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区块链的成功在于其具有三大关键机制，分别是加密算法、Merkle树和共识机制，如图1-8所示。
图1-8 区块链的三大关键机制
对于传统的中心化数据库来说，安全性不是太大的问题，因为有多重数据防火墙阻挡，所以外网的黑客攻击内网的数据库的难度较大。但是对于区块链的分布式记账模式来说，数据保存在多个节点上，节点又通过互联网链接，没有了防火墙，自然成为黑客攻击的理想对象。在这种情况下，就有必要采用加密技术来保护区块上的数据，因此区块链三大机制中的第一个就是加密算法。
区块链上的加密算法很多，最重要的有两个，一个是哈希算法，另一个是非对称加密。
哈希算法是一类加密算法的统称，是信息领域中非常基础也非常重要的技术，输入任意长度的字符串，哈希算法可以产生固定大小的输出。通俗地说，我们可以将哈希算法的输出（也就是哈希值）理解为区块链世界中的“地址”，有了这个地址，就可以定位到任何区块，这就类似于在现实世界中，通过邮箱地址就可以定位到具体的某个物理地点。
哈希算法有一个很重要的特性，即“加密容易解密难”，将区块中的内容通过哈希算法加密是很简单的事情，但是想从加密后的数据中解密出原始数据，以目前的计算技术，几乎是不可完成的。就像在现实世界中，我们不太可能从“邮箱地址”倒推出房屋结构、家庭成员等隐私信息。
区块链上的数据一旦通过哈希加密，哪怕被黑客截获，想破解出其中的原始内容，也是极为困难的，这就保证了区块链节点上的数据安全。比特币诞生以来遭受过无数次攻击，但依然运作良好，这足以说明哈希算法的价值。
哈希算法还有一个重要的特征是“雪崩效应”，指即使对原始输入数据只进行小改动，结果也会有非常大的差异。我们来看一个哈希算法例子，使用SHA-256（一种常用的哈希算法）进行测试，如图1-9所示。
图1-9 一个哈希算法的例子
可以看到，即使只改变了输入的第一个字母的大小写（This变为this），输出哈希值也天差地别，没有任何相关性，因此破解哈希值十分困难。根据密码学的研究，按照目前的计算机算力，想彻底破解哈希值，需要经过上万年的计算，这就保证了哈希加密技术的可靠性。
可能有人会感到疑惑，将来量子计算成功后，是不是就可以破解哈希了？量子计算从理论到应用还有几十年的路程，短期还看不到实际应用的可能性。此外，即使量子计算真的出现了，肯定也会诞生新的加密算法，所谓“有矛就有盾”，普通用户大可不必为此担忧。
非对称加密是指加密和解密使用不同密钥的加密算法，又称公私钥加密，这是目前信息安全领域使用最广的加密模式。我们日常生活中的“用户名/密码”模式是对称加密，加密用的密码和解密用的密码相同，其效率高、简单易行，但是安全性不够，一旦密码泄露，内容就会被窃取。
非对称加密采用公钥和私钥两个密钥，在区块链网络中，每个节点都拥有唯一的一对私钥和公钥。公钥是公开的部分，就像银行的账户；私钥是非公开的部分，就像账户密码。使用这个密钥对时，如果用其中一个密钥加密一段数据，则必须用另一个密钥解密，即“公钥加密，私钥解密”或“私钥加密，公钥解密”。用户接收文件的非对称加密过程如图1-10所示。
图1-10 用户接收文件的非对称加密过程
非对称加密具有双向性，即公钥和私钥均可用于加密，同时另一个用于解密，于是不同加密方向便产生了不同的应用。
其中一个应用就是加密通信，其路径是：明文→公钥加密→密文→私钥解密→明文。例如，李四想利用非对称加密算法私密地接收张三向他发送的信息，步骤如下。
第一步：李四需要使用具体约定的算法（如RSA）生成密钥和公钥，密钥自己保留，公钥对外公布。
第二步：张三拿到李四的公钥后，便可以对想要发送的消息“张三已向李四转账1BTC，请查收”进行加密。
第三步：张三将密文（如“FH39kkJ+shi3dabcg35”）发送给李四。
第四步：李四收到消息后，用自己的私钥进行解密，还原出消息原文“张三已向李四转账1BTC，请查收”。
因为只有李四拥有私钥，所以黑客就算劫持了消息，也没有办法解密，保证了通信的安全性。加密通信过程如图1-11所示。
图1-11 加密通信过程
