區塊鏈相關的計算題

⑴ 區塊鏈入門的教程

可是，簡單易懂的入門文章卻很少。區塊鏈到底是什麼，有何特別之處，很少有解釋。
下面，我就來嘗試，寫一篇最好懂的區塊鏈教程。畢竟它也不是很難的東西，核心概念非常簡單，幾句話就能說清楚。我希望讀完本文，你不僅可以理解區塊鏈，還會明白什麼是挖礦、為什麼挖礦越來越難等問題。
需要說明的是，我並非這方面的專家。雖然很早就關注，但是仔細地了解區塊鏈，還是從今年初開始。文中的錯誤和不準確的地方，歡迎大家指正。
一、區塊鏈的本質
區塊鏈是什麼?一句話，它是一種特殊的分布式資料庫。
首先，區塊鏈的主要作用是儲存信息。任何需要保存的信息，都可以寫入區塊鏈，也可以從裡面讀取，所以它是資料庫。
其次，任何人都可以架設伺服器，加入區塊鏈網路，成為一個節點。區塊鏈的世界裡面，沒有中心節點，每個節點都是平等的，都保存著整個資料庫。你可以向任何一個節點，寫入/讀取數據，因為所有節點最後都會同步，保證區塊鏈一致。
二、區塊鏈的最大特點
分布式資料庫並非新發明，市場上早有此類產品。但是，區塊鏈有一個革命性特點。
區塊鏈沒有管理員，它是徹底無中心的。其他的資料庫都有管理員，但是區塊鏈沒有。如果有人想對區塊鏈添加審核，也實現不了，因為它的設計目標就是防止出現居於中心地位的管理當局。
正是因為嫌敗無法管理，區塊鏈才能做到無法被控制。否則一旦大公司大集團控制了管理權，他們就會控制整個平台，其他使用者就都必須聽命於他們了。
但是，沒有了管理員，人人都可以往裡面寫入數據，怎麼才能保證數據是可信的呢?被壞人改了怎麼辦?請接著往下讀，這就是區塊鏈奇妙的地方。
三、區塊
區塊鏈由一個個區塊(block)組成。區塊很像資料庫的記錄，每次寫入數據，就是創建一個區塊。
每個區塊包含兩個部分。
區塊頭(Head)：記錄當前區塊的特徵值
區塊體(Body)：實際數據
區塊頭包含了當前區塊的多項特徵值。
生成時間
實際數據(即區塊體)的哈希
上一個區塊的哈希
...
這里，你需要理解什麼叫哈希(hash)，這是理解區塊鏈必需的。
所謂哈希就是計算機可以對任意內容，計算出一個長度相同的特徵值。區塊鏈的 哈希長度是256位，這就是說，不管原始內容是什麼，最後都會計算出一個256位的二進制數字。而且可以保證，只要原始內容不同，對應的哈希一定是不同的。
舉例來說，字元串123的哈希是(十六進制)，轉成二進制就是256位，而且只有123能得到這個哈希。(理論上，其他字元串也有可能得到這個哈希，但是概率極低，可以近似認為不可能發生。)
因此，就有兩個重要的推論。
推論1：每個區塊的哈希都是不一樣的，可以通過哈希標識區塊。
推論2：如果區塊的內容變了，它的哈希一定會改變。
四、 Hash 的不可修改性
區塊與哈希是一一對應的，每個區塊的哈希都是針對區塊頭(Head)計算的。也就是說，把區塊頭的各項特徵值，按照順序連接在一起，組成一個很長的字元串，再對這個字元串計算哈希。
Hash = SHA256( 區塊頭 )
上面就是區塊哈希的計算公式，SHA256是區塊鏈的哈希演算法。注意，這個公式裡面只包含區塊頭，不包含區塊體，也就是說，哈希由區塊頭唯一決定，
前面說過，區塊頭包含很多內容，其中有當前區塊體的哈希，還有上一個區塊的哈希。這意味著，如果當前區塊體的內容變了，或者上一個區塊的哈希變了，一定會引起當前區塊的哈希改彎首變。
這一點對區塊鏈有重大意義。如果有人修改了一個區塊，該區塊的哈希就變了。為了讓後面的區塊還能連到它(因為下一個區塊包含上一個區塊的哈希)，該人必須依次修改後面所有的區塊，否則被改掉的區塊就脫離區塊鏈了。由於後面要提到的原因，哈希的計算很耗時，短時間內修改多個區塊幾乎不可能發生，除非有人掌握了全網51%以上的計算能力。
正是通過這種聯動機制，區塊鏈保證了自身的可靠性，數據一旦寫入，就無法被篡改。這就像歷史一樣，發生了就是發生了，從此再無法改變。
每個區塊都連著上一個區塊，這也是區塊鏈這個名字的由來。
五、采礦
由於必須保證節點之間的同步，所以新區塊的添加速度芹鬧顫不能太快。試想一下，你剛剛同步了一個區塊，准備基於它生成下一個區塊，但這時別的節點又有新區塊生成，你不得不放棄做了一半的計算，再次去同步。因為每個區塊的後面，只能跟著一個區塊，你永遠只能在最新區塊的後面，生成下一個區塊。所以，你別無選擇，一聽到信號，就必須立刻同步。
所以，區塊鏈的發明者中本聰(這是假名，真實身份至今未知)故意讓添加新區塊，變得很困難。他的設計是，平均每10分鍾，全網才能生成一個新區塊，一小時也就六個。
這種產出速度不是通過命令達成的，而是故意設置了海量的計算。也就是說，只有通過極其大量的計算，才能得到當前區塊的有效哈希，從而把新區塊添加到區塊鏈。由於計算量太大，所以快不起來。
這個過程就叫做采礦(mining)，因為計算有效哈希的難度，好比在全世界的沙子裡面，找到一粒符合條件的沙子。計算哈希的機器就叫做礦機，操作礦機的人就叫做礦工。
六、難度系數
讀到這里，你可能會有一個疑問，人們都說采礦很難，可是采礦不就是用計算機算出一個哈希嗎，這正是計算機的強項啊，怎麼會變得很難，遲遲算不出來呢?
原來不是任意一個哈希都可以，只有滿足條件的哈希才會被區塊鏈接受。這個條件特別苛刻，使得絕大部分哈希都不滿足要求，必須重算。
原來，區塊頭包含一個難度系數(difficulty)，這個值決定了計算哈希的難度。舉例來說，第100000個區塊的難度系數是 14484.16236122。
區塊鏈協議規定，使用一個常量除以難度系數，可以得到目標值(target)。顯然，難度系數越大，目標值就越小。
哈希的有效性跟目標值密切相關，只有小於目標值的哈希才是有效的，否則哈希無效，必須重算。由於目標值非常小，哈希小於該值的機會極其渺茫，可能計算10億次，才算中一次。這就是采礦如此之慢的根本原因。
前面說過，當前區塊的哈希由區塊頭唯一決定。如果要對同一個區塊反復計算哈希，就意味著，區塊頭必須不停地變化，否則不可能算出不一樣的哈希。區塊頭裡面所有的特徵值都是固定的，為了讓區塊頭產生變化，中本聰故意增加了一個隨機項，叫做 Nonce。
Nonce 是一個隨機值，礦工的作用其實就是猜出 Nonce 的值，使得區塊頭的哈希可以小於目標值，從而能夠寫入區塊鏈。Nonce 是非常難猜的，目前只能通過窮舉法一個個試錯。根據協議，Nonce 是一個32位的二進制值，即最大可以到21.47億。第 100000 個區塊的 Nonce 值是274148111，可以理解成，礦工從0開始，一直計算了 2.74 億次，才得到了一個有效的 Nonce 值，使得算出的哈希能夠滿足條件。
運氣好的話，也許一會就找到了 Nonce。運氣不好的話，可能算完了21.47億次，都沒有發現 Nonce，即當前區塊體不可能算出滿足條件的哈希。這時，協議允許礦工改變區塊體，開始新的計算。
七、難度系數的動態調節
正如上一節所說，采礦具有隨機性，沒法保證正好十分鍾產出一個區塊，有時一分鍾就算出來了，有時幾個小時可能也沒結果。總體來看，隨著硬體設備的提升，以及礦機的數量增長，計算速度一定會越來越快。
為了將產出速率恆定在十分鍾，中本聰還設計了難度系數的動態調節機制。他規定，難度系數每兩周(2016個區塊)調整一次。如果這兩周裡面，區塊的平均生成速度是9分鍾，就意味著比法定速度快了10%，因此接下來的難度系數就要調高10%;如果平均生成速度是11分鍾，就意味著比法定速度慢了10%，因此接下來的難度系數就要調低10%。
難度系數越調越高(目標值越來越小)，導致了采礦越來越難。
八、區塊鏈的分叉
即使區塊鏈是可靠的，現在還有一個問題沒有解決：如果兩個人同時向區塊鏈寫入數據，也就是說，同時有兩個區塊加入，因為它們都連著前一個區塊，就形成了分叉。這時應該採納哪一個區塊呢?
現在的規則是，新節點總是採用最長的那條區塊鏈。如果區塊鏈有分叉，將看哪個分支在分叉點後面，先達到6個新區塊(稱為六次確認)。按照10分鍾一個區塊計算，一小時就可以確認。
由於新區塊的生成速度由計算能力決定，所以這條規則就是說，擁有大多數計算能力的那條分支，就是正宗的區塊鏈。
九、總結
區塊鏈作為無人管理的分布式資料庫，從2009年開始已經運行了8年，沒有出現大的問題。這證明它是可行的。
但是，為了保證數據的可靠性，區塊鏈也有自己的代價。一是效率，數據寫入區塊鏈，最少要等待十分鍾，所有節點都同步數據，則需要更多的時間;二是能耗，區塊的生成需要礦工進行無數無意義的計算，這是非常耗費能源的。
因此，區塊鏈的適用場景，其實非常有限。
不存在所有成員都信任的管理當局
寫入的數據不要求實時使用
挖礦的收益能夠彌補本身的成本
如果無法滿足上述的條件，那麼傳統的資料庫是更好的解決方案。
目前，區塊鏈最大的應用場景(可能也是唯一的應用場景)，就是以比特幣為代表的加密貨幣。

