区块链介绍

布满荆棘的人生 2022-05-31 01:30 427阅读 0赞

## 一、区块链的本质 ##

区块链是什么？一句话，它是一种特殊的分布式数据库。

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首先，区块链的主要作用是储存信息。任何需要保存的信息，都可以写入区块链，也可以从里面读取，所以它是数据库。

其次，任何人都可以架设服务器，加入区块链网络，成为一个节点。区块链的世界里面，没有中心节点，每个节点都是平等的，都保存着整个数据库。你可以向任何一个节点，写入/读取数据，因为所有节点最后都会同步，保证区块链一致。

## 二、区块链的最大特点 ##

分布式数据库并非新发明，市场上早有此类产品。但是，区块链有一个革命性特点。

区块链没有管理员，它是彻底无中心的。其他的数据库都有管理员，但是区块链没有。如果有人想对区块链添加审核，也实现不了，因为它的设计目标就是防止出现居于中心地位的管理当局。

正是因为无法管理，区块链才能做到无法被控制。否则一旦大公司大集团控制了管理权，他们就会控制整个平台，其他使用者就都必须听命于他们了。

但是，没有了管理员，人人都可以往里面写入数据，怎么才能保证数据是可信的呢？被坏人改了怎么办？请接着往下读，这就是区块链奇妙的地方。

## 三、区块 ##

区块链由一个个区块（block）组成。区块很像数据库的记录，每次写入数据，就是创建一个区块。

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每个区块包含两个部分。

>  *  区块头（Head）：记录当前区块的元信息
>  *  区块体（Body）：实际数据

区块头包含了当前区块的多项元信息。

>  *  生成时间
>  *  实际数据（即区块体）的 Hash
>  *  上一个区块的 Hash
>  *  ...

这里，你需要理解什么叫 [Hash][]，这是理解区块链必需的。

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所谓 Hash 就是计算机可以对任意内容，计算出一个长度相同的特征值。区块链的 Hash 长度是256位，这就是说，不管原始内容是什么，最后都会计算出一个256位的二进制数字。而且可以保证，只要原始内容不同，对应的 Hash 一定是不同的。

举例来说，字符串`123`的 Hash 是`a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0`（十六进制），转成二进制就是256位，而且只有`123`能得到这个 Hash。

因此，就有两个重要的推论。

>  *  推论1：每个区块的 Hash 都是不一样的，可以通过 Hash 标识区块。
>  *  推论2：如果区块的内容变了，它的 Hash 一定会改变。

## 四、 Hash 的不可修改性 ##

区块与 Hash 是一一对应的，每个区块的 Hash 都是针对"区块头"（Head）计算的。

> Hash = SHA256(区块头)

上面就是区块 Hash 的计算公式，Hash 由区块头唯一决定，`SHA256`是区块链的 Hash 算法。

前面说过，区块头包含很多内容，其中有当前区块体的 Hash（注意是"区块体"的 Hash，而不是整个区块），还有上一个区块的 Hash。这意味着，如果当前区块的内容变了，或者上一个区块的 Hash 变了，一定会引起当前区块的 Hash 改变。

这一点对区块链有重大意义。如果有人修改了一个区块，该区块的 Hash 就变了。为了让后面的区块还能连到它，该人必须同时修改后面所有的区块，否则被改掉的区块就脱离区块链了。由于后面要提到的原因，Hash 的计算很耗时，同时修改多个区块几乎不可能发生，除非有人掌握了全网51%以上的计算能力。

正是通过这种联动机制，区块链保证了自身的可靠性，数据一旦写入，就无法被篡改。这就像历史一样，发生了就是发生了，从此再无法改变。

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每个区块都连着上一个区块，这也是"区块链"这个名字的由来。

## 五、采矿 ##

由于必须保证节点之间的同步，所以新区块的添加速度不能太快。试想一下，你刚刚同步了一个区块，准备基于它生成下一个区块，但这时别的节点又有新区块生成，你不得不放弃做了一半的计算，再次去同步。因为每个区块的后面，只能跟着一个区块，你永远只能在最新区块的后面，生成下一个区块。所以，你别无选择，一听到信号，就必须立刻同步。

所以，区块链的发明者中本聪（这是假名，真实身份至今未知）故意让添加新区块，变得很困难。他的设计是，平均每10分钟，全网才能生成一个新区块，一小时也就六个。

这种产出速度不是通过命令达成的，而是故意设置了海量的计算。也就是说，只有通过极其大量的计算，才能得到当前区块的有效 Hash，从而把新区块添加到区块链。由于计算量太大，所以快不起来。

