区块链背后的4大核心技术

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作者｜陈浩源｜极客时间《浅谈区块链》专栏区块链的技术定义

简单来说比特币私钥碰撞开发，区块链是一个提供拜占庭容错并保证最终一致性的分布式数据库； 从数据结构上看，是一种基于时间序列的链式数据块结构； 从节点拓扑结构来看，所有节点都是互为冗余备份； 从操作的角度来看，它提供了一个基于密码学的公私钥管理系统来管理账户。

可能上面的概念太抽象了，我举个例子，大家就容易理解了。

你可以想象有 100 台计算机分布在世界各地，这 100 台机器之间的网络是广域网，这 100 台机器的拥有者之间互不信任。

那么，我们可以用什么样的算法（共识机制）来为它提供一个可信的环境比特币私钥碰撞开发，使得：

节点间的数据交换过程不可篡改，产生的历史记录不可篡改；

各节点的数据会同步到最新数据，并验证最新数据的有效性；

基于少数服从多数的原则，全节点维护的数据能够客观反映交易历史。

区块链就是解决上述问题的技术方案。

结合前面讲过的和接下来要讲的，我们先提炼一下区块链的7大技术特性。 大家先记住了，后续我们慢慢讲：

区块链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；

区块链及时序列化区块数据，整个网络有一个确定的状态；

区块链只对加法有效，对其他操作无效；

交易基于非对称加密的公私钥验证；

区块链网络需要拜占庭一般容错；

共识算法能够“解决”双花问题。

区块链核心技术构成

无论是公链还是联盟链，至少需要四个模块：P2P网络协议、分布式共识算法（共识机制）、加密签名算法、账户和存储模型。

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。

通常我们使用的是比特币P2P网络协议模块，它遵循一定的交互原则。 例如：第一次连接其他节点时，会要求你根据握手协议确认状态，握手后开始请求Peer节点的地址数据和区块数据。

这套P2P交互协议也有自己的一套指令，体现在Message Header的指令域中。 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，这些功能都是很底层，很基础的功能。 如果您想了解更多信息，可以参考比特币开发者指南中的 Peer Discovery 章节。

2. 分布式共识算法

在经典分布式计算领域，我们有以Raft和Paxos算法族为代表的非拜占​​庭容错算法，以及具有拜占庭容错特性的PBFT共识算法。

如果从技术演进的角度来看，我们可以画出一张图，其中区块链技术对原有的分布式算法进行了经济的扩展。

（图片来自网络）

图中我们可以看到，计算机应用一开始多为单点应用，为了高可用和方便，采用冷灾备。 后来发展到异地多动。 这些在不同地方多活动的可能会用到负载均衡和路由技术。 随着分布式系统技术的发展，我们已经过渡到基于Paxos和Raft的分布式系统。

在区块链领域，多采用PoW工作量证明算法、PoS权益证明算法、DPoS代理权益证明算法。 以上三种是业界主流的共识算法。 这些算法不同于经典的分布式共识算法。 它们融合了经济博弈的概念，下面我将简要介绍这三种共识算法。