层层揭秘：区块链的运作原理、存在问题及前景
现在科技界流传着一句话，“币圈一日，天下一年”，调侃数字货币市场的跌宕起伏，也将新兴的“区块链”技术带到了我们大众的眼前。
在这个信息爆炸的时代，许多创新技术和产品不断涌现。区块链是目前最耀眼的明星，被很多大佬誉为人类未来发展趋势的技术。
那么，区块链到底是什么？底层是怎么运作的？区块链为什么会出现？目前它还有哪些问题？未来有哪些可能的应用场景？
带着这五个问题，让我们一层层揭开区块链的神秘面纱！1.什么是区块链？
(1)从产品来看
我个人认为，区块链的本质其实是：一种促进人类大规模合作的技术手段，解决了多个点之间的互信和利益分配问题。
或者我们可以把他理解为：数字存储计算领域的共享技术，用户链接互联网，提供自己的存储空间和计算能力，并由此获得一定的代币(代币奖励，可能会不断增值)作为利益回报。这类似于滴滴、优步和Airbnb。
(2)从技术角度来看
区块链技术是一种全新的分布式基础设施和计算方法，它使用区块链数据结构来验证和存储数据，使用分布式节点共识算法来生成和更新数据，使用密码学来保证数据传输和访问的安全性，使用自动化脚本代码组成的智能契约来编程和操作数据。
它融合了现有互联网技术的很多优质算法，按照非常微妙的规则进行组装，完成这一系列复杂的处理。
二、区块链的运行原理
区块链系统由六层组成，如下图所示：数据层、网络层、共识层、激励层、契约层、应用层。
数据层：封装底层数据块，以及数据加密、时间戳等相关基础数据和基础算法；
网络层包括分布式组网机制、数据传输机制和数据验证机制。
共识层：封装网络节点的各种共识算法；
激励层：将经济因素融入区块链技术体系，主要包括经济激励的分配机制和分配机制；
契约层：主要封装各种脚本、算法和智能契约，是区块链可编程特性的基础；
应用层：封装了区块链的各种应用场景和案例。所有的二次开发应用都是基于这个层面，就像很多app都是基于IOS和Android底层操作系统一样。
该模型中区别于传统技术的创新如下：
1.分布式分类帐3354不能被篡改和分散。
簿记是由分布在不同地方的多个节点完成的，每个节点记录一个完整的账目，所以他们都可以参与监督交易的合法性，同时可以共同为其作证。不同于传统的集中记账方案，任何节点都不能单独记账，避免了单个记账员被控制或贿赂记账做假账的可能。
另一方面，因为有足够多的记账节点，理论上除非所有节点都被破坏，否则账户不会丢失，从而保证了账户数据的安全。
2.非对称加密和授权技术3354匿名和安全
存储在区块链中的交易信息是公开的，但账户身份信息是高度加密的，只有获得数据所有者的授权才能访问，从而保证了数据的安全和个人的隐私。
3.共识机制3354开放性和自主性。如何让所有记账节点达成共识来确定一条记录的有效性？这既是确定的手段，也是防止篡改的手段。
区块链提出了四种不同的共识机制，适用于不同的应用场景，在效率和安全之间取得了平衡。
以比特币为例：采用工作量证明。只有控制了全网51%以上的记账节点，才有可能伪造一个不存在的记录。当足够多的节点加入区块链时，这基本上是不可能的，从而消除了欺诈的可能性。
4.智能合约3354不可逆和强制智能合约就是基于这些可信的、不可改变的数据，能够自动执行一些预定义的规则和条款。以保险为例：如果每个人的信息(包括医疗信息和风险信息)都是真实可信的，那么在一些标准化的保险产品中很容易进行自动理赔。
3.区块链为什么会出现？
区块链的概念最早是由中本聪在2008年提出的。他创造了第一个街区，即“创世街区”。
创建块——最初的区块链是一个分散的数据库，包含一个块列表，记录不断增长且排列整齐。每个块都包含时间戳和
与前一区块的链接：设计区块链使得数据不可篡改 ———一旦记录下来，在一个区块中的数据将不可逆。区块链的设计是一种保护措施，比如（应用于）高容错的分布式计算系统。
区块链使混合一致性成为可能。这使区块链适合：记录事件、标题、医疗记录和其他需要收录数据的活动、身份识别管理，交易流程管理和出处证明管理。
2009年1月3日，比特币的创始人中本聪在创世区块里留下一句永不可修改的话：The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks（2009年1月3日，财政大臣正处于实施第二轮银行紧急援助的边缘）。
当时正是英国的财政大臣达林被迫考虑第二次出手纾解银行危机的时刻，这句话是泰晤士报当天的头版文章标题。
区块链的时间戳服务和存在证明，第一个区块链产生的时间和当时正发生的事件被永久性的保留了下来。
