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編譯：小魚、蔣寶尚

“老礦工”用5000字講清區(qū)塊鏈工作原理：去中心化、分布式存儲(chǔ)、哈希函數(shù)加密，這些都是什么?

除非你居住在世外桃源，要不然你一定聽說(shuō)過比特幣和區(qū)塊鏈。畢竟它們是當(dāng)下最熱門的話題之一，也被評(píng)為了年度流行語(yǔ)。即使那些沒有接觸過數(shù)字貨幣、也不知道其如何工作的人也在討論區(qū)塊鏈。

在理解這些新技術(shù)的時(shí)候，我那些沒有技術(shù)背景的朋友“懵了”，他們一連幾個(gè)星期纏著讓我解釋到底什么是區(qū)塊鏈。

作為比特幣的資深“老礦工”，我用最淺顯易懂的語(yǔ)言寫了這篇文章，幫助大家理解當(dāng)下最流行的趨勢(shì)。

區(qū)塊鏈：為什么我們需要如此復(fù)雜的東西?

“對(duì)于每個(gè)復(fù)雜的問題，都有一個(gè)看似簡(jiǎn)單明了、實(shí)際上卻是錯(cuò)誤的答案。” —— H. L. Mencken

和其他文章在開頭嘗試定義區(qū)塊鏈不同，我先解釋它解決的問題。

想象一下，你最好的朋友Joe正在國(guó)外旅游時(shí)候，突然給你打電話說(shuō)：“我的錢完全花光了，借我點(diǎn)錢。”

因?yàn)槟闶菬嵝哪c的人，所以你說(shuō)：“馬上打給你。”

然后，你打電話給你的銀行客戶經(jīng)理：“從我的賬戶轉(zhuǎn)1000美元到Joe的賬戶。”

你的客戶經(jīng)理回復(fù)：“好的，先生。”

他登陸了你的賬戶，查看了一下你是否有足夠的賬戶余額進(jìn)行1000美元的轉(zhuǎn)賬。你很富有，有足夠的錢可以轉(zhuǎn)賬，于是他在一個(gè)表格中做了如下登記：

之后，你打電話告訴Joe，“我已經(jīng)給你寄了1000美元，你可以去銀行取錢了。”

整個(gè)過程中，你和Joe都信任銀行并讓它管理你的錢。上述交易過程并不涉及真金白銀，只是需要在一個(gè)表格中進(jìn)行修改。更準(zhǔn)確地說(shuō)，這個(gè)表格并不是你和Joe擁有或能夠直接控制的。

這就是現(xiàn)行制度所體現(xiàn)的問題：為了建立起我們之間的相互信任，我們需要求助獨(dú)立的第三方。

多年來(lái)，我們通過“中間人”才能信任彼此。你可能會(huì)問，“這種中間人制度會(huì)帶來(lái)什么問題?”

問題就在于，“中間人”的數(shù)量是有限的。只要一個(gè)人或一個(gè)組織有意無(wú)意地腐敗了，那么整個(gè)社會(huì)就將陷入混亂狀態(tài)。

• 如果表格中的交易記錄在火災(zāi)中燒毀，該怎么辦?
• 如果你的客戶經(jīng)理寫了1500美元而不是1000美元呢?
• 如果他故意這樣做呢?

多年來(lái)，我們一直把所有的雞蛋都放在別人的籃子里。

是否能夠有一個(gè)系統(tǒng)可以在沒有第三方(銀行)的參與下進(jìn)行轉(zhuǎn)賬?

為了回答這個(gè)問題，我們可以想一想，轉(zhuǎn)賬的含義是什么? 只是在表格中登記的一個(gè)條目。

那么，有沒有辦法在不依靠第三方的情況下，維護(hù)我們之間的交易記錄?

你可能已經(jīng)猜到了答案——那就是區(qū)塊鏈。

區(qū)塊鏈：一種不需要依賴第三方的交易方法

區(qū)塊鏈如何實(shí)現(xiàn)自己登記交易記錄?這就需要用到分布式記賬的技術(shù)。

這種方法要求有足夠多的人選擇不依賴于第三方。 只有這樣，這些人才能依靠自己運(yùn)營(yíng)這個(gè)去中心化的系統(tǒng)。

“可以存一些比特幣，萬(wàn)一以后它漲了呢。如果這么想的人多了，那設(shè)想就變成現(xiàn)實(shí)了。” ——中本聰

系統(tǒng)里有多少人就算足夠多了?至少三個(gè)。 但這里，我們假設(shè)有十個(gè)人想要放棄銀行或任何其他管理交易的第三方。在彼此同意的情況下，他們一直都有對(duì)方賬戶的詳細(xì)信息但不知道對(duì)方的身份。

