透過比特幣解析區塊鏈技術工作原理

E安全4月14日文 全球區塊鏈市場正在快速增長：2015年其總值達到3.159億美元，預計到2024年將增長到200億美元。

然而，這項引發各方高度關注的技術究竟是如何起效的？

NTT Security公司高級IT安全顧問Thorsten Deckers以及關鍵性商業應用與大數據經理René Bader就此作出這樣的解釋。

區塊鏈的作用是確保對等網路中的事務得以驗證，且同時具備無中間人、可追溯與透明度等特性。這項技術的核心驅動力之一正是「加密貨幣」比特幣。

首先，以比特幣為例。比特幣是一套允許以未知方式進行價值轉移的系統，且無需金融服務供應商作為中央代理。其中的技術挑戰在於如何以無縫方式，通過可驗證機制實現交易事務執行透明化。

區塊鏈本身作為比特幣或者全部網路參與者的公共分類帳存在，雖然負責記錄全部已經執行並通過驗證的交易事務，同時可計算當前帳戶餘額，但嚴格意義上講並不屬於絕對性質的帳戶。雖然交易信息是公開的，但交易地址僅以匿名代碼顯示，這意味著參與交易的各方同樣處於匿名狀態。

區塊鏈技術中的點對點架構具體討論

比特幣交易系統與傳統銀行等支付系統的區別。

銀行等傳統支付系統通常負責對輸入及輸出的交易事務進行檢查，同時控制帳戶餘額並將其集中存儲在內部系統中。

比特幣對此的處理方式卻完全不同，其僅在區塊鏈文檔中記錄交易事務，因為交易信息以完全分布的形式存儲在參與比特幣交易的所有計算機之上，因此被稱為分散型資料庫，這意味著沒有任何單獨一方擁有完整的區塊鏈，也正是這種機制保證了其公共性質。目前，比特幣網路的區塊鏈大小約為80
GB，本文源自E安全且仍在隨著新區塊的形成而不斷增長。

區塊鏈中的交易以每十分鐘為一個單位通過連續區塊的形式進行收集與存儲。這也正是「區塊鏈」這一名稱的來源。典型的區塊最大為1

MB，包含數百項交易事務。每個新區塊會按時間順序與上一個區塊相對接，從而在區塊鏈中建立新的鏈條。隨著時間的推移，這些區塊共同形成不斷擴大的塊鏈;
第一個區塊則被稱為起源塊。

除了時間戳與具體交易數據之外，一個區塊當中還包含兩個基於加密散列函數SHA-256的兩個哈希值：

• 一個哈希值表達新區塊內收集到的全部交易事務;

• 而另一個哈希值為上個區塊的哈希值。

區塊鏈中的非對稱加密機制

在某一區塊形成並被納入區塊鏈之前，首先需要為其創建對應的公鑰與私鑰；二者由錢包軟體負責生成，並在客戶計算機上作為密鑰對存在，而此客戶端計算機則作為比特幣網路中的參考者並採用非對稱加密機制。公鑰的作用在於創建一個包含34個字元的字元串，且對所有人可見，其隨後將被進一步作為比特幣交易的目標地址。這一點對於交易的匿名性保障而言非常重要，因為我們無法將地址回溯為公鑰。

私鑰則用於對交易事務進行簽名，只有具備簽名的交易方被視為有效。配合交易事務自身附帶的公鑰，其能夠確保交易發起者擁有正確的私鑰，即擁有合法交易資格。一旦特定數量的節點確認這一數據，對應比特幣的發送與確認即告完成，隨後該簽名交易將被分發至比特幣網路的全部節點當中。

在交易處理的下一階段，交易事務會在被記入區塊鏈前進行有效性驗證，這是為了防止交易受到篡改，同時保證金額已經被正確從發起人處扣除並被添加至收取人處。如果缺少這一過程，很可能出現轉出根本不存在的超額比特幣的情況。

比特幣挖礦驗證終將挖至極限

在區塊鏈技術當中，不存在用於驗證交易事務的中央實例。

為了達成交易結果共識，比特幣區塊鏈中存在「礦工」，即計算機或者計算機資源池，負責為系統提供計算能力以驗證交易事務與區塊的形成。

為了符合挖礦條件，區塊鏈技術採用「工作證明」流程，即礦工需要通過工作證明其可靠性。因此礦工必須解決各類計算密集型加密任務，即哈希值創建。這項任務僅可通過反覆試驗以處理完成。但由於任務本身非常困難，因此區塊的形成頻率控制在10分鐘左右。計算工作的目標在於確保區塊鏈無法進行後續修改;
這也意味著區塊鏈本身不可隨意進行縮放。

