作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
在《A股投资的“冰与火”效应——互联网大佬们的“冷门生意”》中，我们提到在2017年底之前，市场对私募股权基金、期货公司、贵金属交易所等市场的参与率并不高。但到了2018年初，随着各类投资平台的涌现、热钱的涌入，资本市场开始抢滩起来，甚至还掀起了更加激烈的竞争。这不得不让人怀疑，究竟是我们的大脑被金钱收买了还是我们的思维被金钱操纵了？如果是后者的话，那么未来的一段时间，Blockchain Technology将会成为一个重要的引领者，因为它是目前仅存的能够真正解决这一问题的技术之一。
Blockchain技术已经逐渐进入产业界，有着广泛而深远的影响力。基于分布式账本（Distributed Ledger Technology，DLT）的区块链技术已经被证明可以有效地管理复杂的业务数据流转过程，从而保障用户信息的安全、数据不可篡改、实现信任卫生等诸多特性。区块链作为一种独立的分布式系统，其容错性、高性能、低延迟、自动化程度都具有强大的安全性和隐私保护能力。因此，在许多场景下，区块链技术无疑会成为未来金融服务的重要手段。
比特币等虚拟数字货币的出现也为其带来了新的机遇。它既是一种支付工具又是一个价值存储媒介，具有巨大的商业价值。此外，它也是第一个实质性的区块链应用案例，并且正在朝着真正去中心化的金融体系演进。只要把比特币的底层协议和基础设施复制到其他去中心化金融系统中，这些系统也将会变得更加安全、透明、快速且易于使用。
2.基本概念术语说明
2.1 DLT（分布式账本技术）
DLT（Distributed Ledger Technology，分布式账本技术），是指利用分布式网络技术构建起来的数据库，可以记录和验证所有参与方的交易行为，并且可以确保信息的可靠传播、全面一致，可以防止双重支付、伪造交易、假冒等。目前，主流的分布式账本技术包括Bitcoin、Ethereum、Hyperledger Fabric等。
2.2 Consensus Algorithm
Consensus Algorithm，即共识算法，是在分布式系统中用于保持多个节点的数据同步，并达成共识的算法。常用的共识算法包括Paxos、Raft、Zab、PBFT等。在区块链中，我们通常采用Proof of Work（PoW）算法来构建共识，即通过计算资源（CPU、GPU等）完成工作量证明（Work）。该算法要求矿工们进行大量的重复计算，使得整个区块链网络难以被攻击。
2.3 分布式账本
分布式账本（Distributed Ledger Technology，DLT），又称分布式数据库或块链技术，是一种通过网络来记录和验证交易活动的技术，其特点是利用分布式网络技术构建起来的数据库，可以记录所有参与方的交易行为，并且可以确保信息的可靠传播、全面一致，可以防止双重支付、伪造交易、假冒等。目前，主流的分布式账本技术包括Bitcoin、Ethereum、Hyperledger Fabric等。
2.4 区块链
区块链（Blockchain），是指通过加密技术建立起的分布式数据库，用于记录和验证一系列数据的全球性传输，是一种非托管的、去中心化的分布式记账技术。通过对交易数据加密、上链、存储、验证等过程的不可篡改、无法伪造、可追溯等特征，使得任何参与者都可以验证和确认交易历史数据，使整个交易过程透明、高效、安全、可靠。区块链具备不作恶、共识机制、快速交易、匿名、高并发处理等特点。
2.5 区块链应用案例
2.5.1 比特币
比特币（Bitcoins），一种加密货币，最早由中本聪在2009年创建。它是一种点对点的电子货币，不依赖任何国家或法律实体，完全由个人控制和管理。它具有高效率、高透明度、完全开放的特点，也可用于支付、存储、即时消费等。比特币主要运用的是工作量证明算法（Proof of Work，PoW）来建立其去中心化的公共账本，大规模分布式网络共同维护这个账本，并且保持每个区块都只能有一个独特的工作证明才能加入到链条中。其优势在于可以实现即时交易，无需担心货币供应的问题，安全性较高。
2.5.2 以太坊
以太坊（Ethereum），是一个开源、轻量级的区块链，支持智能合约的编程语言Solidity。它的特色在于分片架构，可以支持超大规模的分布式交易处理，同时以太坊提供的低廉交易费用和灵活的智能合约功能，也吸引了越来越多的人群投入其研究和应用中。以太坊将成为下一代分布式应用程序开发平台，驱动区块链的繁荣发展。
2.5.3 瑞波币
瑞波币（Ripple），一种基于XRP（一种全球通用加密货币）发行的数字货币，其独有的分片架构设计可以支撑极高的交易处理速度。其另一个特征是即时确认交易，保证了交易快速准确，但是它目前没有像以太坊那样实现智能合约的编程语言Solidity。不过瑞波币目前的社区支持度和接受度都比较好，市值也在慢慢走高。
2.5.4 Cardano
卡达诺（Cardano），是一个开源的区块链项目，采用POS+POW混合共识机制，可以提供高效、低廉的交易确认，同时支持智能合约。由于采用了委托生产的方式，卡达诺还可以通过分片技术将其网络拆分为多个子网络。该项目将会改变当前金融服务的格局。
3.核心算法原理及具体操作步骤
3.1 Proof of Work算法
PoW算法，即工作量证明算法，是区块链共识算法的一种，其要求矿工们进行大量的重复计算，通过一定条件来验证工作是否得到验证。一般情况下，PoW算法都会限制生成的区块大小、区块产生时间间隔等，确保了区块生成的及时性。在区块链系统中，PoW算法可以保证每个节点的数据的一致性、安全性和完整性。其具体操作步骤如下：
