火爆全球的區(qū)塊鏈到底是怎么一回事？一文帶你看懂
區(qū)塊鏈（blockchain）是眼下的大熱門，新聞媒體大量報(bào)道，宣稱它將創(chuàng)造未來(lái)。
可是，簡(jiǎn)單易懂的入門文章卻很少。區(qū)塊鏈到底是什么，有何特別之處，很少有解釋。
下面，我就來(lái)嘗試，寫(xiě)一篇***懂的區(qū)塊鏈教程。畢竟它也不是很難的東西，核心概念非常簡(jiǎn)單，幾句話就能說(shuō)清楚。我希望讀完本文，你不僅可以理解區(qū)塊鏈，還會(huì)明白什么是挖礦、為什么挖礦越來(lái)越難等問(wèn)題。
需要說(shuō)明的是，我并非這方面的專家。雖然很早就關(guān)注，但是仔細(xì)地了解區(qū)塊鏈，還是從今年初開(kāi)始。文中的錯(cuò)誤和不準(zhǔn)確的地方，歡迎大家指正。
一、區(qū)塊鏈的本質(zhì)
區(qū)塊鏈?zhǔn)鞘裁矗恳痪湓?，它是一種特殊的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。
首先，區(qū)塊鏈的主要作用是儲(chǔ)存信息。任何需要保存的信息，都可以寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈，也可以從里面讀取，所以它是數(shù)據(jù)庫(kù)。
其次，任何人都可以架設(shè)服務(wù)器，加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。區(qū)塊鏈的世界里面，沒(méi)有中心節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是平等的，都保存著整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。你可以向任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)，寫(xiě)入/讀取數(shù)據(jù)，因?yàn)樗泄?jié)點(diǎn)***都會(huì)同步，保證區(qū)塊鏈一致。
二、區(qū)塊鏈的***特點(diǎn)
分布式數(shù)據(jù)庫(kù)并非新發(fā)明，市場(chǎng)上早有此類產(chǎn)品。但是，區(qū)塊鏈有一個(gè)革命性特點(diǎn)。
區(qū)塊鏈沒(méi)有管理員，它是徹底無(wú)中心的。其他的數(shù)據(jù)庫(kù)都有管理員，但是區(qū)塊鏈沒(méi)有。如果有人想對(duì)區(qū)塊鏈添加審核，也實(shí)現(xiàn)不了，因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)目標(biāo)就是防止出現(xiàn)居于中心地位的管理當(dāng)局。
正是因?yàn)闊o(wú)法管理，區(qū)塊鏈才能做到無(wú)法被控制。否則一旦大公司大集團(tuán)控制了管理權(quán)，他們就會(huì)控制整個(gè)平臺(tái)，其他使用者就都必須聽(tīng)命于他們了。
但是，沒(méi)有了管理員，人人都可以往里面寫(xiě)入數(shù)據(jù)，怎么才能保證數(shù)據(jù)是可信的呢？被壞人改了怎么辦？請(qǐng)接著往下讀，這就是區(qū)塊鏈奇妙的地方。
三、區(qū)塊
區(qū)塊鏈由一個(gè)個(gè)區(qū)塊（block）組成。區(qū)塊很像數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄，每次寫(xiě)入數(shù)據(jù)，就是創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊。
每個(gè)區(qū)塊包含兩個(gè)部分。
- 區(qū)塊頭（Head）：記錄當(dāng)前區(qū)塊的元信息
- 區(qū)塊體（Body）：實(shí)際數(shù)據(jù)
區(qū)塊頭包含了當(dāng)前區(qū)塊的多項(xiàng)元信息。
- 生成時(shí)間
- 實(shí)際數(shù)據(jù)（即區(qū)塊體）的 Hash
- 上一個(gè)區(qū)塊的 Hash
- …
這里，你需要理解什么叫 Hash，這是理解區(qū)塊鏈必需的。
所謂 Hash 就是計(jì)算機(jī)可以對(duì)任意內(nèi)容，計(jì)算出一個(gè)長(zhǎng)度相同的特征值。區(qū)塊鏈的 Hash 長(zhǎng)度是256位，這就是說(shuō)，不管原始內(nèi)容是什么，***都會(huì)計(jì)算出一個(gè)256位的二進(jìn)制數(shù)字。而且可以保證，只要原始內(nèi)容不同，對(duì)應(yīng)的 Hash 一定是不同的。
舉例來(lái)說(shuō)，字符串123的 Hash 是a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0（十六進(jìn)制），轉(zhuǎn)成二進(jìn)制就是256位，而且只有123能得到這個(gè) Hash。
