一 结构
区块链是一个公共账本、公开的数据库，同时也是一个点对点的协作网络。协作方（节点）共同维护数据，每个节点都有一份完整的数据备份，所有节点的数据内容必须完全一致，每个节点都可以在本地查找交易记录，每个节点也可以在本地添加交易。
这里简单介绍一下区块链以及区块的结构，更多信息，见《区块链-区块结构》。
1 区块链结构
区块链是由一个个的区块连接起来组成的；每一个区块包括区块大小、区块头、交易列表、交易计数器组成；每一个区块头包括版本、前一个块的hash、merkle root、时间戳、难度系数、随机数组成；事务列表包括CoinBase交易和普通交易。如下所示：
2 区块示例
从公共账本中我们可以看到整个区块链的所有信息，地址：https://www.blockchain.com/zh-cn/explorer
1) 摘要
Height是用来标示区块在区块链中的位置。区块链中每加一个区块，高度+1。注意Height并不是唯一标识符，当区块链出现临时分叉时，会有两个区块的高度值相同的情况。
2) 交易信息
二 区块链生成
区块的生成过程就是矿工挖矿的过程。简单而言就是：有权打包交易的节点，将打包的交易（区块）放在既有的数据库（区块链）上，并向全网广播，其他节点收到信息，验证区块无误，就会同步这个新打包的交易。每个打包的交易叫作一个区块，区块不断叠加，形成区块链。其流程如下：
1 监听交易广播
矿工接入区块链网络以后，第一件事是从其他节点将区块链的历史记录同步下来，完成这个操作以后，就可以监听网络中的交易信息了。
从区块的数据结构中我们可以看到，每一个区块都存储了大量的交易信息，这些信息就是矿工在此环节监听到的有效交易数据。
2 验证交易信息
当节点收到一个交易消息，如果验证通过，会将交易放入一个交易池，并将这个交易信息广播给其他节点。如果节点接收到的交易消息已经存在于交易池中，就不会再把它传播出去，这样就确保一个交易消息不会一直在网络中传播下去。
此过程主要验证一下内容：
- 验证交易在当前区块链中是有效的，节点会针对每个前序交易的输出运行核验脚本，确保脚本的返回值为真。这一阶段最重要的目的是确保交易的输入是UTXO。
- 检查是否有双重支付。
- 校验此交易是否已经被本节点接收了。用于防止交易消息在网络中一直传播。
- 节点只会接收和传播在白名单上的标注脚本。
说明：自动2013年起，矿工的省却行为变成了：费用替代策略，即节点在遇到有冲突的交易时，会将交易手续费更高的交易放进自己的交易池，把交易手续费低的踢出去，不过这种策略是可以更换的。不过现实中的策略会更加复杂一些，不是所有的交易都需要支付服务费，而且也会考虑到账龄信息，有兴趣可以看看相关内容，这里暂不讨论。
3 组装备选区块
将交易池中的交易进行组合并放进一个新的区块，确保其中的所有交易都是有效的。
比特币网络中，每10分钟左右产生一个区块，一个区块大小为1MB，每个交易最小250字节，所以一个区块最多不超过4000条交易记录（一般来说一个区块大概保存2000左右条交易记录），那么如果网络在10分钟内网络中的交易数据超过4000条时，矿工如何组装交易生成备选区块呢？矿工组装备选区块的原则是：优先将服务费高的交易打包为备选区块。这么做的原因是鼓励矿工挖矿，即：谁出的钱多，矿工就优先为他们服务，这是一个非常符合经济利益的举措。
4 生成有效区块
生成备选区块后，需要进行hash运算，找出一个合适的随机数，让这个备选区块成为一个有效的区块，这就是我们经常听说的工作量证明，原理如下：
矿机系统中有一个固定的常数；每个区块中都有一个难度系数difficulty，通过他们可以算出一个目标值target（target=固定的常量值/difficulty）。区块的头部中有一个随机字符串Nonce，矿机每次对头部信息进行hash计算，如果hash结果小于target，那么认为是有效区块，可以进行后续添加区块的操作；如果hash结果不小于target，那么认为是无效区块，修改nonce后重新计算hash。
Nonce是一个32位的二进制数字，因此它的取值范围就是0到21.47亿。那么命中target其实就是一个穷举的数学过程了，一个矿机可能幸运很快算出来，也有可能算满了21.47亿次都不能命中，这时候框架就得重新同步区块链数据，重新计算。
如果计算到一个有效区块，对于当前节点而言，会将当前区块挂在当前节点的区块链的后面。
5 广播区块
当矿工生成一个有效区块后，就可以将这个区块广播出去了，目前矿工的工作动力主要来自两个方面：挖矿奖励、交易服务费。越早算出一个有效区块，越早公布出去，就越有可能被其他节点接受并认可，这样就越有可能获取当奖励和服务费。
不过这也不是必定的事情，如果有兴趣可以翻阅一下：临时保留区块攻击。
6 验证区块
