作者：赵刚
出版社：电子工业出版社
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区块链：价值互联网的基石试读：
前言
在互联网时代，一个伟大的创新，就像浩瀚夜空中的一道闪电，照亮了新经济发展的征途。当我们徜徉在网络媒体的诗情画意中，陶醉在社交网络的欢声笑语中，沉溺在人机触摸的温暖体验中，畅游在开放数据的历史映像中，闪现在我眼前的是那一个个耀眼夺目的新技术——互联网、社交网络、移动互联网、人工智能、大数据……今天，照亮夜空的那一道闪电正是区块链技术，它将改变整个世界！
从数字货币到金融，再到互联网经济，区块链的每一步都站在了舞台的中央。昨天，区块链是数据货币的分布式账本系统，它用“去中心化”等理念支撑了比特币7年的发展。今天，区块链成为数字化金融资产的分布式账本系统，股权众筹、众筹保险、智能债券、智能合约、跨境支付等成为它的重要应用领域，互联网金融浪潮又被区块链技术拉到了新的高度，全球金融界为之热血沸腾。明天，区块链将成为万物互联网的万物账本，将成为新一代价值互联网的基石，将成为分享经济的新引擎，到那时，沸腾的将是整个互联网社会。
区块链的伟大，不仅仅在于其技术和算法的精妙，更在于其与生俱来的经济学和社会学价值。它是一个分布式系统，顺应了互联网“分布式”、“去中心化”、“人人对等”、“开放分享”的发展潮流；它是一个加密的不可篡改的账本，体现了人们对互联网记录历史、见证事实、追求真理的基本要求；它是一个“去信任”、“有共识”的系统，它深悟人性、包容善恶、鼓励劳作、保护财富，创造出对人人公平公正的信用机器、共识机制和价值网络；它是各种去中心化应用的支撑系统，将重新定义商业模式和组织形态，重新定义整个世界，成为互联网经济又一次划时代的创新。
这本书，希望带领读者一起去认识区块链，了解区块链，应用区块链。我将带领读者从浅入深，从历史到未来，从概念到应用，从技术到商业，从经济到社会，一起走进区块链的世界，领略它的魅力和风采。全书分为三部分，分别阐述区块链的前世、区块链的今生和区块链的未来。● 第一部分，主要叙述区块链的由来、区块链是什么、区块链在货
币金融领域的创新应用，这一部分重要的是让读者明白“什么是
区块链”。● 第二部分，阐述了区块链从数字货币向金融资产扩展过程中的各
种技术体系和商业应用，言简意赅地梳理了以太坊、侧链、闪电
网络、瑞波币、彩色币、公正通、超级账本、Corda等主流平台，
用案例的方式阐述了区块链在银行、证券与资本市场、保险、实
物资产、无形资产等领域的应用，也给出了区块链的产业生态体
系和创业项目。这一部分，我力图给读者一个区块链的全景图，
告诉读者这个丰富多彩的世界现在是什么样，全世界的聪明脑瓜
们正在做什么。● 第三部分，阐述了在区块链定义的未来世界中，新的价值、新的
愿景、新的计算模式、新的组织结构、新的治理机制、新的商业
模式和新的经济社会领域的应用。
我希望让读者对未来充满期待，充满激情，去义无反顾地投入区块链的发展浪潮中，成为区块链时代的弄潮儿！
区块链的魅力，让我兴奋地提起了笔。我与区块链结缘，源于大数据。近几年，我创立了赛智时代公司，致力于产业大数据服务和应用。面对数据开放与隐私保护、数据资产交易与数据确权、数据非法复制与数据开放应用等大数据发展瓶颈问题，我在试图寻找一种根本性、机制性的解决方案，它能够记录数据资源流通的历史，能够标识数据资产所有权，能够在保护隐私和数据所有权的基础上进行数据分析利用。我在互联网上找到了一篇题为“受比特币启发，MIT神秘Enigma项目让计算机挖掘加密数据”的文章，这篇文章来自巴比特网站。我欣喜若狂，认为自己找到了解决方案。随后几个月，我努力研究Enigma、比特币和区块链的各种文章。我发现，区块链正是全球金融界热议的话题！接下来，我每天都要去读巴比特网站上的文章，去看各种晦涩的白皮书，一步步，我从一个“门外汉”进入了区块链的世界，也成为了区块链在数据资产保护领域的一个创业者。我迫不及待地想与读者分享我对区块链的认识，想成为一个区块链的布道者，这是我提笔的直接动力！之所以有勇气提笔，也和我的经历有关。作为一个在信息化领域耕耘18年的老兵，我有产业咨询、金融、IT、大数据、区块链创业等多重经历，我自信自己有能力把控这个跨学科的新领域，通俗易懂地把区块链讲清楚。希望，不要让读者失望！
这本书由我组织撰写完成，但它凝聚了很多人的心血！感谢巴比特网站，感谢网站上辛勤撰文、翻译和编辑的各位区块链爱好者，感谢长铗、暴走恭亲王（龚鸣）、韩锋、肖风、曹彤、王立仁等一批大牛们对区块链社区的贡献，正是通过他们的文章，我才一点点理解和认识了区块链。感谢万向区块实验室发起人、万向控股副董事长肖风老师为本书作序，感谢财讯传媒集团（SEEC）首席战略官段永朝老师、中国电子信息产业发展研究院樊会文副院长、清华大学韩锋老师、能源区块链实验室发起人王立仁老师、贵州省大数据办康克岩主任为本书作推荐。感谢我公司的创业小伙伴们，他们是李铭岩、魏贝、田秀芳、梁富海、师文斌、高雅、李梦婷，感谢他们大量的研究和数据分析工作，形成了赛智时代在区块链领域的企业投资数据库和若干研究成果，这也是本书取材的直接来源之一。感谢编辑董英和她的团队，她是我上一本大数据专著的编辑，她的温和谦让和认真负责给我留下深刻印象，让我们的合作非常愉快。感谢电子工业出版社的信任和支持！最后，感谢我的家人，我的父母，我太太、女儿和儿子，正是他们的支持，让我挤掉了本来应该陪伴他们的时间，专心研究。
