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 紫霞仙子：聽說你最近在學(xué)區(qū)塊鏈，給我講講唄~

一、用大白話說下什么是區(qū)塊鏈?

1.我是至尊寶，我愛紫霞仙子你，在這個(gè)時(shí)間，這個(gè)地點(diǎn)，我對(duì)紫霞你說：至尊寶愛紫霞一萬(wàn)年。

2.現(xiàn)在我把這句話寫在了紙上：

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3.但是如果我把這張紙交給紫霞你，你又怕我反悔。而如果我把這張紙交給月老，我又怕月老可能會(huì)修改內(nèi)容，而改成只愛你一年。

4.我為了防止類似事情發(fā)生，就把這些這愛情真言，告訴了師父、二師弟悟能、三師弟悟凈、白龍馬、牛魔王等認(rèn)識(shí)的人，他們都幫我們記錄了這些信息。

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5.目前這份信息現(xiàn)在是安全的，我無(wú)法抵賴，我會(huì)愛你一萬(wàn)年。

6.為了表達(dá)對(duì)他們幫忙記錄信息的感謝，我給他們每個(gè)人發(fā)了一個(gè)紅包。

7.而那些幫我們記錄的人就稱作節(jié)點(diǎn)。

8.而至尊寶愛紫霞一萬(wàn)年這句話+時(shí)間+地點(diǎn)這些信息，打包起來(lái)就形成了一個(gè)信息包，也就是區(qū)塊鏈中的區(qū)塊。而多個(gè)區(qū)塊連在一起就是區(qū)塊鏈。

9.去中心化就是不需要月老來(lái)統(tǒng)一記錄這些信息。

10.娶親當(dāng)天，我答應(yīng)了紫霞三個(gè)條件，又需要去記錄了，而師父和師弟他們很忙，不想浪費(fèi)時(shí)間在記錄上面，所以決定選一個(gè)人來(lái)幫助大家記錄這些信息。

12.選誰(shuí)來(lái)記錄呢?會(huì)不會(huì)不安全呢?那就來(lái)個(gè)很難的算數(shù)題吧，誰(shuí)能算出來(lái)，就給誰(shuí)來(lái)記錄，我還會(huì)給記錄的人一個(gè)大紅包，也就是比特幣。而做出算數(shù)題就稱作工作量證明。

13.而這個(gè)記錄的人就被稱作礦工。礦工們不斷算題，爭(zhēng)奪信息記錄的權(quán)利。從而獲得信息記錄的獎(jiǎng)勵(lì)。

二、什么是區(qū)塊鏈?

區(qū)塊鏈的英文是 Block Chain，它的技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展跟比特幣有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。

• 因比特幣的火熱，區(qū)塊鏈技術(shù)被世人所知。比特幣是區(qū)塊鏈技術(shù)最成功最成熟的應(yīng)用案例。
• 區(qū)塊鏈技術(shù)作為構(gòu)建比特幣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及交易體系的基礎(chǔ)技術(shù)。
• 區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)由一串使用密碼學(xué)方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)區(qū)塊有序鏈接而成，而區(qū)塊中包含有一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的無(wú)法被篡改的數(shù)據(jù)記錄信息。
• 區(qū)塊鏈由多種技術(shù)整合：密碼學(xué)、數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)科學(xué)等。這些技術(shù)以特定方式組合在一起，形成了一種新的去中心化數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)體系。而每個(gè)區(qū)塊上又打上了時(shí)間戳，形成了前后關(guān)聯(lián)且連續(xù)的誠(chéng)實(shí)數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

三、為什么要有區(qū)塊鏈?

區(qū)塊鏈解決了以下兩個(gè)問題：

交易確認(rèn)和資金清算問題

現(xiàn)實(shí)社會(huì)中各種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)涉及資金清算的，除了直接的現(xiàn)金交易外，都需要當(dāng)事人執(zhí)行以下步驟：

• 在銀行等機(jī)構(gòu)開立賬戶。
• 通過開戶機(jī)構(gòu)進(jìn)行資金清算。

但由于公民有多個(gè)開戶機(jī)構(gòu)的賬戶，甚至還有跨國(guó)賬戶，而當(dāng)事人的交易必須通過開戶機(jī)構(gòu)之間的清算才能完成。嚴(yán)重影響了交易確認(rèn)和資金清算的效率和成本。

中心化問題

傳統(tǒng)的信用建立是靠很多的中心，譬如央行、商業(yè)銀行，還有法院、經(jīng)濟(jì)警察等。但帶來(lái)的問題就是成本過高。

而且我們存的錢都是銀行管控的，如果銀行倒閉了，那存的錢可能就沒有意義了。

四、什么是比特幣?