⑵ 區塊鏈不是什麼多選題資料庫代碼

區塊鏈不是一種應用和騙局。根據查詢相關公開信息：區塊鏈就是把加密數據(區塊)按照時間順序進行疊加(鏈)生成的永久、不可逆向修改的記錄，某種意義上說，區塊鏈技術是互聯網時代一種新的信息傳遞技術。

⑶ 區塊鏈技術中的哈希演算法是什麼

1.1. 簡介

計算機行業從業者對哈希這個詞應該非常熟悉，哈希能夠實現數據從一個維度向另一個維度的映射，通常使用哈希函數實現這種映射。通常業界使用y = hash(x)的方式進行表示，該哈希函數實現對x進行運算計算出一個哈希值y。
區塊鏈中哈希函數特性：

• 函數參數為string類型；

• 固定大小輸出；

• 計算高效；

• collision-free 即沖突概率小：x != y => hash(x) != hash(y)
  
  隱藏原始信息：例如區塊鏈中各個節點之間對交易的驗證只需要驗證交易的信息熵，而不需要對原始信息進行比對，節點間不需要傳輸交易的原始數據只傳輸交易的哈希即可，常見演算法有SHA系列和MD5等演算法
  

1.2. 哈希的用法

哈希在區塊鏈中用處廣泛，其一我們稱之為哈希指針（Hash Pointer）
哈希指針是指該變數的值是通過實際數據計算出來的且指向實際的數據所在位置，即其既可以表示實際數據內容又可以表示實際數據的存儲位置。下圖為Hash Pointer的示意圖

⑷ 小白如何秒懂區塊鏈中的哈希計算

​ 小白如何秒懂區塊鏈中的哈希計算

當我在區塊鏈的學習過程中，發現有一個詞像幽靈一樣反復出現，「哈希」，英文寫作「HASH」。

那位說「拉稀」同學你給我出去！！

這個「哈希」據說是來源於密碼學的一個函數，嘗試搜一搜，論文出來一堆一堆的，不是橫式就是豎式，不是表格就是圖片，還有一堆看不懂得xyzabc。大哥，我就是想了解一下區塊鏈的基礎知識，給我弄那麼難幹啥呀？！我最長的密碼就是123456，復雜一點的就是654321，最復雜的時候在最後加個a，你給我寫的那麼復雜明顯感覺腦力被榨乾，僅有的腦細胞成批成批的死亡！為了讓和我一樣的小白同學了解這點，我就勉為其難，努力用傻瓜式的語言講解一下哈希計算，不求最准確但求最簡單最易懂。下面我們開始：

# 一、什麼是哈希演算法

## 1、定義：哈希演算法是將任意長度的字元串變換為固定長度的字元串。

從這里可以看出，可以理解為給**「哈希運算」輸入一串數字，它會輸出一串數字**。

如果我們自己定義 「增一演算法」，那麼輸入1，就輸出2；輸入100就輸出101。

如果我我們自己定義「變大寫演算法」，那麼輸入「abc」輸出「ABC」。

呵呵，先別打我啊！這確實就只是一個函數的概念。

## 2、特點：

這個哈希演算法和我的「增一演算法」和「變大寫演算法」相比有什麼特點呢？

1）**確定性，算得快**：咋算結果都一樣，算起來效率高。

2）**不可逆**：就是知道輸出推不出輸入的值。

3）**結果不可測**：就是輸入變一點，結果天翻地覆毫無規律。

總之，這個哈希運算就是個黑箱，是加密的好幫手！你說「11111」，它給你加密成「」，你說「11112」它給你弄成「」。反正輸入和輸出一個天上一個地下，即使輸入相關但兩個輸出毫不相關。

# 二、哈希運算在區塊鏈中的使用

## 1、數據加密

**交易數據是通過哈希運算進行加密，並把相應的哈希值寫入區塊頭**。如下圖所示，一個區塊頭包含了上一個區塊的hash值，還包含下一個區塊的hash值。

1）、**識別區塊數據是否被篡改**：區塊鏈的哈希值能夠唯一而精準地標識一個區塊，區塊鏈中任意節點通過簡單的哈希計算都可以獲得這個區塊的哈希值，計算出的哈希值沒有變化也就意味著區塊鏈中的信息沒有被篡改。

2）、**把各個區塊串聯成區塊鏈**：每個區塊都包含上一個區塊的哈希值和下一個區塊的值，就相當於通過上一個區塊的哈希值掛鉤到上一個區塊尾，通過下一個區塊的哈希值掛鉤到下一個區塊鏈的頭，就自然而然形成一個鏈式結構的區塊鏈。

## 2、加密交易地址及哈希

在上圖的區塊頭中，有一個Merkle root（默克爾根）的哈希值，它是用來做什麼的呢？

首先了解啥叫Merkle root？ 它就是個二叉樹結構的根。啥叫二叉樹？啥叫根？看看下面的圖就知道了。一分二，二分四，四分八可以一直分下去就叫二叉樹。根就是最上面的節點就叫 根。

這個根的數據是怎麼來的呢？是把一個區塊中的每筆交易的哈希值得出後，再兩兩哈希值再哈希，再哈希，再哈希，直到最頂層的數值。

這么哈希了半天，搞什麼事情？有啥作用呢？

1）、**快速定位每筆交易**：由於交易在存儲上是線性存儲，定位到某筆交易會需要遍歷，效率低時間慢，通過這樣的二叉樹可以快速定位到想要找的交易。

舉個不恰當的例子：怎麼找到0-100之間的一個任意整數？（假設答案是88）那比較好的一個方法就是問：1、比50大還是小？2、比75大還是小？3、比88大還是小？ 僅僅通過幾個問題就可以快速定位到答案。

2）、**核實交易數據是否被篡改**：從交易到每個二叉樹的哈希值，有任何一個數字有變化都會導致Merkle root值的變化。同時，如果有錯誤發生的情況，也可以快速定位錯誤的地方。

## 3、挖礦

  在我們的區塊頭中有個參數叫**隨機數Nonce，尋找這個隨機數的過程就叫做「挖礦」**！網路上任何一台機器只要找到一個合適的數字填到自己的這個區塊的Nonce位置，使得區塊頭這6個欄位（80個位元組）的數據的哈希值的哈希值以18個以上的0開頭，誰就找到了「挖到了那個金子」！既然我們沒有辦法事先寫好一個滿足18個0的數字然後反推Nounce，唯一的做法就是從0開始一個一個的嘗試，看結果是不是滿足要求，不滿足就再試下一個，直到找到。

找這個數字是弄啥呢？做這個有什麼作用呢？

1）、**公平的找到計算能力最強的計算機**：這個有點像我這里有個沙子，再告訴你它也那一個沙灘的中的一粒相同，你把相同的那粒找出來一樣。那可行的辦法就是把每一粒都拿起來都比較一下！那麼比較速度最快的那個人是最有可能先早到那個沙子。這就是所謂的「工作量證明pow」，你先找到這個沙子，我就認為你比較的次數最多，乾的工作最多。