就在本书付梓之际，北京赛智时代、北京人民汇金等公司组织成立了全球首个“大数据区块链实验室”，汇集了区块链和大数据界多名专家学者，共同致力于区块链技术在大数据领域的理论研究、技术开源、应用验证、标准制定、创业孵化和产业推广等工作。我们肩上的责任将更加重大！区块链的大幕徐徐拉开，每一天都有若干个区块链的新想法、新技术、新应用、新项目和新公司诞生，区块链的世界将更加精彩纷呈，让我们一起拥抱区块链的时代！
作者微信号：Knowbot
公众号：赛智时代
作者微博：http://weibo.com/blogbot
作者博客：http://blog.sina.com.cn/blogbot
作者邮箱：zhaogang@ciomanage.com赵刚2016年5月20日于北京嘉铭园一、区块链的前世
本部分从区块链的第一个应用——比特币讲起，回顾了从1998年诞生以来，比特币波澜壮阔的发展历史，也简单介绍了区块链技术所支撑的其他数字代币，如莱特币、狗狗币等，使读者对区块链的发展背景有一个基本理解。
随后给出了区块链的发展大事记，帮助读者按照时间进度来梳理区块链的发展脉络，并分别从技术、金融和互联网经济角度给区块链下了定义。
区块链的基本技术原理是本篇重点，我们层层剖析，帮助读者揭开区块链的神秘面纱。
第一，分析其数学原理，介绍区块链如何解决了分布式计算中著名的拜占庭将军问题。第二，分析其计算架构，介绍区块链是架构在点对点通信网络（P2P）基础上的，它是一个去中心化的系统。第三，分析其数据结构，介绍区块链本质上是一个分布式账本，一段时间内的交易被记录在一个区块上，块与块按时间顺序链接起来形成区块链。第四，分析其密码学算法，介绍区块链的加密原理，通过加密保证了区块链数据库的真实、一致和安全。第五，分析其运营机制，介绍了网内节点如何争取区块链记账、验证和维护的权利，介绍了工作量证明、股权证明、代表股权证明等共识机制。第六，介绍了比特币区块链的基本运作原理和系统程序。通过这部分，读者将基本掌握区块链的技术原理和轮廓。
货币金融曾是区块链的主要应用领域。本部分首先分析了区块链在货币金融等领域的五个应用价值，包括：（1）去中心化、去信任，真正通过区块链系统来取代金融信用中介；（2）实现货币交易数据的分布式共享，保证了交易的透明性；（3）实现真实记录交易历史，保证了交易的不可篡改；（4）实现数字货币等数字化资产的智能化管理；（5）通过共识机制等构建起支撑分享经济发展的新秩序。在这些应用价值的基础上，介绍了世界各国对数字货币的政策，分析了主要数字货币的运行现状，也介绍了很多基于比特币的创新应用，如比特币储蓄、贷款、信用卡、ATM等。
本部分最后，分析了比特币区块链的主要问题，包括交易效率低和交易确认时间长、高耗能、技术性能、安全性、与货币金融体系融合等问题，让读者理解比特币区块链能做什么，不能做什么，需要改进什么。本部分也介绍了当前对比特币区块链的升级和完善的相关工作。
从2015年开始，一个新概念——区块链（Block Chain）在国内开始传播。开始，很多人觉得这又是一个新的噱头，对这个很技术化的新词并没有太在意，当时，大家关注的热点还在“互联网+”、“大数据”、“人工智能”上面。但是，这一年多发生的几件事情，刺激了人们的神经。第一件事，央行周小川行长两次讲话提及数字货币和区块链[1]，[2]，释放了某种政策信号。第二件事，首届区块链技术大会在上海举行，金融界、互联网界大咖云集，盛况空前。第三件事，IBM、微软等IT界巨头，埃森哲、德勤等咨询公司，纷纷做出战略调整，宣布将区块链作为未来重要的战略方向。区块链一夜之间成为金融界热议的词汇！但是出了这个圈子，你提到区块链，很多人会问：“那是什么？”通常，我就用这本书的题目做回答“它将是新一代价值互联网的基石”，他们会吃惊地瞪大眼睛，然后让我给他们好好讲讲。
区块链这个概念，8年前就被提出来了，但那时，比特币（Bitcoin）是主角，区块链是配角。比特币的大起大落，至今让我们记忆犹新。区块链最初是比特币的底层技术，是比特币的总账系统。今天，区块链的应用范围已经不仅仅局限于比特币，所以区块链专家会反过来说，比特币是区块链第一个成功的应用。了解区块链，我们先从比特币讲起。（一）发源于数字货币
说文解字，比特币，既然称为比特，是数字字节（Byte）的译音，一定和数字化相关，既然称为“币”，一定和钱有关系。没错，比特币就是一种数字货币。比特币是网络上的虚拟货币，它不同于现实世界中各国的法定货币，也不同于互联网公司内部发行的虚拟代币，如Q币等，比特币是一种没有特定发行机构的数字货币，不由中央银行发行，也不由任何一个企业发行。1.比特币的核心引擎
比特币的成长史，是一部“血泪史”，大起大伏，波澜壮阔[3]。
2008年11月1日，中本聪（Satoshi Nakamoto）在密码学讨论组上贴出一篇文章，题目是《比特币：一个点对点（P2P）的电子现金系统》[4]，阐述了他对数字货币的新构想。这篇文章只有9页纸，图文并茂、通俗易懂地阐述了比特币的技术原理。今天区块链界热议的概念“比特币”、“区块链”、“时间戳”、“交易结构”、“工作量证明”、“支付验证”等都在这篇文章中提了出来，这是比特币和区块链的理论奠基之作，影响深远，意义重大！这篇文章宣告了比特币就此问世！
