作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
2017年底，区块链已经成为众多投资人和技术人员最关注的话题之一。随着现实世界的不断复杂化、数字货币的流行以及IoT设备的普及，加密数字货币市场正变得越来越活跃。由于区块链具有去中心化、不可篡改、透明性、高并发等特点，使其在金融领域得到了广泛应用，尤其是在非洲国家、拉丁美洲等贫困地区。截止到2019年4月，全球已有超过4亿人加入到了加密数字货币市场。而随着区块链技术的发展，加密数字货币市场的规模将会继续扩大，未来将成为真正的去中心化金融平台。因此，本文将详细阐述区块链相关技术、概念以及技术实现过程中的一些关键问题。
2.基本概念术语
1.区块链(Blockchain)
区块链是一个分布式数据库，它保存着所有交易数据，并且每个节点都按照相同的规则验证、记录和执行交易。区块链上的每笔交易都是可靠的，且不可篡改，任何一方都无法取消或修改已上链的数据。区块链可以认为是一个去中心化的记账本，它存储着数字信息，用于确保交易的有效性、授权和公平。区块链由一条线性的链组成，每个块（Block）都会引用前一个块。区块链通常由多个节点（peer）通过P2P网络进行通信，这些节点互相复制、验证、确认、跟踪信息。
为什么需要区块链?
传统的商业系统往往存在以下缺陷:
- 分散性: 各个参与者之间没有共享的资源，导致无法共享信息，造成信息不对称；
- 可追溯性：由于各方不能看到所有的交易记录，导致交易无法做到全面，缺乏公开透明度；
- 成本高昂：购买商品、服务需要第三方支付机构，付费代价较高。
基于以上原因，区块链出现了，它解决了这些问题，具有如下优点:
- 分散性：把系统所有的数据记录在一起，使得任意一方都可以查看完整的记录；
- 可追溯性：每个人都可以查询到整个交易的历史记录，确保交易的公开透明；
- 低成本：利用区块链可以降低交易费用，降低运营成本，从而提升效率。
2.加密货币
加密货币是一种基于区块链的数字资产。加密货币是指能够在计算机网络上创建、发送、接收和存储加密信息的虚拟货币，其本质上是一个程序化的数字硬币或加密数字货币，可以在去中心化的网络中自由转移和交易。加密货币解决了实体货币（如黄金）的缺陷——没有中心权威，能够提供更高的流动性、更大的B体量，可以作为支付、储值工具，也可以作为法定货币。目前有许多加密货币被用来支付、交易数字资产，例如B、莱特币、以太坊等。
3.智能合约
智能合约（Smart contract）是一种借助计算机编程功能来自动执行交易合同条款的协议。它允许用户在数字货币网络上自动执行合同中的义务，并自动履行协议。其基本特征包括：不可抵赖性、透明性、自主生效、效率高。智能合约的运行依赖于一套共识机制，保证所有参与者在同意的情况下就能达成一致。智能合约通常采用软件形式，但也可能通过加密方式来部署，比如B中的合约编程语言。
4.联盟链
联盟链（Permissioned blockchain）是一种共享管理下的区块链，其链上节点只有受限的权限，不能随意添加删除，但仍然可以作为公共参与方加入其中，构建起去中心化的网络。联盟链的目的是为了实现多方控制不同领域的链上服务，让参与方间有数据交换和协作的需求。联盟链可以应用于不同场景的需求，例如供应链管理、游戏经济、合同管理、医疗卫生和电子存证等。
5.侧链
侧链（Sidechain）是一种把资产委托给另一个公链的解决方案，主要用于解决单一公链性能瓶颈的问题。侧链的资产通过互联网进行交易，充分利用公链的全球网络和底层技术能力。侧链通常支持不同的资产类型，包括DB、加密资产、贸易资产、债券等。侧链与主链分别处于两个不同的区块链，实现资产和价值的互通。侧链有两种模型，一类是直接连接到主链的模型，一类是独立运行的模型。
6.隐私保护
在区块链上存储个人数据带来的隐私风险一直是紧迫的议题。传统的存储方式往往存在信息泄露、数据暴露、冻结风险等问题。区块链上的隐私保护主要包括匿名、零知识证明、智能合约和可链接性等方法。匿名机制可以防止用户的真实身份被记录，零知识证明可以隐藏关键信息，智能合约可以自动审计和执行合同，可链接性可以实现不同机构之间的个人数据共享。
7.激励机制
在区块链上发行一种新币或者提供某种服务的同时，还要考虑激励机制。激励机制可以鼓励参与者持续维护平台，促进社区的良好互动，提升平台的热度。目前，很多区块链项目已经采用激励机制，如以太坊区块奖励机制、NEM百万级社区奖励计划等。
3.核心算法原理及具体操作步骤
1.共识算法
区块链的共识算法决定了整个区块链的工作流程。共识算法有两种： proof-of-work 和 proof-of-stake。proof-of-work 是工作量证明，需要消耗大量算力才可产生新区块，是计算密集型的算法；proof-of-stake 是股权证明，只需持有一定数量的币就可以参与共识，是网络容量较小、算力较少的设备难以承受的算法。
B的共识算法是 proof-of-work，它通过工作量证明（POW），消耗大量算力验证交易。B的初始总量是2100万枚，生产的B数量每四年减半。根据当前的算力需求，新的区块的生成时间约为10分钟，矿工需要计算出符合难度要求的数字才能获得相应的币。