这个过程就叫做采矿（mining），因为计算有效 Hash 的难度，好比在全世界的沙子里面，找到一粒符合条件的沙子。计算 Hash 的机器就叫做矿机，操作矿机的人就叫做矿工。

## 六、难度系数 ##

读到这里，你可能会有一个疑问，人们都说采矿很难，可是采矿不就是用计算机算出一个 Hash 吗，这正是计算机的强项啊，怎么会变得很难，迟迟算不出来呢？

原来不是任意一个 Hash 都可以，只有满足条件的 Hash 才会被区块链接受。这个条件特别苛刻，使得绝大部分 Hash 都不满足要求，必须重算。

原来，区块头包含一个[难度系数][Link 1]（difficulty），这个值决定了计算 Hash 的难度。举例来说，[第100000个区块][100000]的难度系数是 14484.16236122。

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区块链协议规定，使用一个常量除以难度系数，可以得到目标值（target）。显然，难度系数越大，目标值就越小。

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Hash 的有效性跟目标值密切相关，只有小于目标值的 Hash 才是有效的，否则 Hash 无效，必须重算。由于目标值非常小，Hash 小于该值的机会极其渺茫，可能计算10亿次，才算中一次。这就是采矿如此之慢的根本原因。

区块头里面还有一个 Nonce 值，记录了 Hash 重算的次数。第 100000 个区块的 Nonce 值是`274148111`，即计算了 2.74 亿次，才得到了一个有效的 Hash，该区块才能加入区块链。

## 七、难度系数的动态调节 ##

就算采矿很难，但也没法保证，正好十分钟产出一个区块，有时一分钟就算出来了，有时几个小时可能也没结果。总体来看，随着硬件设备的提升，以及矿机的数量增长，计算速度一定会越来越快。

为了将产出速率恒定在十分钟，中本聪还设计了难度系数的动态调节机制。他规定，难度系数每两周（2016个区块）调整一次。如果这两周里面，区块的平均生成速度是9分钟，就意味着比法定速度快了10%，因此难度系数就要调高10%；如果平均生成速度是11分钟，就意味着比法定速度慢了10%，因此难度系数就要调低10%。

难度系数越调越高（目标值越来越小），导致了采矿越来越难。

## 八、区块链的分叉 ##

即使区块链是可靠的，现在还有一个问题没有解决：如果两个人同时向区块链写入数据，也就是说，同时有两个区块加入，因为它们都连着前一个区块，就形成了分叉。这时应该采纳哪一个区块呢？

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现在的规则是，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。

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由于新区块的生成速度由计算能力决定，所以这条规则就是说，拥有大多数计算能力的那条分支，就是正宗的比特链。

## 九、总结 ##

区块链作为无人管理的分布式数据库，从2009年开始已经运行了8年，没有出现大的问题。这证明它是可行的。

但是，为了保证数据的可靠性，区块链也有自己的代价。一是效率，数据写入区块链，最少要等待十分钟，所有节点都同步数据，则需要更多的时间；二是能耗，区块的生成需要矿工进行无数无意义的计算，这是非常耗费能源的。

因此，区块链的适用场景，其实非常有限。

> 1.  不存在所有成员都信任的管理当局
> 2.  写入的数据不要求实时使用
> 3.  挖矿的收益能够弥补本身的成本

如果无法满足上述的条件，那么传统的数据库是更好的解决方案。

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目前，区块链最大的应用场景（可能也是唯一的应用场景），就是以比特币为代表的加密货币。

## 什么是比特币？ ##

## 一、非对称加密 ##

你可能听说过这个词，所谓非对称加密，其实很简单，就是加密和解密需要两把钥匙：一把公钥和一把私钥。

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公钥是公开的，任何人都可以获取。私钥是保密的，只有拥有者才能使用。他人使用你的公钥加密信息，然后发送给你，你用私钥解密，取出信息。反过来，你也可以用私钥加密信息，别人用你的公钥解开，从而证明这个信息确实是你发出的，且未被篡改，这叫做数字签名（更详细的介绍请看[《什么是数字签名》][Link 2]）。

现在请设想，如果公钥加密的不是普通的信息，而是加密了一笔钱，发送给你，这会怎样？

首先，你能解开加密包，取出里面的钱，因为私钥在你手里。其次，别人偷不走这笔钱，因为他们没有你的私钥。因此，支付可以成功。

这就是比特币（以及其他数字货币）的原理：非对称加密保证了支付的可靠性。

由于支付的钱必须通过私钥取出，所以你是谁并不重要，重要的是谁拥有私钥。只有拥有了私钥，才能取出支付给你的钱。（事实上，真实的交易流程稍有不同，私钥保证的不是取出支付给你的钱，而是保证只有你能把这些属于你的钱支付出去，详见后文。）