在此之前的十年，已经有很多关于数字货币的有益尝试，比如b钱[5]、比特金[6]等，但这些尝试都不是很成功。数字货币，本质上就是电子化的数据，由于没有黄金或纸币等实物限制，很容易被复制或者篡改，因此它最大的挑战在于如何防止“造假币”，银行的同仁们称为“双花”问题。解决“双花”问题，以往的办法是借鉴现实世界中法定货币的做法，由各方共同信任的第三方统一发行货币、统一记账、统一清算。这是一种“中心化”的信用体系，所有资金往来交易都在一个“有信用”的中心汇总成总账，每笔交易的借贷都记在账上，确保不能重复支付。但是，互联网是一张全球互联互通的网，去中心化是其典型特征，把线下的中心化信用体系在线上重建，实际上要牺牲掉互联网的很多好处。例如，跨境支付或者跨平台支付，本来在一张网上，但每一笔支付却要在多个第三方机构间进行流转，显得十分低效、笨拙、透明性差。
比特币和区块链是一个伟大的发明，中本聪巧妙地解开了数字货币面对的诸多难题！中本聪是一个大师，他既有对互联网技术的深刻理解，也对货币学很熟悉，还能很好地参透人性的本质。当然，这一成果建立在二十多年的加密数字货币研究和四十多年的密码学研究的基础上，有着全世界数千位研究者的心血。比特币建立了一个全球共享的分布式账本系统，一个去中心化的、去信任的账本系统，中本聪称之为区块链。全球共享，意味着全球就这一本总账，网内所有用户共同拥有它；分布式，意味着这本总账不是集中地存放在一个中心服务器上，而是分布式地存放在网内所有用户的计算机上；去中心化，意味着没有一个第三方的中心机构来记录、管理和维护这本总账，网内所有用户共同争取记账权，共同来进行账务处理；去信任，意味着不再需要收支双方共同信任的第三方机构来做保障，区块链本身是被网内所有用户共同信任的。
这不是神话吗？世界各国央行建立了庞大的机构，雇用大量专业人才，投入巨资才能够确保中心化的信用体系发挥作用。一个概念，一个新技术，怎么就能让网内所有用户持之以恒、共同出力来推动一个全球化平台的正常运营呢？其实，这恰好证明了区块链的伟大之处！打个比方，如果有一个非常好玩的游戏，打完游戏后还能让你发财致富，你愿不愿意做？我想，这件事不用任何人驱动，每个人都会像打了鸡血一样，拼命地去做。比特币系统的设计，正是采用了这样的激励机制。
为了激励用户共同维护这本总账，中本聪设计了一个机制——谁争取到了记账权，谁就拥有了比特币。为了获得比特币，用户就会拼命地争取记账权。那么比赛的规则是什么呢？出一道密码破解难题，谁解得快，谁就获胜，拿到记账权。然后，对当前时间加密的比特币交易数据盖上时间戳，形成一个区块。所以，网内每个用户都乐于贡献出自己的计算机，下载一个比特币客户端软件，登录后就正式成为一名记账比赛的参赛选手，俗称“矿工”。工欲善其事，必先利其器。每个用户的计算机，俗称矿机，运算能力必须足够强，才能挖到矿。每个用户的客户端软件争相破解密码难题，第一个破解难题的“矿工”会得到50比特币的奖励。在这个时间点和上一个时间点之间的相关交易记录就被打包形成一个区块，并加入区块链。随着“矿工”数量的增加，每个难题的困难程度也随之提高，大约每10分钟会形成一个区块。每达到21万个区块，奖励就减半，从50比特币减到25比特币，再从25比特币减到12.5比特币，一直持续下去。到2140年，比特币将会达到预定的2100万枚上限。全世界就这么多比特币，不是想印就印的。从技术上看，比特币采用了点对点网络（P2P）和分布式数据库系统的设计，能够保证建立全局共享的分布式账本系统；比特币也采用了密码学的设计，能够确保货币流通各个环节的安全性，使比特币只能被真实的拥有者转移或支付，也确保了货币所有权与流通交易的匿名性。这就是比特币的基本原理。
2009年1月，中本聪成为挖到比特币的第一人，他创建了创世区块，获得50枚比特币。中本聪也公布了比特币系统的开放源代码[7]。从2009年到2010年的一年时间里，比特币还只局限在密码学的小圈子中。但酒香不怕巷子深，渐渐地比特币的名气越来越大，数字货币的“前辈”们纷纷为它点赞，戴伟（Wei Dai）——b钱发明者，称它“具有划时代意义”；尼克·萨博（Nick Szabo）——比特金发明者，称赞它“是对世界的伟大贡献”；哈尔·芬尼（Hal Finney）——杰出的密码学专家，认为比特币具有“改变世界的潜力”。
2010年4月，比特币的价值还很低，1比特币的价值低于14美分。2010年5月22日，美国佛罗里达州的程序员拉斯勒·豪涅茨（Laszlo Hanyecz），用10000比特币购买了价值25美元的两块比萨（图1-1）。他把比特币发给英格兰的一个志愿者，然后收到一份来自大西洋彼岸的信用卡订单。这是现实世界中第一笔比特币交易，这一天后来被比特币界确立为比萨日！2010年夏天，比特币交易开始活跃起来，由于比特币供应远小于需求，网上交易价值开始上升。到2010年11月初，比特币的价格升至36美分。图1-1 使用比特币购买的两块比萨[8]
2011年2月，比特币继续升值，和美元的兑换率达到了1：1，此后比特币稳定在87美分上下，也曾涨到过1.06美元。
2012年，比特币价格实现爆发式增长，6月份达到1比特币兑换27美元。一个自称MB骑士（KnightMB）的田纳西州人，持有371,000个比特币，价值超过1000万美元，是当时比特币王国最富有的人。而两年前豪涅茨买比萨花的10000个比特币，已经价值272,329美元，豪涅茨打趣地说：“我觉得没啥，那些比萨的确好吃。”随着比特币交易的活跃，更多比特币交易平台承担起了“比特币兑换现金”和“现金购买比特币”的功能。
