区块链背后的 4 大核心技术

作者｜陈昊

来源｜极客时代《简单来说区块链》专栏

区块链技术定义

简单来说，区块链是一个分布式数据库，提供拜占庭容错，确保最终一致性；从数据结构上看，是基于时间序列的链式数据块结构；在节点拓扑上，其所有节点互为冗余备份；在操作上，它提供了一个基于密码学的公私钥管理系统来管理账户。

也许上面的概念太抽象了。让我举个例子让你理解。

你可以想象一下，全世界分布着100台电脑，这100台机器之间的网络是一个广域网，这100台机器的拥有者之间互不信任。

那么，我们可以用什么样的算法（共识机制）来为它提供一个可信的环境并做出：

节点之间的数据交换过程不可篡改，生成的历史记录不可篡改；各节点的数据会同步到最新数据，验证最新数据的有效性；基于少数服从多数的原则，整体节点维护的数据能够客观地反映交易历史。

区块链是解决上述问题的技术方案。

结合我们过去讲过的和即将讲到的，我们将首先提炼区块链的7个技术特征。先记住，后面再讲：

区块链的存储基于分布式数据库；数据库是区块链的数据载体，区块链是交易的业务逻辑载体；区块链按时间序列化区块数据，全网有一个Finalize状态；区块链只对添加有效比特币 区块链技术，对其他操作无效；交易基于非对称加密的公钥和私钥进行验证；区块链网络要求拜占庭将军具有容错性；共识算法可以“解决”双花问题。

区块链的核心技术构成

无论是公链还是联盟链，至少需要四个模块：P2P网络协议、分布式共识算法（共识机制）、密码签名算法、账户和存储模型。

1.P2P 网络协议

P2P网络协议是所有区块链的底层模块，负责交易数据的网络传输和广播、节点发现和维护。

通常我们使用的是比特币P2P网络协议模块，它遵循一定的交互原则。例如，如果您是第一次连接其他节点，您将需要根据握手协议确认状态。握手后开始请求Peer节点的地址数据和区块数据。

这个P2P交互协议也有自己的一套指令，体现在Message Header的命令字段中。这些命令为上层提供了节点发现、节点获取、区域块头获取、块获取等功能，都是非常底层、非常基础的功能。如果你想深入挖掘，可以参考比特币开发者指南中的 Peer Discovery 章节。

2.分布式一致性算法

在经典分布式计算领域比特币 区块链技术，我们有以Raft和Paxos算法家族为代表的非拜占​​庭容错算法，以及拜占庭容错算法PBFT共识算法。

从技术演进的角度，我们可以画出区块链技术在经济上扩展原有分布式算法的图。

（图片来自网络）

从图中我们可以看出，一开始大部分计算机应用都是单点应用，为了高可用和方便，采用冷灾备，后来发展到远程多活。这些远程多活可能会使用负载平衡和路由技术。随着分布式系统技术的发展，我们已经过渡到基于 Paxos 和 Raft 的分布。系统。

在区块链领域，使用最多的是PoW工作量证明算法、PoS权益证明算法、DPoS代理权益证明算法。以上三种是业界主流的共识算法。共识算法之间的区别在于它们包含了经济博弈的概念。下面我将简要介绍这三种共识算法。