区块链的原理与机制
2008年10月，一篇署名中本聪（Satoshi Nakamoto）的论文《比特币——一种点对点的电子现金系统》出现在了一个小众的密码学网站metzdowd.com的邮件列表中，两个月之后，比特币的开源软件悄然现身互联网。这就是区块链的起点，理解区块链要从理解比特币开始。下文将对比特币的原理和机制进行通俗概要的解释。
密码学基础
比特币是在密码学基础上通过一系列机制设计，实现的一种电子现金系统。在论文中，中本聪对这一系列机制设计进行了完整的解释。但这篇论文的读者是面向密码极客们，其中没有对其密码学基础做任何解释，而要使普通读者理解，就必须首先对比特币所涉及的密码学基础知识进行简要的解释。
区块链的密码学基础，最重要的有两个：哈希函数和非对称加密算法。
1.哈希函数
哈希函数（Hash Function）是一种音译，也可以被译为散列函数、杂凑函数。区块链领域里目前使用的主要为安全哈希算法（Secure Hash Algorithm，缩写SHA），其中以SHA-2系列算法为主，而 SHA-2算法根据输出长度，又被分为SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512等，这些算法都是由美国国家安全局（NSA）设计，由美国国家标准与技术研究院（NIST）发布的，其中比特币使用的就是其中的SHA-256算法。
对哈希函数的最简单解释，就是把输入值映射为一个固定长度的数字摘要。它的输入值可以是任意的，一切可以被数字化的东西，电影、图片、音乐、文字、合约、代码都可以，输出值则是一个固定长度的二进制数字。这种映射关系，就像人和他的指纹，人是输入值，指纹就是输出值，是这个人的映射。
哈希函数有两个主要特点：
一是不能倒算。正向运算哈希函数，快速简单，但倒算却不可能实现，也就是说不可能通过输出值算出输入值，如果一定要找出输入值，只能通过穷举法，把可能的输入值依次尝试，直到找出正确的输入值，但由于输入空间无限，事实上，这在现实中是不可能的。延续之前的比喻，不能倒算可以被想象为这样的关系：取一个人的指纹很容易，但靠指纹算出这个人的信息则是不可能的。
二是不可能人为制造哈希碰撞（Hash collision）。碰撞是指两个输入值不相同，但输出值相同的情况。因为输入值的范围无限，但输出值的范围有限，所以碰撞理论上一定存在的。以SHA-256算法为例，它的输出值是一个256位的二进制数字，存在2256种可能，理论上进行2130次输入就会有99%的可能性发生一次碰撞，不过既使用人类制造的所有计算机自宇宙诞生一直运算到现在，发生一次碰撞的几率也可以忽略不计。继续比喻，不可碰撞就是说：虽然只要有无限多数量的人，就有可能出现两个指纹相同的人，毕竟理论上构成指纹的原子数量是有限的，其排列组合方式因而也是有限的，但要以人工方法找到这两个人则是不可能的。
基于这两个特点，哈希算法就能为任何数据提供一个唯一、对应的摘要，比喻的说也可以叫做为任何数据算出一个指纹。这就是哈希算法的主要用途。
2.非对称加密
加密的办法分两种，对称的和非对称的。简单的说，如果加密和解密用相同的密钥，就是对称加密，如果不同，则是非对称加密。
对称加密也可能是安全的，但前提是能够安全传输密钥。比如上级和特工之间共用同一个密码本，只要密码本不泄露，那密文泄露也没事，但密码本一旦被敌人掌握，那就一切皆休。上级和特工之间可以有秘密通道传输密码本，但在现实的、开放的互联网环境中，只要传输密钥，就无法保证安全。