2013年，是比特币发展的一个高峰。全球的银行家、投资人、互联网公司的高管都开始关注和参与比特币交易。他们认为，比特币对未来金融创新有很大的意义。比特币的价格在2013年上升了大约100倍。2013年11月，在中国买家的带动下，比特币价格攻破1000美元大关，最高达到1200美元，并一度接近一盎司黄金的价格，中国的比特币交易所开始获得全球比特币的定价权，引领全球行情。但是，机遇与挑战并存，也就是在这一年，比特币遭遇了一次重大技术风险。2013年3月11日，比特币客户端版本号为0.8的新版本和旧版本产生冲突，引起了比特币网络在高度为225430处区块的硬分叉，使用0.7等旧版本的矿工和比特币商家拒绝接受新计算出来的区块链。在强迫大型矿池返回0.7旧版本后，分叉重新合并，问题得到解决。也是在这一年，世界各国加强了对比特币的监管。5月份，两家美国比特币交易所被关闭，美国开始重视比特币给美元带来的挑战，并出台了一系列监管措施。12月份，中国人民银行等五部委联合出台《关于防范比特币风险的通知》，国内第三方支付机构开始不支持比特币交易平台的转账和提现，受此影响Okcoin和比特币中国等比特币交易平台宣布暂停人民币充值，比特币价格大跌60％，随后在美国和欧洲买盘的推动下，价格企稳反弹，回到800美元左右。
2014年，比特币界又遭遇了一场重大变革。2014年2月，曾是全球最大的比特币交易网站Mt.Gox正式宣布申请破产，并于2014年3月3日在网站公告称，由于比特币系统漏洞被利用，导致约85万枚比特币被非法转移。人们对比特币的信心骤减。这一年，非法比特币交易也猖獗起来，如用于敲诈勒索、购买毒品、雇用打手、与恐怖组织关联等，让比特币一度声名狼藉。Mt.Gox关闭，却让中国的比特币交易平台火爆起来，中国买家一跃成为购买比特币的主力人群。
随着比特币的日益风行，世界各国监管机构纷纷出台法律法规，明确界定了比特币的性质。2013年6月，德国议会决定持有比特币一年以上将予以免税，比特币随后被德国财政部认定为“记账单位”，这意味着比特币在德国已被视为合法货币，并且可以用来交税和从事贸易活动。2013年8月，美国得克萨斯州地方法院在一起比特币虚拟对冲基金的案件中裁定，比特币是一种货币，应该将其纳入金融法规的监管范围之内。美国商品期货交易委员会将比特币和其他数字货币定义为商品。2013年12月，中国政府的《关于防范比特币风险的通知》指出，虽然比特币被称为“货币”，但由于其不是由货币当局发行，不具有法偿性与强制性等货币属性，并不是真正意义的货币，禁止国内银行和第三方支付机构替比特币交易平台提供开户、充值、支付、提现等服务。中国政府认为，比特币是一种特定的虚拟商品。在英国，比特币被认为是货币，而在瑞典和德国它则被视为商品。欧盟法院为了解决内部分歧，认定比特币就是一种货币，但不是法定货币。
在2015年的大部分时候，比特币的价值已经相当稳定，比特币的价格都维持在了250美元上下。各国监管机构和金融机构也逐步开始承认它。
到2016年4月28日晚8点，比特币总市值448亿美元，比特币价格为445美元，比特币区块链上共有409,270个区块，总数据容量60GB以上。全网算力1044Petahash/s，目前我国的天河二号超级计算机的算力也只有33Petahash/s。
2015—2016年比特币市场走势如图1-2所示。图1-2 2015－2016年比特币市场走势（数据来源：OkCoin[9]）
当前，比特币仍然是全球最大的数字货币。作为区块链的第一个成功应用，比特币也是区块链的最大实验田！2.扩展到了更多数字代币
比特币不是网上唯一的数字货币，还有以太坊（Ethereum）、莱特币（Litecoin）、瑞波币（Ripple）等其他数字货币（或称为数字代币），这些货币的支撑技术也多是区块链。
TOP 15数字代币如表1-1所示。表1-1 TOP 15的数字代币（按照曾经达到的最高市值来排名）
数据来源：Coinmarketcap[10]（二）认识区块链1.区块链的大事记
起初，区块链仅仅是比特币的分布式账本系统。随后，利用区块链技术，又产生出很多“山寨币”，这些数字化的资产被统称为“区块链资产”，区块链就成为了很多金融资产的分布式账本系统。未来，区块链可能成为更多数字化资产的“分布式账本系统”。人们对其关注度已经远远高于比特币本身。
我们先看一下区块链的大事记。
2008年：中本聪首次提出区块链的概念。
2009年：第一个区块，被称为“创世区块”诞生，比特币成为区块链的首个应用。
2012年：瑞波币（Ripple）协议系统发布，在比特币去中心化的思想基础上，创造了去中心化的支付和清算系统，利用区块链进行跨国转账，试图挑战国际银行间支付清算的SWIFT系统的地位。
2013年：3月，比特币区块链出现硬分叉，强迫大型矿池返回0.7旧版本后，分叉重新合并，问题得到解决。9月，一个山寨币——美卡币（MEC）区块链发生断裂，数据更新中断1天后，发布新版本，重新接回一条区块链，艰难复活。
2014年：这是区块链快速创新的一年！
奥斯汀·希尔（Austin Hill）和亚当·贝克（Adam Back）披露，开始在比特币区块链的基础上打造侧链（Sidechain），着手建立比特币区块链与其他类型区块链之间的连接。
以太坊（Ethereum）项目启动众筹，以太坊把区块链技术应用到货币以外的领域，用于对任何智能资产的注册、存储和交易。
更多围绕区块链技术的互联网服务被开发出来，在区块链信息浏览方面，Coinbase收购区块链信息浏览服务商Blockr.io；在区块链API服务方面，区块链API服务提供商Chain获950万美元A轮投资；在区块链搜索方面，搜索引擎DuckDuckGo等接入区块链查询；在区块链存储方面，Storj公司采用区块链技术为客户提供去中心化的存储服务。
