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区块链入门教程,看这篇就够了

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  :技术领导力

  区块链(blockchain)是眼下大热门,比特币是建立在区块链技术之上的加密货币,下面谈谈区块链、比特币、挖矿。

  一、区块链究竟是个啥?

  

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  区块链是什么?一句话,它是一种特殊的分布式数据库。

  首先,区块链的主要作用是储存信息。任何需要保存的信息,都可以写入区块链,也可以从里面读取,所以它是数据库。

  其次,任何人都可以架设服务器,加入区块链,成为一个节点。区块链的世界里面,没有中心节点,每个节点都是平等的,都保存着整个数据库。你可以向任何一个节点,写入/读取数据,因为所有节点最后都会同步,保证区块链一致。

  二、区块链的最大特点是什么?

  分布式数据库并非新发明,市场上早有此类产品。但是,区块链有一个革命性特点。

  区块链没有管理员,它是彻底无中心的。其他的数据库都有管理员,但是区块链没有。如果有人想对区块链添加,也实现不了,因为它的设计目标就是防止出现居于中心地位的管理当局。

  正是因为无法管理,区块链才能做到无法被控制。否则一旦大公司大集团控制了管理权,他们就会控制整个平台,其他使用者就都必须听命于他们了。

  但是,没有了管理员,人人都可以往里面写入数据,怎么才能保证数据是可信的呢?被坏人改了怎么办?请接着往下读,这就是区块链奇妙的地方。

  三、首先要了解什么是区块?

  区块链由一个个区块(block)组成。区块很像数据库的记录,每次写入数据,就是创建一个区块。

  每个区块包含两个部分。

  区块头(Head):记录当前区块的元信息

  区块体(Body):实际数据

  区块头包含了当前区块的多项元信息。

  生成时间

  实际数据(即区块体)的 Hash

  上一个区块的 Hash

  ...

  这里,你需要理解什么叫Hash,这是理解区块链必需的。

  所谓 Hash 就是计算机可以对任意内容,计算出一个长度相同的特征值。区块链的 Hash 长度是256位,这就是说,不管原始内容是什么,最后都会计算出一个256位的二进制数字。而且可以保证,只要原始内容不同,对应的 Hash 一定是不同的。

  举例来说,字符串123的 Hash 是a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0(十六进制),转成二进制就是256位,而且只有123能得到这个 Hash。

  因此,就有两个重要的推论。

  推论1:每个区块的 Hash 都是不一样的,可以通过 Hash 标识区块。

  推论2:如果区块的内容变了,它的 Hash 一定会改变。

  四、Hash 的不可修改性(这个偏技术一些,头疼请跳过:) )

  区块与 Hash 是一一对应的,每个区块的 Hash 都是针对"区块头"(Head)计算的。

  Hash = SHA256(区块头)

  上面就是区块 Hash 的计算公式,Hash 由区块头唯一决定,SHA256是区块链的 Hash 算法。

  前面说过,区块头包含很多内容,其中有当前区块体的 Hash(注意是"区块体"的 Hash,而不是整个区块),还有上一个区块的 Hash。这意味着,如果当前区块的内容变了,或者上一个区块的 Hash 变了,一定会引起当前区块的 Hash 改变。

  这一点对区块链有重大意义。如果有人修改了一个区块,该区块的 Hash 就变了。为了让后面的区块还能连到它,该人必须同时修改后面所有的区块,否则被改掉的区块就脱离区块链了。由于后面要提到的原因,Hash 的计算很耗时,同时修改多个区块几乎不可能发生,除非有人掌握了全网51%以上的计算能力。

  正是通过这种联动机制,区块链保证了自身的可靠性,数据一旦写入,就无法被篡改。这就像历史一样,发生了就是发生了,从此再无法改变。

  每个区块都连着上一个区块,这也是"区块链"这个名字的由来。

  五、说一说采矿(让你死了这条心)

  由于必须保证节点之间的同步,所以新区块的添加速度不能太快。试想一下,你刚刚同步了一个区块,准备基于它生成下一个区块,但这时别的节点又有新区块生成,你不得不放弃做了一半的计算,再次去同步。因为每个区块的后面,只能跟着一个区块,你永远只能在最新区块的后面,生成下一个区块。所以,你别无选择,一听到信号,就必须立刻同步。

