区块链技术的算法_什么是区块链加密算法

　　① 深入了解区块链的共识机制及算法原理

　　所谓“共识机制”，是通过特殊节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认；对一笔交易，如果利益不相干的若干个节点能够达成共识，我们就可以认为全网对此也能够达成共识。再通俗一点来讲，如果中国一名微博大V、美国一名虚拟币玩家、一名非洲留学生和一名欧洲旅行者互不相识，但他们都一致认为你是个好人，那么基本上就可以断定你这人还不坏。

　　要想整个区块链网络节点维持一份相同的数据，同时保证每个参与者的公平性，整个体系的所有参与者必须要有统一的协议，也就是我们这里要将的共识算法。比特币所有的节点都遵循统一的协议规范。协议规范（共识算法）由相关的共识规则组成，这些规则可以分为两个大的核心：工作量证明与最长链机制。所有规则（共识）的最终体现就是比特币的最长链。共识算法的目的就是保证比特币不停地在最长链条上运转，从而保证整个记账系统的一致性和可靠性。

　　区块链中的用户进行交易时不需要考虑对方的信用、不需要信任对方，也无需一个可信的中介机构或中央机构，只需要依据区块链协议即可实现交易。这种不需要可信第三方中介就可以顺利交易的前提是区块链的共识机制，即在互不了解、信任的市场环境中，参与交易的各节点出于对自身利益考虑，没有任何违规作弊的动机、行为，因此各节点会主动自觉遵守预先设定的规则，来判断每一笔交易的真实性和可靠性，并将检验通过的记录写入到区块链中。各节点的利益各不相同，逻辑上将它们没有合谋欺骗作弊的动机产生，而当网络中有的节点拥有公共信誉时，这一点尤为明显。区块链技术运用基于数学原理的共识算法，在节点之间建立“信任”网络，利用技术手段从而实现一种创新式的信用网络。

　　目前区款连行业内主流的共识算法机制包含：工作量证明机制、权益证明机制、股份授权证明机制和Pool验证池这四大类。

　　工作量证明机制即对于工作量的证明，是生成要加入到区块链中的一笔新的交易信息(即新区块)时必须满足的要求。在基于工作量证明机制构建的区块链网络中，节点通过计算随机哈希散列的数值解争夺记账权，求得正确的数值解以生成区块的能力是节点算力的具体表现。工作量证明机制具有完全去中心化的优点，在以工作量证明机制为共识的区块链中，节点可以自由进出。大家所熟知的比特币网络就应用工作量证明机制来生产新的货币。然而，由于工作量证明机制在比特币网络中的应用已经吸引了全球计算机大部分的算力，其他想尝试使用该机制的区块链应用很难获得同样规模的算力来维持自身的安全。同时，基于工作量证明机制的挖矿行为还造成了大量的资源浪费，达成共识所需要的周期也较长，因此该机制并不适合商业应用。

　　2012年，化名Sunny King的网友推出了Peercoin，该加密电子货币采用工作量证明机制发行新币，采用权益证明机制维护网络安全，这是权益证明机制在加密电子货币中的首次应用。与要求证明人执行一定量的计算工作不同，权益证明要求证明人提供一定数量加密货币的所有权即可。权益证明机制的运作方式是，当创造一个新区块时，矿工需要创建一个“币权”交易，交易会按照预先设定的比例把一些币发送给矿工本身。权益证明机制根据每个节点拥有代币的比例和时间，依据算法等比例地降低节点的挖矿难度，从而加快了寻找随机数的速度。这种共识机制可以缩短达成共识所需的时间，但本质上仍然需要网络中的节点进行挖矿运算。因此，PoS机制并没有从根本上解决PoW机制难以应用于商业领域的问题。

　　股份授权证明机制是一种新的保障网络安全的共识机制。它在尝试解决传统的PoW机制和PoS机制问题的同时，还能通过实施科技式的民主抵消中心化所带来的负面效应。

　　股份授权证明机制与董事会投票类似，该机制拥有一个内置的实时股权人投票系统，就像系统随时都在召开一个永不散场的股东大会，所有股东都在这里投票决定公司决策。基于DPoS机制建立的区块链的去中心化依赖于一定数量的代表，而非全体用户。在这样的区块链中，全体节点投票选举出一定数量的节点代表，由他们来代理全体节点确认区块、维持系统有序运行。同时，区块链中的全体节点具有随时罢免和任命代表的权力。如果必要，全体节点可以通过投票让现任节点代表失去代表资格，重新选举新的代表，实现实时的民主。

　　股份授权证明机制可以大大缩小参与验证和记账节点的数量，从而达到秒级的共识验证。然而，该共识机制仍然不能完美解决区块链在商业中的应用问题，因为该共识机制无法摆脱对于代币的依赖，而在很多商业应用中并不需要代币的存在。

　　Pool验证池基于传统的分布式一致性技术建立，并辅之以数据验证机制，是目前区块链中广泛使用的一种共识机制。

　　Pool验证池不需要依赖代币就可以工作，在成熟的分布式一致性算法(Pasox、Raft)基础之上，可以实现秒级共识验证，更适合有多方参与的多中心商业模式。不过，Pool验证池也存在一些不足，例如该共识机制能够实现的分布式程度不如PoW机制等

　　这里主要讲解区块链工作量证明机制的一些算法原理以及比特币网络是如何证明自己的工作量的，希望大家能够对共识算法有一个基本的认识。

　　工作量证明系统的主要特征是客户端要做一定难度的工作来得到一个结果，验证方则很容易通过结果来检查客户端是不是做了相应的工作。这种方案的一个核心特征是不对称性：工作对于请求方是适中中的，对于验证方是易于验证的。它与验证码不同，验证码是易于被人类解决而不是易于被计算机解决。