Tilecoin团队发布首个集成区块链技术的物联网实验设备。
2015年：进入区块链发展元年！世界各地的银行、证券公司、投资机构开始进行区块链应用测试，世界经济论坛、全球顶级智库机构、各大主流媒体纷纷发布研究报告和专题分析，为区块链摇旗呐喊，一个共识正在逐步形成：区块链被认为是可以比肩TCP/IP协议的一项伟大技术，将对未来全球经济和社会发展产生重大影响。
这一年，首届全球区块链峰会在上海举办，聚集了国内外区块链领域的精英们，共同研讨区块链的发展。
2016年：区块链技术加速发展和传播。2.给区块链下个定义
区块链是什么？笔者认为：
首先，区块链是一项技术。从技术上看，区块链是在点对点（P2P）网络上构建的分布式数据库系统，利用非对称加密算法进行加密的每个数据存储单元被称为区块，区块与区块按照时间顺序相连形成的链条，称为区块链。
这个定义，非技术专业的读者理解起来会很困难。但是，对于从事区块链技术研发的开发者来说，对P2P网络、分布式数据库、加密技术并不陌生，他们会认为：“不过如此，这有什么了不起？”这也是区块链的与众不同之处，技术实现并不复杂，但是，它建立了一个针对价值转移的完美的协议，实现了一种新的共识机制，对分享经济时代具有巨大的应用价值。
第二，区块链是一个账务系统。从货币学角度看，区块链是数字货币系统的分布式共享账本系统（Distributed Shared Ledger），一段时间内的账务交易信息被加密打包成一个区块，盖上时间戳，一个个区块顺序链接形成一个账本，这是一个去中心化的、网内用户共同维护的账本系统。一个形象的比喻，区块链就是一个可以无限“增加页数”的巨型账本，每个区块可以看作这个账本的“一页”，每增加一个区块，账本就增加一页，“每页”账本记录了1笔或多笔交易。
对于金融界来说，区块链建立起了去中心化、去信任、集体维护的分布式账务管理的新概念，用一个完美的数学解决方案建立了交易各方的信任和共识机制，对于在互联网“大家园”中的网络金融资产的管理，这是一个令人称赞的解决方案。这一机制也便捷了第三方，特别是金融监管者对数字资产交易的追踪和监测。
第三，区块链是一种互联网新系统。从互联网经济角度看，区块链是网络空间中各类互联网资产的分布式管理系统，一段时间内任何数字化、智能化的资产的注册、存储和交易信息都被加密打包成区块，一个个区块相互链接形成了分布式资产管理系统。
区块链示意如图1-3所示。图1-3 区块链示意图[11]
不管是哪个层面的定义，区块链符合互联网经济时代的一些基本特性：● 一是共享开放。系统对所有参与者开放，所有参与者都享有知情
权，人人平等地享有这些区块链信息。● 二是全民共识。所有参与者对全网交易记录的事件顺序和当前状
态建立共识，大家共同信任区块链机制。● 三是公平竞争。谁的算力强或谁的股份大，谁就拥有记账的权利，
谁就能获得更多收益。劳动创造财富，这一思想，在网络空间也
得到了贯彻。● 四是真实完整。每个交易数据都在大家的监督下被真实、完整地
记录，有迹可循，证据充分。● 五是安全可靠。所有数据都被加密，用密码学保证了数据的不可
篡改和不可伪造。通过复杂的校验机制，区块链能够保持数据的
完整性、连续性和一致性，即使部分参与人作假也无法改变区块
链的完整性，更无法篡改区块链中的数据。
区块链的潜力和魅力正在于此！（三）区块链：设计精妙的伟大发明1.解决了拜占庭将军问题
区块链解决了闻名已久的拜占庭将军问题（Byzantine failures）。拜占庭将军问题又称两军问题，是由著名计算机科学家莱斯利·兰伯特（Leslie Lamport）在1982年提出的[12]。他是计算机界的一位泰斗，是美国国家科学院和国家工程院院士、微软研究院首席研究员、2013年图灵奖获得者，他的分布式计算理论奠定了计算机学科的基础。他用拜占庭将军问题来说明点对点通信（P2P）中的基本问题。
故事是这样的，在东罗马帝国时期，几个围攻城堡的联盟将军，只能靠信使来传递信息。将军们思考的问题是：如何防止被其中的叛徒欺骗、迷惑从而做出错误的决策？数学家替他们设计了一套算法，让将军们在接到上一位将军的信息之后，加上自己的签名再转给除发给自己信息之外的其他将军，在这样的信息连环周转中，让将军们得以在不找出叛徒的情况下达成共识，从而能保证得到的信息和做出的决策是正确的。
区块链正是基于这一算法进行设计的。它构建在点对点通信网络（P2P）上，用非对称加密算法和时间戳实现了将军们的“签名转发”机制，保证了区块链无须信任单个节点、却能创建共识网络。区块链不关心参与者是不是叛徒，每个参与者无须了解其他人的背景资料，也不需要借助第三方机构来担保或保证，但区块链技术保障了最后的共识结果是可信的。因此，区块链是用纯数学方法来建立各方的信任关系，交易各方信任关系的建立完全不需要借助第三方，建立信任关系的成本几乎降到了零。这也正是区块链的精髓所在！2.点对点通信网络（P2P）是基础
P2P（Peer to Peer）网络是整个区块链的基础计算架构。P2P网络，或者称为对等网络，是一种常用的计算机通信架构。与我们所熟知的客户端－服务器（C/S）网络架构不同，在P2P网络环境中，成千上万台彼此连接的计算机都处于对等的地位，各个计算机节点直接相连，节点可以自由进入和退出，整个网络一般不依赖专用的集中服务器，如图1-4所示。大家熟悉的网络电影下载工具VeryCd（电驴），就是一个基于P2P网络的互联网服务。P2P网络保障了区块链是一个分布式系统，没有中心枢纽，即所谓“去中心化系统”。
