第一部分—区块链技术篇
第1章区块链技术概览
1.1 区块链的基本介绍
区块链是一种去中心化的记录技术，形象地说，是一个存储在所有相关的计算机并且可以由任何人进行查阅的大账本。比特币是区块链技术的第一个应用，是一种可全球范围内可交易的数字货币。随着比特币价格的疯狂增长，区块链技术也快速进入大众的视野，并且被不断应用起来，图1-1为比特币价格走势。
图1-1 2013年4月到2019年1月的比特币价格走势
比特币重要的发展历史阶段：
● 2008年11月1日，中本聪发布比特币白皮书；
● 2009年1月3日，创世区块，挖出第一批50枚比特币；
● 2010年5月21日，“比特币比萨日”程序员用1万枚比特币购买25美元比萨；
● 2013年4月13日，一枚比特币价格为266美元；
● 2013年，德国、美国得克萨斯州、印度、加拿大支持比特币；
● 2013年12月5日，中国五部委发布《关于防范比特币风险的通知》；
● 2016年初，中国人民银行明确将发行“数字货币”；
● 2017年12月，一枚比特币价格达到2万美元顶峰，之后逐渐回落。
1.2 区块链的核心技术
1.分布式结构
区块链设计最精妙的地方是，它并不赞同把数据记录并存储在中心化的一台或几台计算机上，而是让每一个参与的节点来完成这些工作，也就是具有分布式结构（图1-2）。这也意味着，在区块链网络中分布着众多的节点，节点与节点之间可以自由连接进行数据、资产、信息的交换，而无须通过第三方中心机构。在大部分区块链项目中，采用的是 P2P （ Peer-to-Peer ，点对点）的网络模式，即各个节点之间保持相同的地位，发挥一样的作用，任意点与点之间可进行通信。
图1-2 中心化结构与分布式结构图
a） 中心化结构 b） 分布式结构
2.区块和链
为了使得账本不可篡改，交易信息的相关数据被存放在区块中。当新的交易数据形成后，这些数据和上一个区块的相关数据被打包进下一个区块中，每个区块的块头包含指向前一个区块的信息，前后形成链式结构，通过区块头的哈希校验，使得每个区块受下一个区块的保护从而防止篡改。
“区块+链”的形式保存了从第一个区块开始的所有历史数据，连接的形式是后一个区块拥有前一个区块的哈希值，区块链上任何一条记录都可通过链式结构追溯本源（图1-3）。
图1-3 区块链结构示意图
3.共识机制
区块链上的共识机制主要解决如下两个问题：如何在去中心化的网络中使得各个节点的信息保持一致，以及当多个计算机（节点）都想参与记账的时候，应该选择谁来记账的问题。解决方案包括工作量证明机制 Proof of Work （PoW），权益证明机制 Proof of Stake（PoS）、股份授权证明机制 Delegated Proof of Stake（DPoS）以及拜占庭容错（PBFT）（表1-1）。
表1-1 四种共识机制的对比
4.数字加密
数字货币的所有权是通过数字密钥、比特币地址和数字签名来确定的。为了解决信息的安全性问题，一般使用非对称加密算法来保证个人数字资产不被盗取。非对称加密使用一对密钥，一个用来加密，一个用来解密，而且公钥是公开的，密钥是自己保存的，在通信前不需要先同步密钥，避免了在同步私钥过程中被黑客盗取信息的风险。公钥和私钥是一对，如果用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密（图1-4）。
图1-4 数字加密的过程
私钥是随机选出的数字，然后通过非对称加密（椭圆曲线函数）产生一个公钥，最后公钥再通过哈希函数转化成比特币地址。比特币地址是由数字与字母构成，可以与任何人分享。
1.3 区块链的特点
● 去中心化：由大家共同记账来保证账本的准确性和安全性，整个过程不需要一个中心化的平台；同时甲和乙之间的交易无须两人互相了解，就可以在区块链内有保障地进行。
● 信息完备且公开透明：决定记账权的共识算法是公开的，除了交易各方的私有信息被加密以外，任何人都可以通过公开的接口查询区块链数据并开发相关应用。
● 不可篡改：区块链使用了密码学技术来保证区块链上的信息不被篡改，主要用到的是密码学中的哈希函数以及非对称加密。
● 可追溯：区块链中每一笔交易可以通过链式结构追本溯源，一笔一笔进行验证。
● 隐私信息匿名化：在区块链上交易的过程是透明的，但是用户的隐私信息却可以得到保护，具有匿名性。
● 自治性：在没有人为干预的前提下，通过预先设定的业务规则自动运行。
1.4 区块链的分类
区块链分为公有链、私有链和联盟链（表 1-2）。公有链是指全世界任何人都可以参与共识过程、读取信息、发送交易的区块链，通常被认为是“完全去中心化”的。而私有链的写入权限仅仅掌握在一个组织手里，读取权限可以被任意程度地限制。联盟链是指共识过程受到预选节点控制的区块链，可被视为“部分去中心化”。
表1-2 区块链的分类
1.5 本书导读
本书由“区块链技术篇”“应用场景篇”“现状与展望篇”三部分组成。
在“区块链技术篇”，第 2～5 章主要介绍区块链领域的涉及的基础技术。一般可认为区块链技术是 P2P 网络的一种发展，在 P2P 网络架构上，区块链结合密码学等各个学科的研究成果，最终发挥出巨大的威力。而第 3 章数据结构，将解释“区块链”名称的由来，这一名称实际上指向一种存储数据的方式。第 4 章共识机制，将介绍 P2P 网络中各个节点是如何同步信息、记录交易信息的。第 5 章哈希函数，将讲解区块链领域应用最广泛的加密方式—哈希函数，并列出其在比特币项目中的应用。
第6～10章主要阐述区块链技术的发展成果。第6章零知识证明是一种密码学发展，为隐私保护的研究提供了方向。哈希时间锁协议、分片技术均是力求提高区块链交易信息处理能力的技术。空间证明公式算法、Mimble-Wimble 技术是基于比特币项目的改进，前者旨在提供一种新的共识方式，以减少比特币项目所带来的资源浪费；后者则在隐私保护和减少存储空间两方面有所发展。
基于对技术的了解，在“应用场景篇”，分别介绍了区块链与泛金融领域、供应链行业、公益领域、数字身份、版权、医疗、共享经济、游戏、社交、能源10个行业落地的前景。其中，某些行业与区块链技术非常契合，而某些行业则未必如此。在这一篇中，我们力求为读者提供独立、明晰的见解。
在“现状与展望篇”，我们主要用演绎的方法对区块链的未来进行展望和探索，并就共享单车、租房、打车等具体问题进行分析，提出实际的解决方案。我们希望以此为例，向读者展示区块链技术在具体落实层面上可采取的方法，以及将产生的影响。最后，我们以资产上链和通证经济作为结束—我们认为，这是指向区块链未来发展的两个重要方向。
通过三个篇目的介绍，我们希望能使读者对区块链领域有一个全局式的了解。当读者日后再面对浩如烟海的区块链信息时，能够独立思考，抓住问题关键，在免受蒙蔽的同时把握机遇，共同迎接区块链浪潮所带来的巨大变革！