上一篇文章对区块链进行了简介，如果只是考虑怎么用区块链，看完上一篇就可以了。但如果希望继续钻研区块链技术的实际落地，还必须对区块链技术加深了解，本篇将会介绍区块链的一些关键技术，可以作为一个技术方面的入门材料来看。
1、哈希函数
哈希函数，又叫散列函数、散列算法，是一种从任何一种数据中创建小的数字“指纹”（也叫做摘要）的方法。给出任意内容的数据，通过哈希函数都能生成一个固定长度、固定格式的哈希值，同样内容的数据所生成的哈希值必定相同，不同内容的数据所生成的哈希值必定不同（理论上会有相同的可能性，但是概率超低，因此在应用时可以认定为不会发生）。此外哈希函数的算法是不可逆的，也就是通过所生成的哈希值没有办法推算出原文。
常用的哈希函数算法为SHA（Secure Hash Algorithm），是是由美国国家安全局研发，由美国国家标准与技术研究院（NIST）发布的一系列密码哈希函数，比特币所使用的哈希函数算法为SHA-256。
区块链技术中大量应用了哈希函数的特点，主要有几个方面：
（1）快速验证数据是否一致，比如比较两个数据是否一致，不用比较完整的数据，只要比较两个数据所生成的哈希值是否一致即可；
（2）保护用户的密钥，在区块链的公钥和私钥使用都会通过哈希值进行转换后再进行对比，因此不会暴露密钥信息；
（3）防止数据篡改，区块链上的每个区块数据都会通过哈希函数生成一个唯一的哈希值，如果区块内数据被修改，则区块的哈希值将与原来的哈希值不一致，通过比较可以防止数据被后续篡改；
（4）用于POW共识算法的工作量证明，俗称挖矿，通过计算资源不停尝试找符合给定哈希值规则的数据，谁先找到谁就拥有区块的记账权。
2、P2P网络
区块链具有不确定的节点数量，但又要实现所有节点之间的相互通讯，因此需要使用P2P网络技术实现节点之间的发现和通讯。从通讯协议角度，可以根据具体区块链的实现自行选择（例如选择gRPC作为通讯协议）。实际上P2P网络最大的问题是在无中心服务器的情况下，如何发现周边的节点，目前普遍基于 DHT(Distributed Hash Table，分布式哈希表)来实现节点的发现。
DHT是P2P网络(结构化P2P)核心路由算法,主要是利用一致性hash，把节点和资源都表示成一个hash值，放入到这个大的hash环中，每个节点负责路由靠近它的资源。连入DHT网络的用户叫做节点(node)，节点之间互相有路由记录，因此只要和任何一个已经在DHT网络中的节点连接上，客户端就可以寻找到更多的节点，从而连入网络。
这里不详细说明DHT网络的具体算法，仅用浅显的描述说明DHT网络的大致发现原理：
（1）网络中的每个节点（客户端，具有唯一IP）都会存储着一个路由表，登记节点已知的其他节点信息（IP、所存储的资源hash）；
（2）一个节点需要获取某个资源时，先查本地路由，看是否能找到资源所在节点；如果找不到资源，则依次向离自己最近的节点（在本地路由表获取）查询路由信息并更新本地路由（通过遍历可以不停增加DHT节点路由及查找到最近的资源位置）；
（3）新节点在刚开始没有本地路由怎么办？一是通过别人发布的种子文件获取到初始的DHT路由信息；二是连接上自己默认设置的超级节点服务器获取初始路由。
3、链式存储结构
区块链的最为显著的特征是其存储结构，区块链上的交易数据存储在一个个区块中，每个区块头都会记录上一个区块的哈希值，通过这个哈希值将所有区块连接为一个串联的链式结构，这也是区块链的名称由来。
所有的交易数据都是记录在区块体中，但需要注意的是，整个区块是一次性写入的，也就是已经通过验证的区块数据，是不可以被修改的，不能改交易，也不能添加交易。区块的写入也不是每个节点都有权利的，必须由具备记账权的节点（矿工）负责，矿工通过区块链的共识机制竞争记账权，获取到记账权的矿工会将申请的交易打包写入最新的区块中。
4、Merkle树
在区块链网络上，并不是所有的节点都包含了全网所有的数据，存在一种SPV（Simplified Payment Verification）节点，SPV节点没有存储全网的区块链区块体数据，只存储全链区块头，这就类似于书架上没有存所有的书的内容，但是存储了所有的书的章节目录。我们的手机/pad/电脑上安装的很多钱包软件都属于SPV节点。
