区块链起源比特币，区块链基础设施

区块链起源于比特币。 2008年11月1日，一位自称中本聪的人发表了《比特币：一种点对点的电子现金系统》一文，阐述了基于P2P网络技术，电子现金系统的架构理念，如加密技术、时间戳技术、区块链技术等，标志着比特币的诞生。 两个月后，理论进入实践，2009年1月3日比特币的区块结构是如何的，第一个序号为0的创世区块诞生。 几天后，也就是2009年1月9日，出现了一个序号为1的区块，并与序号为0的创世区块连接成一条链，标志着区块链的诞生。

在说比特币之前，我们先来看一下区块链存储接口，或者说比特币的存储结构，如下图所示：

块大致可以分为两部分：头部和主体。 区块头通常包括前一个区块的哈希值（父哈希值）、时间戳和其他信息。 哈希是一种密码算法，它可以通过一定的加密算法将任意一条信息表示为一串“乱码”，即哈希值。 parent hash指向上一个区块的地址（head hash），这个递归可以帮助我们追溯到区块链的第一个head block，也就是创世区块。

每个特定块的块头都有一个唯一标识符，即块头哈希。 任何节点都可以通过简单地对区块头进行哈希处理，独立获得区块的哈希值。 区块高度是区块的另一个标识，类似于区块头哈希。 创世块的高度为0，以此类推。

1. 比特币基础介绍

就像比特币的第一个创世区块诞生于2009年，一直活跃到今天，无论是炒币还是挖矿比特币的区块结构是如何的，比特币都是将区块链技术应用到顶峰的（插一句题外话，2019年的前十） 2010年中国青年富豪榜，有几位在玩比特币，还有一些是教育或房地产，可见潜力巨大）。 比特币区块结构如下图所示：

以上图中的比特币#515056区块为例。 除了区块头哈希、父哈希和默克尔根之外，区块头还包含以下重要信息：

奖励（区块奖励）：系统发放给找到正确哈希值并创建新区块的矿工的奖励，这是内置代币系统的区块链所独有的。 其实我的理解是，每一个挖矿的都是区块的发现者，然后系统会奖励一些比特币。 就比特币而言，目前比特币区块链奖励为12.5个比特币，而这个数字每四年减半（比特币总量定为2100万个），简单算上今年，区块奖励为1.5个。

2. 区块链的三大关键机制：密码学原理 1. 密码学原理

密码学原理之一：哈希算法

哈希算法是输入一个字符串，通过指定的加密规则，然后输出固定长度的加密字符的算法结构。 它计算中的哈希值实际上是为了标识当前区块的全局唯一性。 就像我们在工作中需要识别用户信息，或者识别用户购买订单信息等。

密码学第二原理：非对称加密

非对称加密是指加密和解密使用不同密钥的加密算法，也称为公私钥加密。 在区块链网络中，每个节点都有一对唯一的私钥和公钥。 公钥是密钥对中公开的部分，就像银行账户可以公开一样，私钥是非公开的部分，就像账户密码一样。 使用这个密钥对时，如果一段数据用一个密钥加密，则必须用另一个密钥解密。

在比特币区块链中，私钥代表对比特币的控制权。 交易发起者用私钥对交易（包括转账金额和转账地址）进行签名，并广播签名的交易和公钥。 各节点收到交易后，可以使用公钥验证交易是否合法。 在此过程中，交易发起方无需公开自己的私钥，从而达到保密的目的。

2. 区块链三大关键机制：数据存储结构（默克尔树）

Merkle Tree是一种树结构。 这种树状数据结构可以高效地快速汇总和检查大规模数据的完整性。 在时间复杂度上，树结构优于其他结构。 在比特币网络中，默克尔树用于汇总一个区块中的所有交易，它的根节点是整个交易集合的哈希值，最底层的叶子节点是数据块的哈希值，非叶子节点是哈希值其相应子节点的串联字符串。 我们只需要记住根节点的散列。 只要树中任意一个节点被篡改，根节点的哈希值就不会匹配，从而达到验证的目的。

2. 区块链三大关键机制：共识机制

共识机制是区块链网络的核心秘密。 简单来说，共识机制就是区块链节点对全网区块信息达成共识的一种机制，可以保证最新的区块被准确添加到区块链中，并且节点存储的区块链信息是一致的没有分叉，甚至可以抵抗恶毒的攻击。 在实践中要达到这样的效果，需要满足两个条件：一是选择唯一的节点生成区块，二是让分布式数据记录不可逆。

目前主流的共识机制包括：工作量证明/POW（Proof of Work）、权益证明/POS（Proof of Stake）、混合工作量证明和权益证明（POS+POW）、股份授权凭证/DPOS（Delegated Proof-of-Stake)、Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT)、Ripple Consensus Protocol 等。其中，比特币采用工作量证明机制。

工作量证明/POW（比特币就是基于这种共识机制）

工作量证明机制的基本步骤如下：

1) 节点监控全网数据记录，通过基础合法性验证的数据记录将被暂存；

2）节点消耗自身算力尝试不同的随机数（nonce），进行指定的哈希计算，重复该过程，直到找到合理的随机数。 这个过程也叫“挖矿”，所以这个过程对运算速度的要求是惊人的，耗电量也极其巨大；

3）找到合理的随机数后，生成区块信息（区块头+区块体）；

4) 节点向外部广播新生成的区块，其他节点验证通过后，接入区块链，主链高度加一，所有节点切换到新区块，继续下一轮挖矿。

比特币区块链就是通过解决工作量足够大的数学问题来达成“谁有权记账”的共识。 “矿工”在挖矿过程中将获得两种奖励：创建新区块的新币种奖励，以及区块中包含的交易的交易手续费（交易双方将提供矿工为交易记录在区块链中）尽快）交易费作为奖励）。 该算法的竞争机制和获胜者有权在区块链上记录交易的机制实际上分别解决了分布式记账和记账权归属问题。 在比特币区块链中，这个过程也起到了货币发行的作用——目前每 10 分钟，一个发现新区块的矿工就会得到奖励。

虽然工作量证明机制解决了记账权的归属问题，但是获得记账权的矿工是否有可能“作弊”，在构建的新区块中添加一些不存在的交易呢？ 事实上，比特币区块链共识机制的一个重要部分就是网络中的每个节点都会独立验证新区块，其中最重要的是验证新区块中的每笔交易是否合法。 如果它没有通过验证，新区块将被拒绝，矿工将浪费他们所有的力量和努力。