2）、**動態調整難度**：比特幣為了保證10分鍾出一個區塊，就會每2016個塊（2周）的時間計算一下找到這個nonce數字的難度，如果這2016個塊平均時間低於10分鍾則調高難度，如高於十分鍾則調低難度。這樣，不管全網的挖礦算力是怎麼變化，都可以保證10分鍾的算出這個隨機數nonce。

# 三、哈希運算有哪些？

說了這么多哈希運算，好像哈希運算就是一種似的，其實不是！作為密碼學中的哈希運算在不斷的發展中衍生出很多流派。我看了」滿頭包」還是覺得內在機理也太復雜了，暫時羅列如下，小白們有印象知道是怎麼回事就好。

從下表中也可以看得出，哈希運算也在不斷的發展中，有著各種各樣的演算法，各種不同的應用也在靈活應用著單個或者多個演算法。比特幣系統中，哈希運算基本都是使用的SHA256演算法，而萊特幣是使用SCRYPT演算法，誇克幣（Quark）達世幣（DASH）是把很多演算法一層層串聯上使用，Heavycoin（HAV）卻又是把一下演算法並聯起來，各取部分混起來使用。以太坊的POW階段使用ETHASH演算法，ZCASH使用EQUIHASH。

需要說明的是，哈希運算的各種演算法都是在不斷升級完善中，而各種幣種使用的演算法也並非一成不變，也在不斷地優化中。

**總結**：哈希運算在區塊鏈的各個項目中都有著廣泛的應用，我們以比特幣為例就能看到在**數據加密、交易數據定位、挖礦等等各個方面都有著極其重要的作用**。而哈希運算作為加密學的一門方向不斷的發展和延伸，身為普通小白的我們，想理解區塊鏈的一些基礎概念，了解到這個層面也已經足夠。

