区块链 | 核心关键技术
共识机制
常用的共识机制主要有PoW、PoS、DPoS、Paxos、PBFT等。
- PoW：依赖机器进行数学运算来获取记账权，资源消耗相比其他 共识机制高、可监管性弱，同时每次达成共识需要全网共同参与运算，性 能效率比较低，容错性方面允许全网50%节点出错。
- PoS：主要思想是节点记账权的获得难度与节点持有的权益成反比，相对于PoW，一定程度减少了数学运算带来的资源消耗，性能也得到了相应的提升，但依然是基于哈希运算竞争获取记账权的方式，可监管性 弱。该共识机制容错性和PoW相同。
- DPoS：与PoS的主要区别在于节点选举若干代理人，由代理人验 证和记账。其合规监管、性能、资源消耗和容错性与PoS相似。
- Paxos：是一种基于选举领导者的共识机制，领导者节点拥有绝 对权限，并允许强监管节点参与，性能高，资源消耗低。所有节点一般有 线下准入机制，但选举过程中不允许有作恶节点，不具备容错性。
- PBFT：与Paxos类似，也是一种采用许可投票、少数服从多数来 选举领导者进行记账的共识机制，但该共识机制允许拜占庭容错。该共识 机制允许强监管节点参与，具备权限分级能力，性能更高，耗能更低，该 算法每轮记账都会由全网节点共同选举领导者，允许33%的节点作恶，容 错性为33%。
数据存储
数据结构
在区块链技术中，数据以区块的方式永久储存。区块按时间顺序逐个 先后生成并连接成链，每一个区块记录了创建期间发生的所有交易信息。 区块的数据结构一般分为区块头（header）和区块体（body），如图所示。其中，区块头用于链接到前一个区块并且通过时间戳特性保证历史 数据的完整性；区块体则包含了经过验证的、区块创建过程中产生的所有 交易信息。
区块链数据结构
数据库
按照数据库的数据结构组织形式来看，一般分为Key-Value型和关系 型两种。
- Key-Value型数据库的数据结构组织形式比较简单，读写 性能很高，能支持海量并发读写请求，而且可扩展性强，操作接口简单， 支持一些基本的读、写、修改、删除等功能，但不支持复杂的SQL功能和事务性。
- 关系型数据库采用关系模型来组织数据，支持各种SQL功能，功能性强，支持事务性，读写性能一般，可扩展性弱。
按照数据库的部署形式来看，一般分为单机型和分布式两种。
- 单机型数据库保证强一致性和较好的可用性。
- 分布式数据库在物理部署上 遵循了分布式架构，能提供高并发的读写性能和容错，有很强的可用性和 分区容错性，但由于需要进行数据同步，分布式架构的数据一致性较弱， 只能保证最终一致性。
网络协议
区块链网络协议一般采用P2P协议，确保同一网络中的每台计算机彼此对等，各个节点共同提供网络服务，不存在任何“特殊”节点。不同的区块链系统会根据需要制定独自的P2P网络协议，比如比特币有比特币网络协议，以太坊也有自己的网络协议。
加密算法
散列（哈希）算法
散列算法也叫数据摘要或者哈希算法，其原理是将一段信息转换成一个固定长度并具备以下特点的字符串：
- （1）如果某两段信息是相同的，那么字符也是相同的。
- （2）即使两段信息十分相似，但只要是不同的，那么字符串将会十分杂乱随机并且两个字符串之间完全没有关联。
本质上，散列算法的目的不是为了“加密”而是为了抽取“数据特征”，也可以把给定数据的散列值理解为该数据的“指纹信息”。典型的 散列算法有MD5、SHA1/SHA2和SM3，下表对比了这些算法的特点。
典型散列算法的特点
总体上看，SHA256和SM3这两种算法效率和安全性大致相当，目前区块链主要使用SHA256，国内某些特定业务场景使用国密SM3，亦是比 较符合国家安全和监管的选择。但由于不同业务场景的安全性标准有别， 未来不排除还需要探索更优算法的可能性。
非对称加密算法
非对称加密算法由对应的一对唯一性密钥（即公开密钥和私有密钥） 组成的加密方法。任何获悉用户公钥的人都可用用户的公钥对信息进行加 密与用户实现安全信息交互。由于公钥与私钥之间存在的依存关系，只有 用户本身才能解密该信息，任何未受授权用户甚至信息的发送者都无法将此信息解密。
在近代公钥密码系统的研究中, 其安全性都是基于难解的可计算问题 的，常用的非对称加密算法特点及其比较如表所示。
非对称加密算法的特点
RSA、ECC/SM2总体比较
有非对称加密算法，自然就存在对称加密算法，两者区别见：对称加密算法 VS 非对称加密算法
隐私保护
目前区块链上传输和存储的数据都是公开可见的，仅通过“伪匿名” 的方式对交易双方进行一定的隐私保护。对于某些涉及大量的商业机密和 利益的业务场景来说，数据的暴露不符合业务规则和监管要求。目前，业 界普遍认为零知识证明、环签名和同态加密等技术比较有希望解决区块链 的隐私问题。
智能合约
智能合约可视作一段部署在区块链上可自动运行的程序，其涵盖的范 围包括编程语言、编译器、虚拟机、事件、状态机、容错机制等。
虚拟机是区块链中智能合约的运行环境。虚拟机不仅被沙箱封装起来， 事实上它被完全隔离。也就是说运行在虚拟机内部的代码不能接触到网络、 文件系统或者其他进程。甚至智能合约之间也只能进行有限的调用。
智能合约本质上是一段程序，存在出错的可能性，甚至会引发严重问 题或连锁反应。需要做好充分的容错机制，通过系统化的手段，结合运行 环境隔离，确保合约在有限时间内按预期执行。