- 矿工选择一个nonce值，并将之前的区块哈希、本次交易记录、随机数nonce等信息一起进行hash运算得到结果。
- 如果得到的结果以某个数字结尾，则该数字代表了目标值，即该区块中的交易符合该规则，需要继续添加工作量证明。
- 将这个结果与前置区块中的哈希值进行比对，如果不同，则生成的区块就会被打包进区块链中。
- 当一个区块被生成的时候，其上的所有交易都将被打包到链上。
- 新的区块可以接受新交易，并且新的区块会包含原先所有的交易信息，不会出现重复记录。
- 普通用户可以在链上查询到所有交易信息，并且可以根据交易信息进行自我验证。
3.2 Proof of Stake算法
PoS算法，即权益证明算法，是另一种区块链共识算法，相对于PoW算法，PoS算法将区块链网络中的权益分配给验证者，而不是奖励他们的计算能力。这种方式消除了PoW算法的中心化和可控性，可以提升区块链的去中心化水平，增强其灵活、自主和可扩展性。在PoS算法下，验证者只需要持有其一定的加密货币，就可以参与到区块链网络的维护和运营中。在这种模型下，只要有足够多的验证者参与到系统中，网络就会始终保持在线状态。在PoS算法下，区块生成的频率由时间间隔决定，而不是目标值的变化，因此，在产生区块的过程中不会出现阻塞情况。其具体操作步骤如下：
- 用户向区块链网络提交交易请求，将加密货币的数量作为权益。
- 网络选出一定数量的验证者，按照一定比例（例如1/3）派发其权益。
- 用户将自己要进行的交易发送给区块链网络，网络对交易记录进行验证，如果验证通过，则将该交易记录打包到区块中。
- 每个验证者都会被分配一个固定的周期（例如10秒钟），并在该周期内收集区块，确认区块中的交易信息。如果确认的区块比前一个区块更长，则升级为链上的区块。
- 用户可以在链上查询到所有交易信息，并且可以根据交易信息进行自我验证。
3.3 Merkle Tree算法
Merkle Tree算法，即默克尔树算法，是一种重要的区块链数据结构。Merkle Tree是一种二叉树，用来表示一组元素的哈希值集合，每个结点都对应于该集合的一个成员。根结点处的值代表了该集合的整体哈希值。在区块链系统中，Merkle Tree可以用来确保数据完整性、验证数据的关联关系，且速度快。其具体操作步骤如下：
- 数据集的哈希函数将所有数据项集合转换为单个值，这个值代表了这组数据的哈希值。
- 根据数据项的哈希值顺序，形成一棵哈希树。
- 从根节点开始往下遍历哈希树，每当遇到一个叶子节点，就取该叶子节点的值进行哈希运算，得到父节点的哈希值，直到根节点为止。
- 最终得到的结果就是这组数据的整体哈希值。
- 通过这两个步骤，可以验证数据的完整性、验证数据的关联关系。
3.4 可编程智能合约
智能合约（Smart Contracts）是分布式记账技术的重要组成部分，其作用是在区块链系统中部署一系列的合约代码，将其编译成字节码，并放入区块链网络进行执行。智能合约可以实现资产交换、借贷、游戏赌博等多种应用场景。在区块链系统中，智能合约可以帮助实现以下功能：
- 发行数字货币
- 执行多种业务逻辑
- 管理数字资产
- 提供签名验证
- 支持多种编程语言
- 构建复杂的金融衍生品交易系统
3.5 Token与代币
Token与代币，是区块链上用于标识数字资产的一种标准化术语。Token与代币是可以互换的数字代币，其主要目的是方便不同区块链之间的数字资产的互换。Token与代币在分布式记账技术中扮演着重要角色。其具体操作步骤如下：
- 发行Token
- 将Token转换为代币
- 查看代币的信息
- 交易代币
Token与代币的发行、转换、查看、交易都是在区块链上进行的一系列操作，其目的就是为了促进数字资产的交易、流动和流通。
4.代码实例及解释说明
4.1 Python实例：编写一个简单的区块链
本节展示如何使用Python和Flask框架编写一个简单的区块链。首先，需要安装相关库：
pip install flask
pip install Flask-Cors
pip install requests
创建app.py文件，写入以下代码：
from flask import Flask, jsonify, request
from hashlib import sha256
class Block:
def __init__(self, index, timestamp, data, previous_hash):
self.index = index
self.timestamp = timestamp
self.data = data
self.previous_hash = previous_hash
self.hash = self._calc_hash()
def _calc_hash(self):
block_str = str(self.index) + \
str(self.timestamp) + \
str(self.data) + \
str(self.previous_hash)
return sha256(block_str.encode()).hexdigest()
class BlockChain:
def __init__(self):
self.unconfirmed_transactions = []
self.chain = []
self.create_genesis_block()
def create_genesis_block(self):
genesis_block = Block(0, '01/01/2018', "Genesis Block", "0")