　　下图所示的为工作量证明流程。

　　举个例子，给个一个基本的字符创“hello，world！”，我们给出的工作量要求是，可以在这个字符创后面添加一个叫做nonce（随机数）的整数值，对变更后（添加nonce）的字符创进行SHA-256运算，如果得到的结果（一十六进制的形式表示）以“0000”开头的，则验证通过。为了达到这个工作量证明的目标，需要不停地递增nonce值，对得到的字符创进行SHA-256哈希运算。按照这个规则，需要经过4251次运算，才能找到前导为4个0的哈希散列。

　　通过这个示例我们对工作量证明机制有了一个初步的理解。有人或许认为如果工作量证明只是这样一个过程，那是不是只要记住nonce为4521使计算能通过验证就行了，当然不是了，这只是一个例子。

　　下面我们将输入简单的变更为“Hello,World!+整数值”，整数值取1~1000，也就是说将输入变成一个1~1000的数组：Hello,World!1；Hello,World!2；...；Hello,World!1000。然后对数组中的每一个输入依次进行上面的工作量证明—找到前导为4个0的哈希散列。

　　由于哈希值伪随机的特性，根据概率论的相关知识容易计算出，预计要进行2的16次方次数的尝试，才能得到前导为4个0的哈希散列。而统计一下刚刚进行的1000次计算的实际结果会发现，进行计算的平均次数为66958次，十分接近2的16次方（65536）。在这个例子中，数学期望的计算次数实际就是要求的“工作量”，重复进行多次的工作量证明会是一个符合统计学规律的概率事件。

　　统计输入的字符创与得到对应目标结果实际使用的计算次数如下：

　　对于比特币网络中的任何节点，如果想生成一个新的区块加入到区块链中，则必须解决出比特币网络出的这道谜题。这道题的关键要素是工作量证明函数、区块及难度值。工作量证明函数是这道题的计算方法，区块是这道题的输入数据，难度值决定了解这道题的所需要的计算量。

　　比特币网络中使用的工作量证明函数正是上文提及的SHA-256。区块其实就是在工作量证明环节产生的。旷工通过不停地构造区块数据，检验每次计算出的结果是否满足要求的工作量，从而判断该区块是不是符合网络难度。区块头即比特币工作量证明函数的输入数据。

　　难度值是矿工们挖掘的重要参考指标，它决定了旷工需要经过多少次哈希运算才能产生一个合法的区块。比特币网络大约每10分钟生成一个区块，如果在不同的全网算力条件下，新区块的产生基本都保持这个速度，难度值必须根据全网算力的变化进行调整。总的原则即为无论挖矿能力如何，使得网络始终保持10分钟产生一个新区块。

　　难度值的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每隔2016个区块，所有节点都会按照统一的格式自动调整难度值，这个公式是由最新产生的2016个区块的花费时长与期望时长（按每10分钟产生一个取款，则期望时长为20160分钟）比较得出来的，根据实际时长一期望时长的比值进行调整。也就是说，如果区块产生的速度比10分钟快，则增加难度值；反正，则降低难度值。用公式来表达如下：

　　新难度值=旧难度值*（20160分钟/过去2016个区块花费时长）。

　　工作量证明需要有一个目标值。比特币工作量证明的目标值（Target）的计算公式如下：

　　目标值=最大目标值/难度值，其中最大目标值为一个恒定值

　　目标值的大小与难度值成反比，比特币工作量证明的达成就是矿中计算出来的区块哈希值必须小于目标值。

　　我们也可以将比特币工作量的过程简单的理解成，通过不停变更区块头（即尝试不同nonce值）并将其作为输入，进行SHA-256哈希运算，找出一个有特定格式哈希值的过程（即要求有一定数量的前导0），而要求的前导0个数越多，难度越大。

　　可以把比特币将这道工作量证明谜题的步骤大致归纳如下：

　　该过程可以用下图表示：

　　比特币的工作量证明，就是我们俗称“挖矿”所做的主要工作。理解工作量证明机制，将为我们进一步理解比特币区块链的共识机制奠定基础。

　　② 区块链哈希算法是什么

　　哈希算法也被称为“散列”，是区块链的四大核心技术之一。是能计算出一个数字消息所对应的、长度固定的字符串（又称消息摘要）的算法。由于一段数据只有一个哈希值，所以哈希算法可以用于检验数据的完整性。在快速查找和加密算法的应用方面，哈希算法的使用非常普遍。

　　在互联网时代，尽管人与人之间的距离更近了，但是信任问题却更严重了。 现存的第三方中介组织的技术架构都是私密而且中心化的，这种模式永远都无法从根本上解决互信以及价值转移的问题。因此，区块链技术将会利用去中心化的数据库架构完成数据交互信任背书，实现全球互信的一大跨步。在这一过 程中，哈希算法发挥了重要作用。

　　散列算法是区块链中保证交易信息不被篡改的单向密码机制。区块链通过散列算法对一个交易区块中的交易进行加密，并把信息压缩成由一串数字和字母组成的散列字符串。区块链的散列值能够唯一而准确地标识一个区块。在验证区块的真实性时，只需要简单计算出这个区块的散列值，如果没有变化就 意味着这个区块上的信息是没有被篡改过的。

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　　③ POA(Proof of Activity)区块链共识算法

　　POA(Proof of Activity)算法是一个区块链的共识算法，基本原理是结合POW(Proof of work)和POS(Proof of stake)算法的特点进行工作，POW算法和POS算法的具体内容可以参考：

　　POW算法 ： https://www.jianshu.com/p/b23cbafbbad2

　　POS算法 ： https://blog.csdn.net/wgwgnihao/article/details/80635162

　　POA算法相比于其他算法可以改进网络拓扑，维持在线节点比例，需求更少的交易费同时减少共识算法过程中的能量损耗。

　　POA算法需求的网络中同样包含两类节点，矿工和普通参与者，其中普通参与者不一定一直保持在线。POA算法首先由矿工构造区块头，由块头选出N个币，这N个币的所有者参与后续的校验和生成块的过程。

