中国区块链商学院：区块链基础知识

工作量证明机制，简单地说，就是一种共识机制，用来确认你是否做过一定量工作的证明。比特币的区块链主要是依托计算数学难题来衡量工作量。每个区块，当选定一定数量的交易记录之后，填充版本号、时间戳、难度值，生成相应的Merkle根哈希。很容易看到，这些数值在选定交易记录以后，都是确定的，唯一能够改变的就只有随机数（Nonce）这个值。如图7所示，系统根据难度值，要求计算整个区块头的两次SHA256算法，得到的哈希结果要小于一个阈值。根据前面描述的SHA256算法的伪随机性，只有通过不断地尝试和枚举，才能找到相应的随机数，证明自己的工作量。

图7 工作量证明机制示意图

除了工作量证明机制（PoW）这类共识机制之外，还有股权证明机制（PoS）、授权股权证明机制（DPoS）、拜占庭容错机制（BFT）、实用拜占庭容错机制（PBFT）这些在不可信环境下的共识机制以及要求在可信环境下的共识机制，例如PaxOS和Raft。表1是做了简单的对比。

表1 共识机制的简单对比表

运行机制

接入网络和验证

节点通过安装相应的软件（例如比特币核心），接入区块链。节点启动以后，主要是在P2P网络上发现邻居节点、链接邻居节点、传递P2P消息和下载区块链验证。节点可以选择下载全量的区块链进行验证，或者是只下载区块头，通过Merkle树节点来进行简单支付验证（SPV）。

钱包软件可以分为移动钱包、桌面钱包、互联网钱包和纸钱包，都支持保存用户的私钥，钱包也可以根据私钥是否是种子产生的，而分为决定性钱包和非决定性钱包，关键区别在于私钥的备份和易恢复性。

区块链的存储和接受

比特币的区块链使用Berkeley DB（文件数据库）作为钱包数据库，使用LevelDB（键值数据库）存储区块的索引和UTXO（Unspent Transaction Output，未开销的比特币交易输出）。节点在启动的时候，将整个区块链的索引从LevelDB加载入内存。当收到一个新区块时，节点对新区块中的所有交易进行检测，验证交易格式、交易大小、交易签名、UTXO是否匹配、交易签名、脚本合规等方面。

如果验证成功，检查上一区块头与链头区块哈希值是否一致，如果是一致，则更新UTXO数据库和回滚交易数据库，如果不是，则将该区块放在孤儿区块池中 。当节点发现网络中存在另一条更长的区块链时，就需要断开现有的区块并对区块链进行重组。如果验证不成功，会抛弃该区块，继续等待新区块的到来（矿工会继续计算新区块的数学难题）。

区块链的工作量证明计算机制

“矿工”角色的节点一直收集网络中广播的交易记录，并致力于计算新区块的数学难题，即工作量证明。如果其他节点发来的新区块验证成功，节点除了更新UTXO数据库和回滚交易数据库，节点会立即开始下一个新区块的计算。新区块的构建优先选取交易内存池中优先级高的交易记录。优先级的计算方式为：

如果自己的工作量证明计算成功，节点会第一时间将这个区块广播至整个网络中，其他节点收到该新区块，如上所述，会进行相应的验证和存储。

整个区块链的运转机制如图8所示。

图8 区块链运转机制示意图

其他相关

脚本语言

区块链采用的脚本语言并不是图灵完备的语言，不支持循环，只能进行堆栈式操作。这种脚本语言的好处是，不允许矿工提交一个死循环的脚本，更注重的是安全方面的考量，但其扩展能力有限。从以太坊为首的区块链编程平台支持图灵完备的编程语言，引领区块链跨入2.0时代。由于支持循环等复杂操作，以太坊用Gas（燃料）机制来防止死循环的出现，确保系统的安全。

消息队列

比特币区块链采用Zero MQ（ZMQ）作为消息分发和消息队列管理工具。与很多人熟悉的RabbitMQ相比，ZMQ不像传统意义的消息服务器，更像一个底层的网络通信库，在多个线程、内核和主机盒之间弹性伸缩，在Socket API之上将网络通信、进程通信和线程通信抽象为统一的API接口。

挖矿设备和算法演进

挖矿设备从支持复杂指令（CISC）、适合串行计算的CPU矿机时代，经由基于众核体系、适合并行简单计算的GPU挖矿和低功耗却价格昂贵的FPGA挖矿，逐渐向集约高速的ASIC矿机和规模效应的矿池演进。

基于工作量证明机制的算法，容易导致矿工算力集中的问题。有人将这种“中心化”的责任归咎于SHA256算法。此时，基于SCRYPT算法的莱特币（Litecoin）进入了人们视线，其占用内存多、计算时间长、并行计算困难的特点，限制了矿工的“军备竞赛”。莱特币的成功催生了更多算法的交叉融合，衍生出串联算法（夸克币）、并联算法（HeavyCoin）和多用途算法（在工作量证明的同时，寻找大素数的素数币，PrimeCoin）。

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（编辑：PHP编程网 - 黄冈站长网）

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