挖礦顯然是個複雜的過程，且需要消耗相當多的計算資源。通過激勵的方式，當加密任務被解決時，礦工們會收取到一定數量的比特幣作為「獎勵」。相反，同時處理同一事務而導致挖礦速度較慢的參與者則將因此被自動判斷為無效。一旦礦工建立起一個有效的區塊並將其發送至網路當中，其他每位參與者皆可控制該區塊的有效性，並將該區塊添加至區塊鏈的本地副本當中。通過這種方式，礦工們能夠逐塊驗證對等架構中的一切可信區塊，從而徹底擺脫對中央控制實例的依賴性。因此，所有區塊鏈的參與者皆可隨時進行交易且操作不可撤銷。

挖礦正是比特幣系統中實現驗證與「貨幣創造」的核心所在。

最初，每個區塊可以重建50個比特幣，但這一數字如今已經變化為每21萬個區塊方可重建50個比特幣，意味著每區塊的比特幣生成量僅為12.5個。比特幣的最高數量限制為2100萬，本文源自E安全這意味著比特幣系統將到達一個極限無法生成新的散列（預計極限來臨時間為2140年左右），則無法產生新的比特幣。

比特幣可能是目前最具知名度的區塊鏈技術應用領域，其最為突出的優勢是能夠在無需中央控制實例參與的前提下確保安全的可追溯性與透明度。

區塊鏈技術可應用到更多領域

除此之外，還有更多其它領域可利用區塊鏈作為其中的關鍵性技術：

銀行

目前各銀行機構正在認真考量引入區塊鏈技術，希望藉此通過交易記錄以實現記帳與資產轉帳。由於不再需要進行中央驗證，此舉將能夠降低成本並加快處理流程。

智能合同

利用區塊鏈技術，我們將能夠處理更為複雜的合同內容。

舉例來說，可以通過可執行程序代碼的形式反映合同條款，以確保在實際條件符合其中要求時自動執行相關協定。如此一來，所有權轉讓或者租賃等活動即可高效快捷地得以執行。一旦買方或者租客向專訪或者房東支付了合同中議定的資金，則可自動完成轉讓或者訪問對應的數字密鑰。

保險（類似於智能合同）

可以根據保單持有人的習慣動態調整區塊鏈中的保險條款，同時對應變更保費水平; 例如在汽車保險當中，可依照保險購買方的駕駛方式進行細節調整。

音樂行業

在音樂行業中，許多藝術家都希望能夠直接參与到音樂的銷售、許可權與使用條件等工作中來。在這方面，區塊鏈提供了理想的解決方案，因為其可以直接將支付與使用機制嵌入至區塊鏈演算法當中。

投票系統

對於數字化投票系統，區塊鏈能夠確保選民的匿名性並防止結果遭到篡改。

註冊專利

區塊鏈技術能夠幫助相關行政辦公機構所持有的專利與知識產權證明文件按要求進行永久性中止，且無需任何中間人介入。通過數學方式的加密保護，相關證書可在全球範圍內規範文件的所有權、存在狀態以及完整性。

區塊鏈的重構亦是一項技術，其作為「受信機器」負責在無驗證實例的情況下驗證信息交換是否合法。包括比特幣本身在內的各類應用實例證明，這項任務的解決不僅僅在技術層面具備重大意義，同時亦在法律乃至經濟領域帶來了深遠影響。在某些情況下，相關事務甚至需要專利律師等第三方的介入。因此，單純將區塊鏈視為虛擬貨幣的專屬型技術成果顯然有失偏頗，其完全能夠在各類高安全要求場景下發揮重要作用。

區塊鏈是一種誕生不久的創新性技術，因此亦存在著許多問題，包括已關閉事件中無效密鑰的傳遞等。雖然目前已經出現了相關答案，但尚無法從根本上將其解決。

然而，區塊鏈技術的出現確實能夠為任何事務提供理想的可追溯性與透明度，對於互聯網時代尚目前未健全的可追溯性與透明度來說，這已經足以使其在眾多創新型場景當中扮演核心角色。

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