　　从这里可以看到POA算法不仅与算力有关，后续的N个参与者的选举则完全由参与者在网络中所拥有的币的总数量决定。拥有越多币的参与者越有机会被选为N个后续的参与者。而后续N个参与者参与的必要条件是这N个参与者必须在线，这也是POA命名的由来，POA算法的维护取决于网络中的活跃节点(Active)。

　　POA算法的一个理想的基本流程是，类似于POW协议，矿工构造出一个符合难度要求的块头，通过矿工得到的块头计算衍生出N个币的编号，从区块链中追溯可以得到这几个币目前所述的参与者。矿工将这个块头发送给这N个参与者，其中前N-1个参与者对这个块进行校验和签名，最后第N个参与者校验并将交易加入到该块中，将这个区块发布出去，即完成一个区块的出块。

　　一个理想过程如下图所示：

　　在实际运行中，无法保证网络上所有参与者都在线，而不在线的参与者则无法进行校验和签名，这个无法被校验和签名的块头则会被废弃。

　　即在实际运行中，应该是一个矿工构造出块头后广播给各个参与者签名，同时继续重新构造新的块头，以免上一个块头衍生的N个参与者存在有某一个没有在线，而导致块头被废弃。

　　因此，在这种情况下，一个块是否被确认不仅与矿工的计算能力有关同时也与网络上的在线比例有关。

　　与纯POW相比，在与比特币(POW)同样10分钟出一个块的情况下，POA由于会有参与者不在线而产生的损耗，因此，10分钟内矿工可以构造的块的数量会更多，即块头的难度限制会降低，那么矿工在挖矿过程中会造成的能量损耗也会降低。

　　与纯POS相比，可以看到POA的出块流程并不会将构造区块过程中的相关信息上链，可以明显减少区块链上用于维护协议产生的冗余信息的量。

　　本节对上诉协议中一些参数设置进行分析

　　在矿工构造出块头后对块头进行校验和区块构造的N个参与者的数量选定比较类似于比特币中每一个块的出块时间的选取。比特币中选择了10分钟作为每一个块的期望出块时间并通过动态调节难度来适应。

　　这里N的取值同样可以选择选定值或者动态调节。动态调节需要更加复杂的协议内容，同时可能会带来区块链的数据膨胀，而复杂的协议也增加了攻击者攻击的可能性。另外暂时没有办法证明动态调节可以带来什么好处。静态调节在后续的分析(4 安全分析)中可以得到N=3的取值是比较合适的。

　　从上面的描述可以看到，构造新的区块的除了矿工还有从块头中衍生出来的N个币所有者。在构造出一个新的区块后，这些参与者同样应该收到一定的激励，以维持参与者保持在线状态。

　　矿工与参与者之间的非配比例与参与者的在线状态相关。给予参与者的激励与参与者保持在线状态的热情密切相关，越多参与者保持在线状态，能更好地维持网络的稳定。因此，可以在网络上在线参与者不够多的时候，提高参与者得到的激励分成比例，从而激发更多的参与者上线。

　　如何确定当前参与者的在线情况呢？可以最后第N个参与者构造区块时，将构造出来但是被废弃的块头加入到区块中，如果被丢弃的块头数量过多，说明在线人数过低，应当调节分成比例。

　　同时最后第N个参与者与其他参与者的分成同样需要考虑，第N个参与者需要将交易加入区块中，即需要维护UTXO池，同时第N个参与者还需要将被丢弃的块头加入新构建的区块中。

　　为了激励其将废弃区块头加入新构建的区块中，可以按照加入的区块头，适当增加一点小的激励。虽然加入更多的区块头，可以在下一轮的时候增加分成的比例，应当足够激励参与者往区块中加入未使用的块头了(这里参与者不可能为了增加分成而更多地加入区块头，每一个区块头都意味着一位矿工的工作量)。

　　一个参与者如果没有维护UTXO池则无法构造区块，但是可以参与前N-1个的签名，因此为了激励参与者维护UTXO池，作为最后一个构造区块的参与者，必须给予更多的激励，比如是其他参与者的两倍。

　　从3.2的描述中可以知道一个用户必须在线且维护UTXO池才可能尽可能地获得利益。这种机制势必会导致一些用户将自己的账户托管给一个中心化的机构。这个机构一直保持在线，并为用户维护其账户，在被选为构造区块的参与者时参与区块的构建并获取利益。最后该机构将收益按照某种形式进行分成。

　　上面说到参与者必须用自己的密钥进行签名，而托管给某个机构后，这个机构在可以用这个密钥签名构造区块的同时，也有可能使用这个密钥消费用户的财产。这里可以采用一种有限花销的密钥，这个密钥有两个功能，一个是将账户中的部分财产消费出去，另一个是将所有财产转移到一个指定账户。在托管的时候可以使用这个密钥，在被通知部分财产被花费后可以立即将所有财产转移到自己的另一个账户下，以保证财产的安全。

　　从上面的分析可以看到，POA的安全性与攻击者所拥有的算力和攻击者所拥有的股权有关。假设攻击者拥有的在线股权占比为 ，则攻击者的算力需要达到其他所有算力的 倍才能达成分叉。假设攻击者股权总占比为 ，网络中诚实用户的在线比例为 ，则攻击者的算力需要达到其他所有算力的 倍才能达成攻击。

　　攻击的分析表格如下：

　　从上文的分析可以看到，POA算法相比于其他算法可以改进网络拓扑，维持在线节点比例，需求更少的交易费同时减少共识算法过程中的能量损耗。同时，PoA协议的攻击成本要高于比特币的纯PoW协议。

　　参考文献：Proof of Activity: Extending Bitcoins Proof of Work via Proof of Stake

　　④ 区块链技术中的哈希算法是什么

　　1.1. 简介

　　计算机行业从业者对哈希这个词应该非常熟悉，哈希能够实现数据从一个维度向另一个维度的映射，通常使用哈希函数实现这种映射。通常业界使用y = hash(x)的方式进行表示，该哈希函数实现对x进行运算计算出一个哈希值y。