以太坊的共识算法是 proof-of-stake，它通过股权证明（POS），只需要持有一定数量的币就可以参与共识。以太坊的初始总量是以太币的数目。以太坊的创始节点中，90%的币由持有10年以上的节点担任。每年增发1％的币，每12个月减半。新区块的产生时间约为3秒。相比B，以太坊的共识速度更快，安全性更高。
另外，以太坊的共识机制有一个特点，就是账户余额可以取回。如果某个地址发生了黑客攻击，可以通过销毁该账户来赎回自己的币。这种机制保证了平台的去中心化、安全性。
此外，还有一些其他的共识算法，如 Delegated Proof of Stake (DPoS)，Delegated Proof of Authority (DPoA) 等。
2.挖矿算法
B采用的 PoW 算法是一种典型的工作量证明（Proof of Work）算法。算法中，矿工们通过计算复杂的哈希运算来寻找符合条件的 nonce，这个值就成为下一个区块的标识符。 nonce 的大小与该区块所包含的交易数量有关，也即交易量越多，找到 nonce 的难度也越大。
以太坊采用的 PoS 算法是一种股权证明（Proof of Stake）算法。算法中，用户只能将自己的币委托给一些节点，这些节点在区块产生时有投票权，最后由赢得票数最多的节点来产生新的区块。
除了以上两种共识算法，还有一些混合型的共识算法，例如 Tendermint/BFT 共识算法。Tendermint 提供了拜占庭容错的共识机制，BFT 则使用了 Byzantine Fault Tolerance（拜占庭错误容忍）算法来容错。
3.账户模型
区块链上的账户模型与其它分布式网络中的账户模型不同。传统分布式网络中的账户模型是中心化的，由网络服务商或管理员控制账户，网络的其它节点都可以访问这些账户。区块链的账户模型却是去中心化的，任何人都可以创建账户并访问自己的资产。区块链上的账户主要由两部分组成：地址和余额。地址是账户唯一的标识符，用于识别和支付账户内的资产；余额表示账户拥有的币的数量。
在以太坊中，账户地址由 20 个字节组成，用于保存用户的公钥，公钥用于标识账户，这一过程通过椭圆曲线加密算法实现。用户的私钥用于签名交易，防止交易被伪造。账户的余额存储在以太坊区块链上，用户可以通过发送交易来进行转账、支付、质押等操作。此外，以太坊还提供了 ERC20 Token 技术，使得用户可以自定义自己的 Token DB。
4.交易模型
区块链的交易模型主要有两种：UTXO 模型和账户模型。UTXO 模型是最简单的一种交易模型，也是目前主流的一种交易模型。UTXO 模型中，交易的所有输入和输出都表示为 UTXO，用户首先选择想花费的 UTXO，然后产生新的 UTXO 来作为交易的输出，再向原先的输入地址转账，完成一次交易。
以太坊的账户模型与其它主流区块链的账户模型类似，但是以太坊的交易模型则更加复杂。以太坊的交易模型包括两种类型：状态和消息。状态转移函数用来描述账户的状态变化，消息则用来描述交易。状态转移函数主要有两种：状态依赖函数和状态迁移函数。状态依赖函数从账户的输入 UTXO 中获取信息，然后计算输出 UTXO 中的新状态。状态迁移函数则根据交易的输入 UTXO 和输出 UTXO 生成状态树，表示账户的状态转换关系。以太坊的状态转换采用了账户模型，用户可以通过发送交易来进行转账、支付、质押等操作。消息则用于编码交易行为，并作为交易的一部分被发送到网络中。消息可以包含任意格式的信息，包括文本、二进制数据、图片、视频、音频等。
当用户想要发起一次交易时，需要确定要使用的Gas限制。Gas 表示的是用来执行交易的计算资源量，用户需要为此支付一定的费用，以维持平台的正常运行。Gas价格根据网络的实际情况调整，以确保交易快速完成。
5.智能合约
智能合约（Smart Contract）是一种借助计算机编程功能来自动执行交易合同条款的协议。智能合约的基本特征包括：不可抵赖性、透明性、自主生效、效率高。智能合约的运行依赖于一套共识机制，保证所有参与者在同意的情况下就能达成一致。智能合约通常采用软件形式，但也可能通过加密方式来部署，比如B中的合约编程语言。
6.侧链
侧链（Sidechain）是一种把资产委托给另一个公链的解决方案，主要用于解决单一公链性能瓶颈的问题。侧链的资产通过互联网进行交易，充分利用公链的全球网络和底层技术能力。侧链通常支持不同的资产类型，包括DB、加密资产、贸易资产、债券等。侧链与主链分别处于两个不同的区块链，实现资产和价值的互通。
4.具体代码实例及解释说明
本部分将对上述技术、概念、算法及操作步骤中的关键问题进行具体代码实例和解释说明。
1.合约开发语言
智能合约的开发语言主要有 Solidity、Vyper、Lisp 等。Solidity 是最流行的一种语言，而且与以太坊兼容。
2.Solidity 示例代码
pragma solidity ^0.4.22;
// @title A simple example contract