  所以,区块链的发明者中本聪(这是假名,真实身份至今未知)故意让添加新区块,变得很困难。他的设计是,平均每10分钟,全网才能生成一个新区块,一小时也就六个。

  这种产出速度不是通过命令达成的,而是故意设置了海量的计算。也就是说,只有通过极其大量的计算,才能得到当前区块的有效 Hash,从而把新区块添加到区块链。由于计算量太大,所以快不起来。

  这个过程就叫做采矿(mining),因为计算有效 Hash 的难度,好比在全世界的沙子里面,找到一粒符合条件的沙子。计算 Hash 的机器就叫做矿机,操作矿机的人就叫做矿工。

  六、难度系数(看不懂的记住,总之很难就对了)

  读到这里,你可能会有一个疑问,人们都说采矿很难,可是采矿不就是用计算机算出一个 Hash 吗,这正是计算机的强项啊,怎么会变得很难,迟迟算不出来呢?

  原来不是任意一个 Hash 都可以,只有满足条件的 Hash 才会被区块链接受。这个条件特别苛刻,使得绝大部分 Hash 都不满足要求,必须重算。

  原来,区块头包含一个难度系数(difficulty),这个值决定了计算 Hash 的难度。举例来说,第100000个区块的难度系数是 14484.16236122。

  区块链协议规定,使用一个常量除以难度系数,可以得到目标值(target)。显然,难度系数越大,目标值就越小。

  Hash 的有效性跟目标值密切相关,只有小于目标值的 Hash 才是有效的,否则 Hash 无效,必须重算。由于目标值非常小,Hash 小于该值的机会极其渺茫,可能计算10亿次,才算中一次。这就是采矿如此之慢的根本原因。

  区块头里面还有一个 Nonce 值,记录了 Hash 重算的次数。第 100000 个区块的 Nonce 值是274148111,即计算了 2.74 亿次,才得到了一个有效的 Hash,该区块才能加入区块链。

  七、难度系数的动态调节

  就算采矿很难,但也没法保证,正好十分钟产出一个区块,有时一分钟就算出来了,有时几个小时可能也没结果。总体来看,随着硬件设备的提升,以及矿机的数量增长,计算速度一定会越来越快。

  为了将产出速率恒定在十分钟,中本聪还设计了难度系数的动态调节机制。他规定,难度系数每两周(2016个区块)调整一次。如果这两周里面,区块的平均生成速度是9分钟,就意味着比法定速度快了10%,因此难度系数就要调高10%;如果平均生成速度是11分钟,就意味着比法定速度慢了10%,因此难度系数就要调低10%。

  难度系数越调越高(目标值越来越小),导致了采矿越来越难。

  八、区块链的分叉

  即使区块链是可靠的,现在还有一个问题没有解决:如果两个人同时向区块链写入数据,也就是说,同时有两个区块加入,因为它们都连着前一个区块,就形成了分叉。这时应该采纳哪一个区块呢?

  现在的规则是,新节点总是采用最长的那条区块链。如果区块链有分叉,将看哪个分支在分叉点后面,先达到6个新区块(称为"六次确认")。按照10分钟一个区块计算,一小时就可以确认。

  由于新区块的生成速度由计算能力决定,所以这条规则就是说,拥有大多数计算能力的那条分支,就是正宗的比特链。

  九、再补充两句...

  区块链作为无人管理的分布式数据库,从2009年开始已经运行了8年,没有出现大的问题。这证明它是可行的。

  但是,为了保证数据的可靠性,区块链也有自己的代价。一是效率,数据写入区块链,最少要等待十分钟,所有节点都同步数据,则需要更多的时间;二是能耗,区块的生成需要矿工进行无数无意义的计算,这是非常耗费能源的。

  因此,区块链的适用场景,其实非常有限。

  1. 不存在所有成员都信任的管理当局

  2. 写入的数据不要求实时使用

  3. 挖矿的收益能够弥补本身的成本

  如果无法满足上述的条件,那么传统的数据库是更好的解决方案。

  目前,区块链最大的应用场景(可能也是唯一的应用场景),就是以比特币为代表的加密货币。

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  :区块链技术将改变网络安全现状

  5月8日,由上海市信息化青年人才协会与造就主办的ITech双月谈在上海举行,本次会议的主题为“ITech双月谈——“防御的力量”。北京科技有限公司作为国内区块链技术在安全体系应用的领跑者,应邀出席此次会议。创始人兼CEO严挺在论坛上作了题为“区块链应用与网络安全”的演讲,受到与会各方的高度关注与好评。