但是SPV节点需要进行交易时，需要能快速验证交易数据真实性（也就是存储在全节点上区块体数据的真实性），可以通过Merkle树实现。
Merkle树的生成方式如上图所示，假设区块体有7笔交易数据，分别用Ta – Tg表示，生成步骤从图的下方向上，说明如下：
（1）先对每笔交易生成对应的哈希值，分别表示为Ha – Hg；
（2）对Ha – Hg按顺序每两个拼接成一个字符串并生成哈希值，分别表示为Hab、Hcd、……等；注意由于交易数为单数，最后一个交易Hg自己和自己拼接产生哈希值，表示为Hgg；
（3）同理对Hab、Hcd、……等按顺序每两个拼接起来生成哈希值，分布表示为Habcd、Hefgg；
（4）最后将Habcd、Hefgg拼接起来生成哈希 值，就是Merkle树根Habcdefgg。
对于SPV节点，由于只有区块头数据，当遇到需要校验Td数据的真实性时，可以按下图所示进行校验：
SPV节点的处理步骤如下：
（1）将要验证的Td生成Hd；
（2）从网络上的某个全节点获取Hc、Hab、Hefgg的哈希值（由全节点计算得出）；
（3）按Merkle树的生成规则，组合Hc、Hd、Hab、Heffg，生成校验数据的Merkle树根哈希值；
（4）将校验Merkle树根值与区块头的Merkle树根值比较，如果一致则说明交易真实。
通过Merkle树的方式，可以大幅减少SPV节点和全节点的传输数据量（无需传输实际的交易数据），快速实现交易真实性的校验。
5、共识机制
所谓“共识机制”，就是区块链网络通过特殊节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认；当出现意见不一致时，在没有中心控制的情况下，若干个节点参与决策达成共识，即在互相没有信任基础的个体之间如何建立信任关系。在没有中心节点的情况下，区块链依赖共识机制来确认某个节点的记账权，只有有记账权的节点才可以在链上写入新的区块。
区块链共识机制主要有以下几种：PoW工作量证明、PoS股权证明、DPoS授权股权证明、Paxos、PBFT（实用拜占庭容错算法）、dBFT、DAG（有向无环图）。不同的区块链应用根据需要可以选择使用不同的共识机制，以比特币为例，其共识机制采用的是PoW工作量证明的模式，我们来简单介绍一下这个机制。
工作量证明机制（PoW, Proof of work ）的概念是提供一份证明，用来确认你做过一定量的工作，通过对工作的结果进行认证来证明完成了相应的工作量。对于比特币来说，就是通过计算机的算力来争夺下一个区块的记账权，如果最先计算到匹配任务哈希值，就能得到记账权并完成记账，这时系统会奖励一定数量的比特币给记账方，这个过程也俗称挖矿。
我们以比特币的一个区块确认过程来简单说明一下该共识机制：
（1）用户向一个或几个矿工节点发起一笔交易的请求；矿工们立即确认收到了这笔交易（一般在毫秒级别左右）；
（2）这笔交易被广播到了全网（视参与节点数，可能广播时间会有几秒的时长）；
（3）矿工将收到的交易打包进自己的区块中，开始进行挖矿（争夺记账权），大致说明如下：
- 设置区块头的Nonce值为1
- 计算区块头的哈希值：sha256（区块头）
- 判断是否满足难度要求（哈希值的前n位是否为0，n就是难度系数），如果满足则代表获取到记账权；如果不满足则将Nonce值加1，循环计算区块头哈希值和判断的过程
以下为一个满足难度系统为8的哈希值示例：
00000000c937983704a73af28acdec37b049d214adbda81d7e2a3dd146f6ed09
（4）挖到矿的矿工将区块写入自己的节点，并向全网广播，由全网节点进行验证和确认；
（5）当有51%的节点确认后，该区块正式生效。
6、区块链的分叉
区块链中当出现同时写两个块（比如两个矿工同时挖到矿），或因为协议版本升级导致节点版本不一致的情况，都有可能产生两个或多个块的上一节点为同一个节点的情况，这就是链的分叉。当区块链出现分叉的时候，一般都会选择后续链路长的作为正式的链，而放弃链路短的链。
（1）因为节点判断机制或版本不一致，两个节点都认为自己要写入的块是有效的，导致块C后同时写入了D和E两个块；
（2）D和E会分别向自己临近的节点进行广播：“我是新生成的区块！把我记录进去！” 在此基础上，D和E块后面都有可能开始生成新的区块；