　　区块链中哈希函数特性：

• 　　函数参数为string类型；

• 　　固定大小输出；

• 　　计算高效；

• 　　collision-free 即冲突概率小：x != y => hash(x) != hash(y)

  　　隐藏原始信息：例如区块链中各个节点之间对交易的验证只需要验证交易的信息熵，而不需要对原始信息进行比对，节点间不需要传输交易的原始数据只传输交易的哈希即可，常见算法有SHA系列和MD5等算法

　　1.2. 哈希的用法

　　哈希在区块链中用处广泛，其一我们称之为哈希指针（Hash Pointer）

　　哈希指针是指该变量的值是通过实际数据计算出来的且指向实际的数据所在位置，即其既可以表示实际数据内容又可以表示实际数据的存储位置。下图为Hash Pointer的示意图

　　⑤ 什么是区块链加密算法

　　区块链加密算法（EncryptionAlgorithm）

　　非对称加密算法是一个函数，通过使用一个加密钥匙，将原来的明文文件或数据转化成一串不可读的密文代码。加密流程是不可逆的，只有持有对应的解密钥匙才能将该加密信息解密成可阅读的明文。加密使得私密数据可以在低风险的情况下，通过公共网络进行传输，并保护数据不被第三方窃取、阅读。

　　区块链技术的核心优势是去中心化，能够通过运用数据加密、时间戳、分布式共识和经济激励等手段，在节点无需互相信任的分布式系统中实现基于去中心化信用的点对点交易、协调与协作，从而为解决中心化机构普遍存在的高成本、低效率和数据存储不安全等问题提供了解决方案。

　　区块链的应用领域有数字货币、通证、金融、防伪溯源、隐私保护、供应链、娱乐等等，区块链、比特币的火爆，不少相关的top域名都被注册，对域名行业产生了比较大的影响。

　　⑥ 区块链要什么技术开发

　　区块链要什么技术开发：

　　一、区块链理论：区块链开发者要对区块链的理论知识具备熟悉的掌握能力，这是作为一名区块链开发者最基本的要求。在里面的内容包括了区块链网络架构、去中心化等相关应用技术。拓展技术理论是对以太坊开发的掌握。

　　二、智能合约：智能合约是需要区块链开发者用区块链编程语言写出来的一串代码，根据不同场景构思逻辑后开发出来的信任机制，旨在消除第三方的介入，创造出高效、高信任的区块链网络。区块链开发者要实现这串代码自动执行，且是不可逆的操作效果。

　　三、密码学：区块链应用场景很多都是具备高加密性的，点对点的加密模式是密码学的特点。区块链开发者通过研究密码学，了解到钱包、密钥、广泛的加密和解密技术等加密概念

　　四、分布式架构：区块链开发人者必须懂得分布式架构和网络的功能。去中心化网络是区块链架构的基础，在区块链网络中信息的传递要遵循去中心化的方式，这样每个人才能享受到同等的网络权益。

　　⑦ 区块链密码算法是怎样的

　　区块链作为新兴技术受到越来越广泛的关注，是一种传统技术在互联网时代下的新的应用，这其中包括分布式数据存储技术、共识机制和密码学等。随着各种区块链研究联盟的创建，相关研究得到了越来越多的资金和人员支持。区块链使用的Hash算法、零知识证明、环签名等密码算法:

　　Hash算法

　　哈希算法作为区块链基础技术，Hash函数的本质是将任意长度（有限）的一组数据映射到一组已定义长度的数据流中。若此函数同时满足：

　　（1）对任意输入的一组数据Hash值的计算都特别简单；

　　（2）想要找到2个不同的拥有相同Hash值的数据是计算困难的。

　　满足上述两条性质的Hash函数也被称为加密Hash函数，不引起矛盾的情况下，Hash函数通常指的是加密Hash函数。对于Hash函数，找到使得被称为一次碰撞。当前流行的Hash函数有MD5,SHA1,SHA2,SHA3。

　　比特币使用的是SHA256，大多区块链系统使用的都是SHA256算法。所以这里先介绍一下SHA256。

　　1、 SHA256算法步骤

　　STEP1：附加填充比特。对报文进行填充使报文长度与448模512同余（长度=448mod512），填充的比特数范围是1到512，填充比特串的最高位为1，其余位为0。

　　STEP2：附加长度值。将用64-bit表示的初始报文（填充前）的位长度附加在步骤1的结果后（低位字节优先）。

　　STEP3：初始化缓存。使用一个256-bit的缓存来存放该散列函数的中间及最终结果。

　　STEP4：处理512-bit（16个字）报文分组序列。该算法使用了六种基本逻辑函数，由64 步迭代运算组成。每步都以256-bit缓存值为输入，然后更新缓存内容。每步使用一个32-bit 常数值Kt和一个32-bit Wt。其中Wt是分组之后的报文，t=1,2,...,16 。

　　STEP5：所有的512-bit分组处理完毕后，对于SHA256算法最后一个分组产生的输出便是256-bit的报文。

　　2、环签名

　　2001年，Rivest, shamir和Tauman三位密码学家首次提出了环签名。是一种简化的群签名，只有环成员没有管理者，不需要环成员间的合作。环签名方案中签名者首先选定一个临时的签名者集合,集合中包括签名者。然后签名者利用自己的私钥和签名集合中其他人的公钥就可以独立的产生签名,而无需他人的帮助。签名者集合中的成员可能并不知道自己被包含在其中。