⑸ 知鏈區塊鏈金融應用實踐平台成績怎麼算

1. 工作量證明（PoW）
中本聰在2009年提出的比特幣（Bitcoin）是區塊鏈技術最早的應用，其採用PoW作為共識演算法，其核心思想是節點間通過哈希算力的競爭來獲取記賬權和比特幣獎勵。PoW中，不同節點根據特定信息競爭計算一個數學問題的解，這個數學問題很難求解，但卻容易對結果進行驗證，最先解決這個數學問題的節點可以創建下一個區塊並獲得一定數量的幣獎勵。中本聰在比特幣中採用了HashCash[4]機制設計這一數學問題。本節將以比特幣採用的PoW演算法為例進行說明，PoW的共識步驟如下：
節點收集上一個區塊產生後全網待確認的交易，將符合條件的交易記入交易內存池，然後更新並計算內存池中交易的Merkle根的值，並將其寫入區塊頭部；
在區塊頭部填寫如表1.1所示的區塊版本號、前一區塊的哈希值、時間戳、當前目標哈希值和隨機數等信息；
表1.1 區塊頭部信息
隨機數nonce在0到232之間取值，對區塊頭部信息進行哈希計算，當哈希值小於或等於目標值時，打包並廣播該區塊，待其他節點驗證後完成記賬；
一定時間內如果無法計算出符合要求的哈希值，則重復步驟2。如果計算過程中有其他節點完成了計算，則從步驟1重新開始。
比特幣產生區塊的平均時間為10分鍾，想要維持這一速度，就需要根據當前全網的計算能力對目標值（難度）進行調整[5]。難度是對計算產生符合要求的區塊困難程度的描述，在計算同一高度區塊時，所有節點的難度都是相同的，這也保證了挖礦的公平性。難度與目標值的關系為：
難度值=最大目標值/當前目標值 （1.1）
其中最大目標值和當前目標值都是256位長度，最大目標值是難度為1時的目標值，即2224。假設當前難度為，算力為，當前目標值為，發現新區塊的平均計算時間為，則
根據比特幣的設計，每產生2016個區塊後（約2周）系統會調整一次當前目標值。節點根據前2016個區塊的實際生產時間，由公式（1.4）計算出調整後的難度值，如果實際時間生產小於2周，增大難度值；如果實際時間生產大於2周，則減小難度值。根據最長鏈原則，在不需要節點同步難度信息的情況下，所有節點在一定時間後會得到相同的難度值。
在使用PoW的區塊鏈中，因為網路延遲等原因，當同一高度的兩個區塊產生的時間接近時，可能會產生分叉。即不同的礦工都計算出了符合要求的某一高度的區塊，並得到與其相近節點的確認，全網節點會根據收到區塊的時間，在先收到的區塊基礎上繼續挖礦。這種情況下，哪個區塊的後續區塊先出現，其長度會變得更長，這個區塊就被包括進主鏈，在非主鏈上挖礦的節點會切換到主鏈繼續挖礦。
PoW共識演算法以算力作為競爭記賬權的基礎，以工作量作為安全性的保障，所有礦工都遵循最長鏈原則。新產生的區塊包含前一個區塊的哈希值，現存的所有區塊的形成了一條鏈，鏈的長度與工作量成正比，所有的節點均信任最長的區塊鏈。如果當某一組織掌握了足夠的算力，就可以針對比特幣網路發起攻擊。當攻擊者擁有足夠的算力時，能夠最先計算出最新的區塊，從而掌握最長鏈。此時比特幣主鏈上的區塊大部分由其生成，他可以故意拒絕某些交易的確認和進行雙花攻擊，這會對比特幣網路的可信性造成影響，但這一行為同樣會給攻擊者帶來損失。通過求解一維隨機遊走問題，可以獲得惡意節點攻擊成功的概率和算力之間的關系：
圖1.1 攻擊者算力與攻擊成功概率
2. 權益證明（PoS）
隨著參與比特幣挖礦的人越來越多，PoW的許多問題逐漸顯現，例如隨著算力競爭迅速加劇，獲取代幣需要消耗的能源大量增加，記賬權也逐漸向聚集了大量算力的「礦池」集中[6-9]。為此，研究者嘗試採用新的機製取代工作量證明。PoS的概念在最早的比特幣項目中曾被提及，但由於穩健性等原因沒被使用。PoS最早的應用是點點幣（PPCoin），PoS提出了幣齡的概念，幣齡是持有的代幣與持有時間乘積的累加，計算如公式（1.4）所示。利用幣齡競爭取代算力競爭，使區塊鏈的證明不再僅僅依靠工作量，有效地解決了PoW的資源浪費問題。
其中持有時間為某個幣距離最近一次在網路上交易的時間，每個節點持有的幣齡越長，則其在網路中權益越多，同時幣的持有人還會根據幣齡來獲得一定的收益。點點幣的設計中，沒有完全脫離工作量證明，PoS機制的記賬權的獲得同樣需要進行簡單的哈希計算：
其中proofhash是由權重因子、未消費的產出值和當前時間的模糊和得到的哈希值，同時對每個節點的算力進行了限制，可見幣齡與計算的難度成反比。在PoS中，區塊鏈的安全性隨著區塊鏈的價值增加而增加，對區塊鏈的攻擊需要攻擊者積攢大量的幣齡，也就是需要對大量數字貨幣持有足夠長的時間，這也大大增加了攻擊的難度。與PoW相比，採用PoS的區塊鏈系統可能會面對長程攻擊（Long Range Attack）和無利害攻擊（Nothing at Stake）。
除了點點幣，有許多幣也使用了PoS，但在記賬權的分配上有著不同的方法。例如，未來幣（Nxt）和黑幣（BlackCion）結合節點所擁有的權益，使用隨機演算法分配記賬權。以太坊也在逐步採用PoS代替PoW。