（3）很快会有一个区块N先后收到D和E的广播，发现D和E拥有同样的时间戳，那么区块N就会判断，选择其中一个为有效区块，另外一个为无效区块：此时D区块的基础上已经产生了3个新区块，但是E区块基础上只产生了1个新区块，此时区块N就会向其他节点广播：“D跟E虽然是同时生成的，但是D基础上的链更长，所以D有效E无效。”
以比特币为例，新节点总是采用最长的那条区块链。如果区块链有分叉，将看哪个分支在分叉点后面，先达到6个新区块（称为”六次确认”）。按照10分钟一个区块计算，一小时就可以确认。
注：根据这种分叉确认规则，一笔交易无法实时确认是否真正完成及有效，后续有可能收到交易无效的广播通知。
7、UTXO数据格式（Unspent Transaction Output）
区块链中的区块体存储的是具体的交易数据，区块体的数据存储结构应根据实际的业务场景进行设计，包括是否明文存储、交易验证信息等。不过在数字货币的应用中，一般不会采取传统的“账号+余额”的数据结构设计。
以比特币为例说明，区块体中只存储交易数据，无需存储账户余额。交易所及钱包里显示的比特币实际上是UTXO，全称为Unspent Transaction Output，翻译过来就是未被花费的交易输出。在比特币区块链账本上记录了一笔一笔的交易，每一笔交易都有若干个交易输入（转账者），也就是资金来源，同时也有若干个交易输出（收款者），也就是资金去向。每一笔交易都要花费一笔输入，产生一笔输出，而产生的这笔输出，就是UTXO。
上图是UTXO的数据格式示例，其中：
（1）#vin是交易输入数组，传入要消费的“未被花费交易输出”，关键字段说明如下：
- hash：该笔“未被花费交易输出”所对应的输入所在交易（TxPrev）的hash id
- n：该笔输出在TxPrev的#vout中的索引位置（第几个，从0开始）
- scriptSig: 解锁脚本，包含付款人用私钥对本次交易数据的签名(Sign)和付款人公钥(Pubkey)
（2）#vout是交易输出数组，传入具体交易输出信息，关键字段说明如下：
- nValue: 交易输出金额
- scriptPubkey: 锁定脚本，包含命令（OP_DUP等）和收款人的公钥哈希（<PubKHash(B)>，实际上就是收款人地址)
比特币并不是基于账户的方案，而是基于UTXO方案。这个和传统银行账户的思维完全不一样。张三拥有10个btc，其实就是当前区块链账本中，有若干笔交易的输出（UTXO）收款人都是张三的地址且并未使用（未成为其他交易的输入），而这些UXTO的总额为10。这个地址一共收了多少UTXO，则是要通过比特币钱包代为跟踪计算，所以钱包里显示的余额其实是有多少价值btc的输出指向你的地址。
以下是一个比特币交易的示例，可以帮助理解UTXO的处理机制：
（1）第一个交易#1001号是张三挖矿所得的coinbase交易，coinbase交易就是挖矿交易，当矿机找到一个合格的区块后，它就获得一个特权，能创造一个coinbase交易，并且把交易输出写上自己的地址，张三通过挖矿获得了12.5个btc，即价值12.5个btc的UTXO指向的是他的地址；
（2）第二个交易张三转账2.5个btc给李四，张三就发起了#2001号交易，资金的输入为#1001（1），而在本次交易输出的UTXO中，把2.5个btc的收款人地址为李四。但是这笔交易必须把上一个UTXO全部消耗，所以还剩下的10btc的交易输出的收款地址为张三自己。
注意：在比特币交易中 UTXO 就是基本单位，一个UTXO一旦被创建就不可被继续分割，它只能当作是下一笔交易的输入被花费掉，花费后产生新的UTXO。
（3）第三个交易张三和李四一起转给王五5个btc，张三或李四发起#3001号交易，输入来源有两个部分，一个是#2001（1）和#2001（2），输出为王五的收款地址。并且张三还剩下的7.5个btc输出到自己的地址。后续王五如果需要花费他的5个btc，输入就需要为#3001（1）。
后记：上面介绍的是区块链比较关键的技术原理，了解了这些原理，你应该就可以装成区块链的伪专家，忽悠一下小白，或者和真正的区块链专家进行简单对话。区块链中的每项技术还有大量设计在文章里没有具体说明，不过本人对区块链的认识也就局限于此，有志于从事区块链行业的朋友可以继续深入研究。