在开放的传输环境中，实现安全的加密，就需要非对称加密算法。非对称加密中，需要公钥和私钥两种密钥，公钥与私钥一一对应，公钥公开，私钥保密。如果使用公钥对内容加密，那么就只有用这个公钥对应的私钥才能解密，只要私钥不泄露，那这个内容就是安全的；同样反过来，如果用私钥加密内容，那么人人都可以用对应的公钥加以解密获得内容，也就可以确知，这个内容必定是由这个公钥的掌握者发出，而不可能来自任何其他人。
如果甲说，他向乙转了一块钱，别人如何验证这确实是甲说的，并且钱确实是转给乙的，而数额也没有被任何人改动过呢？甲就可以把这条转钱的信息取哈希值，发信息时，把这个哈希值用私钥加密后随信息一起发出去，这样，任何人都可以重新计算信息的哈希值，并和用甲的公钥解密出的哈希值对比，对原来信息的任何改动都会使哈希值发生变化，因而发生不一致。如果一致，就说明信息的内容不可能被修改过，而且这个信息也只可能是甲发出的，这个过程就实现了甲对自己发出的信息的签名验证。
区块和链
事实上，不论哈希函数还是非对称加密算法，在2008年中本聪论文发表时都已不是新鲜事物。较早期的哈希函数MD4（MD为Message Digest，信息摘要的缩写）在1990年就被麻省理工的一位教授设计出来了；非对称加密算法则在1978年就被发明了。在当代的网络技术中，这两种算法实际都已经得到了广泛的应用。
比特币的特别之处，就在于它通过一系列的机制设计，通过区块和链的数据结构，首次实现了一种可行的电子货币系统。
比特币的设计，目的在于建立一个电子货币系统，它需要记录每一单位的比特币来自哪里，谁曾经拥有，又花给了谁，从被创造到当下所经历的一切交易的全部信息。这需要记账，而且这个账本需要被全网认可，没有歧义，这就需要共识机制。
比特币怎么记账呢？首先，任何人都可以发起交易，只要他下载了比特币的软件，生成了一个公私钥对，公钥就是他的地址，或者叫钱包，私钥就是钱包的密码。
他可以用私钥签名发起任何交易，并且向全网广播。任何试图记账的人都可以收集这些交易，并将它们打包成块。所谓打包成块，就是把收到的交易数据的哈希值按时间时间顺序两两合并，再取哈希值，然后把第二层的哈希值继续两两合并取哈希值，如此持续，直到算出一个把所有交易都容纳进去的最终的哈希值（Merkle Root，根哈希值），这个过程，从交易内容，到层层的哈希值，到最终的跟哈希值合起来，就组合成了一个二叉的Merkle Tree（译为默克尔树或可信树），这就是一个区块体的内容。
区块体就是记录其所对应的成块时间内的交易的分账本，这个分帐本的根哈希值加上前一个区块的哈希值、区块链的版本号、本区块的时间戳、当前区块链的难度系数和一个随机数，就组成了这个区块的区块头，区块头和区块体合起来就是一个区块，由于每一个区块都含有前一个区块的哈希值（一般称为哈希指针），所以每一区块都和其之前的一个区块唯一地不可更改地连接，这样一个个相连的区块就构成了区块链。
什么样的交易能被收录到块里呢？必须是合法的交易，也就是这个交易所花的钱，确实是花钱者的，并且没有被花过，由于自从整个区块链建立以来所有交易都被记录在链上，所以每一个交易是否合法很容易被验证。任何新的区块所包含的所有交易必须都是合法的，包含了不合法的交易的区块会因被其他节点放弃而无效。
谁来打包成块呢？这是记账权归谁的问题。区块头里有一个随机数，它的用途就在这里。打包者需要算出这个随机数，使本区块的哈希值符合难度系数，也就是这个哈希值的前N位必须是零。哈希函数无法倒算，所以这个满足难度系数的随机数必须通过一个一个的尝试来获得，谁先发现这个随机数，谁就可以打包这个区块，把它接到链上。
