数据结构 - 机器学习

区块链是随着比特币等数字加密货币的日益普及而逐渐兴起的一种全新技术，它提供了一种去中心化的、无需信任积累的信用建立范式，目前已经引起金融行业、科研机构、政府部门和投资公司的高度重视与广泛关注。区块链技术通过建立一个共同维护且不可被篡改的数据库来记录过去的所有交易记录和历史数据，所有的数据都是分布式存储且公开透明的。在这种技术下，任何互不相识的网络用户都可以通过合约、点对点记账、数字加密等方式达成信用共识，而不需要任何的中央信任机构。在这种技术下，我们可以建立数字货币、数字资产、智能财产以及智能合约等。通过上一章的介绍，相信大家已经对区块链和比特币有了初步的认识，在本章中，我们将继续探讨区块链的技术细节。本章将首先介绍区块链的相关基本概念及其运作原理，然后介绍区块链上可以进行的操作

2.2.1　什么是以太坊以太坊的总体系统架构如图2-14所示。图2-14　以太坊总体架构自2008年比特币出现以来，数字货币的存在已经渐渐为一部分人所接受。人们也积极展开了基于比特币的商业应用的思考与开发。但是随着应用的扩展，人们发现比特币的设计只适合虚拟货币场景，由于存在着非图灵完备性、缺少保存状态的账户概念，以及PoW挖矿机制所带来的资源浪费和效率问题，在很多区块链应用场景下并不适用。人们需要一个新的基于区块链的具有图灵完备性、高效共识机制、支持更多应用场景的智能合约开发平台。以太坊在这种情况下应运而生。以太坊的目的是对脚本、竞争币和链上元协议（on-chainmeta-protocol）等概念进行整合和提高，使得开发者能够创建任意的基于共识的、可扩展的、标准化的、图灵完备的、易

2.3.1　元币平台元币（metacoin）单词前缀“meta-”意为“在其中”。所以元币是衍生于现有加密货币体系之上，更专注于业务系统的代币种类。（1）彩币彩币（ColoredCoins）是一种建立在比特币数据块上的高级衍生应用协议。彩币建立在P2P网络之上，具有去中心化的所有优势，可以用来进行任何虚拟财产和现实资产的交易，并且比传统金融交易更加快捷和方便，更重要的是，它没有手续费。彩币由一种特殊的钱包负责管理，进行记录和阐释附加在彩币中的元数据。通过这种钱包，用户可以通过添加标签，将一定量的比特币转化为彩币，使其具有特殊意义。而这种特殊意义，往往使其价值提升。相关元数据是由用户来定义的，并且使比特币转化为彩币。彩币一旦定义，便可以进行买卖、分销、积累或者分红。当然，也可

前面几章介绍了区块链背景以及相关的基础知识，本章将为读者介绍区块链的架构。区块链源于支持BitCoin虚拟货币系统的底层基础架构，在支撑BitCoin平稳运行三四年后，以其独特的去中心化架构逐渐吸引IT业界的关注，使得业界的关注点逐渐从虚拟货币转移到区块链平台上，并被认为是目前呼声最高的下一代互联网——“价值互联网”的颠覆性技术。本章将深入剖析区块链基础架构（区块链1.0），阐述其架构属性和特点，同时也详细分析从基础架构上延伸扩展的区块链2.0和区块链3.0架构，最后介绍用来集成整合不同区块链的互联链架构。3.1　基本定义在详细讨论区块链之前，为了便于准确地把握区块链的架构，我们先给出区块链的定义。由于目前在业界并没有统一的区块链定义，我们将用渐进逼近的方式来定义区块链，以求完整、准

区块链1.0的典型应用是比特币应用。比特币是第一个解决“双花”问题的去中心化虚拟货币系统。下面我们来详细剖析比特币系统的架构。中本聪在发表比特币白皮书后的第2年，就发布了比特币的第一版实施系统。据普林斯顿大学出版的《BitcoinandCryptocurrencyTechnologies》作者们推测，中本聪很可能是先写好了比特币系统，才写比特币的白皮书的[1]。从最初的比特币源代码可以看出，比特币系统没有很明确的模块划分，很多不同功能都放在一个5000多行的Main程序中实现。因此，当初中本聪并没有从架构上考虑太多，而是用简单直白的办法一气呵成地把比特币系统写了出来。当参与开源项目的开发者多起来的时候，一个清晰的架构就显得愈来愈重要，这样对代码的重用、维护和扩展非常重要。

