过51%的节点，这对于分布广泛的节点来说几乎是不可能实现的。

（3）密码学

每个区块都通过SHA256算法加密后生成一个独一无二的哈希值。对链条上某一区块的改动都会导致该区块的哈希值变化，进而导致后续区块的哈希值变化，使其与原有节点记录和储存的数据对不上，因此篡改难度极高。

 

图表 2-4-3 密码学

（4）智能合约

执行合约条款的计算机交易协议，即一段写在区块链上的合约代码，一旦某个事件触发合约中的条款，智能合约的代码即自动执行。

 

                                                                图表 2-4-4 智能合约

一份被记录在区块链上的协议，不需人为操控，自动执行，执行过程可追踪且不可逆转，自动监督和仲裁，无法修改，不可干预，公开透明，任何人均可查看。

总的来说区块链，是一个数据传输的应用模型，由这4种技术所构成，就好比区块链是一座高楼大厦，而技术则是搭建这座高楼的材料，正是因为有这些技术作为基础，解决了一个又一个问题，才有了区块链的广阔前景。