## 二、比特币钱包 ##

对于比特币来说，钱不是支付给个人的，而是支付给某一把私钥。这就是交易匿名性的根本原因，因为没有人知道，那些私钥背后的主人是谁。

所以，比特币交易的第一件事，就是你必须拥有自己的公钥和私钥。

你去网上那些比特币交易所开户，它们会让你首先生成一个比特币钱包（wallet）。这个钱包不是用来存放比特币，而是存放你的公钥和私钥。软件会帮你生成这两把钥匙，然后放在钱包里面。

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根据协议，公钥的长度是512位。这个长度不太方便传播，因此协议又规定，要为公钥生成一个160位的指纹。所谓指纹，就是一个比较短的、易于传播的哈希值。160位是二进制，写成十六进制，大约是26到35个字符，比如 1BvBMSEYstWetqTFn5Au4m4GFg7xJaNVN2。这个字符串就叫做钱包的地址，它是唯一的，即每个钱包的地址肯定都是不一样的。

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你向别人收钱时，只要告诉对方你的钱包地址即可，对方向这个地址付款。由于你是这个地址的拥有者，所以你会收到这笔钱。

由于你是否拥有某个钱包地址，是由私钥证明的（具体的证明方法稍后介绍），所以一定要保护好私钥。这是极其重要的，如果你的私钥被偷了，你的比特币也就等于没了，因为他人可以冒用你的身份了，把钱包里面的钱都转走。

同样的，你向他人支付比特币，千万不能写错他人的钱包地址，否则你的比特币就支付到了另一个不同的人了。

## 三、交易过程 ##

下面，我把整个流程串起来，看看比特币如何完成一笔交易。

一笔交易就是一个地址的比特币，转移到另一个地址。由于比特币的交易记录全部都是公开的，哪个地址拥有多少比特币，都是可以查到的。因此，支付方是否拥有足够的比特币，完成这笔交易，这是可以轻易验证的。

问题出在怎么防止其他人，冒用你的名义申报交易。举例来说，有人申报了一笔交易：地址 A 向地址 B 支付10个比特币。我怎么知道这个申报是真的，申报人就是地址 A 的主人？

比特币协议规定，申报交易的时候，除了交易金额，转出比特币的一方还必须提供以下数据。

>  *  上一笔交易的 Hash（你从哪里得到这些比特币）
>  *  本次交易双方的地址
>  *  支付方的公钥
>  *  支付方的私钥生成的数字签名

验证这笔交易是否属实，需要三步。

> 第一步，找到上一笔交易，确认支付方的比特币来源。
> 
> 第二步，算出支付方公钥的指纹，确认与支付方的地址一致，从而保证公钥属实。
> 
> 第三步，使用公钥去解开数字签名，保证私钥属实。

经过上面三步，就可以认定这笔交易是真实的。

## 四、交易确认与区块链 ##

确认交易的真实性以后，交易还不算完成。交易数据必须写入数据库，才算成立，对方才能真正收到钱。

比特币使用的是一种特殊的数据库，叫做区块链（blockchain）

首先，所有的交易数据都会传送到矿工那里。矿工负责把这些交易写入区块链。

根据比特币协议，一个区块的大小最大是 1MB，而一笔交易大概是500字节左右，因此一个区块最多可以包含2000多笔交易。矿工负责把这2000多笔交易打包在一起，组成一个区块，然后计算这个区块的 Hash。

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计算 Hash 的过程叫做采矿，这需要大量的计算。矿工之间也在竞争，谁先算出 Hash，谁就能第一个添加新区块进入区块链，从而享受这个区块的全部收益，而其他矿工将一无所获。

一笔交易一旦写入了区块链，就无法反悔了。这里需要建立一个观念：比特币不存放在钱包或其他别的地方，而是只存在于区块链上面。区块链记载了你参与的每一笔交易，你得到过多少比特币，你又支付了多少比特币，因此可以算出来你拥有多少资产。

## 五、矿工的收益 ##

交易的确认离不开矿工。为什么有人愿意做矿工呢？

比特币协议规定，挖到新区块的矿工将获得奖励，一开始（2008年）是50个比特币，然后每4年减半，目前（2018年）是12.5个比特币。这也是比特币的供给增加机制，流通中新增的比特币都是这样诞生的。