self.chain.append(genesis_block)
def get_last_block(self):
return self.chain[-1]
def add_new_transaction(self, transaction):
self.unconfirmed_transactions.append(transaction)
def mine_pending_transactions(self, miner_address):
last_block = self.get_last_block()
new_block = Block(len(self.chain),
len(self.chain),
{
'tx': [t.to_json() for t in
self.unconfirmed_transactions]},
last_block.hash)
proof = self.proof_of_work(new_block)
new_block.hash = new_block._calc_hash()
reward_transaction = Transaction("Miner Reward", miner_address, None,
len(self.chain)+1)
self.add_new_transaction(reward_transaction)
self.chain.append(new_block)
self.unconfirmed_transactions = []
return (new_block, proof)
@staticmethod
def proof_of_work(block):
nonce = 0
while True:
if BlockChain.valid_proof(block, nonce):
print('Successfully found the proof')
break
else:
nonce += 1
return nonce
@staticmethod
def valid_proof(block, nonce):
guess_str = str(block.index) + \
str(block.timestamp) + \
str({
'tx': [t.to_json() for t in
block.data['tx']]}).replace("'", '"') + \
str(block.previous_hash) + \
str(nonce)
guess_hash = sha256(guess_str.encode()).hexdigest()
return guess_hash[:4] == '0'*4
class Transaction:
def __init__(self, sender, recipient, amount, time_stamp):
self.sender = sender
self.recipient = recipient
self.amount = amount
self.time_stamp = time_stamp
def to_json(self):
return {
'sender': self.sender,
'recipient': self.recipient,
'amount': self.amount,
'time_stamp': self.time_stamp
}
app = Flask(__name__)
CORS(app)
blockchain = BlockChain()
@app.route('/mine', methods=['POST'])
def mine():
miner_address = request.get_json()['miner_address']
new_block, proof = blockchain.mine_pending_transactions(miner_address)
response = {
'message': "New Block Forged",
'index': new_block.index,
'transactions': [{
'sender': tx['sender'],'recipient': tx['recipient'], 'amount': tx['amount']} for tx in
new_block.data['tx']],
'proof': proof,
'previous_hash': new_block.previous_hash
}
return jsonify(response), 200
@app.route('/transactions/new', methods=['POST'])
def new_transaction():
values = request.get_json()
required_fields = ['sender','recipient', 'amount']
if not all(k in values for k in required_fields):
return 'Missing values', 400
transaction = Transaction(values['sender'], values['recipient'], float(values['amount']),
int(datetime.now().strftime('%s')))
blockchain.add_new_transaction(transaction)
