區塊鏈

TuxedoLinux發表於2018-06-13
區塊鏈

可是，簡單易懂的入門文章卻很少。區塊鏈到底是什麼，有何特別之處，很少有解釋。


下面，我就來嘗試，寫一篇最好懂的區塊鏈教程。畢竟它也不是很難的東西，核心概念非常簡單，幾句話就能說清楚。我希望讀完本文，你不僅可以理解區塊鏈，還會明白什麼是挖礦、為什麼挖礦越來越難等問題。

需要說明的是，我並非這方面的專家。雖然很早就關注，但是仔細地瞭解區塊鏈，還是從今年初開始。文中的錯誤和不準確的地方，歡迎大家指正。

一、區塊鏈的本質

區塊鏈是什麼？一句話，它是一種特殊的分散式資料庫。

首先，區塊鏈的主要作用是儲存資訊。任何需要儲存的資訊，都可以寫入區塊鏈，也可以從裡面讀取，所以它是資料庫。

其次，任何人都可以架設伺服器，加入區塊鏈網路，成為一個節點。區塊鏈的世界裡面，沒有中心節點，每個節點都是平等的，都儲存著整個資料庫。你可以向任何一個節點，寫入/讀取資料，因為所有節點最後都會同步，保證區塊鏈一致。

二、區塊鏈的最大特點

分散式資料庫並非新發明，市場上早有此類產品。但是，區塊鏈有一個革命性特點。

區塊鏈沒有管理員，它是徹底無中心的。其他的資料庫都有管理員，但是區塊鏈沒有。如果有人想對區塊鏈新增稽核，也實現不了，因為它的設計目標就是防止出現居於中心地位的管理當局。

正是因為無法管理，區塊鏈才能做到無法被控制。否則一旦大公司大集團控制了管理權，他們就會控制整個平臺，其他使用者就都必須聽命於他們了。

但是，沒有了管理員，人人都可以往裡面寫入資料，怎麼才能保證資料是可信的呢？被壞人改了怎麼辦？請接著往下讀，這就是區塊鏈奇妙的地方。

三、區塊

區塊鏈由一個個區塊（block）組成。區塊很像資料庫的記錄，每次寫入資料，就是建立一個區塊。

每個區塊包含兩個部分。

  • 區塊頭（Head）：記錄當前區塊的特徵值
  • 區塊體（Body）：實際資料

區塊頭包含了當前區塊的多項特徵值。

  • 生成時間
  • 實際資料（即區塊體）的雜湊
  • 上一個區塊的雜湊
  • ...

這裡，你需要理解什麼叫雜湊（hash），這是理解區塊鏈必需的。

所謂"雜湊"就是計算機可以對任意內容，計算出一個長度相同的特徵值。區塊鏈的 雜湊長度是256位，這就是說，不管原始內容是什麼，最後都會計算出一個256位的二進位制數字。而且可以保證，只要原始內容不同，對應的雜湊一定是不同的。

舉例來說，字串123的雜湊是a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0（十六進位制），轉成二進位制就是256位，而且只有123能得到這個雜湊。（理論上，其他字串也有可能得到這個雜湊，但是概率極低，可以近似認為不可能發生。）

因此，就有兩個重要的推論。

  • 推論1：每個區塊的雜湊都是不一樣的，可以通過雜湊標識區塊。
  • 推論2：如果區塊的內容變了，它的雜湊一定會改變。

四、 Hash 的不可修改性

區塊與雜湊是一一對應的，每個區塊的雜湊都是針對"區塊頭"（Head）計算的。也就是說，把區塊頭的各項特徵值，按照順序連線在一起，組成一個很長的字串，再對這個字串計算雜湊。

Hash = SHA256( 區塊頭 )