你可能看出来了，每4年奖励减半，那么到了2140年，矿工将得不到任何奖励，比特币的数量也将停止增加。这时，矿工的收益就完全依靠交易手续费了。

所谓交易手续费，就是矿工可以从每笔交易抽成，具体的金额由支付方自愿决定。你完全可以一毛不拔，一分钱也不给矿工，但是那样的话，你的交易就会没人处理，迟迟无法写入区块链，得到确认。矿工们总是优先处理手续费最高的交易。

目前由于交易数量猛增，手续费已经水涨船高，一个区块2000多笔交易的手续费总额可以达到3～10个比特币。如果你的手续费给低了，很可能过了一个星期，交易还没确认。

一个区块的奖励金12.5个比特币，再加上手续费，收益是相当可观的。按照目前的价格，可以达到100万～200万人民币。想想看，运气好的话，几分钟就能挖到一个区块，拿到这样一大笔钱，怪不得人们对挖矿趋之若鹜。

## 六、区块的扩容 ##

比特币协议规定，平均10分钟诞生一个区块。区块的大小只有 1MB，最多只能包含2000多笔交易。也就是说，比特币网络每10分钟，最多只能处理2000多笔交易，换算一下，就是处理速度为3～5笔/秒。

全世界的比特币交易这么多，可是区块链每秒最多只能处理5笔，这已经成为制约比特币发展的一个瓶颈。

很早就有人呼吁，改革比特币协议，提升处理速度。这件事在2017年8月有了一点眉目，当时区块链发生了一次分叉，诞生了一个新协议，称为 [Bitcoin Cash][]（简称 BCH）。这种新货币其他方面都与比特币一致，就是每个区块的大小从 1MB 增加到了 8MB，因此处理速度提升了8倍，手续费也低得多。该协议是对原有区块链的分叉，因此当时持有比特币的人，等于一人获赠了一份同样数量的 BCH。

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BCH 等于创造了一种新货币，还有人提议，原始比特币的区块大小提升到 2MB，这称为 [SegWit2x][] 。这个建议原定于2017年11月实施，但是最后一刻由于缺乏共识，就被取消了，目前还在讨论中。

## 七、点对点网络 ##

比特币是一个全世界的开放网络，只要你有服务器，就能加入这个网络，成为一个节点。每个节点都包含了整个区块链（目前大概 100多 GB），并且节点之间时刻不停地在同步信息。

当你发生了一笔支付，你所在的节点就会把这笔交易告诉另一个节点，直至传遍整个网络。矿工从网上收集各种新发生的交易，将它们打包写入区块链。一旦写入成功， 矿工所在节点的区块链，就成为最新版本，其他节点都会来复制新增的区块，保证全网的区块链都是一致的。

最后，你所在的节点也拿到了最新的区块链，从而得知你早先的那笔交易，已经写在里面了，至此交易确认成功。

## 八、还有一个问题 ##

写到这里，我就介绍完了比特币的基本知识，希望你已经明白了比特币是怎么回事。但是还有一个根本的问题，我没有回答：比特币的本质到底是什么？

说到底，比特币只是区块链的一条记录，是凭空生成的，为什么可以当钱用？举例来说，矿工获得12.5个比特币的奖励，其实就是区块链有一个记录："xxx地址获得12.5个比特币"。正是这行记录，导致该矿工获得了大笔金钱。如果区块链突然增加了一条记录，记载你的地址获得了1000个比特币，你就真的会有1000个比特币。这到底是为什么？

## 比特币如何利用区块链？ ##

## 一、比特币的可信性 ##

比特币要解决的核心问题，就是创造一种可信的数字凭证。由于这种凭证可信，所以能够当做货币。

比特币的技术基础是加密学，因为只有加密学才能保证它的可信性。一旦加密被破解，它就没法当作货币了。这也是这一类数字凭证被称为"加密货币"的原因。

技术人员对比特币感兴趣，还有一个重要原因。任何需要可靠的数字凭证的场合，也许都可以用到这种技术。

## 二、比特币的特点 ##

比特币有三个特点，就是因为做到了这三点，所以它可信，能够当作钱。

首先，它不会被（轻易）偷走。或者反过来说，它使得你无法去偷别人，你只能花你自己的钱。因为必须要有别人的私钥，才能取出他的钱。正常情况下，你拿不到别人的私钥。

其次，它无法伪造。每一个比特币都能追溯来源，而所有比特币都来源于矿工获得的奖励。矿工只有新建区块，才能获得奖励，这是很难的事情，所以无法伪造比特币。

最后，它无法大批生成。原因跟上一条一样，比特币的发行速度是稳定的，现在每10分钟新增12.5个，然后每四年减半，最终停止增长。因此不会像纸币那样，政府滥发导致通货膨胀。