• 比特幣由中本聰在 2008 年發(fā)表的論文《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)中》首次提出。
• 比特幣是一種虛擬的加密數(shù)字貨幣，去中心化的支付系統(tǒng)。不依賴特定的貨幣機(jī)構(gòu)發(fā)行，不受央行和任何金融機(jī)構(gòu)控制。
• 根據(jù)特定算法，通過大量的計(jì)算產(chǎn)生。
• 通過計(jì)算得到的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)最開始是 50 個(gè)比特幣，每隔大約 10 分鐘，下一批 50 個(gè)比特幣產(chǎn)生?？偭窟_(dá)到 1050 萬(wàn)(2100 萬(wàn)的 50%)時(shí)，獎(jiǎng)勵(lì)減半為 25 個(gè)。每隔 4 年，獎(jiǎng)勵(lì)減半，總量最多為 2100萬(wàn)。
• 比特幣可以通過挖礦獲得，也可以通過交易購(gòu)買獲得。

下圖總結(jié)了普通貨幣和比特幣的區(qū)別：

普通貨幣和比特幣的區(qū)別

五、區(qū)塊內(nèi)包含什么?

區(qū)塊鏈的區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成。

區(qū)塊頭：由上一個(gè)區(qū)塊的哈希值、區(qū)塊體的哈希值、4 字節(jié)的隨機(jī)數(shù)、時(shí)間戳等組成。固定 80個(gè)字節(jié)。

區(qū)塊體：區(qū)塊包含的交易數(shù)據(jù)，其中第一筆交易是 CoinBase 交易，這個(gè)是一筆激勵(lì)礦工的特殊交易。

區(qū)塊內(nèi)包含什么

六、區(qū)塊鏈的特性有哪些?

去中心化

區(qū)塊鏈不依賴中央處理節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布式記錄、存儲(chǔ)和更新。

每個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)都必須遵循同一個(gè)規(guī)則，而該規(guī)則基于密碼算法而非信用，每次數(shù)據(jù)更新都需要網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他用戶的批準(zhǔn)，所以不需要一套第三方中介機(jī)構(gòu)或信任機(jī)構(gòu)背書。

傳統(tǒng)中心化網(wǎng)絡(luò)中，如果中心被攻擊了，則會(huì)破壞整個(gè)系統(tǒng)。

透明性

讀和寫數(shù)據(jù)記錄對(duì)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是透明的。區(qū)塊鏈?zhǔn)褂瞄_源的程序、開放的規(guī)則和高參與度，可被全網(wǎng)審查、追溯。

開放性

除了被加密的私有信息外，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)對(duì)所有人公開(特殊區(qū)塊鏈系統(tǒng)除外)。

任何人都可以通過公開的接口查詢記錄。

自治性

整個(gè)系統(tǒng)可自由安全地交換數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)。

信息不可篡改

信息一旦經(jīng)過驗(yàn)證并添加至區(qū)塊鏈后，就會(huì)得到永久存儲(chǔ)，無(wú)法更改。

除非能夠同時(shí)控制系統(tǒng)中超過 51%的節(jié)點(diǎn)，否則單個(gè)節(jié)點(diǎn)上對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改是無(wú)效的。

匿名性

交易的雙方都是匿名的情況下進(jìn)行，無(wú)須通過公開身份來(lái)讓對(duì)方產(chǎn)生信任。

七、什么是挖礦?