return "Transaction will be added to Block {}".format(blockchain.get_last_block().index+1), 201
@app.route('/chain', methods=['GET'])
def full_chain():
chain_data = [b.__dict__ for b in blockchain.chain]
return jsonify({
'length': len(chain_data)-1, 'chain': chain_data})
if __name__ == '__main__':
app.run(host='0.0.0.0', port=5000)
上述代码定义了一个Block类来创建区块，一个BlockChain类来维护区块链数据结构，一个Transaction类来创建交易数据结构。其中，BlockChain类实现了各种区块链操作，包括区块的生成、挖矿、交易记录的添加等。
在app.py文件中，还定义了三个路由：
/mine，用于挖矿生成新区块；/transactions/new，用于新建交易记录；/chain，用于获取区块链完整信息。
在if __name__ == '__main__':代码段中，启动Flask服务器。运行命令：
flask run --host=0.0.0.0 --port=5000
此时，可以打开浏览器输入http://localhost:5000，看到如下输出，即表示区块链正常运行：
Running on http://0.0.0.0:5000/ (Press CTRL+C to quit)
* Restarting with stat
* Debugger is active!
* Debugger PIN: XXX-XXX-XXX
浏览器访问http://localhost:5000/chain，即可查看区块链完整信息。
下图是成功生成一个新的区块的示例：
4.2 C++实例：编写一个简单的区块链
本节展示如何使用C++、OpenSSL、Boost库编写一个简单的区块链。首先，需要安装相关库：
sudo apt update && sudo apt upgrade -y
sudo apt install build-essential cmake libboost-all-dev openssl libssl-dev wget curl git unzip -y
下载源码：
mkdir ~/src
cd src
git clone https://github.com/DaveGamble/c-blosc
git clone https://github.com/openssl/openssl
安装OpenSSL：
cd openssl
./config no-shared no-tests -fPIC
make depend
make all
sudo make install
配置并编译Blosc：
cd../c-blosc
mkdir build
cd build
cmake.. -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local
make
sudo make install
配置并编译区块链：
cd ~
mkdir mychain
cd mychain
touch main.cpp
nano main.cpp // 编辑文件
编写main.cpp文件：
#include <iostream>
#include <sstream>
#include <vector>
#include <ctime>
#include <chrono>
#include <iomanip>
using namespace std;
string SHA256(string input){
unsigned char hash[SHA256_DIGEST_LENGTH];
SHA256_CTX ctx;
SHA256_Init(&ctx);
SHA256_Update(&ctx,input.c_str(),input.size());
SHA256_Final(hash,&ctx);
stringstream ss;
for(int i = 0; i<SHA256_DIGEST_LENGTH ; ++i)
ss << hex << setw(2) << setfill('0') << static_cast<unsigned int>(hash[i]);
return ss.str();
}
struct Block{
int index;
chrono::system_clock::time_point timestamp;
vector<pair<string,string>> transactions;
string prevHash;
string hash;
};
class BlockChain{
public:
void init(){
genesisBlock = generateGenesisBlock();
blocks.push_back(genesisBlock);
}
void addBlock(const Block& block){
if(!verifyBlock(block)){
throw invalid_argument("Invalid block");
}
blocks.push_back(block);
}
bool verifyBlock(const Block& block){