在这个过程中，发起方无须暴露自己的私钥，就可实现保密，只有拥有私钥的一方能解密信息。比特币交易的解密与验证过程与此类似，如图1-12所示。
图1-12 比特币交易的解密与验证过程
公钥有很多不同的实现方法，RSA算法是最知名的一种。RSA算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大质数（素数）相乘十分容易，但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。例如，取两个简单的质数89、97，得到两者乘积8633很简单，但是对8633进行因式分解的工作量很大。
非对称加密技术是目前互联网信息安全的基石，它确保了区块链上的数据足够安全。
非对称加密的另一个重要应用是数字签名。在比特币系统中，类似“张三已向李四转账1BTC，请查收”这样的消息最终会被矿工记录在账本上，因为其与转账双方利益相关。这样一条消息的受益方是李四，那么如果李四一直向网络中广播张三给他转账的消息呢？因此，我们需要一种机制来证明张三是自愿的，也就是消息确实是张三发出的。怎么操作呢？只要反过来，先用私钥加密就可以了，因为只有张三拥有私钥。这就是数字签名的原理。
张三发出消息的同时将数字签名发出并将公钥公开，区块链上的矿工们收到消息和数字签名后，用张三提供的公钥解密，将解出来的结果与张三的消息明文对比，如果一致，则说明这个消息确实是张三发出的，这就验证了数据来源的可靠性。
总而言之，加密算法既要保证正常的交易数据不被黑客劫持和攻击，又要保证交易者不会出现互相欺诈的情况。因此，区块链使用加密算法是为了解决公共网络上的数据安全问题。
传统的数据中心只有一个节点，想提高数据处理能力很简单，增加磁盘阵列就可以了。区块链是“发动群众来记账”的，有了众多矿工的参与，整个系统就有了很多节点，例如，比特币社区就有几十万个节点。如果采用传统的数据模式，用不了多久，矿工们的硬盘就会被撑爆，这个游戏就没法继续了。
2014年4月，比特币网络中的一个节点要想存储所有区块数据，大概需要15GB的空间；2018年，超过了200GB。未来，随着比特币交易量的增加，该空间还将扩大，越来越难以接受。为了解决这个问题，中本聪提出了一个解决方案——简化支付验证（SPV）。
从理论上来说，数字钱包需要遍历所有区块并找到与该交易相关的所有交易，然后逐个验证谁才是可靠的，但有了SPV就不用这么麻烦了，用户只需要保存所有的区块头，区块头仅占用80B，而块身一般要占用400B。
SPV强调的是验证支付，而不是验证交易，因此只需要判断用于支付的那笔交易是否被验证过，以及得到多少次确认。为了实现SPV，需要用一种方法来检查一个区块是否包含了某笔交易，而不用下载整个区块，这就需要用到Merkle树技术。
Merkle树是一种Hash二叉树，是数据结构的一种，主要用于快速归纳和校验大规模数据的完整性。在比特币网络中，Merkle树被用来归纳一个区块中的所有交易，其树根（根节点）是整个交易集合的哈希值，最底层的叶节点是数据块的哈希值，非叶节点是其对应子节点串联字符串的哈希值。
有了Merkle树后，不需要对整个树进行验证，只需要记住根节点哈希值，因为只要树中的任意节点被篡改，根节点哈希值就会不匹配。从而实现了快速校验。
Merkle树是自下而上构建的。例如，同一时间发生A、B、C、D共4笔交易，刚开始所有交易都存储于基础节点，分别进行哈希计算，对于交易A，用Hash函数处理后，得到H A =SHA256（SHA256（交易A）），采用同样的方法可以得到交易B、交易C、交易D的哈希值，分别是H B 、H C 、H D 。
第一层完成后，可以创建第二层节点，得到H AB =SHA256（SHA256（H A +H B ）），用同样的方法可以得到H CD 。然后创建第三层节点，也就是顶层的唯一节点H ABCD ，这样就完成了整个Merkle树的构建，包含4笔交易的Merkle树如图1-13所示。
图1-13 包含4笔交易的Merkle树
上面的例子是只有4笔交易的3层Merkle树。包含多笔交易的Merkle树如图1-14所示，共有16笔交易，是5层Merkle树。从4笔交易增加到16笔交易，交易数量增加了3倍，但Merkle树的层数只从3层增加到5层，数据存储效率得到极大提高。