礦指比特幣。

挖礦指挖比特幣。挖礦的過程其實(shí)就是解決復(fù)雜的密碼學(xué)問題。

礦工指運(yùn)用挖礦設(shè)備(比如CPU、GPU 等有計(jì)算能力的設(shè)備)來(lái)進(jìn)行挖礦的人。而作為對(duì)他們服務(wù)的獎(jiǎng)勵(lì)，礦工可以得到他們所確認(rèn)的交易中包含的手續(xù)費(fèi)，以及新產(chǎn)生的比特幣。

礦池指大家聯(lián)合挖礦設(shè)備一起來(lái)挖礦，算力集中的地方。

而怎么才算挖到比特幣呢?這個(gè)就牽扯到工作量證明了。

八、什么是工作量證明?

工作量證明的英文是 Proof of Work，簡(jiǎn)稱 PoW。

在現(xiàn)實(shí)生活中，也有工作量證明這一說法：比如大學(xué)的學(xué)位證、畢業(yè)證，就是證明大學(xué)期間通過 4 年的努力完成了相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，別說你沒努力就拿到了證書，汗。

也就是說工作量證明就是通過指定的結(jié)果，來(lái)證明自己做過了一定量的工作。而在區(qū)塊鏈中，這個(gè)工作就是哈希運(yùn)算。

區(qū)塊鏈中節(jié)點(diǎn)通過哈希運(yùn)算得到符合條件的哈希值，來(lái)證明工作量。而這個(gè)過程一個(gè)隨機(jī)數(shù)的查找過程，俗稱挖礦。

找到符合條件的隨機(jī)數(shù)的方法是不停地隨機(jī)試探，直到搜索到一個(gè)有效的數(shù)。而這個(gè)隨機(jī)數(shù)是由 N 個(gè)前導(dǎo)零構(gòu)成，零的個(gè)數(shù)取決于網(wǎng)絡(luò)的難度值。比如以下的隨機(jī)數(shù)由四個(gè)前導(dǎo)零構(gòu)成。

0000ec5927ba10ea45a6822dcc205050ae74ae1ad2d9d41e978e1ec9762dc404 

工作量證明的三要素如圖所示：

工作量證明的三要素

輸入：擁有 80 字節(jié)固定長(zhǎng)度的區(qū)塊頭。

算法：雙重 SHA 256 哈希運(yùn)算。也就是對(duì) SHA256 哈希運(yùn)算的結(jié)果，再執(zhí)行一次哈希運(yùn)算。

條件：計(jì)算出的哈希值，只有小于目標(biāo)值，才是有效的，否則無(wú)效，必須重算。

九、區(qū)塊鏈的工作原理?

計(jì)算出符合條件的哈希值后，然后怎么處理呢?

礦工就把這個(gè)哈希值的信息廣播給集群中的所有其他節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)就進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后，就會(huì)把之前那個(gè)礦工的區(qū)塊加入到自己的區(qū)塊鏈中，最終形成一串區(qū)塊鏈。詳細(xì)步驟如下：

區(qū)塊鏈工作原理

1.節(jié)點(diǎn)將新的數(shù)據(jù)記錄向全網(wǎng)進(jìn)行廣播。

2.接收節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的數(shù)據(jù)記錄信息進(jìn)行合法性校驗(yàn)，如果有效，則將數(shù)據(jù)記錄納入一個(gè)區(qū)塊中。

3.接收節(jié)點(diǎn)對(duì)區(qū)塊執(zhí)行共識(shí)算法。

4.共識(shí)達(dá)成后，區(qū)塊被納入節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊中進(jìn)行延長(zhǎng)。

最后形成的區(qū)塊鏈就是如下圖所示：

區(qū)塊鏈長(zhǎng)什么樣

十、怎么攻擊區(qū)塊鏈?

計(jì)算哈希值完全依賴硬件的算力，算力越強(qiáng)，算出哈希值的概率越高，時(shí)間越短。

也就是說如果有壞人掌握了 51 % 的算力，就可以發(fā)起 51 % 的攻擊，比如雙花攻擊(Double Spending)。也就是同一份錢花了 2 次。

如果攻擊者掌握了較多的算力，就能挖掘出一條原鏈更長(zhǎng)的攻擊鏈。然后又將攻擊鏈向全網(wǎng)廣播。而節(jié)點(diǎn)按照約定會(huì)接受更長(zhǎng)的鏈，也就是會(huì)接受攻擊鏈，丟棄原鏈。如下圖所示：