contract Example {
uint public count = 0;
function increase() public returns (uint) {
count++;
return count;
}
}
上面的示例代码定义了一个名称为 Example 的合约，并定义了一个名为 count 的变量。 increase() 函数增加 count，并返回新的 count。
3.构造函数
在 Solidity 中，合约可以设置一个构造函数，当合约部署时，构造函数会被自动调用。合约的构造函数只能有一个入口参数，即 msg.sender，代表合约的发布者。例如，在初始化合约的时候，可以使用构造函数来设置初始值。
pragma solidity ^0.4.22;
// @title A simple example contract
contract Example {
uint public count = 0;
constructor() public{
}
function increase() public returns (uint) {
count++;
return count;
}
}
在上面的示例代码中，构造函数为空，即没有传入参数。假设部署合约时，需要设置 count 的初始值为 10。可以修改构造函数如下：
pragma solidity ^0.4.22;
// @title A simple example contract
contract Example {
uint public count = 10;
constructor() public{}
function increase() public returns (uint) {
count++;
return count;
}
}
这样，合约的 count 初始化值为 10。
4.事件
智能合约可以使用事件来跟踪合约的状态变化。事件可以帮助开发者跟踪合约的状态变化，以及触发事件时附带的数据。例如，当调用 increase() 函数时，可以触发一个 Increased 事件。
pragma solidity ^0.4.22;
// @title A simple example contract
contract Example {
uint public count = 0;
event Increased(address indexed _from, address indexed _to, uint value);
constructor() public {}
function increase() public returns (uint) {
count++;
emit Increased(msg.sender, address(this), count);
return count;
}
}
在上面的示例代码中，引入了一个名为 Increased 的事件。当调用 increase() 时，合约会触发 Increased 事件，并附带三个参数，第一个参数 _from 为事件的触发方，第二个参数 _to 为当前合约的地址，第三个参数 value 为 count 的新值。
5.事务转账
智能合约中可以进行两种类型的交易：普通转账和内部转账。普通转账一般用于用户之间的转账，而内部转账用于合约之间的转账。
普通转账:
可以使用 transfer() 或 send() 方法进行转账。transfer() 和 send() 都是用于转账的方法，它们的区别是，send() 只能用于转账金额小于等于转账账户余额的情况，而 transfer() 不受限制。
pragma solidity ^0.4.22;
// @title A simple example contract
contract Example {
mapping(address => uint) balances;
address owner;
constructor() public {
owner = msg.sender;
}
function deposit() public payable {
require(msg.value > 0);
balances[msg.sender] += msg.value;
}
function withdraw(uint amount) public {
require(balances[msg.sender] >= amount);
balances[msg.sender] -= amount;
msg.sender.transfer(amount);
}
}
在上面的示例代码中，引入了一个名为 balances 的映射表，用来记录用户的余额。构造函数中设置 owner 为合约发布者的地址。
用户可以通过 deposit() 方法向合约充值 ETH，deposit() 方法的代码如下：
function deposit() public payable {
require(msg.value > 0);
balances[msg.sender] += msg.value;