图1-5是用可视化方法显示的某一个时间点全球的矿工节点的分布（即区块链副本分布）情况。每个亮点都是比特币系统中的终端，每个终端都保持一个账本（副本）。图1-4 点对点网络拓扑图1-5 比特币系统中的区块链副本[13]3.区块链是一个“资产账本”
从这一节开始，我们要去探索一下区块链的技术原理。我会尽量把它解释得通俗易懂，但总会涉及很多生僻、技术化的概念。只有设法了解它们，才能真正体会到区块链的本质。
区块链是由“区块+链”构成的，理解区块链，首先要明白什么是区块。
区块（Block）。在区块链中，交易记录数据被以电子化的形式永久储存下来，存放这些交易记录数据的数据存储单元，称为“区块（Block）”。区块是按照时间顺序排列的，每隔一定时间生成一个，每个区块中记录了它在被创建期间发生的所有交易活动。
区块结构（Block Structure）。每一种区块链的区块结构设计可能不完全相同，但一般区块的结构都包含区块头（Header）和区块体（Body）两部分。一个区块的区块头包含了关于区块的关键信息，最为重要的一个信息是上一个区块的哈希值（Hash，也称散列值），用于和上一个区块链接起来，它是区块形成“链”的关键。区块头还记录了区块高度（就是区块顺序编号）、本区块的生成时间（时间戳）、本区块中的交易数量、本区块的总交易金额、本区块大小等相关信息，区块头能为整个区块链数据库提供完整性的保证。一个区块的区块体则记录了经过验证的、区块创建过程中所发生的所有交易的记录。
区块结构有两个非常重要的特点。第一，每个区块上的交易记录是上一个区块形成之后、该区块被创建前发生的所有交易活动，这个特点保证了数据库的完整性。第二，在绝大多数情况下，一旦新区块完成并被加入区块链的尾部，则这个区块的数据记录就再也不能被改变或删除。这个特点保证了数据库的严谨性，即数据无法被篡改。
为了更直观地了解区块结构，我们不妨再进一步，到计算机里面去看看区块的“原形”。让我们去实际打开区块链的文件，看看它的内容。每个比特币“矿工”都会下载安装一个比特币客户端软件（也称为比特币钱包），然后会在用户的计算机上生成整个比特币区块链的数据库文件。如图1-6[14]所示，这是一个网友的比特币区块链文件夹的截图，其中blocks子目录就是存放区块链数据的文件夹。我们打开blocks文件夹，便可以看到很多名为blkXXX.dat的文件，这些文件中保存了区块链数据。图1-6 某用户计算机上的区块文件目录
用一些专用的区块链浏览器可以浏览该区块的内容，还原出区块链的结构。例如，第409394个区块大致记录了如表1-2所示的数据。表1-2 区块的结构
区块体的交易结构。以比特币区块链为例，这是一个分布式账本系统，按照复式记账方法记录了所有的交易数据，每一笔借贷交易都记录了下来。区块体的交易结构如表1-3所示。表1-3 区块体的交易结构
交易结构中记录了交易时间、引用交易的哈希值、交易记录索引编号、比特币支出地址、支出数量、比特币收入地址、收入数量、本次交易的数字签名、交易数据量大小、比特币协议的版本号等细节。
区块链就是把区块按照时间顺序连接在一起的链条。区块链数据库就是以这种方式形成的数据库，所以它是系统内所有节点共享的分布式数据库，网内每一个节点都拥有区块链的完整备份数据。用户每一次打开区块链的客户端软件，都会同步更新区块链数据库。
区块链的分布式架构如图1-7所示。4.密码学的新成就来保证真实、一致和安全
区块按照时间顺序链接形成了区块链。为了保障区块数据的一致性、完整性和安全性，下面看看它是如何进行加密和数字签名的。比特币区块链的设计者——中本聪——采用密码学的方式进行加密和数字签名。这里采用了两个著名的密码学算法，一个是SHA-256哈希算法（或散列算法），另外一个是非对称加密算法。图1-7 区块链的分布式架构
什么是SHA-256哈希算法？SHA是安全哈希算法（Secure Hash Algorithm）的英文缩写，SHA是美国国家安全局（NSA）设计、美国国家标准与技术研究院（NIST）发布的一系列密码哈希函数。哈希算法将任意长度的一串数据转化为一个长度较短、位数固定的输出值，即哈希值（Hash），简单地理解，通过这样的哈希算法“明文”就变成了一个“代码”。SHA-256是SHA算法的一种，它把一串数据转化成为0～2256位之间的一个哈希值。它具有如下特点：
首先，每个哈希值是唯一的。
第二，SHA-256生成的哈希值具有不可逆性，也就是不能从哈希值直接解码出之前的原始数据。
第三，SHA-256哈希算法能够保证相同的数据产生相同的哈希值，不同的数据产生不同的哈希值，哪怕只是一个标点符号的不同，哈希值也是不同的。
所以，一串数据的哈希值就可以用于检验数据的完整性。只要数据被改动了，哪怕是一点点蛛丝马迹，经过SHA-256哈希算法都能够辨识出来。SHA-256哈希算法一般被用于快速查找和加密。这样一种机制保证了区块链的完整性和不可篡改性，任何企图篡改区块链的行为，都会立即暴露，因为新的哈希值与旧的哈希值是不匹配的，如图1-8所示。图1-8 区块链的降维+哈希[15]
