我們假想太平洋上有一個與世隔絕的海島，名叫桃花島。在桃花島上，每個家庭擁有定規模的資產， 這些資產以糧食、蔬菜、日用品、房地產等形式存在。島上的物質交換只在島內居民之間進行。所有的交易都由這個島上唯一能寫會算的人一 島主黃老邪記錄。每天隨著島內交易的進行，交易信息都在不斷增長，黃老邪將所有的交易信息都記錄在一本賬本中， 并由自己來保管。

但是，由黃老邪一人記賬的模式出現了諸多問題，隨著島上居民的交易行為日益頻繁，每天要記的賬目越來越多，黃老邪的記賬壓力也越來越大。為了緩解自己的工作壓力，黃老邪將記賬技能傳授給島上的所有居民，使他們都參與到記賬過程中來。黃老邪要求居民將交易金額及交易時間等信息都記錄下來，并且每一筆交易記錄經交易雙方簽字后方可生效。黃老邪還為島上每一個家庭分配了各自獨立的信箱，只有該家庭的成員才能使用鑰匙打開自家的信箱，查看信箱中儲存的賬目信息。有了信箱以后，島上的記賬模式發生了翻天覆地的變化：當新的交易記錄產生時，交易人將一-頁記載了新的交易信息的記錄放入每家每戶的信箱中。這些交易信息按照放入信箱的先后順序形成了一個天然的賬本，每一戶居民都可以打開信箱進行查看。

在這種情況下，即使有個別人將信箱中的信息進行篡改，整體的交易記錄依舊不會出現偏差。居民只要拿出每個人那里保存的賬本，根據多數原則確定統-的交 易歷史，并糾正個別人手中錯誤的賬本頁目，就可以在無需島主黃老邪監管的情況下完成記賬。經過黃老邪改變后的分布式記賬方式與我們下文所要闡述的區塊鏈有異曲同工之妙。

什么是區塊鏈

區塊鏈本質上是一個分布式賬本技術。如果以數學函數來類比的話，我們可以將分布式網絡、共識機制、去中心化、加密算祛、智能合約、權限許可、價值和資產等要素理解為函數中的變量或因子。這些變量和因子的有機組合形成了區塊鏈有別于傳統技術的些新的技術特征。 在對 區塊鏈進行更加深入的技術解 讀前，我們需要先對區塊鏈中的一些核心概念進行梳理 。

分布式賬本技術函數見下圖

區塊鏈是一個動態的點對點網絡

區塊鏈的動態點對點網絡

上文的故事中，由黃老邪一人記賬的時期與我們如今的社會生活類似，都是由銀行等中心化機構來對信息進行記錄。相對應地，黃老邪改變記賬模式后，島上的居民都可以參與到記賬環節中，每個居民之間都可以發生交易并自行進行記賬，這與區塊鏈點對點的特性很相似。

與傳統的中心化集中式架構相比，區塊鏈弱化了中央服務器的概念。各個節點不再區分服務器和客戶端的關系，每個節點既可請求服務也可提供服務，各個節點可以直接交換資源而不再需要通過服務器的橋接，用戶與用戶之間可以實現資源的直接分享與利用。在區塊鏈分布式網絡中，所有節點的地位都是同等的。一筆剛通過驗證且被傳遞到區塊鏈網絡中任意節點的交易會被發送到周邊的相鄰節點，而每一個相鄰節點又會將交易發送到其他的相鄰節點。以此類推，在短時間之內，一筆有效的交易就會傳播到網絡中的各個角落，直到所有連接到網絡的節點都接收到它。

區塊鏈也是一個動態的網絡，不斷有新節點的加入和原區塊鏈網絡中節點的退出。新節點的不斷加入為系統引入新的資源，整個網絡由此得以構建和發展，資源的豐富性與多樣性隨之擴充，點對點網絡的分散性、健壯性、可用性與整體性能也將隨著節點的數量增加而增強。

區塊鏈是一個分布式賬本

區塊鏈的分布式賬本結構

在桃花島上，由黃老邪一人記賬的時期，整座島上只有一本賬本來對所有的信息進行記錄。改變記賬模式后， 島上的每一戶人家都擁有一本賬本，這就相當于區塊鏈這個分布式的公共賬本。

區塊鏈推翻了傳統的記賬模式。與傳統記賬模式不同，區塊鏈中的交易信息不再由單個機構來記錄，而是由其中的每一個節點共同參與記賬。在這個分布式網絡上，每個節點都有賬本的完整備份。如果有人想篡改賬本上的記錄，他必須改動各節點存儲的賬本備份，這就使篡改賬本記錄的行為難以實現。