校验一个区块要比校验一笔交易复杂很多，除了检查区块头部，确认hash值在一个可接受的范围（即校验随机数满足生成备选区块的条件），还必须确认区块里的每一笔交易的合理性，最后确保此区块必须是最长链上新加入的区块。
最后一步是为了防止区块链分叉，关于分叉是一个比较复杂的内容，后面找时间详细讲述。
7 加入区块链
对于非生成此区块的节点，在通过“验证区块”这一步骤以后，就可以将这个区块挂到区块链的尾部了。
在去中心化的点对点网络中存在很多异常和不可靠的场景，例如：网络延迟、重复支付等，所以一个区块加入链尾后，并不代表着高枕无忧了，还要等待一段时间，方可在全网中达成共识。
举一个异常的场景：当矿工A计算出一个有效的区块(Block A)时，矿工B也生成了一个有效的区块(Block B)，如果A所在的网络延迟比较大，即便是周围有一些节点认可了A节点生成的区块Block A，但是全网中绝大多数节点认可了Block B，并在Block B的基础上继续挖矿，产生更长的链，那么Block A对应的区块将会被舍弃。
ä¸Â 共识机制
区块链是一个去中心化的点对点网络，在这种网络中必须解决各个节点间的共识问题。在区块链的网络中的共识机制的核心是：按照既定规则参与协作，代码代替权威，奖励协作者，博弈驱逐破坏者。
1 谁有权向区块链中添加新区块？
目前有多种机制，不过最常见的是：POW, POS和 DPOS。
1) POW (Proof of Work) 工作量证明
在上面讲述生成有效区块的过程，其实就是工作量证明的过程。每个节点都去计算一个随机数，让他满足hash值小于target（target=固定的常量值/difficulty），这个过程其实是一个枚举Nonce的过程，需要大量的工作量计算。最先得到这个随机数的节点，将打包的交易区块添加到既有的区块链上，并向全网广播，其他节点验证、同步。
2) POS (Proof of Stake) 权益证明
POS是系统根据节点持有的Token（代币）的数量及时间的乘积（币天数）分配相应的记账权，拥有的越多，获得记账权的概率越大。Token就相当于区块链系统的权益（Stake），因此被称为基于权益的证明。
3) DPOS (Delegated Proof of Stake) 权益授权证明
POS是拥有Token就拥有获得记账的权利，而DPOS是指拥有Token的人投票给固定的节点，这些节点作为权益人的代理去行使记账的权利。这些获得投票认可的代表根据一定的算法依次获得记账权。不同于POW和POS理论上全网都可以的参与记账竞争，DPOS的记账节点在一定时间段内是确定的。
2 如何确保每个节点上的区块链都是一致的？
由于各个节点都在自发地记账或者同步，在点对点相互通信下的情况下存在较高的网络延迟，因此各个节点收到数据的先后顺序是不一致的，那么如何保证每个节点副本数据的一致性？
区块链的共识是：以最长链作为主链，每个节点总是选择并尝试延长主链，也就是各节点都以区块最多的那条链上添加区块，即大家都在主链上继续挖矿。
当多个矿工同时算出一个有效区块，谁能成为最终的共识区块，基于最长链原则这取决于新区块后面能否尽快产生新的有效区块，新的有效区块后越快产生新的区块，那么对应的链就越长，这个有效区块就越可能成为最终的共识区块，这条链也就越可能成为主链。最终其他的链上的那些区块会被废弃，同步主链数据，保持和主链一致。
3 如何让矿工有动力持续挖矿？
比特币奖励和服务费奖励。
4 如何防止他人恶意破坏？
去中心化最根本的特征在于，消除了信息的不对称！而犯罪的根源则在于，利用信息的不对称进行作恶。如果大家掌握的信息相同，我便不会铤而走险去做损你利我的事情，因为这在比特币网络中将带来最差的结果，即损人不利己！
比特币并不是一个零和的游戏，比特币的技术原理以及激励机制引导了参与者的博弈偏向，它激励人们为了利益去做诚实的事情，去维护并促进整个比特币网络的健康发展。在比特币网络中，做诚实的事情相比作恶更简单（技术因素），做诚实的事情更可能会得到奖励（非技术因素）。
如果想攻击比特币，那么主要有两个方式：操纵比特币生成，双花问题(一笔钱花多次)。
如果想操作比特币生成，那么需要掌握比特币网络中51%的算力，虽然理论上可行，但实际上成本非常之高，从目前看来基本上不太现实。
对于双花问题，各个矿工收到交易信息以后会检查交易的合法性，确保每个交易只会使用一次，即所有交易的输入必须是UTXO的。如果要操作区块链中交易，破坏原有的规则，必须掌握51%的算力，而且这种破坏的收益很低，绝大多数情况下收益远不够补偿这些矿机消耗的电力成本。
最差情况，如果真的有人或机构能够操纵比特币了，那么大家必然对比特币失去信任和信心（如果你账户的钱能够被人随意修改，你还能相信这些钱具有价值么？），比特币的价值也就不存在了。