　　环签名方案由以下几部分构成：

　　（1）密钥生成。为环中每个成员产生一个密钥对(公钥PKi,私钥SKi)。

　　（2）签名。签名者用自己的私钥和任意n个环成员(包括自己)的公钥为消息m生成签名a。

　　（3）签名验证。验证者根据环签名和消息m,验证签名是否为环中成员所签,如果有效就接收,否则丢弃。

　　环签名满足的性质：

　　（1）无条件匿名性:攻击者无法确定签名是由环中哪个成员生成,即使在获得环成员私钥的情况下,概率也不超过1/n。

　　（2）正确性:签名必需能被所有其他人验证。

　　（3）不可伪造性:环中其他成员不能伪造真实签名者签名,外部攻击者即使在获得某个有效环签名的基础上,也不能为消息m伪造一个签名。

　　3、环签名和群签名的比较

　　（1）匿名性。都是一种个体代表群体签名的体制，验证者能验证签名为群体中某个成员所签，但并不能知道为哪个成员，以达到签名者匿名的作用。

　　（2）可追踪性。群签名中，群管理员的存在保证了签名的可追踪性。群管理员可以撤销签名，揭露真正的签名者。环签名本身无法揭示签名者,除非签名者本身想暴露或者在签名中添加额外的信息。提出了一个可验证的环签名方案,方案中真实签名者希望验证者知道自己的身份,此时真实签名者可以通过透露自己掌握的秘密信息来证实自己的身份。

　　（3）管理系统。群签名由群管理员管理，环签名不需要管理，签名者只有选择一个可能的签名者集合，获得其公钥，然后公布这个集合即可，所有成员平等。

　　链乔教育在线旗下学硕创新区块链技术工作站是中国教育部学校规划建设发展中心开展的“智慧学习工场2020-学硕创新工作站 ”唯一获准的“区块链技术专业”试点工作站。专业站立足为学生提供多样化成长路径，推进专业学位研究生产学研结合培养模式改革，构建应用型、复合型人才培养体系。

　　⑧ 区块链 --- 共识算法

　　PoW算法是一种防止分布式服务资源被滥用、拒绝服务攻击的机制。它要求节点进行适量消耗时间和资源的复杂运算，并且其运算结果能被其他节点快速验算，以耗用时间、能源做担保，以确保服务与资源被真正的需求所使用。

　　PoW算法中最基本的技术原理是使用哈希算法。假设求哈希值Hash(r)，若原始数据为r（raw），则运算结果为R（Result）。

　　 R = Hash(r)

　　哈希函数Hash()的特性是，对于任意输入值r，得出结果R，并且无法从R反推回r。当输入的原始数据r变动1比特时，其结果R值完全改变。在比特币的PoW算法中，引入算法难度d和随机值n，得到以下公式：

　　 Rd = Hash(r+n)

　　该公式要求在填入随机值n的情况下，计算结果Rd的前d字节必须为0。由于哈希函数结果的未知性，每个矿工都要做大量运算之后，才能得出正确结果，而算出结果广播给全网之后，其他节点只需要进行一次哈希运算即可校验。PoW算法就是采用这种方式让计算消耗资源，而校验仅需一次。

　　PoS算法要求节点验证者必须质押一定的资金才有挖矿打包资格，并且区域链系统在选定打包节点时使用随机的方式，当节点质押的资金越多时，其被选定打包区块的概率越大。

　　POS模式下，每个币每天产生1币龄，比如你持有100个币，总共持有了30天，那么，此时你的币龄就为3000。这个时候，如果你验证了一个POS区块，你的币龄就会被清空为0，同时从区块中获得相对应的数字货币利息。

　　节点通过PoS算法出块的过程如下：普通的节点要成为出块节点，首先要进行资产的质押，当轮到自己出块时，打包区块，然后向全网广播，其他验证节点将会校验区块的合法性。

　　DPoS算法和PoS算法相似，也采用股份和权益质押。

　　但不同的是，DPoS算法采用委托质押的方式，类似于用全民选举代表的方式选出N个超级节点记账出块。

　　选民把自己的选票投给某个节点，如果某个节点当选记账节点，那么该记账节点往往在获取出块奖励后，可以采用任意方式来回报自己的选民。

　　这N个记账节点将轮流出块，并且节点之间相互监督，如果其作恶，那么会被扣除质押金。

　　通过信任少量的诚信节点，可以去除区块签名过程中不必要的步骤，提高了交易的速度。

　　 拜占庭问题：

　　拜占庭是古代东罗马帝国的首都，为了防御在每块封地都驻扎一支由单个将军带领的军队，将军之间只能靠信差传递消息。在战争时，所有将军必须达成共识，决定是否共同开战。

　　但是，在军队内可能有叛徒，这些人将影响将军们达成共识。拜占庭将军问题是指在已知有将军是叛徒的情况下，剩余的将军如何达成一致决策的问题。

　　 BFT：

　　BFT即拜占庭容错，拜占庭容错技术是一类分布式计算领域的容错技术。拜占庭假设是对现实世界的模型化，由于硬件错误、网络拥塞或中断以及遭到恶意攻击等原因，计算机和网络可能出现不可预料的行为。拜占庭容错技术被设计用来处理这些异常行为，并满足所要解决的问题的规范要求。

　　 拜占庭容错系统 ：

　　发生故障的节点被称为 拜占庭节点 ，而正常的节点即为 非拜占庭节点 。

　　假设分布式系统拥有n台节点，并假设整个系统拜占庭节点不超过m台（n ≥ 3m + 1），拜占庭容错系统需要满足如下两个条件：

　　另外，拜占庭容错系统需要达成如下两个指标：

　　PBFT即实用拜占庭容错算法，解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题，算法的时间复杂度是O(n^2)，使得在实际系统应用中可以解决拜占庭容错问题

　　PBFT是一种状态机副本复制算法，所有的副本在一个视图（view）轮换的过程中操作，主节点通过视图编号以及节点数集合来确定，即：主节点 p = v mod |R|。v：视图编号，|R|节点个数，p：主节点编号。

　　PBFT算法的共识过程如下：客户端（Client）发起消息请求（request），并广播转发至每一个副本节点（Replica），由其中一个主节点（Leader）发起提案消息pre-prepare，并广播。其他节点获取原始消息，在校验完成后发送prepare消息。每个节点收到2f+1个prepare消息，即认为已经准备完毕，并发送commit消息。当节点收到2f+1个commit消息，客户端收到f+1个相同的reply消息时，说明客户端发起的请求已经达成全网共识。