區塊鏈用哈希算法實現信息的不可篡改

隨著新交易的不斷產生，桃花島每家每戶賬本里記錄的交易信息也快速增長，越來越多的記錄信息頁會保存到信箱中。類似地，在區塊鏈中，一個又一個新產生的區塊會不斷鏈接到現有區塊鏈的尾端。如何能夠保證這個記錄信息頁的每一頁，以及區塊鏈賬本中的每一個區塊都是真實準確、沒有被篡改過的呢？

設想一下， 如果我們通過一種算法對賬本信息進行加密，給區塊鏈上第一個區塊打上一個唯一的標簽， 之后的每一個區塊也通過加密后打上一個唯一標簽，同時又能夠包含前一個區塊鏈的標簽。這時，只要采用一種方法保證這個標簽無法被輕易替換更改，那么就能保證這個區塊記錄的信息沒有被篡改過。

哈希算法就是上面提到的區塊鏈中保證交易信息不可篡改的單向密碼體制。該算法的思想是接收一段明文， 以一種不可逆的方式將它轉化成一段長度較短、位數固定的輸出做列。這個加密過程是不可逆的，這就意味著無法通過輸出散列的內容推斷出任何與原文有關的信息。任何輸入信息的變化，哪怕僅僅是一~位數字的更改，都將導致散列結果的明顯變化。基于輸出散列與輸人原文一 一對應的特性，哈希算法可以被用于驗證信息是否被修改。通過哈希算法可對一個交易區塊的所有交易信息進行加密，并把記賬內容壓縮成一串數字和字母組成的字符串，這個字符串無法反推出原來的內容。區塊鏈的哈希值可以唯一、準確地標識--個區塊，并且任何節點通過簡單地對區塊頭進行哈希計算都可以獨立地獲取該區塊哈希值。如果想要確認區塊的內容是否被篡改，那么利用哈希算法重新進行計算，記賬信息沒有變化，計算出的哈希值也將不會產生變化。

在區塊鏈中，通常使用SHA-256的哈希算法進行區塊的加密，該算法的輸出長度為256位，即生成長度為32字節的隨機散列。

區塊鏈用公鑰、私鑰來標識身份

在區塊鏈中，信息的傳播按照公鑰加私鑰的方式進行。公鑰相當于桃花島上每家每戶居民的信箱地址，當別人獲知你的公鑰時，可以與你通信。相應地，私鑰相當于信箱的鑰匙，只有擁有私鑰的人才能查看信箱中的信件信息。在區塊鏈中，數字簽名可以用于驗證信息發送者的身份，用戶可以公布自己的公鑰，然后發送可以被公鑰所驗證的、已經通過私鑰加密過的信息。如果信息的接收者能夠使用公鑰解密加密過的信息，即可證明這條信息發送者的身份屬實。上述過程可以用圖3-4 表示：區塊鏈中有兩個用戶Alic和Bob，Alicc想讓Bob知道自己是真實的Alice，而不是他人冒充的。Alice 只需要使用私鑰對文件簽名并發送給Bob， Bob 使用Alice的公鑰對文件進行簽名驗證，如果驗證成功，則該文件一定是使用Alice的私鑰加密的。由于Alice的私鑰只由Alice一人持有，Bob 就可以確定文件的發送者正是Alice本人。

此外，公鑰與私鑰還可以保證分布式網絡中點對點信息傳遞的安全。我們不妨假想這樣一個情形： Alice想在分布式網絡中發送一封情書給Bob。但由于分布式網絡的信息傳遞特性，這封情書將被發送至每一個用戶手中。Alice 不希望情書的內容被其他用戶看到，因此Alice使用Bob的公鑰對情書進行加密。網絡中除Bob外的其他用戶接收到這封經過加密的情書，看到的只是一段密文。只有Bob可以使用自己的私鑰對密文進行解密，得到一份情書的明文。通過這個加密與解密的過程，Alice與Bob之間實現了點對點的數據傳遞。

在區塊鏈的信息傳遞過程中，信息傳遞雙方的公私鑰加密與解密往往是成對出現的，即信息發送方使用私鑰對信息簽名、使用信息接收方公鑰對信息加密，信息接收方使用對方公鑰驗證信息發送方的身份、使用私鑰對加密信息解密。

區塊鏈用Merkle樹結構簡化驗證程序

Merkle樹是區塊鏈的基本組成部分，Merkle樹的葉子節點存儲的是數據文件的哈希值，非葉子節點存儲的是對其下面所有的葉子節點值的組合結果進行哈希計算后得出的哈希值。區塊鏈利用Merkle樹這種數據結構存放所有葉子節點的哈希值，并以此為基礎生成一個統一的哈希值。區塊中的任何一筆交易的發生和交易信息的變動都會使Merkle樹發生改變。在交易信息的處理、比對及驗證的過程中，尤其是在分布式環境下進行比對或驗證時，Merkle 樹會大大減少數據的傳輸量和計算的復雜度。

