区块链技术与应用详解

区块链技术源于1991年斯图尔特·哈伯和W.斯科特·斯托内塔的研究，旨在打造一个无法篡改文档时间戳的系统。然而，直到2009年比特币的诞生，这一技术才真正走入现实世界。众所周知的"挖矿"过程，实际上是在寻找满足特定条件的nonce整数，确保以下不等式成立：

SHA256(SHA256($version+$hashPrevBlock+$hashMerkleRoot+ $timeStamp+ $target+ $nonce)) ≤ $target

本文旨在科普区块链与加密数字货币的基础知识，并阐述相关概念。

一、区块链基本原理与运作机制

区块链，顾名思义，是由一系列通过链接（chain）组织起来的数据块（block），它是一种应用于公共数据库的分布式记账系统，主要用于加密数字货币（如比特币），被认为是互联网以来最重大的创新之一。每个区块主要包含以下三个要素：

区块链技术与应用详解

交易详情，如日期、时间和金额等。

交易双方，信息以数字签名形式存在而非真实身份信息。

区块的独特标识（hash值），使其与其他区块区分开来。

在比特币区块链中，每个区块可容纳的最大数据量为1MB。

二、区块的生成与加入流程

交易需发生。实际操作中，一个区块通常包含多笔交易。

交易需审核验证。如同信用卡交易需核对签名或密码，区块链交易的合法性则由遍布全球的计算机网络实时核查，确保交易的时间、金额及参与方准确无误。

交易需储存于区块之中。交易核实后，相关信息会被存储至区块中，与其他数千笔交易共同构成区块内容。

当区块内的所有交易通过验证，也就是完成“挖矿”后，该区块将获得一个独一无二的标识符——hash值，继而被纳入区块链中。

三、钱包、公钥与私钥

钱包（wallet）：是承载加密货币（如比特币）交易的应用程序，内含一对独特的密钥，即公钥和私钥，它们在初次交易时生成。

私钥：用于授权用户从账户中支出、提取或转移资产，并在交易广播到区块链网络前对其进行数字签名，以此证明私钥所有权。私钥须妥善保管，一旦丢失，钱包内的加密货币将无法找回（表现为64位由0-9或A-F组成的字符串，重要时可抄写在纸上并存放在保险箱中）。

公钥：由私钥通过复杂算法衍生而来，且无法逆向推导出私钥。他人可通过公钥验证该数字签名确实出自私钥持有者的生成。交易验证合法后，资金将转账至接收者的公开地址。

公开地址：由公钥经过哈希运算生成，类似于银行账号，交易时，发送者需要接收者的公开地址方可发送Token或加密货币，而接收者则可用其私钥消费或提取。

四、安全保障机制

区块链技术采用以下三种手段保障安全与信任：

按线性时间顺序存储，即新区块总是追加至区块链尾部。截至2020年4月18日20:36，比特币区块链区块高度已超过626548。

提升篡改、删除区块内容的难度，每个区块均包含自身及其前一个区块的哈希值。一旦某个区块内容被篡改，将导致后续所有区块的哈希值发生变化。黑客要掩饰这种改动，必须重新计算这些区块的哈希值，代价高昂，同时也因为每个区块在区块链网络中具有唯一高度，删除某一区块的操作变得几乎不可能。

共识模型验证，区块链网络要求用户计算机解决复杂数学问题以证明自身资质，当某计算机成功解决问题，便有权向区块链中添加新区块。然而，直至2020年4月，比特币网络中解决这类问题的概率仅为约15.5万亿分之一，为此，计算机需耗费大量电力运行相应程序。

五、工作量证明与挖矿

工作量证明（Proof of Work，PoW）是众多加密货币的基础机制，它构建了一个系统，要求参与者付出一定但可实施的努力来防止滥用计算资源。

为一组比特币交易生成随机哈希值对现代计算机来说非常简单，于是，为使之成为一个更加实质性的任务，比特币网络设置了难度级别，即设定目标值（target）。目标值越低，生成有效哈希值的范围就越小，相应生成难度越大。矿工们通过调整一个一次性使用的整数（nonce）以改变输入数据，找到一个符合目标值的有效哈希值后，会将其广播至网络，并将区块添加至区块链，而成功找到nonce整数的矿工会获得相应的加密货币奖励，这个nonce整数即为需解决的数学难题。

六、双重支付与安全挑战

双重支付（Double-Spending）是指用同一笔数字货币进行两次消费，这是加密货币面临的核心安全挑战。比特币之所以长久屹立并深受推崇，正是因为成功解决了这个问题。

以现实生活中的星巴克购咖啡为例，顾客支付现金50元后，店员立刻确认并交付商品，这笔交易即告完成，顾客无法再次使用这50元。而在微信或支付宝支付场景下，账户余额减少，两次交易无法同时扣除相同金额，因为银联系统会确保第二笔交易建立在第一笔交易完成基础上。

但在比特币等数字货币领域，初期账户中并无Coin，需要通过挖矿获取。币种的去中心化特性使得Coin无法集中存储，私钥仅能提取和消费属于自己的Coin，一旦私钥丢失，对应的Coin（包括自己的和其他人的）将永久失去。

比特币如何防范双重支付呢？举个场景：买家使用私钥对其持有的1个比特币进行签名后，分别向卖家A和卖家B的公开地址发出交易请求，两位卖家各自用自己的私钥确认交易，这两笔交易随后进入待确认池等待矿工审核。通常情况下，第一笔交易会被矿工确认并加入下一个区块，而第二笔交易则被视为无效并从网络中剔除。然而，由于网络存在延迟，两个交易可能同时被不同矿工选取进行确认。这时，获得最多确认数的交易将会被写入区块链，而另一笔交易将被废弃。在这种情况下，卖家A可能无法获得Coin，利益受损。

解决之道在于，卖家应当等待至少6次确认。这意味着一笔交易被写入区块链后，接下来还有6个包含其他交易的新区块被添加。每个区块及其所包含的交易皆与之前的区块相关联（基于哈希值）。攻击者若想逆转最近6个区块内的所有交易以实现双重支付，在计算层面上几乎是不可能的任务。当卖家收到6次确认后，即可确信该笔交易并非源自试图进行双重支付的买家。