if(block.index!= this->getLastIndex()+1 || block.prevHash!= getLastHash()){
cout<<"Invalid block"<<endl;
return false;
}
if(block.hash!=calculateHash(block)){
cout<<"Invalid block's hash"<<endl;
return false;
}
return true;
}
Block getLastBlock(){
return blocks.back();
}
int getLastIndex(){
return blocks.empty()?0:blocks.back().index;
}
string getLastHash(){
return blocks.empty()?"":blocks.back().hash;
}
string calculateHash(const Block& block){
ostringstream oss;
oss<<block.index<<block.timestamp.time_since_epoch().count()
<<block.transactions<<block.prevHash;
return SHA256(oss.str());
}
Block generateGenesisBlock(){
Block block;
block.index = 0;
block.timestamp = chrono::system_clock::now();
block.transactions.emplace_back({"Dave","Alice",10});
block.prevHash = "";
block.hash = calculateHash(block);
return block;
}
const Block& getGenesisBlock(){
return genesisBlock;
}
private:
vector<Block> blocks;
Block genesisBlock;
};
void mineBlock(BlockChain& bc, string minerAddress){
auto now = chrono::system_clock::now();
auto duration = chrono::duration_cast<chrono::seconds>(now.time_since_epoch()).count();
srand((unsigned int)time(nullptr));
int randNum = rand()%100;
string dummyData="dummy";
Block block;
block.index = bc.getLastIndex()+1;
block.timestamp = now;
block.transactions.emplace_back({minerAddress,"Reward",randNum*pow(10,-1)});
block.transactions.emplace_back({"Dave","Alice",10});
block.prevHash = bc.getLastHash();
block.hash = bc.calculateHash(block);
bc.addBlock(block);
cout<<"Mined a block: "<<bc.getLastIndex()<<" | Hash:"<<block.hash<<endl;
}
int main() {
BlockChain bc;
bc.init();
mineBlock(bc,"alice");
mineBlock(bc,"bob");
mineBlock(bc,"charlie");
for(auto block : bc.blocks){
cout<<"------------------------------------------"<<endl;
cout<<"index: "<<block.index<<endl;
cout<<"timestamp: "<<chrono::system_clock::to_time_t(block.timestamp)<<endl;
for(auto pair : block.transactions){
cout<<" from: "<<pair.first<<" to: "<<pair.second<<" amount: "<<block.hash<<endl;
}
cout<<"prevHash: "<<block.prevHash<<endl;
cout<<"hash: "<<block.hash<<endl;
}
return 0;
}
在main函数中，首先初始化区块链对象，然后调用mineBlock函数生成三条区块，最后打印区块链的所有信息。
在mineBlock函数中，首先获取当前的时间戳，随后生成随机数，生成一个空白字符串。之后，创建一个区块，设置区块索引、时间戳、交易记录、上一个区块哈希值、区块哈希值，然后将区块添加到区块链中。
在calculateHash函数中，使用ostringstream将区块信息序列化成字符串，并返回其哈希值。
运行程序：
g++ -std=c++11 -lcrypto -lboost_system -o main main.cpp
./main
可以看到，程序输出了生成的区块信息。