　　 具体流程如下 ：

　　客户端c向主节点p发送请求。o: 请求的具体操作，t: 请求时客户端追加的时间戳，c：客户端标识。REQUEST: 包含消息内容m，以及消息摘要d(m)。客户端对请求进行签名。

　　主节点收到客户端的请求，需要进行以下交验：

　　a. 客户端请求消息签名是否正确。

　　非法请求丢弃。正确请求，分配一个编号n，编号n主要用于对客户端的请求进行排序。然后广播一条<<PRE-PREPARE, v, n, d>, m>消息给其他副本节点。v：视图编号，d客户端消息摘要，m消息内容。进行主节点签名。n是要在某一个范围区间内的[h, H]，具体原因参见 章节。

　　副本节点i收到主节点的PRE-PREPARE消息，需要进行以下交验：

　　a. 主节点PRE-PREPARE消息签名是否正确。

　　b. 当前副本节点是否已经收到了一条在同一v下并且编号也是n，但是签名不同的PRE-PREPARE信息。

　　c. d与m的摘要是否一致。

　　d. n是否在区间[h, H]内。

　　非法请求丢弃。正确请求，副本节点i向其他节点包括主节点发送一条消息, v, n, d, m与上述PRE-PREPARE消息内容相同，i是当前副本节点编号。进行副本节点i的签名。记录PRE-PREPARE和PREPARE消息到log中，用于View Change过程中恢复未完成的请求操作。

　　主节点和副本节点收到PREPARE消息，需要进行以下交验：

　　a. 副本节点PREPARE消息签名是否正确。

　　b. 当前副本节点是否已经收到了同一视图v下的n。

　　c. n是否在区间[h, H]内。

　　d. d是否和当前已收到PRE-PPREPARE中的d相同

　　非法请求丢弃。如果副本节点i收到了2f+1个验证通过的PREPARE消息，则向其他节点包括主节点发送一条消息，v, n, d, i与上述PREPARE消息内容相同。进行副本节点i的签名。记录COMMIT消息到日志中，用于View Change过程中恢复未完成的请求操作。记录其他副本节点发送的PREPARE消息到log中。

　　主节点和副本节点收到COMMIT消息，需要进行以下交验：

　　a. 副本节点COMMIT消息签名是否正确。

　　b. 当前副本节点是否已经收到了同一视图v下的n。

　　c. d与m的摘要是否一致。

　　d. n是否在区间[h, H]内。

　　非法请求丢弃。如果副本节点i收到了2f+1个验证通过的COMMIT消息，说明当前网络中的大部分节点已经达成共识，运行客户端的请求操作o，并返回给客户端，r：是请求操作结果，客户端如果收到f+1个相同的REPLY消息，说明客户端发起的请求已经达成全网共识，否则客户端需要判断是否重新发送请求给主节点。记录其他副本节点发送的COMMIT消息到log中。

　　如果主节点作恶，它可能会给不同的请求编上相同的序号，或者不去分配序号，或者让相邻的序号不连续。备份节点应当有职责来主动检查这些序号的合法性。

　　如果主节点掉线或者作恶不广播客户端的请求，客户端设置超时机制，超时的话，向所有副本节点广播请求消息。副本节点检测出主节点作恶或者下线，发起View Change协议。

　　 View Change协议 ：

　　副本节点向其他节点广播消息。n是最新的stable checkpoint的编号， 是 2f+1验证过的CheckPoint消息集合， 是当前副本节点未完成的请求的PRE-PREPARE和PREPARE消息集合。

　　当主节点p = v + 1 mod |R|收到 2f 个有效的VIEW-CHANGE消息后，向其他节点广播消息。 是有效的VIEW-CHANGE消息集合。 是主节点重新发起的未经完成的PRE-PREPARE消息集合。PRE-PREPARE消息集合的选取规则：

　　副本节点收到主节点的NEW-VIEW消息，验证有效性，有效的话，进入v+1状态，并且开始 中的PRE-PREPARE消息处理流程。

　　在上述算法流程中，为了确保在View Change的过程中，能够恢复先前的请求，每一个副本节点都记录一些消息到本地的log中，当执行请求后副本节点需要把之前该请求的记录消息清除掉。

　　最简单的做法是在Reply消息后，再执行一次当前状态的共识同步，这样做的成本比较高，因此可以在执行完多条请求K（例如：100条）后执行一次状态同步。这个状态同步消息就是CheckPoint消息。

　　副本节点i发送给其他节点，n是当前节点所保留的最后一个视图请求编号，d是对当前状态的一个摘要，该CheckPoint消息记录到log中。如果副本节点i收到了2f+1个验证过的CheckPoint消息，则清除先前日志中的消息，并以n作为当前一个stable checkpoint。

　　这是理想情况，实际上当副本节点i向其他节点发出CheckPoint消息后，其他节点还没有完成K条请求，所以不会立即对i的请求作出响应，它还会按照自己的节奏，向前行进，但此时发出的CheckPoint并未形成stable。

　　为了防止i的处理请求过快，设置一个上文提到的 高低水位区间[h, H] 来解决这个问题。低水位h等于上一个stable checkpoint的编号，高水位H = h + L，其中L是我们指定的数值，等于checkpoint周期处理请求数K的整数倍，可以设置为L = 2K。当副本节点i处理请求超过高水位H时，此时就会停止脚步，等待stable checkpoint发生变化，再继续前进。

　　在区块链场景中，一般适合于对强一致性有要求的私有链和联盟链场景。例如，在IBM主导的区块链超级账本项目中，PBFT是一个可选的共识协议。在Hyperledger的Fabric项目中，共识模块被设计成可插拔的模块，支持像PBFT、Raft等共识算法。