}
deposit() 方法判断用户是否发送了 ETH，如果发送了 ETH，则更新 balances 表中用户的余额。用户可以调用 withdraw() 方法取回自己发送的 ETH。withdraw() 方法的代码如下：
function withdraw(uint amount) public {
require(balances[msg.sender] >= amount);
balances[msg.sender] -= amount;
msg.sender.transfer(amount);
}
withdraw() 方法判断用户的余额是否足够取走指定的金额，如果足够，则更新 balances 表中用户的余额，并转账给用户。
6.DB合约
智能合约也能作为DB，可以用来代替 ERC20 Token。ERC20 Token 是 Ethereum 发行的默认DB标准，包括两个方法：transfer() 和 approve()，用来处理DB的转账和授权。
pragma solidity ^0.4.22;
// @title An example token contract
contract MyToken is ERC20Interface {
string public constant symbol = "MY";
string public constant name = "MyToken";
uint8 public constant decimals = 18;
mapping(address => uint) public balances;
mapping(address => mapping(address => uint)) public allowed;
constructor() public {
totalSupply_ = 1000 * (10**uint256(decimals));
balances[msg.sender] = totalSupply_;
}
/**
* @dev Transfer tokens from one address to another
* @param _from address The address which you want to send tokens from
* @param _to address The address which you want to transfer to
* @param _value uint256 the amount of tokens to be transferred
*/
function transferFrom(address _from, address _to, uint256 _value) public returns (bool success) {
require(_to!= address(0));
require(_value <= balances[_from]);
require(_value <= allowed[_from][msg.sender]);
balances[_from] -= _value;
balances[_to] += _value;
allowed[_from][msg.sender] -= _value;
emit Transfer(_from, _to, _value);
return true;
}
/**
* @dev Approve the passed address to spend the specified amount of tokens on behalf of sender
* @param _spender address The address which will spend the funds.
* @param _value uint256 The amount of tokens to be spent.
*/
function approve(address _spender, uint256 _value) public returns (bool success) {
allowed[msg.sender][_spender] = _value;
emit Approval(msg.sender, _spender, _value);
return true;
}
/**
* @dev Function to check the amount of tokens that an owner allowed to a spender.
* @param _owner address The address which owns the funds.
* @param _spender address The address which will spend the funds.
* @return A uint256 specifying the amount of tokens still available for the spender.
