区块链是如何运作的？
无论您是在个人学习环境中还是在学术研究中接触过加密货币，又或者只是读过提及它们的几篇文章，您很可能都听说过“区块链”这个概念。
虽然区块链技术通常与加密货币相关联进行讨论，但其令人兴奋的应用正逐渐渗透到完全不同的行业中的讨论和交流中。这些讨论涵盖了从数据追踪到国家货币再到非同质化代币（NFT）等多个方面，并且都引发了这样一个问题：区块链到底能实现什么？
事实证明，其影响是巨大的。区块链技术已经存在于我们周围，无论你是否意识到这一点。那么，究竟是什么让区块链技术如此引人注目呢？作为该领域的顶尖研究人员，斯坦福大学的教职员工就这些话题提供了许多见解，其中首门课程便是《加密货币与区块链技术》。
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进入区块链世界
正如其名称所示，区块链是由数据块组成的，这些数据块通过不可更改的数字链相互连接。这些信息存储在一个开源的去中心化环境中，其中每个数据块的信息都能被参与其中的每台计算机确认。其设计目的是采用去中心化的管理方式，而非我们所熟悉的传统层级式系统。像区块链这样的分散结构有助于确保信任、有效性和可用性。
区块链是一个不断发展的且复杂的领域，它为在线交易和各种应用提供了一个日益受欢迎的渠道。但区块链是如何运作的呢？一些关键术语——工作量证明与权益证明、矿工、分布式账本技术等等——给理解带来了障碍。看似庞大而复杂的系统可以通过清晰的步骤以及明确的术语解释来变得更加透明。
与区块链技术相关的重要术语
由于区块链似乎是一个充斥着复杂术语和表述的无休止讨论话题，因此有必要对一种通用的加密货币交易流程进行分解，并仔细研究该领域的一些关键术语。
区块是正在被更新和添加内容的账本，里面存有永久记录的数据。交易会被添加到这个数据库中，并与区块链的每个节点进行同步。区块高度指的是在某一时刻连接的区块数量，随着每一层新区块叠加在前一层区块之上而不断增加。
这些区块是在分布式账本上运行的，这意味着所有信息和交易都会在各方之间共享，不受地域或身份的限制。这些账本可以是有权限的或无权限的，这取决于谁有权查看它，以及是否对公共或私有区块链设置了访问限制。
这种去中心化的区块数据库系统的特性使得黑客无法篡改或更改区块链上的信息，因为只要修改一条代码，其变化就会立即在其他所有副本中显现出来而被察觉。试图进行双重支付、欺诈性地复制数字货币或资产是很难做到的，因为这是基于分布式账本交易系统实现的。这样一来，分布式账本就是一种不可更改的记录，它是有序且按时间顺序排列的。
另一种安全措施是区块内交易的加密哈希，即哈希函数。该代码会接收任意长度的数据作为输入，并输出一个由字母数字组成的字符串，即哈希值，它充当了数字指纹。这是一种单向系统，能够确保输入的数据是私密、安全且确定性的——每次输入相同的数据都会产生完全相同的哈希输出，无论是在哪个区块中。不同的区块链使用各自的哈希算法，但关键在于：为数字资产交易创建一个独特的函数。
对于交易双方而言，还有一种额外的安全措施，即使用数字签名。这种措施涉及公钥和私钥，与账户或加密钱包相对应。每方都有一个公钥和私钥，其中公钥可以广泛获取，类似于用户的已知电子邮件地址，而私钥或密钥则仅供所有者使用和访问，如同密码一般。这两组密钥共同构成交易的数字签名。具体而言，当交易发布在区块链上时，该交易会使用私钥进行签名，之后还可以用相应的公钥进行验证，以确保交易的来源合法且内容未被篡改。
在验证区块链交易以及生成区块的过程中，最常见的两种形式被称为“工作量证明”和“权益证明”。这是特定区块链网络中节点所采用的共识流程。请记住，运行在区块链上的加密货币使用的是不同的验证系统，且具有各自独特的结构。
作为证明交易的首要且最常见的机制，工作量证明被许多流行的加密货币所采用，包括比特币和以太坊。工作量证明机制在矿工完成数学难题后对交易进行验证，从而在区块链上添加区块并挖掘新的代币——这就是比特币矿工的工作。对于某些数字货币而言，矿工负责为市场增加更多的供应量。挖矿的过程本质上是一种猜测行为，需要巨大的计算能力——以及更多的能源消耗。能够最快解决与哈希数据相关的复杂数学问题的矿工，将获得一定数量的加密货币作为区块被添加到区块链时的奖励。
另一方面，权益证明机制中的验证者会将加密货币“质押”在特定交易上，以参与区块的创建。通过将资产进行质押，他们便进入了类似抽奖式的筛选过程，如果被选中，验证者将获得以交易费用形式支付的报酬。权益证明机制通常更为公平，因为它所需的计算资源积累较少，这意味着拥有更多资源的人不会垄断验证过程——这在工作量证明系统中经常会出现。这是一个极具吸引力的机制，以至于以太坊将在 2022 年转向权益证明机制。然而，如果没有权益证明系统的挖矿功能，所有货币都必须预先挖掘生成，而不是像比特币那样通过持续的挖矿和生产来产生。