1. 建立一個(gè)空文件夾

每個(gè)人都從建立自己的空文件夾開始。隨著這個(gè)過程不斷推進(jìn)，這十個(gè)人將不斷向他們的空文件夾中添加頁(yè)面。這個(gè)頁(yè)面集合就是追蹤交易的表格。

2. 開始交易

接下來(lái)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)人手里都有一支筆，用來(lái)填寫空白頁(yè)。 每人都準(zhǔn)備好寫入系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的任何交易。

現(xiàn)在，假設(shè)2號(hào)想轉(zhuǎn)賬10美元給9號(hào)。

為了完成交易，2號(hào)發(fā)表聲明告訴大家，“我想轉(zhuǎn)10美元給9號(hào)。收到消息的人就在自己的空白頁(yè)上進(jìn)行交易記錄。”

每人都檢查2號(hào)的余額是否足夠，是否能將10美元轉(zhuǎn)給9號(hào)。如果她余額足夠，每個(gè)人就會(huì)在他們的空白頁(yè)面上記錄這筆交易。

3 .繼續(xù)進(jìn)行更多交易

隨著時(shí)間的推移，會(huì)有更多的人利用該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)賬交易。每當(dāng)他們想做一個(gè)交易，他們就通知其他人。只要有一個(gè)人聽到這個(gè)通知，TA就會(huì)把交易記錄寫在TA的頁(yè)面上。

記錄將繼續(xù)進(jìn)行，直到所有人都用完當(dāng)前頁(yè)面上的空間。假設(shè)一個(gè)頁(yè)面的空間只能記錄十個(gè)交易，當(dāng)?shù)谑畟€(gè)交易完成后，每個(gè)人的空間也都用完了。

當(dāng)一個(gè)頁(yè)面被填滿時(shí)，就可以將其放入文件夾中，并創(chuàng)建出一個(gè)新的頁(yè)面，重復(fù)上述步驟2的過程。

4. 收起頁(yè)面

在我們將文件放進(jìn)文件夾之前，我們需要用網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)人都同意的唯一數(shù)字來(lái)加密。通過加密，密碼副本將放入每個(gè)人的文件夾中，我們就能確保沒有人能對(duì)加密數(shù)字進(jìn)行修改，且不會(huì)隨時(shí)間而改變。不論是在今天、明天，甚至是一年之后，密碼副本一旦進(jìn)入文件夾，它將始終停留在文件夾中并處于加密狀態(tài)。而且，如果每個(gè)人都信任這一加密方式，那么他們就會(huì)相信頁(yè)面內(nèi)容。頁(yè)面的加密方式是網(wǎng)絡(luò)交易的關(guān)鍵。

保護(hù)頁(yè)面不被修改這項(xiàng)工作叫做“挖礦”。但為了簡(jiǎn)單起見，我們將繼續(xù)稱它為“加密”。

在區(qū)塊鏈出現(xiàn)前，我們相信第三方/中間人，相信他們?cè)诒砀裰械怯浀拿抗P交易都不會(huì)改變。而在剛剛描述的這種分布式和分散系統(tǒng)中，人們也會(huì)信任這一加密方式。

用來(lái)加密的魔法機(jī)器：哈希函數(shù)

在我們學(xué)習(xí)如何加密頁(yè)面之前，我們需要知道加密的原理。我稱之為“魔法機(jī)器”。

想象一臺(tái)由厚厚的墻包圍的機(jī)器。如果從左邊給機(jī)器發(fā)送一個(gè)非空的盒子，它會(huì)“吐出”一個(gè)包含其他內(nèi)容的盒子。

這臺(tái)機(jī)器被稱為“哈希函數(shù)”，但是為了方便理解，我們暫且稱它為“魔法機(jī)器”。

假設(shè)你從左邊發(fā)送數(shù)字4，它在右邊吐出單詞：'dcbea'。

它是如何將數(shù)字4轉(zhuǎn)換成'dcbea'這個(gè)詞? 沒人知道。而且，轉(zhuǎn)換過程不可逆。

即使你知道機(jī)器輸出了“dcbea”，你也無(wú)法知道對(duì)應(yīng)的輸入內(nèi)容。但是每次你把數(shù)字4輸進(jìn)機(jī)器上，它總是會(huì)吐出同一個(gè)詞“dcbea”。

圖：哈希(4)== dcbea

發(fā)送數(shù)字26會(huì)怎么樣?

