区块链基础概念

去中心化应用( DApp)

为了解决网络应用中过分依赖服务端的状况,出现了点对点( Peer to Peer, P2P )应用 在这类应用中并不存在对网络完全控制的中心节点 其中部分节点挂掉,并不影响整个 P2P 络的运行,这类应用就称为去中心化应用(Decentralized Application, DApp )。

在DApp中并没有中心服务器来协调节点,或者决定什么是对、什么是错,因此,这个挑战的难度是非常大的。通常的做法是采用一致性协议(concensus protocol)解决这个问题。不同的DApp通常使用不同的数据结构共识协议(一致性协议),例如比特币使用工作量证明协议(PoW)来达成共识。

DApp的内部货币

扫描获取学习资源对于中心化应用来说,所有者需要盈利才能长期维持应用的运行,因为中心化应用需要支付服务器维护费用、带宽费用、人员费用等。

DApp虽然没有所有者,但与中心化应用一样,维持DApp节点的正常运行仍然需要一定的费用,如硬件、网络支持等。

因此,DApp节点需要一些回报来维持运行,于是内部货币登场了。

大多数DApp都有内置的内部货币,或者说成功的DApp都有内部货币,如比特币网络中的比特币就是最著名的内部货币。

那么,每个节点到底应该收多少内部货币呢?这由共识协议决定。根据共识协议,只有为维护DApp安全和运行做出贡献的那些节点可以赚取内部货币,只进行数据读取的节点没有回报。

例如,在比特币网络中,只有矿工(miner)成功挖矿才能赚取比特币。

比特币

比特币(bitcoin)是一种去中心化的货币,是最热门的DApp。它的成功充扫描获取学习资源分展示了DApp的强大。比特币的成功大大鼓励了人们创建其他的DApp。

在了解比特币的细节以及为什么人们认为它是一种货币之前,需要先了解两个概念:账本和区块链。

账本

任何交易都需要记录,而用于记录比特币交易的就是账本(ledger)。

那么账本与数据库有什么区别呢?在数据库中,我们可以添加、修改和删除交易。

而在账本中,只能添加新的交易,不能修改和删除交易。

数据库可以用来实现账本,反过来却不可以。

区块链

区块链(blockchain)是用于创建去中心化账本的数据结构。

也就是说,区块链与数据库类似,是用于存储数据的。

区块链中的区块按序号排列。

每一个区块都包含一个交易集合、前一个块的哈希码、时间戳(指明区块被创建的时间)、块奖励、块序号等信息。

由于每一个块都包含了前一个块的哈希码,因此可以创建一个互相连接的块链表,所以称为区块链。

网络中的每一个节点都会保存一份区块链的副本。

为了保证区块链的安全,工作量证明(PoW,Proof-of-work)、股权证明(PoS,Proof-of-stake)以及其他一致性协议被应用于区块链。

由于有这些协议的存在,在区块链中添加新的区块并不容易。

例如在PoW中,向区块链中添加区块的过程被称为“挖矿”,挖矿从技术上说就是解决复杂的计算难题,那么为什么要解决复杂的计算难题呢?通过PoW及其他一致性协议是如何阻止某些节点对整个区块链进行攻击的呢?请读者继续往下面看。

工作量证明(PoW)

工作量证明就是在修改区块链之前先证明你没有对DApp网络进行攻击,那怎么证明呢?

就是在本地先完成一项艰巨的任务,然后将完成的结果上传到DApp网络进行验证。

这项艰巨任务不能让人用投机取巧的方式来完成,而必须用最原始、最暴力的方式一点一点完成,完全是拼体力。

那么可能有很多读者会问,完成任务和阻止攻击有什么关系呢?这就涉及到一个经济学的概念——经济惩罚。

大概的意思就是既然无法阻止攻击,那么就让攻击付出惨重的代价。

完成DApp网络交给你的任务是要付出代价的。

通常的任务是解决计算难题,这种解决计算难题的过程被称为“挖矿”。

在PoW中要解决的难题通常是计算一个哈希值。例如,给定一个基本字符串“Hello,world!”,我们的任务是在这个字符串后面添加一个名为nonce的整数值,对变更后的字符串进行SHA256哈希运算。

如果得到的哈希结果(以十六进制的形式表示)是以0000开头的,则验证通过。

为了达到这个工作量证明的目标。我们需要不停地变化nonce值,对得到的新字符串进行SHA256哈希运算。

按照这个规则,我们需要经过4251次计算才能找到恰好前4位为0的哈希散列。

我们发现,随着0的个数增加,计算难度会以指数级增加。

而且没有算法可以立即算出结果,但结果却是非常容易验证的。

所以要完成这项任务,就需要非常强的算力,也就是说,要想搞定这个任务,需要自己花钱买一大堆高性能的计算机。

而且现在区块链分派的任务越来越艰巨,计算量越来越大。

如果是以营利为目的的攻击,为了价值几百万的比特币,你可能要花几千万去购买计算机来完成相关的计算任务,完全是得不偿失。

所以很少有人去做这样的赔本攻击,因为攻击成本远大于收益。

股权证明(PoS)