当时主要就是为了——解决金融危机的问题，建立一个不被任何组织和机构组织操控的，基于机器信任，代码信任的，去中心化的电子现金系统。
巨大价值：区块链实现从信息互联网到价值互联网的转移
互联网技术成功实现了信息的去中心化，TCP/IP协议帮助了全世界人民进行互联互通、畅快交流，但却无法实现价值的去中心化。换句话说，互联网上能去中心化的活动是无需信用背书的活动，需要信用做保证的都是中心化的、有第三方中介机构参与的活动。
因此，为了解决这样一个全球的信用问题-区块链技术应运而生了。
它提供了一种无中介，无需信任单节点，全网共识的一种网络方法。可以防止我们在与陌生人进行价值交换活动时，被恶意欺诈的风险。
为什么说区块链是一个颠覆性的技术？
我认为未来它可能会重塑社会的“信任关系”，当社会关系的基础协议依赖于可信任的底层技术时，信息和交易都变得开放透明、不可篡改，社会规则和建立在此基础之上的组织形态也会发生重大的变化。
四、目前它还有哪些问题？
三元悖论，以太坊创始人Vitalik提出区块链技术“不可能三角”，是三个因素：
可扩展性
去中心化
安全性
也就是一个区块链的系统，不可能在同一时间，在这三个方面同时取得优化、最佳，它必须以牺牲其中若干个因素去换取在另外一个领域上的提升。也因此产生了区块链的不可能三角，也即“三元悖论”。
1、追求“去中心化”和“安全性”则无法达到“可扩展性”
比特币区块链技术便是一种极致追求“去中心化”和“安全”的技术组合。
（1）从数据结构上，它采用拥有时间戳的“区块 链”的结构，在可追溯、防篡改上具备安全优势，也易于分布式系统中的数据同步。但是若需要对信息进行查询、验证，则涉及到对链的遍历操作，而遍历是较为低效率的查询方式。
（2）在数据存储上，它的每一个节点都下载和存储所有数据包，利用强冗余性获得强容错、强纠错能力，使得网络可以民主自治，但同时也带来了巨大的校验成本和存储空间损耗。它并不像分布式数据库那样随着节点的增加可以通过分布式存储提高整体存储能力，而只是简单地增加副本。未来随着区块链技术所承载的内容增多,单个节点的存储空间将是个问题
（3）在并发处理上，比特币区块链技术最终只允许一个“矿工”获得记账权建立一个交易区块，这种机制可以有效保证一个民主网络运行的安全和稳健，但其实质上是拥有所有数据的整个“链条”在进行串行的“写”操作。相比关系数据库将数据分为若干表，仅仅根据操作涉及的数据锁定若干表或表中的记录、其他表仍能并发处理相比，比特币区块链技术的串行操作效率远低于普通数据库。
（4）在对内容的验证上，比特币区块链让每个节点都拥有所有的内容，同时对区块内的所有内容进行哈希，这增强了：民主性、隐私性、安全性。但是这种整体哈希的设计思路则意味着，不能以地址引用的方式存储数据，否则由于所引用地址上所存储的信息由于并未进行哈希校验而可能存在篡改。
因此，比特币区块链技术缺乏高效的可扩展性，在对大型内容的处理上存在效率问题。
2、追求“可扩展性”和“安全性”则无法完全 实现“去中心化”
从“共识机制”角度看：为了在确保“安全”的前提下解决比特币区块链技术所采用的工作量证明方式的低效性，权益证明（Proof of Stake）、股份授权证明（Dele? gate Proof of Stake）等机制被采用。
但是无论是基于网络权益代表的权益证明，还是利用101 位受委托人通过投票实现的股份授权证明，实际上都是对“去中心化”的退让，形成了部分中心化。
同样在区块链技术的演化上，除了以比特币为代表的公有链技术外，又衍生了联盟链技术和私有链技术。
联盟链技术只允许预设的节点进行记账，加入的节点都需要申请和身份验证，这种区块链技术实质上是——在确保安全和效率的基础上进行的“部分去中心化”或“多中心化”的妥协。
而私有链技术的区块建立则掌握在一个实体手中，且区块的读取权限可以选择性开放，它为了安全和效率已经完全演化成为一种“中心化”的技术。
3、追求“可扩展性”和“去中心化”则必须 牺牲“安全性”
一个极端的案例便是：基于 P2P（Peer-to-Peer）的视频播放软件。
以往当在线观看人数增多时，基于中央服务器设计的视频服务器会因承载压力变大而速度缓慢。
为了提高效率，P2P 视频播放软件的设计使得一个节点在下载观看视频文件的同时，也不断将数据传输给别人，每个节点不仅是下载者同时也是传输者，使资源的分享形成不再依赖于中央服务器的“去中心化”模式。
同时，由于视频一秒有24 帧，少量图片的局部数据损坏并不影响太多的视觉感官，但是用于数据校验而出现的图像延迟则是不可接受的。于是 P2P 视频播放软件牺牲了“安全”性，允许传输的数据出现少量错误。