圖：哈希(26)== 94c8e

我們這次得到了'94c8e'。 有趣! 所以機(jī)器輸出的結(jié)果中也會(huì)包含數(shù)字。

現(xiàn)在，如果我問你以下問題：

“我從左邊給機(jī)器輸入什么，可以從機(jī)器右邊獲得一個(gè)以三個(gè)0開頭的單詞?例如，000ab，00098，000fa或000XX。”

上面已經(jīng)提到，機(jī)器有一個(gè)屬性，即我們無(wú)法從右邊的結(jié)果逆推出左邊所輸入的內(nèi)容。

面對(duì)這樣的機(jī)器，如何解決剛才提出的問題?

我想到一種方法。 為什么不一一地嘗試宇宙中的每一個(gè)數(shù)字，直到我們得到一個(gè)以連續(xù)三個(gè)0開頭的單詞?

經(jīng)過幾千次的嘗試，最終會(huì)得到一個(gè)能夠產(chǎn)生正確結(jié)果的數(shù)字。

要計(jì)算給定輸出的輸入內(nèi)容是非常困難的。 但與此同時(shí)，驗(yàn)證輸入輸出是否對(duì)應(yīng)確實(shí)很容易。請(qǐng)記住，對(duì)一個(gè)給定的數(shù)字，機(jī)器每次都會(huì)吐出相同的單詞。

如果我給你一個(gè)數(shù)字，比如說(shuō)72533，并且問你，“把這個(gè)數(shù)字輸進(jìn)機(jī)器，是否輸出了一個(gè)以三個(gè)0開頭的單詞?”，完成這個(gè)過程你覺得有多困難?

你需要做的就是把數(shù)字扔給機(jī)器，看看在右邊輸出了什么而已。

這樣的機(jī)器最重要的特性就是，給定一個(gè)輸出，計(jì)算輸入是非常困難的，但是給定輸入和輸出，驗(yàn)證輸入輸出是否對(duì)應(yīng)確實(shí)很容易。

如何加密一個(gè)頁(yè)面?

我們將使用這個(gè)神奇的機(jī)器來(lái)加密頁(yè)面。像往常一樣，我們將從一個(gè)假設(shè)開始。

想象一下，我給你兩個(gè)盒子，第一個(gè)盒子里包含了數(shù)字20893。然后，我問你，“你能算出這樣一個(gè)數(shù)字嗎：如果用它加上第一個(gè)盒子里的數(shù)字，然后發(fā)送給機(jī)器，可以得到一個(gè)以三個(gè)0開頭的單詞。”

這與我們之前看到的情況類似。我們已經(jīng)了解到，計(jì)算這樣一個(gè)數(shù)字的唯一方法是通過嘗試整個(gè)宇宙中可用的每一個(gè)數(shù)字。

經(jīng)過幾千次嘗試，我們會(huì)偶然發(fā)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字，比如說(shuō)21191，當(dāng)用它加上20893(即21191 + 20893 = 42084)并發(fā)送給機(jī)器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)滿足我們要求的詞。

在這種情況下，號(hào)碼21191成為20893的封印。假設(shè)有一個(gè)頁(yè)面的內(nèi)容是20893。為了加密這個(gè)頁(yè)面(即讓人無(wú)法改變它的內(nèi)容)，我們?cè)谶@頁(yè)上添加一個(gè)名為“21191”的封印。 一旦加密數(shù)字(即21191)印在頁(yè)面上，頁(yè)面就被加密了。

加密數(shù)字也可以被稱為“工作證明”，意思是這個(gè)數(shù)字證明了為了計(jì)算它所做的努力。

如果有人想驗(yàn)證頁(yè)面是否被修改，他所要做的就是將頁(yè)面內(nèi)容加上封印數(shù)字，并送到魔法機(jī)器。如果機(jī)器給出以三個(gè)0開頭的單詞，則證明頁(yè)面內(nèi)容不變。如果結(jié)果不符合我們的要求，我們可以扔掉頁(yè)面，因?yàn)樗膬?nèi)容是妥協(xié)的，是沒有用的。

我們將使用類似的加密機(jī)制來(lái)加密我們所有的頁(yè)面，并將它們放在各自的文件夾中。

為了加密包含網(wǎng)絡(luò)交易的頁(yè)面，我們需要找到一個(gè)數(shù)字，當(dāng)把它附加到交易清單上并送給機(jī)器時(shí)，我們能在右邊得到一個(gè)以三個(gè)0開頭的詞。

