编者按：本文系比特大陆的姜家志讲师，在掘金技术社区主办的《给开发者的区块链技术指南 | JTalk 掘金线下活动第五期》 活动上的分享整理。掘金 JTalk 目前已举办5期，每期 JTalk 会邀请垂直行业的优秀工程师来分享优秀的实践经验，技巧方法。旨在为开发者提供线下技术交流互动机会，帮助开发者成长。
姜家志，比特大陆哥白尼项目负责人；BCH 社区资深开发者；10年后端技术及互联开发经验，比太钱包Android 和 iOS 客户端的开发者; 从事区块链底层协议的研究，关注高性能、分布式系统的研发。
区块链现在所有的项目都有一个很大的性能问题，需要从技术方面去克服，这是我们团队关注的一个方向，另外整个区块链产业发展很大一部分推动力是来自于密码学。 我们还有一个任务是把密码学上的一些思路和研究，在工程上进行实现。
我是2013年开始接触比特币，最早接触比特币时，我接近两个星期每晚都处于睡不着觉的状态 。我本想着2015、2016年的时候比特币就应该能普及到很多人了，但经历了14、15年的熊市，觉得可能要再延后几年。出乎意料的是，2017年区块链大规模普及。
今天跟大家分享一下区块链的基本原理及技术方面的实现。
1. 区块链是什么？
什么是区块链？
给区块链一个完整定义是很难的，原因有如下两方面：
现在区块链涉及的行业太多，很难给它一个很明确的定义。 区块链基本上每隔一段时间都会发生很大的改变，大家可以在上面作出更多有意思、好玩的东西。
- 去中心化
比特币最大的特点是去中心化。
采用POW，比如早期的比特币、以太坊等都是使用POW，经过长达十年证明之后，POW在去中心化的实现上是最好的证明。
现在出现POS、DPOS，都是在一定程度上牺牲了去中心化。DPOS采用选举制度，你所投票的人能代表你自己的想法，但并不意味着任何人能够随意的加入网络。
去中心化有几个很鲜明的特点：- 抗审查能力。 在整个网络活动中，对应到整个区块链里就是所发生的一笔交易，不会因为个人原因就会被拒绝，就是抗审查能力。整个网络里，即使一个矿池拒绝了你的交易，也会有其他矿池帮你打包。
- 当某一个网络挂了或某一些不可抗拒原因导致某个节点挂了，不会影响整个网络运转。
POW、BCH、BTC、以太坊都具有这样的能力，任意一个矿池挂了，其他节点依然正常在运转，如果把所有矿池都挂了，在运行节点中的节点会重新搭建起一个全新的狂吃，这样有可能会出现整个网络处理能力的下降，但网络是不可摧毁的。
DPOS这种方式肯定会牺牲以上说的两点特性，如果21节点全部被封禁了，恢复就有一定的困难性(备用节点的设计方案还有待确认)。21节点也同样的具有审查交易的能力，任何人想进入这个网络也很困难（需要通过选举）。我称这种方式为弱中心化，毕竟还是有21节点的，不是一个完全的中心化。弱中心化的设计是为了提高性能上一些指标，为了能做更多事情，牺牲了去中心化的特点。
- 数字化账本
整个区块链都是运行在互联网上 - 不可更改
这个特性在比特币里比较明显，在以太坊里，会出现能更改的可能性。如果一个合约在定义好之后，之后通过交易是可以改变它的状态。但这个可更改性也是之前定义好的，也就是说大家知道你的合约就是这样写的。 - 确定性的复制状态机
简单来说就是整个网络所有节点能够拿到所有的数据。 - 可编程性
在比特币中就有体现。在以太坊上，可编程性被进一步放大，他使用的语言是solidity,它是一种类似于JavaScript的语言。 - 匿名性
因为每个地址/账户在整个网络里，不和真实世界中人物对应。但是因为比特币这种交易是链式的结构，如果你知道这个币给谁了，反向追踪是可以找到源头。匿名性是如果不带入真实世界里，不和真实身份的进行交易的话，是有一定的匿名性。反之，这种匿名性就会消失。这也是为什么交易所会强制做KYC严格身份认证的原因。
区块链工作原理
- 公私钥体系
- 数字签名认可
- 全网广播
- 区块记录交易以交易为单位，每个交易会记录在区块链上，不会记录真实结果，这些交易本身会影响结果。
- 链式结构整个交易、区块都是链式结构，大家一直会往一个方向不断延伸下去，不会出现回路或分叉。
- 参与者确认有效性在比特币中是矿工确认交易，在EOS中是由超级节点确认交易。
区块链特征
区块链是资产型网络。无论现在看到什么样的区块链项目，都运行着一个资产网络。
- 强规则网络有如加密、签名、验证、交易和确认等操作。任何一块不符合规则的话，整个块就会被拒绝。在互联网项目中，出现不一致的情况时，后续是有修复和解决的机会；但是在区块链里，这种可能性非常低。如果出现一个很小Bug，整个网络运行都会出现问题，会对整个网络影响很大。在早期，比特币出现过几次的Bug造成了分叉，全网暂停后重新运行。但现在如果再出现类似Bug，就很严重了，因为当时比特币网络参与人员少，比特币价格低，造成的影响较小。
