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科普“区块链”
2017.11.08
Schubert Zhang
误解
区块链 vs. ⽐比特币
“区块链”和“⽐比特币”是完全不不同的概念,不不要混为⼀一谈。
区块链是⽀支撑⽐比特币的底层技术!
⽐比特币使⽤用了了区块链技术,但是区块链并不不是⽐比特币!
在回答区块链问题时,提到“矿⼯工”、“挖矿”等等词的,其实都不不准确,因为这
是⽐比特币范畴的概念,区块链中不不应该有这样的解释。
过度期望
• ⼈人们对区块链的过度期望,实际暗示着对其存在很多误解
• 区块链是⼀一种颠覆性的新技术(技术组合:P2P动态⽹网络、密码学、共识机制、智能合约等)
• 区块链就是去中⼼心化的 / Decentralized,并赋予了了很多主观和政治⾊色彩
• 区块链上的交易易存在很⼤大的延迟
• “过度期望期” -> “期望幻灭期”
什什么是区块链?
What is BlockChain?
区块链
BlockChain
是⼀一种
分布式数据库
区块链
BlockChain
最初被⼴广泛应⽤用在
⽐比特币 (Bitcoin)
区块链
BlockChain
在⽐比特币系统中,维护⼀一种连续不不断的
交易易记录数据
区块链
BlockChain
每⼀一个被持久化记录下来的数据对象被称为
⼀一个
区块 (Block)
区块链
BlockChain
每⼀一个区块可以包含
⼀一笔以上的交易易记录
区块链
BlockChain
每个区块都与另⼀一个(前⼀一个)区块
产⽣生连接 (Linking)
区块链
BlockChain
每个区块都会包含
前⼀一个区块的 Hash 值
区块链
BlockChain
所有连接在⼀一起的区块被称为
链 (Chain)
区块链
BlockChain
就是
由多个区块组成的链
Block Chain
Block0 Block1 Block2 Block3 …
上个区块的Hash 上个区块的Hash 上个区块的Hash
Inner a Block
区块链如何⼯工作?
How BlockChain Works?
区块链
BlockChain
产⽣生每个区块的过程都会经过
严格复杂的密码学(Cryptography)运算
和数据结构组织
区块链
BlockChain
密码学运算可以有效杜绝
数据记录被篡改
区块链
BlockChain
每个区块在成功产⽣生/持久化记录之后
是⽆无法被修改的
区块链
BlockChain
产⽣生区块的过程⼜又被称作
挖矿 (Mining)
(这是引⽤用了了⽐比特币的概念)
区块链
BlockChain
负责产⽣生区块的⼈人⼜又被称作
矿⼯工 (Miner)
(这是引⽤用⽐比特币的概念)
区块链
BlockChain
负责产⽣生区块的机器器⼜又被称作
矿机
(这是引⽤用⽐比特币的概念)
区块链
BlockChain
每块数据都可以通过链接找到
所有可靠的历史数据
区块链
BlockChain
由于是分散式的数据库,因此具有
“去中⼼心化 / Decentralized” 特性
区块链
BlockChain
“去中⼼心化”意味着
数据分布在很多(存储和计算)节点上
区块链
BlockChain
所有的节点共同维护
整个数据库
区块链
BlockChain
所有节点共同维护整个数据库意味着
没有⼈人可以说⾃自⼰己的区块
才是合法有效的区块
区块链
BlockChain
所有节点共同维护整个数据库同时意味着
多数⼈人(超过50%)验证认可的区块
才是合法有效的区块
区块链
BlockChain
每个节点
必须存储所有区块
(新的设计某些节点可仅存储部分区块或区块的头部数据)
区块链
BlockChain
每个节点都可以
参与协助验证区块的有效性
区块链
BlockChain
任何⼀一个区块的数据被篡改
都将破坏区块以及整条链的完整性
区块链
BlockChain
任何⼀一个区块的数据被篡改的概率
⼏几乎为0!