注意：我一直只使用“以三個(gè)0開頭的詞”這個(gè)短語(yǔ)作為例子。因?yàn)樗菔玖斯：瘮?shù)如何工作。真正的計(jì)算原理比這更復(fù)雜。

在機(jī)器上花費(fèi)時(shí)間和電力后，一旦計(jì)算出這個(gè)數(shù)字，頁(yè)面就被這個(gè)數(shù)字封印了。如果有人試圖改變頁(yè)面的內(nèi)容，任何人都可以利用封印數(shù)字驗(yàn)證頁(yè)面的完整性。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道如何加密頁(yè)面了，我們將回到編寫第十個(gè)交易的頁(yè)面上。編寫這十個(gè)交易用盡了我們的空間。

當(dāng)每個(gè)人用來(lái)編寫進(jìn)一步交易的頁(yè)面都用完時(shí)，為了獲得頁(yè)面，他們就會(huì)不停的計(jì)算加密數(shù)字，以便可以將其隱藏在文件夾中。

網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)人都會(huì)計(jì)算加密數(shù)字。第一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)中找到的人會(huì)將其宣布給其他人。

一旦收到加密數(shù)字，每個(gè)人都會(huì)驗(yàn)證它是否產(chǎn)生合法的輸出。輸出如果合法，每個(gè)人都用這個(gè)數(shù)字標(biāo)記他們的頁(yè)面，并將其放在文件夾中。

但是，如果有個(gè)人說(shuō)公布的加密數(shù)字產(chǎn)生的輸出不合法，怎么辦? 這種情況并不罕見?？赡苡幸韵略颍?/p>

• 他可能誤讀了網(wǎng)絡(luò)中公布的交易
• 他可能誤寫了在網(wǎng)絡(luò)中公布的交易
• 在寫交易時(shí)，他可能會(huì)試圖欺騙或不誠(chéng)實(shí)，或者在網(wǎng)絡(luò)上偏袒自己或其他人

不管是什么原因，這個(gè)人只有一個(gè)選擇——放棄他的頁(yè)面，并復(fù)制別人的頁(yè)面放在文件夾中。 如果他沒有把他的頁(yè)面放在文件夾中，他將無(wú)法編寫更多的交易，也會(huì)被禁止成為網(wǎng)絡(luò)的一部分。

大多數(shù)人同意的加密數(shù)字就變成了真正的加密數(shù)字。

區(qū)塊鏈的工作原理

那么，為什么每個(gè)人都努力計(jì)算加密數(shù)字，即使知道別人會(huì)計(jì)算并向他們宣布?為什么不坐下來(lái)等待通知呢?

這就是激勵(lì)機(jī)制出現(xiàn)的地方。每個(gè)人都是區(qū)塊鏈的一部分，都有資格獲得獎(jiǎng)勵(lì)。計(jì)算加密數(shù)字的第一個(gè)人將因?yàn)樗呐?即消耗的CPU功率和電力)而獲得獎(jiǎng)金。

簡(jiǎn)單想象一下，如果5號(hào)計(jì)算了一個(gè)頁(yè)面的加密數(shù)字，他會(huì)得到一些錢，比如1美元，這些錢是憑空而來(lái)的。換句話說(shuō)，5號(hào)的賬戶余額增加了1美元，而其他人的賬戶余額卻不會(huì)減少。

這就是比特幣存在的方式。這是第一個(gè)在區(qū)塊鏈(分布式帳本)上交易的貨幣。為了保持人們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上繼續(xù)工作的動(dòng)力，人們將獲得作為回報(bào)的比特幣。

當(dāng)一定數(shù)量的人都擁有比特幣時(shí)，比特幣的價(jià)值就會(huì)增長(zhǎng)，那么其他人也會(huì)想購(gòu)買比特幣。這使比特幣的價(jià)格進(jìn)一步增長(zhǎng)，繼而更多的人想購(gòu)買比特幣，比特幣的價(jià)格又會(huì)增長(zhǎng)。