如果有两个人同时算出随机数呢？两个人都会把自己打包的区块接到链上，这就会使链产生分叉。那么，接下来两个分叉，哪一个后续接的区块多，形成最长合法链，哪一个就会成为主链被全网认可，这就是比特币的最长链原则。所以，最终还是只有其中一个区块被认可。同理，如果有人想把同一份钱花两次，首先这两个交易在同一个区块里只有其中之一会被接纳，任何一个被接纳后，另一个就成为非法的；第二，如果两个交易分别被不同的打包者接纳，那么两个区块也只有其中之一最终被主链接纳。所以，通常比特币的交易者都会在自己的交易被收录进链之后，再等几个块才算交易完成。
比特币是怎样产生的呢？来自出块奖励。算成块所需的随机数是一个对算力要求很高的工作，为了鼓励参与者，比特币设计了出块奖励。谁打包这个块，全网就认可这个人的钱包多出了一定数量的比特币。这个数量在开始时是50个比特币，之后每21万个区块减半（约合4年），在2012年减为了25个币，在2016年减为了12.5个币，之后，出块奖励还将继续每4年左右减半一次，最终比特币的总数量将会在到2140年10月的某天终结于2100万个。
由于计算随机数是一个极其消耗算力的过程，2009年1月3日，中本聪发布了比特币的第一个区块，之后六天，他才算出了第二个区块。比特币的这个共识机制形成过程又叫做工作量证明（Proof of Work，POW），所有参与者获得出块奖励的概率，实际就是他所掌握的算力在全网算力中的比例。计算随机数，获得出块奖励，这个过程就是俗称的“挖矿”。
参与挖矿的算力是变化的，但出块的时间需要大致保持在10分钟左右，这一点通过调节难度系数来完成，这个难度系数就取决于所要求的前N位为零的目标哈希值，N越大，在规定时间算出随机数所需要的算力就越大，挖矿难度也就越大。
区块链的特点
基于上面的描述，那么关于区块链常见的提法：匿名、点对点传输、公开透明、去中心化、信任机制等等各种说法就不难理解了。
参与区块链，只需要一个公私钥对，谁掌握公钥对应的私钥，谁就是这个公钥地址（钱包）的所有者，任何人都可以拥有任意数量的钱包，记住私钥就行，和参与者是何许人，在哪里毫无关联。
交易是点对点的，或者说是一个地址对另一个地址的，交易信息全网公开，全网可查询，全网一起维护，因而也就不存在一个中心管理者。
在没有中心管理者的条件下，区块链又通过一系列的机制设计确保链上信息可靠、可信任，这一系列的机制设计就构成了区块链的共识机制。
实际上，目前区块链相对于比特币区块链已经有了很多发展。
比如智能合约，哈希函数能把任何数字内容转化为一个数字摘要，一段代码、一个程序当然也可以。把合约程序化，然后把程序的输出上链就成为了智能合约。事实上，作为一种数据结构的区块链，不止可以被设计用来作为一种电子货币系统，也不止是一种智能合约的实现方式，它能为分散的、无需任何组织认证背书、相互完全陌生的使用者，提供一种对任何数字信息，建立可靠的、不可更改的记录和鉴证方式的系统。区块链的演化方向及潜在的应用场景可能还有很多，当前已经有了不少有益探索，但更多可能还需要在未来慢慢探索。
比如POS（Proof of stake，权益证明）。比特币的POW是一种经典的共识机制，但用工作量对记账权进行投票所需的算力竞争，意味着巨大的能源消耗，POS则是用币龄替换了POW中的算力，币龄是指持有的电子货币数量与持有时间的乘积，单个节点的币龄越大，它获得记账权和出块激励的可能性就越大。
比如公链、私链、联盟链。比特币是典型的公链，数据全网公开，所有节点随意加入和退出，因此也称为非许可键；私链则一般非公开，需要授权才能加入节点，链上只有少量节点，只需要单个或部分节点来验证交易；联盟链则是由若干机构或组织共同发起和维护的链，比如Libra的初始设计就是联盟链。后两者因为节点准入设计，所以也被称为许可链。■
（段夕华，阿里本地生活资深架构师/责编 张栋）