什么是非对称加密算法？简单来说，就是在“加密”和“解密”的过程中，分别使用一个“密钥对”中的两个密钥，如果两个密钥满足以下两个条件：（1）对信息用其中一个密钥加密后，只有用另一个密钥才能解开；（2）其中一个密钥公开后，根据公开的密钥别人也无法算出另一个，那么我们就称这个密钥对为非对称密钥对，公开的密钥称为公钥，不公开的密钥称为私钥。公钥是全网公开可见的，所有人都可以用自己的公钥来加密一段信息，生成一个哈希值，保证信息的真实性、完整性；私钥是只有信息拥有者才知道的，被公钥加密过的信息只有拥有相应私钥的人才能够解密，保证信息的安全性。常见的非对称加密算法包括RSA、Elgamal、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）、DSA等，比特币区块链是基于椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）来实现的，关于ECDSA算法的细节，不再赘述，技术大拿们去查阅相关资料吧。
简单地说，假设有三个交易单，分别为代表用户0给用户1支付比特币的“交易单一”，用户1给用户2支付比特币的“交易单二”，用户2给用户3支付比特币的“交易单三”，如图1-9所示[16]。
以“交易单二”为例，“交易单二”的签名过程是付款人（用户1）来完成的，用已经公开的收款人（用户2）的公钥加密上一交易单数据，算出哈希值x，付款人（用户1）用付款人私钥对x进行加密，得到付款人（用户1）的签名，将付款人签名附加在交易单中，发给收款人（用户2）。图1-9 交易的非对称加密“交易单二”的验证过程是收款人（用户2）来完成的，用公开的付款人（用户1）的公钥来解密用户1的私钥，进一步解密付款人（用户1）的签名，得到哈希值。收款人（用户2）利用自己的公钥和上一交易单的数据，也得到另一个散列值y。如果x=y，交易单有效。
分析起来似乎很复杂，但这样的机制保障了交易单的完整性、一致性、安全性和不可篡改性。5.让区块有序链接起来
1）区块哈希
区块链是按照时间顺序首尾连在一起的，简单地说，交易数据经过加密后形成区块的哈希值，这个哈希值将成为下一个区块的重要标记，表明“我是你的父亲”。这个哈希值会向全网广播出去。每个区块会也被标记一个时间，称为“时间戳”。时间戳表示这些交易数据是这个时间点写入的，证明了这些交易数据的存在，也表明“我出生的时间”。
每一个新生区块的区块头都包含了前一个区块的哈希值，这就使得从创世块（第一个区块）到当前区块连接在一起，形成了一条长链，如图1-10所示。图1-10 区块链的结构图
时间戳技术让区块链记录了被记录对象的完整历史。从第一个区块开始，到最新产生的区块，区块链上存储了全部历史数据，而且区块链还在不断繁殖着。到2016年4月28日晚8点，比特币区块链上共有409,270个区块了。
2）交易的哈希
每个交易会被一个称为默克尔树（Merkle）的数据结构来进行哈希值计算和存储，但只有根哈希值被记录在区块的哈希值中。
每笔交易都要做一个Merkle哈希，每个哈希值被记录在一个Merkle哈希树上。在一笔比特币被支出后，相应Merkle节点值也会发生变化。如图1-11所示[17]，Tx0、Tx1、Tx2交易变化后，就从区块的Merkle树中“修剪”。图1-11 交易哈希的默克尔树
比特币的默克尔树结构支持一个叫“简化支付验证（SPV）”的协议，通过该协议，一个没有下载完整区块链的客户端，也能够通过向其他节点索要包括从交易哈希沿默克尔树上溯至区链头处的根哈希的哈希序列，以此来快速确认交易输出的正确性。
对于默克尔树的任何部分进行改变的尝试都会最终导致链上某处的不一致。记录的交易是不可篡改的。6.共识才是源源不断的动力
共识机制就是对区块链的记账权进行集体验证的机制。共识机制有几种，主要是工作量证明机制和股权证明机制，通过工作量或者股权的证明，人们能够对记账优先权达成共识。工作量证明机制，就是所谓的挖矿机制，谁算力强，谁就有优先记账权。股权证明机制是通过持币数量和持币时间来形成股权，谁持有的股权多，谁挖矿的难度就小，谁就更优先获得记账权。
1）工作量证明
工作量证明（Proof Of Work，简称POW），是区块链中最难懂的一个部分。简单地说，POW就是一份工作量的证书，它能够说明你为此工作了一定量的时间。比方说，大学四年学习，你拿到了毕业证书，证明你确实认认真真学习了四年，这就是一个工作量证明。
工作量证明的简单原理是，一方（通常称为证明人）出示计算结果，这个结果众所周知是很难计算的。但验证计算结果很容易，通过验证这个结果，任何人都能够确认：证明人确实执行了一定量的计算工作量来产生这个结果。
POW可以用很多工具来做。但第一个POW工具是Adam Back在1996年开发的“哈希现金（Hashcash）”程序[18]，没错，Adam也是发明侧链的大师。中本聪正是受哈希现金程序的启发，设计了区块链的工作量证明机制。
哈希现金程序最早被用于反垃圾邮件。它的原理是这样的，邮件的发件人在邮件头要附加一个随机数，每次对随机数进行SHA算法加密，产生一个哈希值，如果这个哈希值与要破解的难题中的哈希值匹配，前面若干个字节都是0（比如20个），那么就算求解了这道难题，找到了随机数——“一个中奖号码”，就荣幸地领到了工作量证书，于是发送包含随机数的邮件信息给收件人。收件人收到信息以后，也对这个由发件人发现的随机数进行哈希计算，验证后发现前20个字节确实是0，于是相信发件人不是一个垃圾制造者，他发的是一个正常的邮件。在这个案例中，工作量大概是，发件人平均需要经过220个随机数搜索后，大概可以找到一个前20位字节是0的哈希值。因为前20个字节，每一字节是0的概率都是1/2，所以总的概率就是1/220。可想而知，这是多么复杂的一个计算！