## 三、比特币有实体吗？ ##

由于后面要提到的原因，比特币不可能拥有实体，没法做到"从口袋里掏出一个币"这种场景，交易都必须通过互联网完成。

你可能会说，钱都有实体，怎么可能存在无形的钱呢？答案正好相反，钱就应该是无形的，那些实体的钱其实是对物质材料的浪费，由于技术不够发达，不得不做成实体。

我小时候买东西，都必须用现金，否则没法证明，自己拥有购买力。只有通过实体的钱，才能保证对方确实收到了钱。如果银行业发达，就不用现金了，可以使用银行卡。支付的时候，对方抄一下银行卡号码，查询银行"这个账户有钱吗"。银行回答有钱，OK，成交。

但是，互联网使得实体的银行卡也不需要了。如果存在一个开放的中央记账系统，任何人都可以查询，你把钱划到老板的账户，老板查询一下，发现收到了，交易自动成交，整个过程都是无形的，还需要什么银行卡呢？

这个中央记账系统已经实现了，就叫做区块链。

## 四、区块链的作用 ##

区块链就是一个数据库，记载了所有的交易，用作中央记账系统。

每笔交易的核心，就是一句话，比如"张三向李四转移了1个比特币"。为了证明这句话可信，张三为它加上了数字签名。任何人都可以用张三的公钥，证明这确实是张三本人的行为。另一方面，其他人无法伪造张三的数字签名，所以不可能伪造这笔交易。

矿工们收到这句话，首先验证数字签名的可信性，然后验证张三确实拥有这些比特币（每一笔交易都有上一笔交易的编号，用来查询比特币的来源）。验证通过以后，就着手把这句话写入区块链了。一旦写入区块链，所有人就都可以查询到，因此这笔比特币就被认为，从张三转移到了李四。

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区块链的作用就是把这句话永久保存下来了，让任何人都可以查看，并且任何人（包括张三本人在内）都无法再修改了。

货币是什么？其实就是这句话。这一句话就完成了一次支付。我们平时用人民币支付，其实只是用纸币表达这条信息。如果每个人都可以实时写入/读取中央记账系统（区块链），那么完全可以不携带货币。

## 五、双重支出 ##

前面说过，交易不可能被伪造。但是，由于每一笔交易都是一串二进制信号，因此可能被复制。举例来说，"张三向李四转移了1个比特币"这句话，可能被其他人复制，也可能被张三自己复制，提交到区块链。

如果这句话被两次写入区块链，就意味着张三可以把同一笔钱花掉两次。但是，第二次写入的时候，查询区块链可以发现张三已经把这笔钱花掉了，从而认定这是不合法的交易，不能写入区块链。因此，复制交易是不可能的。

比较麻烦的是另一种情况，就是张三把同一笔钱付给两个人。他先向区块链提交一个交易"张三向李四转移了1个比特币"，然后又提交了另一个交易"张三向王五转移了1个比特币"。这两个交易都可能被认为是真实的交易，从而进入区块链。因此，必须有办法防止出现这种情况。

情况一：同一个矿工收到了这两个交易。那么他会察觉到，它们不可能同时成立，因此选择其中的一笔写入区块链。

情况二：矿工 A 收到了第一笔交易，矿工 B 收到了第二笔交易，他们各自都会认定这是合法的交易，分别把这两笔交易写入了两个区块，这时区块链就出现了分叉。

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比特币协议规定，分叉点之后最先达到6个区块的那个分支，被认定为正式的区块链，其他分支都将被放弃。由于区块的生成速度由计算能力决定，所以到底哪一笔交易最后会被写入区块链，完全由它所在的分支能吸引多少计算能力决定。隐藏的逻辑是，如果大多数人（计算能力）选择相信某一笔交易，那么它就应该是真的。

综上所述，双重支出不可能发生。因为中央记账系统总有办法发现，你把同一笔钱花了两遍。但是，这也说明了比特币的一个代价，就是交易不能实时确认，必须等待至少一个小时。

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[Bitcoin Cash]: https://en.wikipedia.org/wiki/Bitcoin_Cash
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[SegWit2x]: https://en.wikipedia.org/wiki/SegWit2x
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