比特币的区块链架构主要围绕支持虚拟货币的实现，虽然它有一定的灵活性，但用来支撑虚拟货币以外的应用场景还显得非常局限。近年来，区块链逐渐引起IT业界的关注，并逐渐成为独立于比特币的一个平台架构，其重要性越来越受到重视。区块链2.0的概念也随之产生。其核心理念是把区块链作为一个可编程的分布式信用基础设施，支撑智能合约应用，以与过去比特币区块链作为一个虚拟货币支撑平台区别开来。具体说来就是，不仅仅把区块链作为一个去中心化的虚拟货币和支付平台，而是通过增加链上的扩展性功能，把区块链的技术范围扩展到支撑一个去中心化的市场，交易内容可以包括房产的契约、权益及债务凭证、知识产权，甚至汽车、艺术品等。区块链2.0提供一套新的协议（区块链2.0协议）支撑新型的去中心化应用。如果用互联网协议来做

《区块链：新经济蓝图及导读》一书的作者MelanieSwan把超越货币、金融范围的区块链应用归为区块链3.0，特别是在政府、健康、科学、工业、文化和艺术领域的应用。它支持广义资产、广义交换，支持行业应用。支持行业应用意味着区块链平台必须具备企业级属性。具体说来就是安全性的考虑会更为突出，在很多企业级应用场景需要有授权才能访问区块链，也就是权限控制链（PermissionedChain），一般来说企业级的区块链的部署模式是联盟链或私有链。另外区块链3.0也需要图灵完备的智能合约平台，同时对网络和共识算法的性能、每秒交易数（TPS）都有比较高的要求。因此，区块链3.0架构是分布式架构，但可以不是完全去中心化的架构，最有可能是在不同场景下的混合架构，也就是在部分场景，特别需要消

3.5.1　互联链背景虽然作为虚拟货币的比特币非常成功，但金融行业更看重的是区块链技术在支付领域中的应用前景。现在的支付系统很多是竖井型，互不连接。如果在一个国家内，或者支付参与方账户同在一个支付网络或同一个账本中，支付还相对容易，如图3-11所示。但如果用户试图在不同账本体系间支付，就没有这么容易，如图3-12所示。比如说支付宝的用户想向微信支付里的账户转账，就没有这么容易。虽然账本之间存在连接，但这些连接都需要人工干预，交易的确认非常慢和昂贵。这里面碰到的首要问题就是一个信用的问题。也就是说，用户首先要信任在两个账本起连接作用的连接机构，相信它们不会卷款而逃。这些连接机构目前一般是大的银行，或支付组织，像Visa、万事达、银联等。而这些大的机构往往要靠非常高的成本来建立信

为保证存储于区块链中的信息的安全与完整，区块及区块链的定义和构造中使用了包含密码哈希函数和椭圆曲线公钥密码技术在内的大量的现代密码学技术，同时，这些密码学技术也被用于设计基于工作量证明的共识算法并识别用户。

密码哈希函数是一类数学函数，可以在有限合理的时间内，将任意长度的消息压缩为固定长度的二进制串，其输出值称为哈希值，也称为散列值。以哈希函数为基础构造的哈希算法，在现代密码学中扮演着重要的角色，常用于实现数据完整性和实体认证，同时也构成多种密码体制和协议的安全保障。碰撞是与哈希函数相关的重要概念，体现着哈希函数的安全性，所谓碰撞是指两个不同的消息在同一个哈希函数作用下，具有相同的哈希值。哈希函数的安全性是指在现有的计算资源（包括时间、空间、资金等）下，找到一个碰撞是不可行的。在比特币系统中使用了两个密码学哈希函数，一个是SHA256，另一个是RIPEMD160。RIPEMD160主要用于生成比特币地址，我们着重分析比特币中用得最多的SHA256算法。SHA256属于著名的SHA家族一员