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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，在這個時間，這個地點，我對紫霞你說：至尊寶愛紫霞一萬年。

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，我無法抵賴，我會愛你一萬年。

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

7.而那些幫我們記錄的人就稱作節(jié)點。

8.而至尊寶愛紫霞一萬年這句話+時間+地點這些信息，打包起來就形成了一個信息包，也就是區(qū)塊鏈中的區(qū)塊。而多個區(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統(tǒng)一記錄這些信息。

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

12.選誰來記錄呢?會不會不安全呢?那就來個很難的算數(shù)題吧，誰能算出來，就給誰來記錄，我還會給記錄的人一個大紅包，也就是比特幣。而做出算數(shù)題就稱作工作量證明。

13.而這個記錄的人就被稱作礦工。礦工們不斷算題，爭奪信息記錄的權(quán)利。從而獲得信息記錄的獎勵。

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€去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫，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)塊中包含有一定時間內(nèi)產(chǎn)生的無法被篡改的數(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)記錄與存儲體系。而每個區(qū)塊上又打上了時間戳，形成了前后關(guān)聯(lián)且連續(xù)的誠實數(shù)據(jù)記錄存儲結(jié)構(gòu)。

三、為什么要有區(qū)塊鏈?

區(qū)塊鏈解決了以下兩個問題：

交易確認(rèn)和資金清算問題

現(xiàn)實社會中各種經(jīng)濟活動涉及資金清算的，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：

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

但由于公民有多個開戶機構(gòu)的賬戶，甚至還有跨國賬戶，而當(dāng)事人的交易必須通過開戶機構(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)濟警察等。但帶來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：一種點對點的電子現(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構(gòu)發(fā)行，不受央行和任何金融機構(gòu)控制。
• 根據(jù)特定算法，通過大量的計算產(chǎn)生。
• 通過計算得到的區(qū)塊獎勵最開始是 50 個比特幣，每隔大約 10 分鐘，下一批 50 個比特幣產(chǎn)生。總量達(dá)到 1050 萬(2100 萬的 50%)時，獎勵減半為 25 個。每隔 4 年，獎勵減半，總量最多為 2100萬。
• 比特幣可以通過挖礦獲得，也可以通過交易購買獲得。

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：由上一個區(qū)塊的哈希值、區(qū)塊體的哈希值、4 字節(jié)的隨機數(shù)、時間戳等組成。固定 80個字節(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，這個是一筆激勵礦工的特殊交易。

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，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布式記錄、存儲和更新。

每個區(qū)塊鏈節(jié)點都必須遵循同一個規(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構(gòu)或信任機構(gòu)背書。

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

透明性

讀和寫數(shù)據(jù)記錄對全網(wǎng)節(jié)點是透明的。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)過驗證并添加至區(qū)塊鏈后，就會得到永久存儲，無法更改。

除非能夠同時控制系統(tǒng)中超過 51%的節(jié)點，否則單個節(jié)點上對數(shù)據(jù)庫的修改是無效的。

匿名性

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

七、什么是挖礦?

礦指比特幣。

挖礦指挖比特幣。挖礦的過程其實就是解決復(fù)雜的密碼學(xué)問題。

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

礦池指大家聯(lián)合挖礦設(shè)備一起來挖礦，算力集中的地方。

而怎么才算挖到比特幣呢?這個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，簡稱 PoW。

在現(xiàn)實生活中，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，來證明自己做過了一定量的工作。而在區(qū)塊鏈中，這個工作就是哈希運算。

區(qū)塊鏈中節(jié)點通過哈希運算得到符合條件的哈希值，來證明工作量。而這個過程一個隨機數(shù)的查找過程，俗稱挖礦。

找到符合條件的隨機數(shù)的方法是不停地隨機試探，直到搜索到一個有效的數(shù)。而這個隨機數(shù)是由 N 個前導(dǎo)零構(gòu)成，零的個數(shù)取決于網(wǎng)絡(luò)的難度值。比如以下的隨機數(shù)由四個前導(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)固定長度的區(qū)塊頭。

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

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

九、區(qū)塊鏈的工作原理?

計算出符合條件的哈希值后，然后怎么處理呢?

礦工就把這個哈希值的信息廣播給集群中的所有其他節(jié)點，其他節(jié)點就進(jìn)行驗證，驗證通過后，就會把之前那個礦工的區(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)點將新的數(shù)據(jù)記錄向全網(wǎng)進(jìn)行廣播。

2.接收節(jié)點對收到的數(shù)據(jù)記錄信息進(jìn)行合法性校驗，如果有效，則將數(shù)據(jù)記錄納入一個區(qū)塊中。

3.接收節(jié)點對區(qū)塊執(zhí)行共識算法。

4.共識達(dá)成后，區(qū)塊被納入節(jié)點的區(qū)塊中進(jìn)行延長。

最后形成的區(qū)塊鏈就是如下圖所示：

區(qū)塊鏈長什么樣

十、怎么攻擊區(qū)塊鏈?

計算哈希值完全依賴硬件的算力，算力越強，算出哈希值的概率越高，時間越短。

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的攻擊鏈。然后又將攻擊鏈向全網(wǎng)廣播。而節(jié)點按照約定會接受更長的鏈，也就是會接受攻擊鏈，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

區(qū)塊鏈體積過大

區(qū)塊鏈不斷地發(fā)展，節(jié)點存儲的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)體積會越來越大，存儲和計算負(fù)擔(dān)將會越來越重。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)時間過長

比特幣交易的一次確認(rèn)時間大約是 10 分鐘，而完成 6 次確認(rèn)的時間是 1 小時。需要等待 1 個小時才能完成確認(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)生一個區(qū)塊，每天可以產(chǎn)生 144 個區(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。

目前需要解決擴容問題才能突破這個瓶頸。

受到現(xiàn)行制度的制約

目前監(jiān)管部門對這項新技術(shù)缺乏充分的認(rèn)識和預(yù)期，法律和制度建立可能會滯后，也缺乏必要的制度規(guī)范和法律保護(hù)，加大了時長主題的風(fēng)險。

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可持續(xù)運行的分布式網(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)行電源競價，使用戶家庭能源消耗最小化。
• 保險。傳統(tǒng)的保險模式是通過投保人申請理賠的方式。而如果用區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)，保險公司無需等待投保人申請理賠，就能主動進(jìn)行賠付。
• 醫(yī)療。現(xiàn)在醫(yī)院都改用電子病歷了，但是存儲信息是在醫(yī)院處，這就是一個中心化的問題，而帶來了醫(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度保密。

總結(jié)

本文用一個故事開頭，大白話講解了區(qū)塊鏈的概念，然后用 11 個核心問題來理清區(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，對于原理性的問題，我都用圖解的方式來講解，相信會較容易理解一點。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，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)議與算法實戰(zhàn)》

《區(qū)塊鏈：從數(shù)字貨幣到信用社會》

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

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

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