区块链数据究竟如何存储？

摘要： 核心思想：不止是“存”，更是“链式存”首先要明白,区块链储存数据的方式和我们常见的数据库（如MySQL、MongoDB）完全不同，传统数据库：像一个大型的Excel表格或图书馆目录...

核心思想：不止是“存”，更是“链式存”

首先要明白,区块链储存数据的方式和我们常见的数据库（如MySQL、MongoDB）完全不同。

• 传统数据库：像一个大型的Excel表格或图书馆目录，数据被存储在中心化的服务器上，通过表、索引等结构进行组织，读写速度快，但依赖于中心化的机构。
• 区块链：更像一个公开、共享、不可篡改的账本，它的核心思想不是简单地“存”数据，而是将数据打包成“区块”（Block），然后通过密码学方法将这些区块按时间顺序链接成一条“链”（Chain）。

这种“链式”结构是其数据储存安全性的基石。

关键组件：区块的结构

区块链上的每一个“区块”都像一个数据容器，它主要包含三个部分：

1. 区块头 这是区块的核心，包含了所有元数据和验证信息，它又细分为：

   • 前一个区块的哈希值：这是实现“链式”结构的关键，每个区块都保存了它上一个区块的“数字指纹”（哈希值），这就形成了一个环环相扣的链条，如果任何一个区块的数据被篡改，它的哈希值就会改变，后面所有区块的“前一个区块哈希值”都将失效，整个链条就会断裂。
   • 默克尔根：这是区块内所有交易数据的“数字指纹”，它通过一种叫做“默克尔树”（Merkle Tree）的结构，将所有交易的哈希值两两配对、计算，再层层向上，最终生成一个唯一的根哈希值，这样做的好处是，可以非常高效地验证一笔交易是否存在于区块中，而无需下载整个区块的所有数据。
   • 时间戳：记录了该区块被创建的精确时间。
   • 难度目标/随机数：与“工作量证明”（PoW）等共识机制相关，用于确保新区块的创建需要付出一定的计算成本，防止恶意攻击。

2. 区块体 这部分存储了实际的数据，对于比特币这样的公链，区块体里存储的是交易记录（A转给B 1个比特币），对于以太坊这样的智能合约平台，区块体里存储的是交易和状态变更，对于一些联盟链或私有链，区块体里也可以存储任何你需要的信息，如合同、文件哈希、身份信息等。

3. 区块大小 每个区块的大小通常是有限制的（例如比特币的区块大小约为1-4MB），这是为了控制区块的生成时间和网络同步的负担，当区块被填满后，就会被打包成一个新的区块链接到链上。

   

数据储存的完整流程

当一个新区块要被添加到链上时,会经历以下步骤：

1. 数据打包：网络中的节点（用户/矿工）收集一段时间内发生的有效交易（或其他数据）。
2. 创建区块头：计算这些数据的默克尔根，并获取上一个区块的哈希值，然后加上时间戳和难度目标等信息，构成新区块的区块头。
3. 共识机制验证：网络中的节点通过共识机制（如工作量证明PoW、权益证明PoS）来竞争记账权，在PoW中，矿工需要不断地进行哈希计算，找到一个满足特定难度条件的“随机数”（Nonce）。
4. 链接成链：当一个节点成功找到答案并广播后，其他节点会验证这个新区块的有效性，如果验证通过，大家就都会在自己的账本上添加这个新区块。
5. 数据上链：一旦新区块被大多数节点接受，它就成为区块链中永久的一部分，数据被正式“储存”了下来。

重要特性：如何保证数据的安全和不可篡改？

区块链的储存方式带来了几个关键特性：

1. 去中心化 数据不是存储在单一的服务器上，而是分布在网络中的成千上万个节点上，每个节点都保存着完整的账本副本，这避免了单点故障和中心化机构的控制。

2. 不可篡改性 这是区块链最核心的特性，由于数据是“链式”存储的：

   

   • 篡改单个区块：如果你想要篡改第100个区块里的数据，那么第100个区块的哈希值就会改变，这导致第101个区块存储的“前一个区块哈希值”失效，第101个区块也必须被篡改，以此类推，直到链的末端，这需要巨大的计算能力。
   • 51%攻击：理论上，如果一个人控制了网络超过51的算力（或权益），他可以尝试重新计算一条更长的链来覆盖原有的链，但这在大型公链（如比特币、以太坊）中几乎是不可能的，因为成本高到天文数字。

3. 透明性 对于公链来说，任何人都可以查看链上所有（或除隐私信息外）的历史数据，所有交易记录公开可查，增加了系统的透明度。

不同类型区块链的数据储存差异

• 公有链：如比特币、以太坊，它们主要储存交易记录，为了保护用户隐私，实际交易细节（如钱包地址）是加密的，但交易本身是公开的，它们通常不直接存储大文件（如图片、视频），而是存储这些文件的哈希值，因为链上空间非常宝贵且昂贵。

• 联盟链：如Hyperledger Fabric、R3 Corda，由多个预先选定的组织共同维护，数据储存更加灵活，可以根据业务需求储存各种类型的数据，可以是交易，也可以是合同、身份认证信息等，访问权限是受控的，不是完全公开的。

• 私有链：由单一组织控制，数据储存方式与联盟链类似，但完全由该组织决定谁能读写，数据完全不对外公开。

实际应用与局限

应用：

• 加密货币：储存资产所有权和转移记录。
• 供应链管理：追踪商品从生产到销售的全过程，确保信息真实。
• 数字身份：去中心化地储存和管理个人身份信息。
• 存证溯源：将重要文件（如合同、专利）的哈希值上链，证明其在某个时间点已经存在且未被篡改。

局限：

• 成本高昂：在公链上存储数据需要支付Gas费（以太坊）或矿工费（比特币），且价格波动大。
• 性能较低：由于需要全网共识和数据同步，区块链的TPS（每秒交易处理量）远低于传统中心化数据库。
• 数据隐私问题：公链上的数据对所有节点可见，虽然地址是伪匿名的，但交易记录是公开的。
• 数据容量有限：单个区块大小有限，导致链上总容量有限，不适合存储大量非结构化数据。

区块链通过“区块 + 链式结构 + 密码学哈希 + 共识机制”的组合，创造了一种全新的数据储存范式，它牺牲了传统数据库的速度和低成本，换来了去中心化、不可篡改和高透明度的特性，它并不适合所有场景，但在需要高信任、强安全、可追溯的领域，它是一种革命性的解决方案。