区块链背后的4大核心技术是什么？

区块链的技术定义

简单来说，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，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；

区块链对区块数据进行时间序列化，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；

交易基于公钥和私钥的非对称加密进行验证；

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。

PoW：通常是指在给定的约束下，解决一个特定难度的数学问题，谁解决得快，谁就可以获得记账权（出块）。 这个求解过程往往转化为一个计算问题，所以在速度比拼的情况下，就变成了谁的计算方法更好，谁的设备性能更好。

PoS：这是一种权益证明机制。 它的基本理念是，出块的难度应该与你在网络中的权益（持股比例）成正比。 其实现的核心思想是：使用你锁定的代币的币龄（CoinAge）和一个小的工作量证明来计算一个目标值。 当达到目标值时，您将能够获得记账权。

DPoS：简单理解就是将PoS共识算法中的记账人转化为一个由指定数量的节点组成的小圆圈，并不是所有人都可以参与记账。 这个圈子可能有21个节点，也可能有101个节点，这要看设计，只有这个圈子里的节点才能记账。 这将大大提高系统的吞吐量，因为更少的节点意味着可控的网络和节点。

3.加密签名算法

由于我不是密码学专业的，所以这部分我会重点介绍。

在区块链领域，哈希算法应用最为广泛。 哈希算法具有防碰撞、不可逆原像、问题友好等特点。

其中，问题的友好性是很多PoW币种存在的基础。 在比特币中，采用SHA256算法作为工作量证明的计算方式，也就是我们所说的挖矿算法。

在莱特币中，我们还会看到Scrypt算法，它与SHA256的不同之处在于它需要大内存的支持。 在其他一些币种中，我们也可以看到基于SHA3算法的挖矿算法。 以太坊使用改进版的Dagger-Hashimoto算法并将其命名为Ethash，这是一种IO难处理的算法。

当然，除了挖矿算法，我们还会用到RIPEMD160算法，主要用于生成地址。 大多数比特币衍生代码都采用比特币地址设计。

除了地址，我们还会用到区块链Token系统的核心和基石：公私钥密码算法。

在比特币类的代码中，基本都使用ECDSA。 ECDSA 是 ECC 和 DSA 的组合。 整个签名过程和DSA类似比特币的核心技术是什么，只是签名中使用的算法是ECC（椭圆曲线函数）。

从技术上讲，我们从生成私钥开始，然后从私钥生成公钥，最后从公钥生成地址。 以上每一步都是一个不可逆的过程，也就是说不能从地址推导出公钥，而推导出私钥。

4.账户及交易模型

从一开始的定义我们知道，区块链只能从技术上看是一个分布式数据库。 那么，大多数区块链使用什么类型的数据库？

我在设计元界区块链时参考了多种数据库，包括NoSQL的BerkelyDB和LevelDB，部分币种使用基于SQL的SQLite。 作为底层存储设施，它们大多是轻量级的嵌入式数据库。 由于不涉及区块链的账本特性比特币的核心技术是什么，这些存储技术与其他场合使用的技术没有区别。

区块链的账本特征通常分为UTXO结构和基于Accout-Balance结构的账本结构，我们也称之为账本模型。 UTXO是“unspent transaction input/output”的缩写，翻译过来就是“未花费的交易输入输出”。

本区块链中Token转账的一种记账方式，每次转账都以输入输出的形式出现； 但在 Balance 结构中，没有这种模式。