攻擊區(qū)塊鏈

攻擊鏈?zhǔn)羌t色那一條，比原鏈分支多一個(gè)區(qū)塊，被系統(tǒng)接受，稱為有效的鏈，而原鏈就被廢棄了。

十一、區(qū)塊鏈的缺點(diǎn)

區(qū)塊鏈體積過大

區(qū)塊鏈不斷地發(fā)展，節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)體積會(huì)越來(lái)越大，存儲(chǔ)和計(jì)算負(fù)擔(dān)將會(huì)越來(lái)越重。比如現(xiàn)在的比特幣區(qū)塊鏈，完整數(shù)據(jù)已經(jīng)超過 60 GB，如果用比特幣客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)同步的話，至少三天三夜。

數(shù)據(jù)確認(rèn)時(shí)間過長(zhǎng)

比特幣交易的一次確認(rèn)時(shí)間大約是 10 分鐘，而完成 6 次確認(rèn)的時(shí)間是 1 小時(shí)。需要等待 1 個(gè)小時(shí)才能完成確認(rèn)。

交易頻率過低

比特幣每秒最高處理 6.67 筆交易。怎么算的呢?

每條交易大約 250 個(gè)字節(jié)，區(qū)塊大小假定限制在 1 MB，可以容納的交易數(shù)據(jù)量為 4000 條。每 10 分鐘產(chǎn)生一個(gè)區(qū)塊，每天可以產(chǎn)生 144 個(gè)區(qū)塊，可以交易 144 * 4000 = 576000 條交易，然后除以每天的總秒數(shù) 86400，也就是 576000 / 864400 ≈ 6.67。

目前需要解決擴(kuò)容問題才能突破這個(gè)瓶頸。

受到現(xiàn)行制度的制約

目前監(jiān)管部門對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)缺乏充分的認(rèn)識(shí)和預(yù)期，法律和制度建立可能會(huì)滯后，也缺乏必要的制度規(guī)范和法律保護(hù)，加大了時(shí)長(zhǎng)主題的風(fēng)險(xiǎn)。

十二、區(qū)塊鏈的應(yīng)用

• 物聯(lián)網(wǎng)。傳統(tǒng)的物聯(lián)模式是由一個(gè)數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)收集各連接的設(shè)備信息，成本很高。而利用區(qū)塊鏈?zhǔn)惯@些設(shè)備連在一起形成一個(gè)可持續(xù)運(yùn)行的分布式網(wǎng)絡(luò)。各設(shè)備可自行發(fā)送更換零配件的訂單，甚至還能和其他設(shè)備進(jìn)行電源競(jìng)價(jià)，使用戶家庭能源消耗最小化。
• 保險(xiǎn)。傳統(tǒng)的保險(xiǎn)模式是通過投保人申請(qǐng)理賠的方式。而如果用區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)，保險(xiǎn)公司無(wú)需等待投保人申請(qǐng)理賠，就能主動(dòng)進(jìn)行賠付。
• 醫(yī)療。現(xiàn)在醫(yī)院都改用電子病歷了，但是存儲(chǔ)信息是在醫(yī)院處，這就是一個(gè)中心化的問題，而帶來(lái)了醫(yī)患糾紛問題和安全性問題。如果用區(qū)塊鏈技術(shù)，則病歷信息不可篡改和高強(qiáng)度保密。

總結(jié)

本文用一個(gè)故事開頭，大白話講解了區(qū)塊鏈的概念，然后用 11 個(gè)核心問題來(lái)理清區(qū)塊鏈中大家常關(guān)心的問題。本文既是一篇科普文章，也是一篇原理性文章，對(duì)于原理性的問題，我都用圖解的方式來(lái)講解，相信會(huì)較容易理解一點(diǎn)。區(qū)塊鏈跟分布式聯(lián)系緊密，比如區(qū)塊鏈中用到 PoW 算法，拜占庭容錯(cuò)，都是充分利用分布式特性。學(xué)習(xí)區(qū)塊鏈的過程也是學(xué)習(xí)分布式的過程。

巨人的肩膀：

《分布式協(xié)議與算法實(shí)戰(zhàn)》

《區(qū)塊鏈：從數(shù)字貨幣到信用社會(huì)》

https://zhuanlan.zhihu.com/p/267270739

https://www.zhihu.com/question/268487023

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