  演讲中,就如何防御区块链本身的系统安全及使用区块链解决新型黑客安全问题做了分享。他表示,并表示“区块链跟安全是分不开的,如果没有加密就没有区块链技术”。

  目前,区块链技术浪潮兴起。过去三年,全球区块链市场中,产生了6000多项区块链相关专利,100多家公司加入到区块链联盟,超过24国家正在投资区块链技术,90余家中央银行加入了区块链的讨论。而且,在过去三年中,区块链的风险投资已超45亿美元。

  为何区块链技术会受到全球范围内的巨大关注?区块链是第一种把数据和时间结合起来的技术。区块链中,某一节点产生的数据,必须其他节点都认可才能被记录下来,这样使得数据很难被篡改。区块链技术赋予了数据产生的合理性,并保障了链上的数据真实可信性。认为,区块链将改变网络安全防御的现状,改变数据共享流通的模式,改变未来各种信任机制的建立。

  但是,区块链本身很安全吗?这要从不同的角度去分析。从协议本身来看,如果单个节点被攻击,区块链技术很安全。因为区块链是一种去中心化的技术,链上所有节点通过共识记录下“全民公认”的数据,篡改其中某一节点或某几个节点的数据,并不会改变链上所有节点的数据,因此,攻击某一节点并无意义。然而,目前,区块链作为一种全兴技术也面临很多挑战,在安全方面面临一些问题,如网络漏洞风险、网络病毒风险、网络协议风险、网络环境风险、网络隐私风险等。区块链的代码均开源,任何黑客都可以分析,如此代码本身的质量便很重要。一旦代码出现问题,可能就会出现灾难性事件。

  随后,分析了区块链在网络安全领域的应用前景,提出了应用区块链技术防御网络安全的几种方案。

  一、国家密码算法的应用。建设网络安全体系,需要打造新一代的、各国自主可控的、安全可信的网络技术和服务体系。国家商用密码技术是建设这一体系的基础。目前,是行业内唯一一家具有国密牌照和最快国密算法的企业。公司以创新的基于区块链的数据库应用平台,以更高的性能、更完善的功能、更安全的国密算法支持业务场景的使用。

  二、区块链多活容灾数据库。传统的两地三中心的备灾方式成本很高,但区块链本身就是一种天然的备份,而且区块链做备份数据库的成本是传统方案的10%,安全性也比较高。此外,区块链身份验证保护网络边界设备安全、区块链CA身份验证、区块链数据分布式安全存储、区块链数据分布式授权、区块链保证数据分享隐私安全、区块链分布式安全交易等方式也均可用来网络安全。

  目前,世界上很多国家将区块链与大数据、IOT、5G和人工智能等技术联系在在一起。认为,现在很多技术在不同的领域发展,但在不久的将来所有的技术都将会融合。

  最后强调,区块链是一种新型技术,逻辑理念与传统技术的理念不同,它强化了时间在整个系统中的作用。区块链的协议安全性、合约安全性以及它对安全领域造成的影响才刚刚开始。

  感谢本次活动的主办方上海市信息化青年人才协会和造就对的邀请和认可,让大家有机会一起探讨最新技术区块链与网络安全的问题,共同推动技术的发展和网络安全的防御。

  上海市信息化青年人才协会是在共青团上海市委员会和上海市经济和信息化委员会的共同指导下成立。以“上海IT青年十大新锐”为骨干,汇聚了一大批信息化领域优秀青年人才,并围绕信息化工作持续开展了各项丰富多彩的活动,在服务、凝聚、宣传、培养和举荐信息化领域优秀青年人才,促进信息化普及运用,推动城市信息化发展等方面发挥了积极作用。

  造就是一家创立于2015年底的创新文化品牌,基于社会责任的承担和文化理想而发起。至今,已举办了50多场不同规模的剧院式演讲,并创造了5亿的线上曝光量。作为中国国家剧院场景体验的演讲平台,造就致力于发现世界上最有创造力的思想,寻找最有创建性的思想和实践,相信世界是多维度的生长,追寻在科学、经济、文化多重领域的前行者。