3. 委託權益證明（DPoS）
比特幣設計之初，希望所有挖礦的參與者使用CPU進行計算，算力與節點匹配，每一個節點都有足夠的機會參與到區塊鏈的決策當中。隨著技術的發展，使用GPU、FPGA、ASIC等技術的礦機大量出現，算力集中於擁有大量礦機的參與者手中，而普通礦工參與的機會大大減小。
採用DPoS的區塊鏈中，每一個節點都可以根據其擁有的股份權益投票選取代表，整個網路中參與競選並獲得選票最多的n個節點獲得記賬權，按照預先決定的順序依次生產區塊並因此獲得一定的獎勵。競選成功的代表節點需要繳納一定數量的保證金，而且必須保證在線的時間，如果某時刻應該產生區塊的節點沒有履行職責，他將會被取消代表資格，系統將繼續投票選出一個新的代表來取代他。
DPoS中的所有節點都可以自主選擇投票的對象，選舉產生的代表按順序記賬，與PoW及PoS相比節省了計算資源，而且共識節點只有確定的有限個，效率也得到了提升。而且每個參與節點都擁有投票的權利，當網路中的節點足夠多時，DPoS的安全性和去中心化也得到了保證。
4. 實用拜占庭容錯演算法（PBFT）
在PBFT演算法中，所有節點都在相同的配置下運行，且有一個主節點，其他節點作為備份節點。主節點負責對客戶端的請求進行排序，按順序發送給備份節點。存在視圖（View）的概念，在每個視圖中，所有節點正常按照處理消息。但當備份節點檢查到主節點出現異常，就會觸發視圖變換（View Change）機制更換下一編號的節點為主節點，進入新的視圖。PBFT中客戶端發出請求到收到答復的主要流程如圖4.1所示[10] [11]，伺服器之間交換信息3次，整個過程包含以下五個階段：
圖4.1 PBFT執行流程
目前以PBFT為代表的拜占庭容錯演算法被許多區塊鏈項目所使用。在聯盟鏈中，PBFT演算法最早是被Hyper ledger Fabric項目採用。Hyperledger Fabric在0.6版本中採用了PBFT共識演算法，授權和背書的功能集成到了共識節點之中，所有節點都是共識節點，這樣的設計導致了節點的負擔過於沉重，對TPS和擴展性有很大的影響。1.0之後的版本都對節點的功能進行了分離，節點分成了三個背書節點(Endorser)、排序節點(Orderer)和出塊節點(Committer)，對節點的功能進行了分離，一定程度上提高了共識的效率。
Cosmos項目使用的Tendermint[12]演算法結合了PBFT和PoS演算法，通過代幣抵押的方式選出部分共識節點進行BFT的共識，其減弱了非同步假設並在PBFT的基礎上融入了鎖的概念，在部分同步的網路中共識節點能夠通過兩階段通信達成共識。系統能夠容忍1/3的故障節點，且不會產生分叉。在Tendermint的基礎上，Hotstuff[13]將區塊鏈的塊鏈式結構和BFT的每一階段融合，每階段節點間對前一區塊簽名確認與新區塊的構建同時進行，使演算法在實現上更為簡單，Hotstuff還使用了門限簽名[14]降低演算法的消息復雜度。
5. Paxos與Raft
共識演算法是為了保障所存儲信息的准確性與一致性而設計的一套機制。在傳統的分布式系統中，最常使用的共識演算法是基於Paxos的演算法。在拜占庭將軍問題[3]提出後，Lamport在1990年提出了Paxos演算法用於解決特定條件下的系統一致性問題，Lamport於1998年重新整理並發表Paxos的論文[15]並於2001對Paxos進行了重新簡述[16]。隨後Paxos在一致性演算法領域占據統治地位並被許多公司所採用，例如騰訊的Phxpaxos、阿里巴巴的X-Paxos、亞馬遜的AWS的DynamoDB和谷歌MegaStore[17]等。這一類演算法能夠在節點數量有限且相對可信任的情況下，快速完成分布式系統的數據同步，同時能夠容忍宕機錯誤（Crash Fault）。即在傳統分布式系統不需要考慮參與節點惡意篡改數據等行為，只需要能夠容忍部分節點發生宕機錯誤即可。但Paxos演算法過於理論化，在理解和工程實現上都有著很大的難度。Ongaro等人在2013年發表論文提出Raft演算法[18]，Raft與Paxos同樣的效果並且更便於工程實現。
Raft中領導者占據絕對主導地位，必須保證伺服器節點的絕對安全性，領導者一旦被惡意控制將造成巨大損失。而且交易量受到節點最大吞吐量的限制。目前許多聯盟鏈在不考慮拜占庭容錯的情況下，會使用Raft演算法來提高共識效率。
6. 結合VRF的共識演算法
在現有聯盟鏈共識演算法中，如果參與共識的節點數量增加，節點間的通信也會增加，系統的性能也會受到影響。如果從眾多候選節點中選取部分節點組成共識組進行共識，減少共識節點的數量，則可以提高系統的性能。但這會降低安全性，而且候選節點中惡意節點的比例越高，選出來的共識組無法正常運行的概率也越高。為了實現從候選節點選出能夠正常運行的共識組，並保證系統的高可用性，一方面需要設計合適的隨機選舉演算法，保證選擇的隨機性，防止惡意節點對系統的攻擊。另一方面需要提高候選節點中的誠實節點的比例，增加誠實節點被選進共識組的概率。