Merkle 樹結構圖

區塊鏈為每一筆交易蓋上時間戳

黃老邪在傳授記賬方法時，要求居民將發生在桃花島上的每一筆交易都記錄下來，并且要求他們將交易發生的時間也一并記錄在賬本上，這就相當于區塊鏈為每- -筆交易在發生時蓋上了時間戳。

在區塊鏈中，時間戳的應用是對每一次交易記錄的認證，它就像交易合同公證一樣，能夠顯示交易記錄的真實性。時間戳作為區塊元數據的一部分，具有天然的時間特性。從某種意義上講，區塊鏈的本質可以被理解為構造了一個永不停息、無堅不摧的時間戳系統。

在現實經濟交易中，常常會出現信息欺詐等虛假交易現象。為了減少這些不法行為給交易中誠實守信的一方帶來的損失，人們通常會尋求有公信力的第三方機構對交易進行核驗。區塊鏈通過時間戳來保證分布式賬本的唯一一性， 避免雙花問題的產生。時間戳從區塊生成的一刻起就存在于區塊之中，它扮演了區塊鏈中的公證人的角色。與現有的公證機制相比，基于時間截的公證系統更為經濟，并且完全可信。

區塊鏈中的時間截比傳統的公證制度更為可信，是因為時間簽名是直接寫在區塊鏈上的，區塊鏈中已經生成的區塊不能以任何方式進行修改。一旦區塊被修改，生成的哈希值就無法匹配，操縱行為也將由此而被系統檢測到。區塊鏈根據分布式的協議，構建了一個分布式的開放結構體系，交換的信息可以通過分布式記賬的方式確定信息數據內容，加蓋時間戳后生成區塊數據，再通過分布式廣播發送給各個節點，最終實現分布式存儲。

對數據應用安全散列算法加蓋時間戳，并將該隨機哈希值在全網中進行廣播能夠證實一組數據在某一 -時刻是真實存在的，因為數據只有在該時刻的確存在，才能獲取相應的隨機哈希值。每個時間戳會將前一個時間戳納入其隨機哈希值之中， 每一個后面位置的時間截都會對前面的時間戳進行增強，這過程不斷重復、依次推進，最終形成一個完整 的鏈條。時間戳與哈希算法、Merkle樹共同作用，增強了區塊鏈的安全性能。

時間戳證明存在性的功能可能是區塊鏈的另一種用途，它或許會徹底改變人類的未來。由于區塊哈希值的不可偽造性，一個區塊能提供出哈希值即可證明區塊哈希值存在于該區塊生成時刻之后，就像你在一張白紙上寫下了一串數字，說明的是數字出現的時間晚于白紙 這也稱為時間點后向證明。時間點前向證明則需要構造一個包含數字摘要的交易，當該交易進入區塊后，便可以證明你在該區塊時刻之前擁有該數字摘要。

區塊鏈使智能合約成為現實

1994年，密碼學家尼克薩博（Nick Szabo）首次提出了智能合約的理念。 然而在過去的中心化體系下，智能合約幾乎是沒有意義的，因為保存在中心化系統中的合約可以被系統所有者隨時修改甚至刪除。但是有了區塊鏈以后，智能合約可以被事先寫入到區塊鏈的分右式網絡體系中。當合約中的某一事項發生時， 智能合約就會被觸發并自動執行相應的合約條款。在這個過程中，某一個人或者某一個機構都不能夠修改或刪除合約，也無法阻礙智能合約的自動執行。

智能合約指的是一段部署在分布式賬本中的代碼，它可以處理信息，接收、儲存和發送價值，是一個能夠自動執行合約條款的計算機程序。從本質上講，智能合約的工作原理類似于計算機程序中的if-then判斷語句，智能合約以這樣一種方式 與現實世界里的資產進行交互。

智能合約見圖3-6。

智能合約擁有自治、自足和分布式的特點，它由代碼定義并獨立執行。智能合約的執行流程從雙方達成合約協定時開始，通過將合約中的內容進行數字化編碼并寫入區塊鏈中實現對合約內容的形式化。合約中約定的條件事項的發生將自動觸發合約的執行程序。借助區塊鏈技術，智能合約可能會在未來對人們的生活帶來極大的改變。智能合約能夠使得人與人之間的價值交易過程自動化和信任化，通過智能合約實現價值交易不僅節省了時間和金錢，還提高了交易的效率。在區塊鏈技術中，智能合約在分布式交易所、金融衍生品、身份認證、醫療健康和科學發現等領域均有著廣泛的應用。