- 弱信任每个节点都有对等的，把整个区块链理解为数据库，每个节点在系统内都有写入的权限 。在对等的前提下，比特币是通过算力来决定谁能写入的更多。如果你有更大资源，能调动更大的算力，写入的概率就会很大。
- 信任来自于共识机制，非第三方共识机制包括POW、POS、DPOS和DAG。DAG是一种共识机制，它经过了密码学家的认可。
- 去中心化现在很多区块链项目在向弱中心化方向发展，弱中心化的好处也能带来对等信任的关系，这种信任网络可能产生的经济价值会有可能大于以前中心化网络带来的价值。
区块链使用
- 数字化资产
- 像比特币，都是对标一种交易系统。转帐。股权。融资。数字版权。游戏。存储。如果存储解决了，上面的版权、游戏都有可能会在里面，包括新的一些应用或新的网络产生新的价值。目前都处在摸索阶段，整个业内也都有人朝这几个方向去做。
利用BCH 低成本网络的特点，省去手续费，几美元就可以让他们吃很久。这是一种价值网络的转移。这个项目估计让委内瑞拉400、500人受益。非洲也类似的项目。
2. 区块链技术实现
公私钥
整个网络采用的是secp256k1算法。中本聪当年设计比特币时，一些加密库的实现里是美国政府认可的，他认为不是特别靠谱。
Hash
数字签名
由于私钥是要自己保护的，私钥问题从早期一直存在到现在，即密码无法找回，或者没有备份等。在早期时，有人在比特币上挖矿，电脑上面有5000个、8000个都放着，电脑过了一段以后不用了，所有东西都有可能丢失了。整个比特币网络上是2100万个币，据估算找不到的就有五六百万个。
地址
交易
脚本运行
UTXO和账户
为什么有一个UTXO和账户的概念，这里牵涉到UTXO和账户两个系统带来的一些好处。
- UTXO无需维护余额，因为不关心你的余额是什么，只关心它的锁定脚本是什么，有没有输入对应的解锁脚本，所以整个系统不用维护一个地址，当使用一个钱包时，显示地址里有多少余额时，都是钱包算出来的，拿到这个地址下面有多少未发生交易，加在一起就是你的余额。
- 每个UTXO都是独立的数据记录，提升验证交易的速度。
- UTXO本身不用关心事务问题，只关心锁定脚本和解锁脚本。UTXO能够在实现上、编码上给整个系统带来很大的优化，所以比特币在实现去中心化时就非常容易。 在以太坊里要运行智能合约，相应要让每个账户有独立的存数据和取数据能力，使用UTXO这个概念的话，一个数据存了，不太容易找到他存在哪了。账户体系能解决这个问题，现在每一个账户下面都有一个kv存储，自己可以存任何想存的东西， 这样使用智能合约时更加容易实现。
Block
3. 比特币
在津巴布韦发生着我们小时候看课本上的事，推一车钱去买东西，最后把钱扔了，车推走了。津巴布韦现在就处于这个状态，持续通货膨胀，导致法币体系基本崩溃。俄罗斯前几年也出现过货币大面积贬值，一段时间贬值50%左右，还有委内瑞拉。印度去年用新的货币系统替换了旧的货币系统，通过这个事情，GDP都下降了一点 。在整个世界历史上有很多国家正在发生类似这样的事情。
比特币是什么？
- A Peer-to-Peer Electronic Cash System
- 2008年11月1日，由Satoshi Nakamoto发表论文
- 2009年1月3日，创世块诞生 (The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks)，写了一段讽刺的话，当时英国第二次救助银行系统
- 2010年之后，Satoshi本人逐渐消失并人间蒸发
- 总量固定2100万枚
- 比特币发行(Coinbase)挖矿
数学保护的财富
- 财产的绝对控制，私钥是唯一的凭据，失去私钥将失去一切。
- 非对称加密算法，Hash摘要算法。
- 海量账户，以地址（公钥）登记所有权，数量几乎无限供应。
- 全球无缝流通，有网络就有比特币。
- 无伪钞，天然审计。
比特币系统三大特征
- 工作量证明POW，体现在算出来这个Hash值要小于给定的那个值，这个目标值就是全网去维护的，如果算力大了，还是这个目标值的话，肯定不能满足10分钟出一个块了，这个时候就要提高目标值，目标值越来越大，需要的算力就越来越多，这也是为什么现在全网算力这么大，比特币还是保持10分钟左右出块。
- 链式结构，体现在Block和交易上。
- 去中心化系统，没有一个组织能完全封杀掉整个网络或控制整个网络。
挖矿
挖矿也是比特币的一种发行方式，发行交易是Coinbase交易
- 大量尝试随机数找到符合要求数字的过程。
- 工作量证明（POW）的体现。
- 比特币的发行(Coinbase)。
- 高额收益。
- 维系比特币的支付功能，打包交易。
- 大算力保证比特币系统安全。在整个产业链中，付出成本最大的其实是矿工，矿工要有基础建设，要买矿机，成本比较大。
挖矿是利益驱动
- 解决自生长问题，利益驱动，不依赖道德和感情。