　　Raft基于领导者驱动的共识模型，其中将选举一位杰出的领导者(Leader)，而该Leader将完全负责管理集群，Leader负责管理Raft集群的所有节点之间的复制日志。

　　下图中，将在启动过程中选择集群的Leader（S1），并为来自客户端的所有命令/请求提供服务。 Raft集群中的所有节点都维护一个分布式日志（复制日志）以存储和提交由客户端发出的命令（日志条目）。 Leader接受来自客户端的日志条目，并在Raft集群中的所有关注者（S2，S3，S4，S5）之间复制它们。

　　在Raft集群中，需要满足最少数量的节点才能提供预期的级别共识保证， 这也称为法定人数。 在Raft集群中执行操作所需的最少投票数为 (N / 2 +1) ，其中N是组中成员总数，即 投票至少超过一半 ，这也就是为什么集群节点通常为奇数的原因。 因此，在上面的示例中，我们至少需要3个节点才能具有共识保证。

　　如果法定仲裁节点由于任何原因不可用，也就是投票没有超过半数，则此次协商没有达成一致，并且无法提交新日志。

　　数据存储：Tidb/TiKV

　　日志：阿里巴巴的 DLedger

　　服务发现：Consul& etcd

　　集群调度：HashiCorp Nomad

　　只能容纳故障节点(CFT)，不容纳作恶节点

　　顺序投票，只能串行apply，因此高并发场景下性能差

　　Raft通过解决围绕Leader选举的三个主要子问题，管理分布式日志和算法的安全性功能来解决分布式共识问题。

　　当我们启动一个新的Raft集群或某个领导者不可用时，将通过集群中所有成员节点之间协商来选举一个新的领导者。 因此，在给定的实例中，Raft集群的节点可以处于以下任何状态: 追随者(Follower)，候选人(Candidate)或领导者(Leader)。

　　系统刚开始启动的时候，所有节点都是follower，在一段时间内如果它们没有收到Leader的心跳信号，follower就会转化为Candidate；

　　如果某个Candidate节点收到大多数节点的票，则这个Candidate就可以转化为Leader，其余的Candidate节点都会回到Follower状态；

　　一旦一个Leader发现系统中存在一个Leader节点比自己拥有更高的任期(Term)，它就会转换为Follower。

　　Raft使用基于心跳的RPC机制来检测何时开始新的选举。 在正常期间， Leader 会定期向所有可用的 Follower 发送心跳消息（实际中可能把日志和心跳一起发过去）。 因此，其他节点以 Follower 状态启动，只要它从当前 Leader 那里收到周期性的心跳，就一直保持在 Follower 状态。

　　当 Follower 达到其超时时间时，它将通过以下方式启动选举程序：

　　根据 Candidate 从集群中其他节点收到的响应，可以得出选举的三个结果。

　　共识算法的实现一般是基于复制状态机（Replicated state machines），何为 复制状态机 ：

　　简单来说： 相同的初识状态 + 相同的输入 = 相同的结束状态 。不同节点要以相同且确定性的函数来处理输入，而不要引入一下不确定的值，比如本地时间等。使用replicated log是一个很不错的注意，log具有持久化、保序的特点，是大多数分布式系统的基石。

　　有了Leader之后，客户端所有并发的请求可以在Leader这边形成一个有序的日志（状态）序列，以此来表示这些请求的先后处理顺序。Leader然后将自己的日志序列发送Follower，保持整个系统的全局一致性。注意并不是强一致性，而是 最终一致性 。

　　日志由有序编号（log index）的日志条目组成。每个日志条目包含它被创建时的任期号（term），和日志中包含的数据组成，日志包含的数据可以为任何类型，从简单类型到区块链的区块。每个日志条目可以用[ term, index, data]序列对表示，其中term表示任期， index表示索引号，data表示日志数据。

　　 Leader 尝试在集群中的大多数节点上执行复制命令。 如果复制成功，则将命令提交给集群，并将响应发送回客户端。类似两阶段提交(2PC)，不过与2PC的区别在于，leader只需要超过一半节点同意（处于工作状态）即可。

　　 leader 、 follower 都可能crash，那么 follower 维护的日志与 leader 相比可能出现以下情况

　　当出现了leader与follower不一致的情况，leader强制follower复制自己的log， Leader会从后往前试 ，每次AppendEntries失败后尝试前一个日志条目（递减nextIndex值）， 直到成功找到每个Follower的日志一致位置点（基于上述的两条保证），然后向后逐条覆盖Followers在该位置之后的条目 。所以丢失的或者多出来的条目可能会持续多个任期。

　　要求候选人的日志至少与其他节点一样最新。如果不是，则跟随者节点将不投票给候选者。

　　意味着每个提交的条目都必须存在于这些服务器中的至少一个中。如果候选人的日志至少与该多数日志中的其他日志一样最新，则它将保存所有已提交的条目，避免了日志回滚事件的发生。

　　即任一任期内最多一个leader被选出。这一点非常重要，在一个复制集中任何时刻只能有一个leader。系统中同时有多余一个leader，被称之为脑裂（brain split），这是非常严重的问题，会导致数据的覆盖丢失。在raft中，两点保证了这个属性：

　　因此， 某一任期内一定只有一个leader 。

　　当集群中节点的状态发生变化（集群配置发生变化）时，系统容易受到系统故障。 因此，为防止这种情况，Raft使用了一种称为两阶段的方法来更改集群成员身份。 因此，在这种方法中，集群在实现新的成员身份配置之前首先更改为中间状态（称为联合共识）。 联合共识使系统即使在配置之间进行转换时也可用于响应客户端请求，它的主要目的是提升分布式系统的可用性。