因此，就有兩個(gè)重要的推論。
- 推論1：每個(gè)區(qū)塊的 Hash 都是不一樣的，可以通過(guò) Hash 標(biāo)識(shí)區(qū)塊。
- 推論2：如果區(qū)塊的內(nèi)容變了，它的 Hash 一定會(huì)改變。
四、 Hash 的不可修改性
區(qū)塊與 Hash 是一一對(duì)應(yīng)的，每個(gè)區(qū)塊的 Hash 都是針對(duì)”區(qū)塊頭”（Head）計(jì)算的。
Hash = SHA256(區(qū)塊頭)
上面就是區(qū)塊 Hash 的計(jì)算公式，Hash 由區(qū)塊頭唯一決定，SHA256是區(qū)塊鏈的 Hash 算法。
前面說(shuō)過(guò)，區(qū)塊頭包含很多內(nèi)容，其中有當(dāng)前區(qū)塊體的 Hash（注意是”區(qū)塊體”的 Hash，而不是整個(gè)區(qū)塊），還有上一個(gè)區(qū)塊的 Hash。這意味著，如果當(dāng)前區(qū)塊的內(nèi)容變了，或者上一個(gè)區(qū)塊的 Hash 變了，一定會(huì)引起當(dāng)前區(qū)塊的 Hash 改變。
這一點(diǎn)對(duì)區(qū)塊鏈有重大意義。如果有人修改了一個(gè)區(qū)塊，該區(qū)塊的 Hash 就變了。為了讓后面的區(qū)塊還能連到它，該人必須同時(shí)修改后面所有的區(qū)塊，否則被改掉的區(qū)塊就脫離區(qū)塊鏈了。由于后面要提到的原因，Hash 的計(jì)算很耗時(shí)，同時(shí)修改多個(gè)區(qū)塊幾乎不可能發(fā)生，除非有人掌握了全網(wǎng)51%以上的計(jì)算能力。
正是通過(guò)這種聯(lián)動(dòng)機(jī)制，區(qū)塊鏈保證了自身的可靠性，數(shù)據(jù)一旦寫(xiě)入，就無(wú)法被篡改。這就像歷史一樣，發(fā)生了就是發(fā)生了，從此再無(wú)法改變。
每個(gè)區(qū)塊都連著上一個(gè)區(qū)塊，這也是”區(qū)塊鏈”這個(gè)名字的由來(lái)。
五、采礦
由于必須保證節(jié)點(diǎn)之間的同步，所以新區(qū)塊的添加速度不能太快。試想一下，你剛剛同步了一個(gè)區(qū)塊，準(zhǔn)備基于它生成下一個(gè)區(qū)塊，但這時(shí)別的節(jié)點(diǎn)又有新區(qū)塊生成，你不得不放棄做了一半的計(jì)算，再次去同步。因?yàn)槊總€(gè)區(qū)塊的后面，只能跟著一個(gè)區(qū)塊，你永遠(yuǎn)只能在***區(qū)塊的后面，生成下一個(gè)區(qū)塊。所以，你別無(wú)選擇，一聽(tīng)到信號(hào)，就必須立刻同步。
所以，區(qū)塊鏈的***中本聰（這是假名，真實(shí)身份至今未知）故意讓添加新區(qū)塊，變得很困難。他的設(shè)計(jì)是，平均每10分鐘，全網(wǎng)才能生成一個(gè)新區(qū)塊，一小時(shí)也就六個(gè)。
這種產(chǎn)出速度不是通過(guò)命令達(dá)成的，而是故意設(shè)置了海量的計(jì)算。也就是說(shuō)，只有通過(guò)極其大量的計(jì)算，才能得到當(dāng)前區(qū)塊的有效 Hash，從而把新區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈。由于計(jì)算量太大，所以快不起來(lái)。
這個(gè)過(guò)程就叫做采礦（mining），因?yàn)橛?jì)算有效 Hash 的難度，好比在全世界的沙子里面，找到一粒符合條件的沙子。計(jì)算 Hash 的機(jī)器就叫做礦機(jī)，操作礦機(jī)的人就叫做礦工。
六、難度系數(shù)
讀到這里，你可能會(huì)有一個(gè)疑問(wèn)，人們都說(shuō)采礦很難，可是采礦不就是用計(jì)算機(jī)算出一個(gè) Hash 嗎，這正是計(jì)算機(jī)的強(qiáng)項(xiàng)啊，怎么會(huì)變得很難，遲遲算不出來(lái)呢？
原來(lái)不是任意一個(gè) Hash 都可以，只有滿足條件的 Hash 才會(huì)被區(qū)塊鏈接受。這個(gè)條件特別苛刻，使得絕大部分 Hash 都不滿足要求，必須重算。
原來(lái)，區(qū)塊頭包含一個(gè)難度系數(shù)（difficulty），這個(gè)值決定了計(jì)算 Hash 的難度。舉例來(lái)說(shuō)，第100000個(gè)區(qū)塊的難度系數(shù)是 14484.16236122。
區(qū)塊鏈協(xié)議規(guī)定，使用一個(gè)常量除以難度系數(shù)，可以得到目標(biāo)值（target）。顯然，難度系數(shù)越大，目標(biāo)值就越小。