在这种去中心化的网络中，参与的节点越多，数据的传播越快，传播的效率越高。当然这对于严谨的金融业来说，数据的错误是不可接受的，安全也是金融业所首要考虑的问题。
总之，从当前的技术条件来看尚无法实现“高效低能”、“去中心化”和“安全”三者皆得的区块链技术。但是若对其一个或若干个要求进行妥协，所产生的新技术 集合由于更符合实际需求，有可能它对实际应用的吸引 力反而增强。
五、未来可能的应用场景有哪些？
现今的商业成本是很高的。举个例子：两个公司之间签订了一个合约，需要建立很多机制来保证合同能顺利执行。当出现一方违约的情况，就需要法院和律师、警察来协助我们判决和推动执行。
在区块链的世界中，可以通过智能合约来自动执行类似合约，可以帮助我们节省大量的人工和时间成本，人们几乎不需要担心任何节点发生意外，也没有人能够恶意地去破坏或者篡改。
区块链通过升级现代商业社会的三个基石来改变世界：
复式记帐法——传统的复式记帐法变成了分布式账本；
有限制度公司——有限公司制度变成了 DAO 分布式自治组织；
保护私有财产的法律制度——保护私有财产的法律制度变成了智能合约。
通过这些全新的运行方式，我们整个商业社会往一个全新的方向发展。
事实上，从我这边来看，有很多聪明的朋友，正在做各种各样的尝试。
目前，区块链在支付、结算、证券交易，以及在医疗、保险、物联网都有很多的探索。
1.、物联网，会是一个非常有趣的应用方向
IBM 曾经提出一个叫做《设备民主》的白皮书，里面提出：到 2050 年，全世界至少有 1 千亿设备会被连入物联网。
但是到现在为止，全球还没有合适的设备，能同时管理数亿个同时连入的终端。事实上，即使有这样一个中心化管理设备，本身的安全性也有极大的隐患。中心化的设备一旦瘫痪，整个物联网都会瞬间崩溃。
因此 IBM 的结论是：区块链是目前我们想到的管理物联网的最好方案，依靠安全可靠的分布式系统来做底层的物联网管理。
2、去中心化的交易系统，最近至少在行业内是被追逐的一个目标。
建立在区块链上的去中心化交易系统，将是极度透明的，这意味着，传统交易中可能会发生的虚假交易几乎是不可能的。
比如：Borderless，它提供一个具有极高性能的去中心化交易平台，能够提供一切你所希望在一个交易平台上应该具有的功能。不仅订单的执行在你提交的瞬间就能够完成了，并且还能提供抵押债券让你能够使用杠杆和提供利息，期权合约能够让你对冲你的仓位。
中心化的交易所已经一次又一次的让世界知道，它们是多么的不可靠和不值得信任。
无论是MFGlobal，Mt.Gox，或者是BitStamp，让我们可以看到：如果让第三方保管你的钱会发生什么？
无论它们规模有多么庞大，有多少审计、监管机构或是保险公司，那些全球中心化的银行和交易所，还是每天都充斥着各种欺诈、滥用职权或者盗窃行为。
去中心化让Borderless面对失败时具有鲁棒性(Robustness），指：原始载体在经历各种信号处理过程后，隐藏信息仍能保持完整性或仍能被准确鉴别，不因处理攻击后而导致秘密信息丢失的能力。
当一个中心化的交易所被泄露数百万美元将会瞬间影响数千个用户，而一个去中心化的系统被攻击、或者出现故障只会影响单个用户和他的资金。用户能够控制他们自己的安全性，这其实可能远比任何中心化实体要好得多。
3、去中心化存储也是一个非常大的方向
传统的网络下，访问网络或服务器文件都离不开 HTTP 协议。当你输入网址，点击网页连接，就会向中心服务器地址寻找文件。如果有很多人同时访问，就容易造成网络堵塞，速度很慢。现在有一种基于区块链的分布式存储式技术叫做 ：IPFS(星际文件系统：Inter Planetary File System)，这个概念非常棒，未来有可能会取代传统的 HTTP 协议。IPFS 将文件碎片化存储在距离用户最近的计算机或服务器中，这样加载速度就会大幅提升。如果你所在的城市或者邻居有节点，那速度就更快了，甚至可以等同于访问本地文件。
4、医疗领域也是一个爆发的点，这可能很多人没有想到。
早期每个人的医疗档案，比如：身高、血糖、血压，这些数据如果流失，大家不觉得会造成很大的困扰。但未来有一些生物资料绝对不可以流失，比如：你的虹膜和指纹。如果你的指纹信息大规模外流，带来的可能不是医疗上的灾难，而是整个金融系统的灾难。
基于这样的认识，很多人提出，区块链很可能是目前唯一的解决方案。因为区块链不仅仅能够杜绝篡改，还能够提供多权限的复杂管理。也就是说，你的重要数据是分层的，由你、你的家人、你的医生、你的朋友一起来在不同层面上进行分享和保护，其中某个节点的泄露，不会造成整个数据库的崩溃。