　　⑨ 区块链的加密技术

　　数字加密技能是区块链技能使用和开展的关键。一旦加密办法被破解，区块链的数据安全性将受到挑战，区块链的可篡改性将不复存在。加密算法分为对称加密算法和非对称加密算法。区块链首要使用非对称加密算法。非对称加密算法中的公钥暗码体制依据其所依据的问题一般分为三类:大整数分化问题、离散对数问题和椭圆曲线问题。第一，引进区块链加密技能加密算法一般分为对称加密和非对称加密。非对称加密是指集成到区块链中以满意安全要求和所有权验证要求的加密技能。非对称加密通常在加密和解密进程中使用两个非对称暗码，称为公钥和私钥。非对称密钥对有两个特点:一是其间一个密钥(公钥或私钥)加密信息后，只能解密另一个对应的密钥。第二，公钥可以向别人揭露，而私钥是保密的，别人无法通过公钥计算出相应的私钥。非对称加密一般分为三种首要类型:大整数分化问题、离散对数问题和椭圆曲线问题。大整数分化的问题类是指用两个大素数的乘积作为加密数。由于素数的出现是没有规律的，所以只能通过不断的试算来寻找解决办法。离散对数问题类是指基于离散对数的困难性和强单向哈希函数的一种非对称分布式加密算法。椭圆曲线是指使用平面椭圆曲线来计算一组非对称的特殊值，比特币就采用了这种加密算法。非对称加密技能在区块链的使用场景首要包含信息加密、数字签名和登录认证。(1)在信息加密场景中，发送方(记为A)用接收方(记为B)的公钥对信息进行加密后发送给

　　B，B用自己的私钥对信息进行解密。比特币交易的加密就属于这种场景。(2)在数字签名场景中，发送方A用自己的私钥对信息进行加密并发送给B，B用A的公钥对信息进行解密，然后确保信息是由A发送的。(3)登录认证场景下，客户端用私钥加密登录信息并发送给服务器，服务器再用客户端的公钥解密认证登录信息。请注意上述三种加密计划之间的差异:信息加密是公钥加密和私钥解密，确保信息的安全性；数字签名是私钥加密，公钥解密，确保了数字签名的归属。认证私钥加密，公钥解密。以比特币体系为例，其非对称加密机制如图1所示:比特币体系一般通过调用操作体系底层的随机数生成器生成一个256位的随机数作为私钥。比特币的私钥总量大，遍历所有私钥空间获取比特币的私钥极其困难，所以暗码学是安全的。为便于辨认，256位二进制比特币私钥将通过SHA256哈希算法和Base58进行转化，构成50个字符长的私钥，便于用户辨认和书写。比特币的公钥是私钥通过Secp256k1椭圆曲线算法生成的65字节随机数。公钥可用于生成比特币交易中使用的地址。生成进程是公钥先通过SHA256和RIPEMD160哈希处理，生成20字节的摘要成果(即Hash160的成果)，再通过SHA256哈希算法和Base58转化，构成33个字符的比特币地址。公钥生成进程是不可逆的，即私钥不能从公钥推导出来。比特币的公钥和私钥通常存储在比特币钱包文件中，其间私钥最为重要。丢掉私钥意味着丢掉相应地址的所有比特币财物。在现有的比特币和区块链体系中，现已依据实践使用需求衍生出多私钥加密技能，以满意多重签名等愈加灵敏杂乱的场景。

　　⑩ 区块链的密码技术有

　　密码学技术是区块链技术的核心。区块链的密码技术有数字签名算法和哈希算法。

　　数字签名算法

　　数字签名算法是数字签名标准的一个子集，表示了只用作数字签名的一个特定的公钥算法。密钥运行在由SHA-1产生的消息哈希：为了验证一个签名，要重新计算消息的哈希，使用公钥解密签名然后比较结果。缩写为DSA。

　　数字签名是电子签名的特殊形式。到目前为止，至少已经有 20 多个国家通过法律 认可电子签名，其中包括欧盟和美国，我国的电子签名法于 2004 年 8 月 28 日第十届全 国人民代表大会常务委员会第十一次会议通过。数字签名在 ISO 7498-2 标准中定义为： “附加在数据单元上的一些数据，或是对数据单元所作的密码变换，这种数据和变换允许数据单元的接收者用以确认数据单元来源和数据单元的完整性，并保护数据，防止被人（例如接收者）进行伪造”。数字签名机制提供了一种鉴别方法，以解决伪造、抵赖、冒充和篡改等问题，利用数据加密技术、数据变换技术，使收发数据双方能够满足两个条件：接收方能够鉴别发送方所宣称的身份；发送方以后不能否认其发送过该数据这一 事实。

　　数字签名是密码学理论中的一个重要分支。它的提出是为了对电子文档进行签名，以 替代传统纸质文档上的手写签名，因此它必须具备 5 个特性。

　　（1）签名是可信的。

　　（2）签名是不可伪造的。

　　（3）签名是不可重用的。

　　（4）签名的文件是不可改变的。

　　（5）签名是不可抵赖的。

　　哈希（hash）算法

　　Hash，就是把任意长度的输入（又叫做预映射， pre-image），通过散列算法，变换成固定长度的输出，该输出就是散列值。这种转换是一种压缩映射，其中散列值的空间通常远小于输入的空间，不同的输入可能会散列成相同的输出，但是不可逆向推导出输入值。简单的说就是一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的消息摘要的函数。

　　哈希（Hash）算法，它是一种单向密码体制，即它是一个从明文到密文的不可逆的映射，只有加密过程，没有解密过程。同时，哈希函数可以将任意长度的输入经过变化以后得到固定长度的输出。哈希函数的这种单向特征和输出数据长度固定的特征使得它可以生成消息或者数据。

　　以比特币区块链为代表，其中工作量证明和密钥编码过程中多次使用了二次哈希，如SHA(SHA256(k))或者RIPEMD160(SHA256(K)),这种方式带来的好处是增加了工作量或者在不清楚协议的情况下增加破解难度。

　　以比特币区块链为代表，主要使用的两个哈希函数分别是：

　　1.SHA-256，主要用于完成PoW（工作量证明）计算；

　　2.RIPEMD160，主要用于生成比特币地址。如下图1所示，为比特币从公钥生成地址的流程。