第一节 区块链技术的学习铺垫

区块链起源于比特币。2008年11月中本聪的发表《比特币：一种点对点的电子现金系统》，阐述了基于 P2P 网络技术、加密技术、时间戳技术、区块链技术等的电子现金系统的构架理念，标志着比特币的诞生。两个月后比特币程序编写完成并自组网开始运用，2009年1月3日第一个序号为0的比特币创世区块诞生，2009 年1月9日出现序号为1的区块，并与序号为0的创世区块相连接形成了链，标志着区块链的诞生。比特币发展缓慢，但近几年作为比特币底层技术之一的区块链技术日益受到重视。

区块链更多可以看作一种对已有技术的应用，而非单纯的提出了一种技术。所以，在系统的学习区块链技术之前，让我们来看看区块链用到了哪些技术。

密码学 哈希

在比特币这一技术中，使用到了密码学中的两个功能，第一个功能为哈希。

首先简单介绍一下哈希，比特币使用的哈希具有三个性质：

Collision resistance（抗碰撞性）：即对于某个哈希函数H(·)，输入x和输入y，如果有x≠y，则有H(x)≠H(y)hidding（单向不可逆）：即假设有一个哈希函数H(·)，给定输入x，我们可以得到哈希输出H(x)，但是给定一个哈希输出H(x)和H(·)，我们无法求得x是什么。也即H(x)没有泄露x的任何信息。Puzzle friendly：由于哈希值是不可预测的，所以如果要H(x)落在某个范围内，没有什么好的办法，只能一个一个x去尝试。这个特性使得在打包区块的时候，必须进行大量的运算（为了让hash值落于某个区间中）。

比特币使用的哈希函数是sha-256，collision resistance这一性质主要用于保证区块链每个区块的不可篡改性质；puzzle friendly这一性质主要用于工作量确认。

非对称加密

用到的第二个密码学功能为非对称加密。在每个比特币用户创建账户的时候，都会创建一个公私钥对。a在给b发送信息的时候，使用b的公钥对信息加密，b然后使用自己的私钥对信息解密。同时，在发布这样一个信息的时候，a需要使用自己的私钥对信息进行签名，这样网络中的其他节点可以使用a的公钥确认这个信息是否由a发布。

在第三方中心化系统中，账户开通依赖于第三方。但去中心化的比特币系统中，很明显不能进行“申请账户”。在比特币系统中，申请账户是用户自己来处理的，即自己创建一个公钥-私钥对。

公钥和私钥的应用保证了“签名”的应用。当在比特币网络中进行转账时，通过“签名”可以明确是由哪个账户转出的，从而防止不良分子对其他账户比特币的盗取。

在发布交易时，通过自己私钥签名，其他人可以根据公钥进行验证，从而保证该交易由自己发起。也就是说，只有拥有私钥，才能将该账户中的比特币转走。

数据结构 哈希指针

区块链是一个将各个区块串起来的链，而串联起这些区块的就是哈希指针。一个哈希指针包含两部分数据：

指向某一信息存储的指针某一数据块的哈希值

如下图对于该节点，白色方框即为一个区块链的区块。我们可以看到有两个指针指向这个节点（实际上为一个），其中P为该节点的地址，H()为该节点的哈希值，该值与节点中内容有关。当节点（区块）中内容发生改变，该哈希值也会发生改变，从而保证了区块内容不能被篡改。

在比特币中，其最基本的数据结构便是一个个区块形成的区块链。每个区块根据自己的区块内容生成自己的哈希值，此外，每个区块（除创世纪块）都保存有前一个区块的哈希值。需要注意的是，本区块哈希生成依赖于本区块内容，而本区块内容中又包含有前一个区块的哈希值。从而保证了区块内容不被篡改。

区块的结构

在区块链中，每个区块包含两部分数据：

Block headerBlock body

每个区块header中，包含指向前一个区块的指针，也包含一个对前一个区块的header进行哈希得到的值。

如果现在要对第i个区块的信息进行修改，就会导致这个区块的哈希值变化，这就要求i+1个区块的哈希值也发生变化，一直到最后一个区块的数据发生变化，最终导致pointer of the last block中的哈希值和最后一个区块的哈希值对不上。这就使得区块链具有不可篡改的性质。

Merkle tree

上图即为一个简单的Markle Tree，其中最下面的节点即为交易数据块。每个交易数据块各有一个哈希值，将所有叶子节点的哈希值合并放在其父节点中，而后，针对得到的一级父节点分别取哈希，又可以得到n/2个新的哈希值，通过不断迭代，即可得到图中根节点。

实际中，在区块块头中存储的是根节点的哈希值（对其再取一次哈希）。这种数据结构的优点在于：只需要记住Root Hash（根哈希值），便可以检测出对树中任何部位的修改。例如，所绘制Markle Tree中节点B发生了改变，则对应的第二层第一个节点中第二个哈希值便也会发生改变，进而根节点中第一个哈希值也会发生改变，从而导致根哈希值也发生了改变。

根据前文中我们知道，区块链分为header和body，body即为保存交易的地方，保存形式即为Merkle tree的形式。在区块链中，Merkle tree的每个叶子节点对应于一笔交易，除了叶子节点的节点储存的都是指向其左右孩子的哈希指针。根据Merkle tree的性质，只要任何叶子节点中的交易被修改，就会导致根节点的哈希值发生变化。

在每个区块header中，除了包含指向前一个区块的指针，以及一个对前一个区块的header进行哈希得到的值，还包含当前区块body的Merkle tree的根哈希。但不包含具体的交易信息。

因此如果有任何交易发生变化-》根节点哈希变化-》区块header保存的根节点哈希发生变化-》区块header的哈希发生变化。这就要求后一个区块保存的当前区块的哈希也得同步改变，而这是很难办到的。

下图即为一个完整的比特币区块的信息