獎(jiǎng)勵(lì)使每個(gè)人都有了繼續(xù)在網(wǎng)絡(luò)上工作的動(dòng)力。

而且，一旦所有人都將頁(yè)面收到他們的文件夾中，他們就會(huì)帶出一個(gè)新的空白頁(yè)面，這個(gè)過程在不停重復(fù)進(jìn)行。

一個(gè)頁(yè)面可以被視為一個(gè)交易塊(區(qū)塊)，而文件夾可以被視為一連串頁(yè)面(區(qū)塊鏈)。

這就是區(qū)塊鏈的工作原理。

除此之外，還有一件小事。

想象一下，這個(gè)文件夾中已經(jīng)有五個(gè)頁(yè)面了——全部用加密數(shù)字進(jìn)行了加密。如果我為了自己的利益回到第二頁(yè)并修改交易，該怎么辦?加密數(shù)字可以讓任何人發(fā)現(xiàn)交易中的不一致性，對(duì)嗎?如果我繼續(xù)為已修改的交易計(jì)算一個(gè)新的加密數(shù)字，并在頁(yè)面上添加這一數(shù)字，該怎么辦呢?

為了防止某人返回并修改頁(yè)面(Block)以及加密數(shù)字，計(jì)算加密數(shù)字的方法有一些小小的改動(dòng)。

加密方式的改進(jìn)

請(qǐng)記住我給出兩個(gè)盒子的目的：一個(gè)盒子存放號(hào)碼20893，另外一個(gè)則為你的計(jì)算預(yù)留空間。實(shí)際上，為了計(jì)算區(qū)塊鏈中的加密數(shù)字，兩個(gè)盒子是不夠的，其實(shí)有三個(gè)盒子：兩個(gè)盒子作為預(yù)填盒子，另外一個(gè)盒子用于計(jì)算。

當(dāng)這三個(gè)盒子所有的內(nèi)容被發(fā)送到機(jī)器時(shí)，從右邊出來(lái)的答案必須滿足要求。

我們已經(jīng)知道，一個(gè)盒子用來(lái)存放交易清單，另一個(gè)盒子用來(lái)存放封印數(shù)字。 第三個(gè)盒子包含魔法機(jī)器的前一頁(yè)輸出結(jié)果。

有了這個(gè)小技巧，我們就能確保每一頁(yè)都依賴于它的前一頁(yè)。 因此，如果有人要修改一個(gè)歷史頁(yè)面，那么他必須改變所有頁(yè)面的內(nèi)容和加密數(shù)字，以保持區(qū)塊鏈上的一致性。

如果我們開始時(shí)想象的十個(gè)人中的一個(gè)人試圖欺騙和修改區(qū)塊鏈(包含交易記錄的頁(yè)面的文件夾)的內(nèi)容，他將不得不調(diào)整幾個(gè)頁(yè)面并計(jì)算新的加密數(shù)字來(lái)加密這些頁(yè)面。我們知道計(jì)算加密數(shù)字有多困難。因此，網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)不誠(chéng)實(shí)的人無(wú)法擊敗九個(gè)誠(chéng)實(shí)的人。

如果一個(gè)不誠(chéng)實(shí)的人試圖在一個(gè)頁(yè)面上做出欺騙行為，那會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)造另一個(gè)鏈條，但是欺騙的鏈條永遠(yuǎn)無(wú)法趕上誠(chéng)實(shí)的鏈條——因?yàn)橐粋€(gè)人的努力和速度無(wú)法擊敗九個(gè)人累積的努力和速度。因此，這個(gè)機(jī)制可以保證網(wǎng)絡(luò)中最長(zhǎng)的鏈?zhǔn)亲钫\(chéng)實(shí)的鏈。

如果，不是一個(gè)人不誠(chéng)實(shí)，而是有六個(gè)人不誠(chéng)實(shí)呢?

在這種情況下，協(xié)議就變得一塌糊涂。它被稱為“51%攻擊”。如果網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)人都變得不誠(chéng)實(shí)，并欺騙網(wǎng)絡(luò)的其余部分，協(xié)議目的就失效了。

如果區(qū)塊鏈會(huì)崩潰，那么這可能就是唯一可能的原因。雖然這種情況不太可能發(fā)生，但是我們必須知道區(qū)塊鏈系統(tǒng)的弱點(diǎn)：它建立在大多數(shù)人群總是誠(chéng)實(shí)的假設(shè)之上。

以上就是“老礦工”關(guān)于區(qū)塊鏈的全部介紹。你看懂了嗎?

原文鏈接：

https://thenextweb.com/contributors/2017/11/01/ultimate-3500-word-plain-english-guide-blockchain/

【本文是51CTO專欄機(jī)構(gòu)大數(shù)據(jù)文摘的原創(chuàng)譯文，微信公眾號(hào)“大數(shù)據(jù)文摘（ id: BigDataDigest）”】

     

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