虽然验证过程通常归因于数字货币本身的交易，但智能合约则是另一种存储在区块链上的数字资产的示例。这些是用代码编写的程序，能够实现自动执行的合同，无需仲裁者或管理机构，并且只有在条件满足时才会完成一个区块的处理。例如，以太坊的系统就是为此种数字资产而设计的，它使区块链的应用远不止于加密货币的交易。
区块链的起源
虽然数据块固定存储这一概念已经存在了一段时间，但目前所知的区块链技术则归功于一位化名为“中本聪”的人士。2008 年，中本聪在一篇题为《比特币：一种点对点电子现金系统》的论文中提出了这一新概念。一年后，这种货币通过我们所熟知的区块链系统向公众推出。
中本聪提出的这一理念旨在创建一种基于公共账本和集体验证的支付系统，其中网络中的每台计算机（或节点）都会拥有所有交易的副本。这一具有历史意义的早期交易发生在首个通过数字方式开采的加密货币诞生几天之后。哈尔·芬尼成为了通过区块链获得加密货币的最早者，这证明了该系统是可行的。
从那时起，比特币变得非常受欢迎且收益丰厚，这让许多人从中受益，从而催生了众多替代币（即所有继比特币之后出现的数字货币）的诞生，目前这类数字货币的数量已超过 6000 种。但促使人们对区块链数据存储产生兴趣的，并不仅仅是加密货币交易。
区块链技术的重要性
比特币的系统允许用户以硬币的形式转移数字资产，而无需传统的监管或管理机构。以往的数字货币容易出现伪造和欺诈现象，因为没有一个中央机构来监督资产的生成过程。因此，区块链首次实现了数字货币的形成。
比特币交易的重要意义，以及该技术吸引个人和私营企业的原因之一在于，区块链结构能够实现安全、可验证且可追踪的交易，同时避免了中心化。从本质上讲，去中心化的区块链依靠连接到网络的每个节点以及验证者来确保每笔交易的准确性和可信度。区块链保护用户信息、数据传输，并且几乎不可能被黑客攻击或操纵以谋取私利。这是一种方法，尽管并非完美无缺，但它改变了传统的数字交易路径。
这仅仅是区块链技术在市场交易以及直接转账方面所能实现功能的开端而已。
区块链技术的常见应用及数据处理方式
随着各行业认识到区块链技术在不同系统（从数据、信息和资产交易的追踪，到隐私保护等方面）中的潜在应用价值，区块链的应用案例正在不断增加。区块链技术在数字货币领域取得的巨大进步，实现了一个此前难以想象的概念的实现。
加密货币的普及程度
从比特币到以太坊（以太币），再到目前市场上存在的数以千计的其他数字货币，加密货币依然是区块链技术及数据管理领域最热门的应用形式——但有一些正在迅速发展的行业可能已经受到了这些技术发展趋势的影响。
这些数字货币的数量不断增加、价值不断攀升，这表明了区块链技术的重要性。正是这些技术使得数字货币得以普及。这场对这种未来式交易技术的“黄金热”随着市场预测和人们的态度而起伏不定，这一切都得益于区块链系统。
不仅仅是个人投资者对加密货币感到兴奋。从智能合约的功能到将加密货币作为法定货币的采用——例如在斯坦福在线免费网络研讨会上讨论的斯里兰卡将比特币作为法定货币的举措——这些都表明了区块链技术的长期影响。
区块链技术的广泛普及
这种去中心化的账本可供所有人查阅，以确保其可信度并保护用户数据，其应用范围远不止于金融交易。区块链的应用潜力无穷无尽，涵盖从供应链追踪到工作流程自动化等诸多领域。
无论每种加密货币的未来如何，许多公司已经将区块链技术应用于自身业务。对一些公司而言，区块链解决方案就像是供应链追踪系统，能让所有客户了解其产品的可靠来源。而对于另一些公司来说，它关乎产品的真实性证明、简化文档流程，或者仅仅是提高客户的信息透明度和可访问性。
例如，安特姆是一家位于印第安纳波利斯的健康保险公司，目前它正在使用一种区块链数据追踪系统，该系统能让客户访问自己的数据，从而促进监管并提高客户对数据的清晰度。再比如多尔食品公司，它正试图简化供应链流程和交易数据，以提高食品质量的透明度，使公司领导能够追踪其农产品从农场到餐桌的全过程。
从加利福尼亚的房屋净值贷款、荷兰的石油生产，到联合国的虹膜扫描身份识别流程，区块链技术的应用正在全球范围内不断扩展。
https://online.stanford.edu/how-does-blockchain-work
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