PoS,简单来说,就是根据持有货币量和时间来分发利息的一个制度。

在股权证明模式下,有一个名词叫币龄,每个币每天产生1币龄。

例如,你持有100个币,总共持有了30天,那么,此时你的币龄就为3000,这个时候,如果你发现了一个PoS区块,那么你的币龄就会被减去一定的值,每减少365个币龄,将会从区块中获得0.05个币的利息(可理解为年利率5%),那么在这个案例中,利息=3000×5%/365=0.41个币。

要注意的是,5%的年利率仅仅是举例,并非每个PoS模式的币种的年利率都是5%,比如点点币(PPCoin)就是1%年利率。

51%攻击

由于区块链分配的任务难易程度不同,可能有很多人会想对策,我不用那么大的计算量,少买点计算机,是否可以找到一个盈利的平衡点呢?其实一开始我也是这么想的,但根据PoW算法机制,如果你的计算量不够大,是无法控制区块链的走向的,也就是说,即使你投入了大量的成本用于完成任务,也不能保证自己成功。

这就像花了数百万购买彩票,你只能保证比只花两元钱购买一张彩票的人的中奖几率大,但并不能保证你一定能中奖。

花几十万上百万就中袋洗衣粉,花两元中500万的也大有人在。

彩票奖金的设置永远要远小于购买所有彩票的成本,所以你是无法采用穷举的方式保证100%中奖率的。区块链也是一样,即使你的算力非常强,也不能保证100%成功,只是成功的可能性更大而已。

前面说过,谁的算力强,谁最先解决问题的概率就越大。当掌握超过全网一半算力时,从概率上就能控制网络中链的走向,这就是“51%攻击”。

这也是区块链的弱点,谁掌握了超过全网一半的算力,谁就可以主导区块链网络。

也就是说,区块链并非100%安全,但如果要蓄意攻击区块链网络,则需要付出很大的代价。

那么区块链受到攻击也只能存在于理论层面。

以太坊

以太坊是一个去中心的平台,允许在这个平台上运行DApp。

DApp需要依赖智能合约,而智能合约要使用Solidity语言编写。

一个或多个智能合约可以一起组成一个DApp。

因此,运行在以太坊上的程序就是智能合约。

我们可以将以太坊比喻成Android系统,而智能合约就相当于运行在Android系统上的各种底层的库。

智能合约之所以要运行在以太坊网络上,是因为运行在以太坊网络上的智能合约非常容易彼此交互,有了智能合约,开发人员并不需要为集成各种共识协议和其他东西而操心,这些以太坊都可以轻松为我们搞定,而开发人员只需要编写应用逻辑代码即可。

以太坊有一个内部货币,叫以太币(ether)。为了发布智能合约或执行智能合约中的方法,需要一定数量的以太币。

超级账本项目

超级账本是一个项目,是首个面向企业应用场景的开源分布式账本平台。

在Linux基金会的支持下,超级账本项目吸引了包括IBM、Intel、Cisco、摩根大通、腾讯等在内的众多科技和金融巨头的参与,以及在银行、供应链等领域的积极应用实践。

超级账本社区在成立一年多以来,也得到了广泛的关注和飞速的发展,目前已经拥有超过140家企业会员。

加入超级账本的有很多项目,Fabric项目就是最早加入超级账本项目的顶级项目。

它由IBM、DAH等企业于2015年年底提交到社区。

Fabric项目用Go语言实现,在gitHub上已经有超过5000次提交。

该项目的定位是面向企业的分布式账本平台,创新地引入了权限管理支持,设计上支持可插拔、可扩展,是首个面向联盟链场景的开源项目。

联盟区块链是指其共识过程受到预选节点控制的区块链。

例如,不妨想象一个由15个金融机构组成的共同体,每个机构都运行着一个节点,而且为了使每个区块生效,需要获得其中10个机构的确认(2/3确认)。

区块链允许每个人都可以读取、只受限于参与者或走混合型路线,例如区块的根哈希及其API(应用程序接口)对外公开,API可允许外界用来作有限次数的查询和获取区块链状态的信息。这些区块链可视为“部分去中心化”。

创世块

区块链是由若干个区块组成的。在私有链启动后,需要为区块链创建第一个区块(创世块),相当于数据结构中链表的头节点。

不过以太坊并不知道如何创建这个创世块,需要我们告诉以太坊如何创建,因此,首先需要建立一个创世块的描述文件,这个描述文件是JSON格式的。

在这里插入图片描述

  • chainld:指定了独立的区块链网络ID。网络ID在连接到其他节点的时候会用到,以太坊公网的网络ID是1,为了不与公有链网络冲突,运行私有链节点的时候要指定自己的网络ID。不同ID网络的节点无法相互连接。

  • homesteadBlock:以太坊推出的第2个主要的区块发行版本,Frontier是第1个推出的区块发行版本(也是测试版本)。建议使用homesteadBlock,值为0表示有效。dificulty:挖矿的难易程度,该值越小,挖矿越容易。也就是说,该值越小,挖矿需要的(算力越小)。在测试时,建议设置一个比较小的值,否则挖矿会需要很长时间。

  • gasLimit:挖每个区块需要消耗资源的上限。gas与以太币(ether)一样,都是以太坊中的单位。之所以将gas与ether分开,是为了防止ether的波动对挖每个区块消耗资源的影响。

  • alloc:为了测试挖矿而临时分配的账户,其中balance表示当前账户的余额,单位是Wei。

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