*/
function allowance(address _owner, address _spender) view public returns (uint remaining) {
return allowed[_owner][_spender];
}
}
interface ERC20Interface {
function totalSupply() external view returns (uint256);
function balanceOf(address tokenOwner) external view returns (uint256 balance);
function transfer(address to, uint256 tokens) external returns (bool success);
function transferFrom(address from, address to, uint256 tokens) external returns (bool success);
function approve(address spender, uint256 tokens) external returns (bool success);
function allowance(address owner, address spender) external view returns (uint256 remaining);
event Transfer(address indexed from, address indexed to, uint256 tokens);
event Approval(address indexed owner, address indexed spender, uint256 tokens);
}
在上面的示例代码中，定义了一个名称为 MyToken 的DB合约，继承了 ERC20 Interface，并实现了两个方法：transferFrom() 和 approve()。构造函数中设置初始的DB总量，并将所有DB授予发布者。
transferFrom() 方法用于DB的转账，approve() 方法用于DB的授权。allowance() 方法用于查询授权。
7.私有化部署
为了安全，智能合约通常不会直接部署到公网上。智能合约通常会由开发者编译后，发布到 IPFS（InterPlanetary File System）或 Swarm（星际文件系统）平台，然后由一个或多个节点部署到区块链上。
有时，为了方便调试，或者是为了节省资源，开发者会选择将合约部署到本地区块链环境中。这样的部署方式称为私有化部署。
pragma solidity ^0.4.22;
// @title A simple example contract
contract Example {
bool private initialized;
uint private counter = 0;
modifier notInitialized {
require(!initialized);
_;
}
constructor() public {
initialized = false;
}
function initialize() public notInitialized {
initialized = true;
counter = 10;
}
function getCounter() public view returns (uint) {
return counter;
}
}
在上面的示例代码中，引入了一个名为 notInitialized 的修饰器，用于检查合约是否已经初始化。合约的构造函数中，初始化标志设置为 false，使用 notInitialized 修饰器，只有合约尚未初始化时，才可以调用 initialize() 方法。合约的 counter 属性初始化为 10。
通过私有化部署，开发者可以方便地测试合约逻辑和数据结构，不需要发布到公网，也不会影响其他用户的合约部署。
5.未来发展方向与挑战
1.侧链
目前，侧链技术已经逐渐成熟，并且正在被应用在不同领域。例如，Horizen 项目是利用侧链来实现跨链数据共享的开源方案。侧链技术还可以进一步扩展到其他区块链上，例如，Polkadot、Cosmos、Zilliqa、Kusama 等。
但是，企业级的侧链网络可能会遇到一些挑战，例如，扩展性、隐私保护、监管、跨链标准等。而对于新兴的应用场景来说，智能合约和侧链还可能遇到新的挑战。例如，如何让侧链支持更多资产，如何让智能合约连接到不同区块链？
2.公链和联盟链
当前，越来越多的企业采用公链来构建自己的去中心化应用程序。相比于联盟链，公链的兼容性、性能、可扩展性更好，并且在未来可能会获得更大的规模效益。但是，公链和联盟链之间的差异在于，公链可以被任意使用，而联盟链仅限于特定业务领域。
在区块链发展过程中，公链与联盟链的平衡也会非常重要。随着公链的日益壮大，区块链上的经济模型将会演变成一个完全去中心化的组织架构。而随着联盟链的壮大，区块链上的业务模式将会被细分到更小的、更专业化的团队中，从而形成一个灵活而健康的生态系统。
3.边缘计算与区块链
IoT、区块链和边缘计算的结合正在改变边缘计算的整个玩法。区块链的应用使得计算数据的真实性得到确认，进而可以作为信任基础。此外，边缘计算的云计算资源也可以成为经济激励机制，激励边缘计算节点参与区块链共识，获得报酬。边缘计算的新兴技术也带来了新的机遇，例如，通过机器学习，边缘计算节点可以建立在私有数据上，建立预测模型，为智能制造提供数据支持。
6.附录：常见问题解答
1.区块链和加密货币的区别是什么？
区块链和加密货币不是一回事。区块链是一种分布式数据库，用于记录、存储和验证数字信息，存储的内容以加密的方式保存，属于公共分布式 ledger，任何一方都可以查看所有的记录。区块链共识算法保证数据的安全、不可篡改、真实可信。区块链与分布式数据库不同，它并不是存储静态数据，而是记录链上发生的交易，并且所有记录都不可更改。
加密货币是一种数字货币，它允许在不受信任的环境中进行价值转移，解决了传统货币的不安全问题。加密货币通过数字签名、分散式记账、和工作量证明等机制，使得价值能够在数字世界里流动。加密货币通过数字货币钱包存储密钥，用户可以访问自己的加密货币。加密货币可以实现支付、交易、金融衍生品等功能。
2.如何评价数字货币的增长率？
数字货币的增长率呈现出指数型增长。过去几年，全球范围内的数字货币交易量和交易金额都呈现出爆炸式增长。一位投资研究人员预测，到2022年，全球数字货币交易量将超过100ZB，价值将超过1ZB。
3.为什么数字货币交易规模保持高速增长？
数字货币的最大问题是波动性，数字货币的价格波动性太高。原因在于，人们普遍对支付宝、微信支付等支付服务比较熟悉，所以他们认为这些支付服务非常安全。但是，数字货币的支付方式却很新鲜、独特。这让数字货币的交易规模保持高速增长。