Hash 的有效性跟目標(biāo)值密切相關(guān)，只有小于目標(biāo)值的 Hash 才是有效的，否則 Hash 無(wú)效，必須重算。由于目標(biāo)值非常小，Hash 小于該值的機(jī)會(huì)極其渺茫，可能計(jì)算10億次，才算中一次。這就是采礦如此之慢的根本原因。
區(qū)塊頭里面還有一個(gè) Nonce 值，記錄了 Hash 重算的次數(shù)。第 100000 個(gè)區(qū)塊的 Nonce 值是274148111，即計(jì)算了 2.74 億次，才得到了一個(gè)有效的 Hash，該區(qū)塊才能加入?yún)^(qū)塊鏈。
七、難度系數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)
就算采礦很難，但也沒(méi)法保證，正好十分鐘產(chǎn)出一個(gè)區(qū)塊，有時(shí)一分鐘就算出來(lái)了，有時(shí)幾個(gè)小時(shí)可能也沒(méi)結(jié)果?？傮w來(lái)看，隨著硬件設(shè)備的提升，以及礦機(jī)的數(shù)量增長(zhǎng)，計(jì)算速度一定會(huì)越來(lái)越快。
為了將產(chǎn)出速率恒定在十分鐘，中本聰還設(shè)計(jì)了難度系數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制。他規(guī)定，難度系數(shù)每?jī)芍埽?016個(gè)區(qū)塊）調(diào)整一次。如果這兩周里面，區(qū)塊的平均生成速度是9分鐘，就意味著比法定速度快了10%，因此難度系數(shù)就要調(diào)高10%；如果平均生成速度是11分鐘，就意味著比法定速度慢了10%，因此難度系數(shù)就要調(diào)低10%。
難度系數(shù)越調(diào)越高（目標(biāo)值越來(lái)越?。?，導(dǎo)致了采礦越來(lái)越難。
八、區(qū)塊鏈的分叉
即使區(qū)塊鏈?zhǔn)强煽康?，現(xiàn)在還有一個(gè)問(wèn)題沒(méi)有解決：如果兩個(gè)人同時(shí)向區(qū)塊鏈寫(xiě)入數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)，同時(shí)有兩個(gè)區(qū)塊加入，因?yàn)樗鼈兌歼B著前一個(gè)區(qū)塊，就形成了分叉。這時(shí)應(yīng)該采納哪一個(gè)區(qū)塊呢？
現(xiàn)在的規(guī)則是，新節(jié)點(diǎn)總是采用最長(zhǎng)的那條區(qū)塊鏈。如果區(qū)塊鏈有分叉，將看哪個(gè)分支在分叉點(diǎn)后面，先達(dá)到6個(gè)新區(qū)塊（稱為”六次確認(rèn)”）。按照10分鐘一個(gè)區(qū)塊計(jì)算，一小時(shí)就可以確認(rèn)。
由于新區(qū)塊的生成速度由計(jì)算能力決定，所以這條規(guī)則就是說(shuō)，擁有大多數(shù)計(jì)算能力的那條分支，就是正宗的比特鏈。
九、總結(jié)
區(qū)塊鏈作為無(wú)人管理的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，從2009年開(kāi)始已經(jīng)運(yùn)行了8年，沒(méi)有出現(xiàn)大的問(wèn)題。這證明它是可行的。
但是，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，區(qū)塊鏈也有自己的代價(jià)。一是效率，數(shù)據(jù)寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈，最少要等待十分鐘，所有節(jié)點(diǎn)都同步數(shù)據(jù)，則需要更多的時(shí)間；二是能耗，區(qū)塊的生成需要礦工進(jìn)行無(wú)數(shù)無(wú)意義的計(jì)算，這是非常耗費(fèi)能源的。
因此，區(qū)塊鏈的適用場(chǎng)景，其實(shí)非常有限。
- 不存在所有成員都信任的管理當(dāng)局
- 寫(xiě)入的數(shù)據(jù)不要求實(shí)時(shí)使用
- 挖礦的收益能夠彌補(bǔ)本身的成本
如果無(wú)法滿足上述的條件，那么傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)是更好的解決方案。
目前，區(qū)塊鏈***的應(yīng)用場(chǎng)景（可能也是唯一的應(yīng)用場(chǎng)景），就是以比特幣為代表的加密貨幣。下一篇文章，我將會(huì)介紹比特幣的入門知識(shí)。
十、參考
- How does blockchain really work?, by Sean Han
- Bitcoin mining the hard way: the algorithms, protocols, and bytes, by Ken Shirriff