當前在公有鏈往往基於PoS類演算法，抵押代幣增加共識節點的准入門檻，通過經濟學博弈增加惡意節點的作惡成本，然後再在部分通過篩選的節點中通過隨機選舉演算法，從符合條件的候選節點中隨機選舉部分節點進行共識。
Dodis等人於1999年提出了可驗證隨機函數（Verifiable Random Functions，VRF）[19]。可驗證隨機函數是零知識證明的一種應用，即在公私鑰體系中，持有私鑰的人可以使用私鑰和一條已知信息按照特定的規則生成一個隨機數，在不泄露私鑰的前提下，持有私鑰的人能夠向其他人證明隨機數生成的正確性。VRF可以使用RSA或者橢圓曲線構建，Dodis等人在2002年又提出了基於Diffie-Hellman 困難性問題的可驗證隨機函數構造方法[20]，目前可驗證隨機函數在密鑰傳輸領域和區塊鏈領域都有了應用[21]。可驗證隨機函數的具體流程如下：
在公有鏈中，VRF已經在一些項目中得到應用，其中VRF多與PoS演算法結合，所有想要參與共識的節點質押一定的代幣成為候選節點，然後通過VRF從眾多候選節點中隨機選出部分共識節點。Zilliqa網路的新節點都必須先執行PoW，網路中的現有節點驗證新節點的PoW並授權其加入網路。區塊鏈項目Ontology設計的共識演算法VBFT將VRF、PoS和BFT演算法相結合，通過VRF在眾多候選節點中隨機選出共識節點並確定共識節點的排列順序，可以降低惡意分叉對區塊鏈系統的影響，保障了演算法的公平性和隨機性。圖靈獎獲得者Micali等人提出的Algorand[22]將PoS和VRF結合，節點可以採用代幣質押的方式成為候選節點，然後通過非互動式的VRF演算法選擇部分節點組成共識委員會，然後由這部分節點執行類似PBFT共識演算法，負責交易的快速驗證，Algorand可以在節點為誠實節點的情況下保證系統正常運行。Kiayias等人提出的Ouroboros[23]在第二個版本Praos[24]引入了VRF代替偽隨機數，進行分片中主節點的選擇。以Algorand等演算法使用的VRF演算法為例，主要的流程如下：
公有鏈中設計使用的VRF中，節點被選為記賬節點的概率往往和其持有的代幣正相關。公有鏈的共識節點范圍是無法預先確定的，所有滿足代幣持有條件的節點都可能成為共識節點，系統需要在數量和參與度都隨機的節點中選擇部分節點進行共識。而與公有鏈相比，聯盟鏈參與共識的節點數量有限、節點已知，這種情況下聯盟鏈節點之間可以通過已知的節點列表進行交互，這能有效防止公有鏈VRF設計時可能遇到的女巫攻擊問題。
7. 結合分片技術的公式演算法
分片技術是資料庫中的一種技術，是將資料庫中的數據切成多個部分，然後分別存儲在多個伺服器中。通過數據的分布式存儲，提高伺服器的搜索性能。區塊鏈中，分片技術是將交易分配到多個由節點子集組成的共識組中進行確認，最後再將所有結果匯總確認的機制。分片技術在區塊鏈中已經有一些應用，許多區塊鏈設計了自己的分片方案。
Luu等人於2017年提出了Elastico協議，最先將分片技術應用於區塊鏈中[25]。Elastico首先通過PoW演算法競爭成為網路中的記賬節點。然後按照預先確定的規則，這些節點被分配到不同的分片委員會中。每個分片委員會內部執行PBFT等傳統拜占庭容錯的共識演算法，打包生成交易集合。在超過的節點對該交易集合進行了簽名之後，交易集合被提交給共識委員會，共識委員會在驗證簽名後，最終將所有的交易集合打包成區塊並記錄在區塊鏈上。
Elastico驗證了分片技術在區塊鏈中的可用性。在一定規模內，分片技術可以近乎線性地拓展吞吐量。但Elastico使用了PoW用於選舉共識節點,這也導致隨機數產生過程及PoW競爭共識節點的時間過長，使得交易延遲很高。而且每個分片內部採用的PBFT演算法通訊復雜度較高。當單個分片中節點數量較多時，延遲也很高。
在Elastico的基礎上，Kokoris-Kogias等人提出OmniLedger[26]，用加密抽簽協議替代了PoW選擇驗證者分組，然後通過RandHound協議[27]將驗證者歸入不同分片。OmniLedger。OmniLedger在分片中仍然採用基於PBFT的共識演算法作為分片中的共識演算法[28]，並引入了Atomix協議處理跨分片的交易，共識過程中節點之間通信復雜度較高。當分片中節點數量增多、跨分片交易增多時，系統TPS會顯著下降。
Wang等人在2019年提出了Monoxide[29]。在PoW區塊鏈系統中引入了分片技術，提出了連弩挖礦演算法（Chu ko-nu mining algorithm），解決了分片造成的算力分散分散問題，使得每個礦工可以同時在不同的分片進行分片，在不降低安全性的情況下提高了PoW的TPS。