比特币区块的生成过程中也使用了哈希现金程序，比特币区块链采矿工作的方式，要求使用者（即矿工）拼全力找到一个“随机数”，称为Nonce，使得其SHA-256（信息+随机数）算法产生的哈希值以一串零开头，并和上一个区块的哈希值前面的0的数量刚好匹配，然后把找到的随机数与信息一起发送出去，作为其工作量证明。
下面看看它是如何工作的。SHA-256算法也被称为单向函数，即其结果很难计算得出，但却很容易被验证。如果想把这个结果反向计算出来，需要尝试遍历每个输入的随机数，直到某个随机数与之匹配为止。所谓遍历就是一个个地试，就好像我们不知道别人的密码，但知道这是一个两位数，就把两位数的各种组合试个遍，最终总能试出来。
下面是一个区块的哈希值：
“0000000000000000052d657768acaedd6ce0f21bb73b4189ec439fdebf1f536e”
前面有一串0，0的个数决定了区块难度系数。0越多，算力攻击的概率难度呈指数上升。因为，找出以“0”打头的SHA-256的输入值平均需要尝试16次，“00”打头的平均需要尝试256次，依此类推。上面这个区块，17个0，平均需要尝试268次才能找到一个随机数。
工作量证明如此之难，是为了阻止攻击者轻易伪装成数以百万计的节点，凌驾于比特币网络之上，引入另一个区块链，并推翻之前的交易，引入新的交易。要达到这样的目的，任何想要攻击比特币网络的人，都必须完成极其巨量的SHA-256运算，这样做的成本根本不划算。
要得到匹配的区块哈希值，需要经过大量尝试性的计算，计算时间取决于矿机的哈希运算速度。当某个计算节点提供出一个匹配的区块哈希值，说明该节点确实经过了大量的尝试性计算。这个计算次数就是工作量。当然，并不能得出计算次数的绝对值，因为寻找合理哈希值是一个概率事件。当节点拥有全网n％的算力时，该节点即有n/100的概率找到区块哈希值。
但是，这也产生了很严重的一个问题：工作量证明是相当浪费资源的。比特币网络每秒进行600千亿次运算，最终这些运算并没有任何实际或科学用途。其唯一目的在于解决工作量证明问题。当然，在没有其他选择的情况下，这种工作量证明的浪费对于获得全球数字货币流通，代价可能并不算大。在2009年，工作量证明确实是唯一也是最合适的选择。
POW确保只有合法的区块才能加进来。一旦一个基于哈希算力的POW的难题被求解了，矿工获得记账权，区块经过验证后链接到区块链中，就会永久地存储起来，任何人或机器都无法修改。而每个区块的合法性验证包括了对其中的所有交易的合法性检验和区块之间数据关联性规则的检验。只有第一个完成这个难题的矿工节点才能把新的区块加入区块链中。区块链网络为每次成功加入新区块的矿工节点奖励一定数量的代币，作为支付其哈希算力的报酬。新的区块被加入后，拥有完整数据的全节点立即向网络中的其他节点通知更新本地的数据库。区块链就这样按照时间顺序和交易持续增加。
在POW机制下，中本聪也预料到了矿工们可能合伙勾结和欺诈，发起所谓的“51％攻击”。理论上，当攻击者拥有了超过全球51％的比特币算力时，他将能伪造比特币网络的任何数据，这就是51％攻击。然而，中本聪通过POW机制，引入了一种成本透明的机制。欺诈的成本是可以预见的，非常巨大！当做坏事的成本是最昂贵和最直接的时候，POW机制催生的分布式账本和无须信任的环境就产生了，它具有根本上的创新性和变革性！从这个意义上看，与POW的共识机制相比，还没有其他任何机制比它更安全。不支持POW的人说它“太耗能”，但天下没有免费的午餐，为了历史记录的不变性，人们不得不牺牲某些能量和成本。至少它对所有人是公平的，对它振振有词的人根本找不到更经济的或者“不劳而获”的方式来获得POW。
但毕竟人们还是需要替代性的方案，股权证明就是一个选择。
2）股权证明（Proof of Stock）
股权证明（Proof of Stock，简称POS）要求证明人提供一定数量的加密货币的股权。POS 所蕴含的理念与股份制公司的原理是一样的，谁拥有股份，谁就在达成共识中具有更多“发言权”，获得记账的概率就更大。为了免除工作量竞争记账的高耗能，在POS机制中，记账权随机地在全网产生，获得记账权的概率和每个矿工钱包中的代币持有量成正比。
POS最早在点点币（PPC）中被采用。根据矿工持有的数字货币的数量和时间，可以分配利息。在POS机制下，有一个专业术语，叫币龄，每个币每天产生1币龄，如果参与者持有100个币，总共持有了30天，那他的币龄就是3000。每具有365币龄，将会从区块中获得0.01个币的利息，实际上可理解为年利率1％。如果矿工获得记账权，创造了一个POS区块，他的相应的币龄就会被清空为0，这位矿工获得了利息0.08个币（3000×0.01/365）。当你获得了利息以后，你的所有币龄将被清空，你的持币时间将从0开始重新算起，这样，再过若干天，你才能再次获得利息。同样，一次比特币的交易后，相应比特币的币龄也会清零。
与POW机制不同，在POS机制中，币龄就代表着算力。POS的SHA-256哈希运算基于如下打包的数据：交易输入数据、其他固定数值数据、时间戳数据。哈希运算的难度是与交易输入的“币龄”成反比的。虽然这种矿机的算力会随着时间直接增长，但每次发现一个新区块，其算力就会归零。
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