区块链
BlockChain
的运作原理理和 Git 分布式存储
有异曲同⼯工之妙
区块链
BlockChain
中存储的对象有两种类型
“交易易” 和 “区块”
区块链
BlockChain
常⽤用的场景
数字货币
区块链
BlockChain
数字货币场景中交易易对象就是
转账过程的完整内容
区块链
BlockChain
区块中的内容包含
⼀一批交易易的集合
区块链
BlockChain
区块之间链接起来的是⼀一本
账本 (Ledger)
区块链
BlockChain
基本原理理就是让所有⼈人
共同维护⼀一份账本
区块链
BlockChain
这份共同维护的账本必须
由⼤大伙共同认证
(每个区块必须拥有超过50%的参与者认证通过)
区块链
BlockChain
解决了了
分布式⽹网络中的多⽅方互信问题
以⽐比特币转账为例例
区块链的特点和应⽤用
Features and applications of BlockChain
BlockChain in Summary
• 区块链是⼀一个放在⾮非安全环境中的分布式数据库(系统) — 这是其本质
• 区块链采⽤用密码学+数据链的⽅方法来保证已有数据不不可能被篡改 — 这
是其核⼼心特性
• 区块链采⽤用共识算法来对于新增数据达成共识 — 这是技术上在去中
⼼心化的P2P⽹网络中的不不得已,同时也是其拿来当作“⾰革命宣⾔言”的核⼼心
特性
潜在应⽤用领域
• 数字货币(Cryptocurrency): BitCoin(⽐比特币)、LiteCoin(莱特币)、Ethereum(以太坊)、…
many …
• 能或者需要将数据去中⼼心化存储和决策、透明化、不不可修改(只能新增)、永久保存的应⽤用场景
• 数据资产管理理
• 供应链透明化
• 智能和合约/契约履履⾏行行
• 交易易流程透明化
• 电⼦子保函
其实基础技术很基础
let’s review them …
数据库基本原理理回顾
(database)
数据的载体
• All over the common under-layer storage and IO system:
• Hardware, Disk, Network …
• Trade-Off on Disk
• 顺序读写 (High byte throughput, High IO bandwidth overhead)
• 随机读写 (Low byte throughput and long latency)
回顾⼀一下计算机系统原理理
• 计算机的存储系统(准确地说是持久化存
储的Disk)上,数据都是以块(Block)存储
的
• 从⽂文件系统 (File System) 到 数据库
(database)
常⻅见数据库基本结构
⼀一般的简单数据库本质上就是⼀一个单机版的 BlockChian 或 BlockTree …
。 。。。
客户端
Data Block
in Memory
Data Block
on Disk
Data Block
on Disk
顺序写⽇日志
on Disk
Data Block
on Disk
Flush
Write
分布式数据库
• MySQL 的 Master/Slaves 架构
• Google GFS/Bigtable and Hadoop HDFS/HBase 的 分布式 Master/
Slaves 架构
• Cassandra 的 Consistency Hash Ring 架构,本质还是分布式的
Master/Slaves 架构
• 为什什么在分布式MySQL架构中,写数据都必须由唯⼀一的 Master 决
定?
• 但是在去中⼼心化的⽹网络中,没有Master怎么办?
• 那就每次选⼀一个Master出来吧!
• 那就得有个⾼高效且可靠的选举办法!
BlockChain database
Hash 回顾
Hash
• HashTable / HashMap (基于Hash的数据结构)
• SHA256 / MD5 (Hash⽤用于加密)
• 考⼤大家⼀一个和 Hash 相关的数据处理理问题
Hash 还可以解决很多问题
• 数据结构
• 加密
• 过滤器器 : Bloom Filter
• 估计型统计分析 (省内存空间、速度快)
P2P Network
P2P Network
• PPLive、PPStream、迅雷雷
• ⼤大量量的P2P先驱
• Gossip (⼀一般BlockChain中常⽤用的是其他变种)
• Paxos (⼀一般BlockChain中常⽤用的是其他变种)
• Merkle Tree
P2P ⽹网络协同 Gossip
共识算法 Paxos
Leslie Lamport
Google Chubby, ZooKeeper, Spanner …
Merkle Tree
“挖矿”的本质和误导
中国的⽐比特币矿场
⽐比特币⽹网络70%的算⼒力力在中国,
中国的⽐比特币矿场
中国的⽐比特币矿场
中国的⽐比特币矿场
中国矿机的发展
CPU -> GPU/显卡 -> ASIC/FPGA -> 矿机池
Google、Facebook 的 IDC
“挖矿”的本质
• 因为是全分布式系统架构
• 没有中⼼心节点负责计算/打包和⽣生成区块
• 就要借助“⼤大众”的⼒力力量量
• 那么决定某次记账以谁为准呢,那么算hash吧(HSA256),就像掷骰⼦子,只不不过这骰⼦子的⾯面
太多了了,有2的256次⽅方个⾯面
• “⽐比特币”体系中为了了⿎鼓励“⼤大众”开着机提供“计算能⼒力力”(算⼒力力),就随机性有⼀一定概率地奖励
“中奖”的机器器⼀一点“⽐比特币”
• ⽐比喻起来就像“挖到了了⼀一点⾦金金⼦子”⼀一样,我决定与其叫“挖矿”,不不如叫“淘⾦金金”,因为概率很低
“挖矿”的本质
• 所以“区块链”中本身没有“挖矿”的概念
• 因为从技术层⾯面,不不存在奖励“⽐比特币”的说法
• 我们完全可以做⼀一个封闭的系统(私有链)或者⾏行行业系统(联盟链),
不不需要奖励任何虚拟货币,只是⼤大家的节点连在⼀一个P2P⽹网络中,实
现⼀一个特定⾏行行业场景的区块链,⽐比如⼀一种多⽅方协作确认的合约/合同
数据库。
参考资料料
• What is Blockchain Technology? A Step-by-Step Guide For Beginners
• Git
• Cassandra
• 数据库基础原理理很重要
• Paxos  ZooKeeper  Chubby
• Gossip
• Merkle Tree
个⼈人观点
• 区块链(BlockChain)现在各种忽悠⽐比较多
• 潜下⼼心来做个真正的分布式数据库远⽐比炒作来的实在些
• 区块链(BlockChain)不不⼀一定会巨⼤大成功,但很有价值
• 在局部领域/⾏行行业内应⽤用可能⽐比较好
• 个⼈人还有很多东⻄西不不懂,有可能讲的不不对,需要学习
Thank You

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