⑹ 區塊鏈技術中的區塊的形成是怎樣的過程

金窩窩網路分析區塊鏈中的區塊形成過程如下：
1-記錄：把在本地內存中的交易信息記錄到區塊主體中
2-生成：在區塊主體中生成此區塊中所有交易信息的 Merkle 樹，把 Merkle 樹根的值保存在區塊頭中
3-填入父哈希值：把上一個剛剛生成的區塊的區塊頭的數據通過 SHA256 演算法生成一個哈希值填入到當前區塊的父哈希值中
4-時間保存：把當前時間保存在時間戳欄位中
5-難度系數：難度值欄位會根據之前一段時間區塊的平均生成時間進行調整以應對整個網路不斷變化的整體計算總量，如果計算總量增長了，則系統會調高數學題的難度值，使得預期完成下一個區塊的時間依然在一定時間內。

⑺ 區塊鏈技術的六大核心演算法

區塊鏈技術的六大核心演算法
區塊鏈核心演算法一：拜占庭協定
拜占庭的故事大概是這么說的：拜占庭帝國擁有巨大的財富，周圍10個鄰邦垂誕已久，但拜占庭高牆聳立，固若金湯，沒有一個單獨的鄰邦能夠成功入侵。任何單個鄰邦入侵的都會失敗，同時也有可能自身被其他9個鄰邦入侵。拜占庭帝國防禦能力如此之強，至少要有十個鄰邦中的一半以上同時進攻，才有可能攻破。然而，如果其中的一個或者幾個鄰邦本身答應好一起進攻，但實際過程出現背叛，那麼入侵者可能都會被殲滅。於是每一方都小心行事，不敢輕易相信鄰國。這就是拜占庭將軍問題。
在這個分布式網路里：每個將軍都有一份實時與其他將軍同步的消息賬本。賬本里有每個將軍的簽名都是可以驗證身份的。如果有哪些消息不一致，可以知道消息不一致的是哪些將軍。盡管有消息不一致的，只要超過半數同意進攻，少數服從多數，共識達成。
由此，在一個分布式的系統中，盡管有壞人，壞人可以做任意事情(不受protocol限制)，比如不響應、發送錯誤信息、對不同節點發送不同決定、不同錯誤節點聯合起來干壞事等等。但是，只要大多數人是好人，就完全有可能去中心化地實現共識
區塊鏈核心演算法二：非對稱加密技術
在上述拜占庭協定中，如果10個將軍中的幾個同時發起消息，勢必會造成系統的混亂，造成各說各的攻擊時間方案，行動難以一致。誰都可以發起進攻的信息，但由誰來發出呢?其實這只要加入一個成本就可以了，即：一段時間內只有一個節點可以傳播信息。當某個節點發出統一進攻的消息後，各個節點收到發起者的消息必須簽名蓋章，確認各自的身份。
在如今看來，非對稱加密技術完全可以解決這個簽名問題。非對稱加密演算法的加密和解密使用不同的兩個密鑰.這兩個密鑰就是我們經常聽到的」公鑰」和」私鑰」。公鑰和私鑰一般成對出現, 如果消息使用公鑰加密,那麼需要該公鑰對應的私鑰才能解密; 同樣，如果消息使用私鑰加密,那麼需要該私鑰對應的公鑰才能解密。
區塊鏈核心演算法三：容錯問題
我們假設在此網路中，消息可能會丟失、損壞、延遲、重復發送，並且接受的順序與發送的順序不一致。此外，節點的行為可以是任意的：可以隨時加入、退出網路，可以丟棄消息、偽造消息、停止工作等，還可能發生各種人為或非人為的故障。我們的演算法對由共識節點組成的共識系統，提供的容錯能力，這種容錯能力同時包含安全性和可用性，並適用於任何網路環境。
區塊鏈核心演算法四：Paxos 演算法(一致性演算法)
Paxos演算法解決的問題是一個分布式系統如何就某個值(決議)達成一致。一個典型的場景是，在一個分布式資料庫系統中，如果各節點的初始狀態一致，每個節點都執行相同的操作序列，那麼他們最後能得到一個一致的狀態。為保證每個節點執行相同的命令序列，需要在每一條指令上執行一個「一致性演算法」以保證每個節點看到的指令一致。一個通用的一致性演算法可以應用在許多場景中，是分布式計算中的重要問題。節點通信存在兩種模型：共享內存和消息傳遞。Paxos演算法就是一種基於消息傳遞模型的一致性演算法。
區塊鏈核心演算法五：共識機制
區塊鏈共識演算法主要是工作量證明和權益證明。拿比特幣來說，其實從技術角度來看可以把PoW看做重復使用的Hashcash，生成工作量證明在概率上來說是一個隨機的過程。開采新的機密貨幣，生成區塊時，必須得到所有參與者的同意，那礦工必須得到區塊中所有數據的PoW工作證明。與此同時礦工還要時時觀察調整這項工作的難度，因為對網路要求是平均每10分鍾生成一個區塊。
區塊鏈核心演算法六：分布式存儲
分布式存儲是一種數據存儲技術，通過網路使用每台機器上的磁碟空間，並將這些分散的存儲資源構成一個虛擬的存儲設備，數據分散的存儲在網路中的各個角落。所以，分布式存儲技術並不是每台電腦都存放完整的數據，而是把數據切割後存放在不同的電腦里。就像存放100個雞蛋，不是放在同一個籃子里，而是分開放在不同的地方，加起來的總和是100個。