图1-14 包含多笔交易的Merkle树
在比特币系统中，单个区块中有成百上千个交易是非常普遍的，无论有多少个节点，都可以通过Merkle树归纳为32B的Merkle根。在数据量小的时候，这种方式还看不出价值，随着交易数量的增加，计算量的变化就异常重要了。
Merkle树的效率如表1-1所示。当交易数从16笔增加到65535笔时，增加了400多倍，但是路径字节数只增加了3倍。可以看出，Merkle树在支持大规模交易方面，具有明显优势。有了Merkle树，比特币节点仅保存区块头就可以了，大大减少了对存储空间的需求。
表1-1 Merkle树的效率
去中心化的区块链不需要第三方参与，那么日常转账交易、系统维护由谁来完成呢？这是很多刚接触区块链技术的人最疑惑不解的地方。这么多人维护比特币这么大的系统，不可能总是义务劳动吧？中本聪是不出钱的，也没有机构出钱，那么怎么让矿工们自带机器来干活呢？这就需要共识机制了，通俗地讲，共识机制就是一种利益分配机制。
我们用地球生态环境来类比区块链，动物排放的二氧化碳会被植物吸收并产生氧气，太阳帮助植物进行光合作用，微生物净化废物，构成循环的生态系统，整个过程不需要任何中心化干预。区块链就像大自然，具有能实现自治的生态系统，之所以能运转良好，靠的就是共识机制。
从技术上来看，区块链共识机制要解决的第一个问题，也是最重要的问题，就是“谁有权写入数据”。无论是新数据写入，还是老数据升级，都是最核心的“数据权”。在区块链上，怎么解决“数据权”问题呢？目前主要有3个机制：PoW、PoS和DPoS，主要共识机制的比较如表1-2所示。
表1-2 主要共识机制的比较
这里的工作量指计算机计算随机数的工作量，在比特币系统中，矿工们想获得比特币就得去争抢“记账权”，这是通过寻找随机数来获得的。在一定时间内找到随机数具有难度，需要投入算力。
最先得到随机数的节点，将打包的交易区块添加到既有的区块链上，并向全网广播，由其他节点验证、同步，同时系统给该节点分配比特币。如果想获得更多比特币，唯一的方法就是多干活。通俗地讲，PoW机制就是“按劳分配”。
PoW机制最大的问题是浪费资源，很多人计算随机数只有一个节点可以成功，其他的算力都浪费了，白白消耗了很多资源，于是后来的开发者提出了PoS机制。
PoS机制类似现实中的股份制，如果共识机制主要是用来证明谁在挖矿这件事情上投入最多，那么为何不简单直接地把挖矿“算力”按比例分配给当前所有的持币者呢？在PoS机制中，持有更多比特币及相应时间（币天）的矿工将获得更多的投票权。通俗地讲，PoS机制就是“股权分配”。
PoS机制的问题是阻碍了新生力量的加入，因为后来的人持币时间肯定比先来的人短，这就会造成阶层固化，不利于整个区块链社区的发展，于是开发者提出了DPoS机制。在这种系统中，每个币都相当于一张选票，持有币的人可以根据自己的持币数量来选出自己信任的受托人，而受托人不一定需要拥有最多的系统资源。
DPoS机制的优势在于记账人数量大大减少，并且由授权的超级节点来轮流记账，从而大大提高了系统的整体效率，在理想环境中，DPoS机制每秒能够实现数十万笔交易。
共识机制的选择对区块链性能（如资源占用、处理速度等）有较大影响，也会决定区块链“去中心化”的程度。一般来讲，区块链的去中心化程度越高，效率越低，去中心化程度和效率在多数情况下难以兼顾。
PoW机制是由比特币提出的，比特币是去中心化程度最高的区块链，目前全世界有几十万个节点，但是速度非常慢，每秒只能处理7笔交易。PoS机制是由被称为区块链2.0的以太坊提出的，与比特币相比，其效率提高了很多，每秒可处理70笔交易。DPoS机制是由被称为区块链3.0的EOS提出的，全世界只有21个超级节点，每秒可以处理上万笔交易。
本节探讨了区块链的三大关键机制，分别是加密算法、Merkle树和共识机制。加密算法可以防止黑客窃取数据，Merkle树可以降低区块链阶段对存储空间的需求，共识机制是维持区块链社区运转的经济学逻辑。与中心化的数据模式相比，区块链采用了更复杂的技术，降低了效率，其根本目的是提高安全性。因此，区块链具有传统的中心化机制不具备的两大特征和五大作用。