- 消除比特币安全威胁。
- 在算力博弈块链的过程中，作恶导致受益下降。
- 利益绑定，拥有巨大算力的组织，会自发的维护系统安全。
- 比特币的长久发展更有利于矿工交易。
- 大算力保证比特币系统安全。挖矿是一个利益绑定，拥有最大的算力组织会自发维护整个系统的安全，比特币长久发展有利于矿工交易，因为矿工在这块投入的成本很高。
挖矿的历史
比特币现状
- 极具有颠覆性的创新产物，但仍然是处于试验阶段
- 币值剧烈波动，还不是稳定结算单位
- 缺乏多数商家的支持
- 受众人数仍然很小
- 系统吞吐能力仍然很小，尚无法支撑全球大规模交易（需要扩容） 比特币极具创新性，目前还处于实验阶段，价格不稳定，现在不是稳定的结算单位。比特币缺少大部分商家支持，而且受众人群少。系统吞吐能力小，无法支撑全球大规模交易，所以需要扩容。比特币扩容历史很艰难，现在分为BCT和BCH。现在不会在扩容问题上继续争吵。
比特币扩容历史
- 2014年Gavin提出扩容问题
- Bitcoin XT （20M,太过于激进）
- 2016年Bitcoin Classic (2M)
- 2016年香港共识，矿工只运行Core的代码，SW第一次出现
- 禁止讨论区块扩容，路线图中只有SW没有直接区块扩容
- Bitcoin Unlimited出现，最高有50%算力支持
- UASH和UAHF
以太坊
4. 以太坊的智能合约
智能合约
- 1990s年代尼克萨博提出
- 一个可以自动执行的计算机程序
- 接收和回应信息，接收和存储价值，向外发送信息和价值
- 图灵完备的语言
以太坊
- 智能合约
- 公共区块链平台
- 以太币是其代币
- Ethereum Virtual Machine
- 点对点的合约
- Vitalik Buterin 在2013提出
- 2014年ICO众筹得以发展
EVM
- 外部账户和合约账户
- 每个账户有一个持久的KV存储
- 交易从一个账户发往另一个账户
- 包含代码代码，就会执行，交易相关的数据作为参数
- EVM执行交易的过程中，会消耗Gas
- 堆栈机器stack EVM虚拟机分为外部账户和合约账户，外部账户专门用来转帐 。合约账户包含一些代码，能在每个节点被执行，交易相关数据是它的参数。如果在合约里面运行一个很长的代码， 允许它一直运行的话，会有可能把整个系统资源耗死，所以它有一个Gas的概念，要是想运行东西，就必须付钱，当付的钱消耗完了，这个合约就执行完了， 如果Gas消耗完了就不执行了，有没有结果就不关心了，这样能保证了保证整个系统安全。
Solidity
- Solidity是以太坊使用的类似JavaScript的高级语言
- 以编译的方式生成以太坊虚拟机代码
- 数据的每一个状态都可以永久存储
- 强调合约或者函数执行的调用方式
- 一旦出现异常，所有的执行都将被回撤
- Gas消耗完合约停止
- Remix无需安装的浏览器编译器
ERC 2.0
- ICO
- ERC20是一套标准接口
- 钱包自动支持代币
- 把ETH打到对应的合约地址上，自动获得代币 ERC2.0本质是一套对应的接口，适应这个接口，就能完成ICO的过程。好处是把以太坊打到对应ICO合约地址上，就能自动获取代币，这对用户来讲比较简单，所以有人在网上说5分钟教你怎么发token。
CryptoKitties 加密猫
- ERC721 Token
- 每一只猫都是一种代币
- 每一只猫都是独一无二的
- 每一只猫都有自己的基因 加密猫也是一种代币，加密猫最高成交的价格好像是1亿多，每一个猫都独一无二，因为天然是一种代币，和token一样，它还有自己的基因，这是游戏的玩法了。
5. 如何开始
区块链行业构成
- 底层协议
- 矿池制造
- 矿池
- 交易所
- 钱包
- 媒体 其中底层协议最关键。有一个说法，现在底层协议架构类似于98年的互联网，当时大家做各种网络协议，HTTP协议等很多，现在的区块链其实也是。
技术方向上
• 优秀的编程能力 • Go,C/C• 分布式协议 • 数据库 • 编译器 • 操作系统，内核 • 密码学算法
加入区块链企业是了解和学习区块链的最好方式
以上是《给开发者的区块链技术指南 | JTalk 掘金线下活动第五期》 讲师姜家志的分享，如果你对掘金的 JTalk 线下活动感兴趣，可以关注掘金活动页面的 JTalk 活动报名。掘金 JTalk 目前已举办5期，每月一期的 JTalk 会邀请垂直行业的优秀工程师来分享优秀的实践经验，技巧方法。旨在为开发者提供线下技术交流互动机会，帮助开发者成长。
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- 主题：从前端到“后端”
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