⑻ 區塊鏈技術

背景：比特幣誕生之後，發現該技術很先進，才發現了區塊鏈技術。比特幣和區塊鏈技術同時被發現。

1.1 比特幣誕生的目的：

①貨幣交易就有記錄，即賬本；

②中心化機構記賬弊端——可篡改；易超發

比特幣解決第一個問題：防篡改——hash函數

1.2 hash函數（加密方式）

①作用：將任意長度的字元串，轉換成固定長度（sha256）的輸出。輸出也被稱為hash值。

②特點：很難找到兩個不同的x和y，使得h(x)=h(y)。

③應用：md5文件加密

1.3 區塊鏈

①定義

區塊：將總賬本拆分成區塊存儲

區塊鏈：在每個區塊上，增加區塊頭。其中記錄父區塊的hash值。通過每個區塊存儲父區塊的hash值，將所有的區塊按照順序連接起來，形成區塊鏈。

②區塊鏈如何防止交易記錄被篡改

形成區塊鏈後，篡改任一交易，會導致該交易區塊hash值和其子區塊中不同，發現篡改。

即使繼續篡改子區塊頭中hash值，會導致子區塊hash值和孫區塊中不同，發現篡改。

1.4 區塊鏈本質

①比特幣和區塊鏈本質：一個人人可見的大賬本，只記錄交易。

②核心技術：通過密碼學hash函數+數據結構，保證賬本記錄不可篡改。

③核心功能：創造信任。法幣依靠政府公信力，比特幣依靠技術。

1.5如何交易

①進行交易，需要有賬號和密碼，對應公鑰和私鑰

私鑰：一串256位的二進制數字，獲取不需要申請，甚至不需要電腦，自己拋硬幣256次就生成了私鑰

地址由私鑰轉化而成。地址不能反推私鑰。

地址即身份，代表了在比特幣世界的ID。

一個地址產生之後，只有進入區塊鏈賬本，才能被大家知道。

②數字簽名技術

簽名函數sign（張三的私鑰，轉賬信息：張三轉10元給李四） = 本次轉賬簽名

驗證韓式verify（張三的地址，轉賬信息：張三轉10元給李四，本次轉賬簽名） = True

張三通過簽名函數sign（），使用自己的私鑰對本次交易進行簽名。

任何人可以通過驗證韓式vertify（）,來驗證此次簽名是否有由持有張三私鑰的張三本人發出。是返回true，反之為false。

sign（）和verify（）由密碼學保證不被破解。·

③完成交易

張三將轉賬信息和簽名在全網供內部。在賬戶有餘額的前提下，驗證簽名是true後，即會記錄到區塊鏈賬本中。一旦記錄，張三的賬戶減少10元，李四增加10元。

支持一對一，一對多，多對已，多對多的交易方式。

比特幣世界中，私鑰就是一切！！！

1.6中心化記賬

①中心化記賬優點：

a.不管哪個中心記賬，都不用太擔心

b.中心化記賬，效率高

②中心化記賬缺點：

a 拒絕服務攻擊

b 厭倦後停止服務

c 中心機構易被攻擊。比如破壞伺服器、網路，監守自盜、法律終止、政府幹預等

歷史 上所有有中心化機構的機密貨幣嘗試都失敗了。

比特幣解決第二個問題：如何去中心化

1.7 去中心化記賬

①去中心化：人人都可以記賬。每個人都可以保留完整的賬本。

任何人都可以下載開源程序，參與P2P網路，監聽全世界發送的交易，成為記賬節點，參與記賬。

②去中心化記賬流程

某人發起一筆交易後，向全網廣播。

每個記賬節點，持續監聽、持續全網交易。收到一筆新交易，驗證准確性後，將其放入交易池並繼續向其它節點傳播。

因為網路傳播，同一時間不同記賬節點的交一次不一定相同。

每隔10分鍾，從所有記賬節點當中，按照某種方式抽取1名，將其交易池作為下一個區塊，並向全網廣播。

其它節點根據最新的區塊中的交易，刪除自己交易池中已經被記錄的交易，繼續記賬，等待下一次被選中。

③去中心化記賬特點

每隔10分鍾產生一個區塊，但不是所有在這10分鍾之內的交易都能記錄。

獲得記賬權的記賬節點，將得到50個比特幣的獎勵。每21萬個區塊（約4年）後，獎勵減半。總量約2100萬枚，預計2040年開采完。

記錄一個區塊的獎勵，也是比特幣唯一的發行方式。

④如何分配記賬權：POW（proof of work） 方式

記賬幾點通過計算一下數學題，來爭奪記賬權。

找到某隨即數，使得一下不等式成立：

除了從0開始遍歷隨機數碰運氣之外，沒有其它解法，解題的過程，又叫做挖礦。

誰先解對，誰就得到記賬權。

某記賬節點率先找到解，即向全網公布。其他節點驗證無誤之後，在新區塊之後重新開始新一輪的計算。這個方式被稱為POW。

⑤難度調整

每個區塊產生的時間並不是正好10分鍾

隨著比特幣發展，全網算力不算提升。

為了應對算力的變化，每隔2016個區塊（大約2周），會加大或者減少難度，使得每個區塊產生的平均時間是10分鍾。

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