上面就是區塊雜湊的計算公式，SHA256是區塊鏈的雜湊演算法。注意，這個公式裡面只包含區塊頭，不包含區塊體，也就是說，雜湊由區塊頭唯一決定，

前面說過，區塊頭包含很多內容，其中有當前區塊體的雜湊，還有上一個區塊的雜湊。這意味著，如果當前區塊體的內容變了，或者上一個區塊的雜湊變了，一定會引起當前區塊的雜湊改變。

這一點對區塊鏈有重大意義。如果有人修改了一個區塊，該區塊的雜湊就變了。為了讓後面的區塊還能連到它（因為下一個區塊包含上一個區塊的雜湊），該人必須依次修改後面所有的區塊，否則被改掉的區塊就脫離區塊鏈了。由於後面要提到的原因，雜湊的計算很耗時，短時間內修改多個區塊幾乎不可能發生，除非有人掌握了全網51%以上的計算能力。

正是通過這種聯動機制，區塊鏈保證了自身的可靠性，資料一旦寫入，就無法被篡改。這就像歷史一樣，發生了就是發生了，從此再無法改變。

每個區塊都連著上一個區塊，這也是"區塊鏈"這個名字的由來。

五、採礦

由於必須保證節點之間的同步，所以新區塊的新增速度不能太快。試想一下，你剛剛同步了一個區塊，準備基於它生成下一個區塊，但這時別的節點又有新區塊生成，你不得不放棄做了一半的計算，再次去同步。因為每個區塊的後面，只能跟著一個區塊，你永遠只能在最新區塊的後面，生成下一個區塊。所以，你別無選擇，一聽到訊號，就必須立刻同步。

所以，區塊鏈的發明者中本聰（這是假名，真實身份至今未知）故意讓新增新區塊，變得很困難。他的設計是，平均每10分鐘，全網才能生成一個新區塊，一小時也就六個。

這種產出速度不是通過命令達成的，而是故意設定了海量的計算。也就是說，只有通過極其大量的計算，才能得到當前區塊的有效雜湊，從而把新區塊新增到區塊鏈。由於計算量太大，所以快不起來。

這個過程就叫做採礦（mining），因為計算有效雜湊的難度，好比在全世界的沙子裡面，找到一粒符合條件的沙子。計算雜湊的機器就叫做礦機，操作礦機的人就叫做礦工。


六、難度係數

讀到這裡，你可能會有一個疑問，人們都說採礦很難，可是採礦不就是用計算機算出一個雜湊嗎，這正是計算機的強項啊，怎麼會變得很難，遲遲算不出來呢？

原來不是任意一個雜湊都可以，只有滿足條件的雜湊才會被區塊連結受。這個條件特別苛刻，使得絕大部分雜湊都不滿足要求，必須重算。

原來，區塊頭包含一個難度係數（difficulty），這個值決定了計算雜湊的難度。舉例來說，第100000個區塊的難度係數是 14484.16236122。

區塊鏈協議規定，使用一個常量除以難度係數，可以得到目標值（target）。顯然，難度係數越大，目標值就越小。

雜湊的有效性跟目標值密切相關，只有小於目標值的雜湊才是有效的，否則雜湊無效，必須重算。由於目標值非常小，雜湊小於該值的機會極其渺茫，可能計算10億次，才算中一次。這就是採礦如此之慢的根本原因。

前面說過，當前區塊的雜湊由區塊頭唯一決定。如果要對同一個區塊反覆計算雜湊，就意味著，區塊頭必須不停地變化，否則不可能算出不一樣的雜湊。區塊頭裡面所有的特徵值都是固定的，為了讓區塊頭產生變化，中本聰故意增加了一個隨機項，叫做 Nonce。

Nonce 是一個隨機值，礦工的作用其實就是猜出 Nonce 的值，使得區塊頭的雜湊可以小於目標值，從而能夠寫入區塊鏈。Nonce 是非常難猜的，目前只能通過窮舉法一個個試錯。根據協議，Nonce 是一個32位的二進位制值，即最大可以到21.47億。第 100000 個區塊的 Nonce 值是274148111，可以理解成，礦工從0開始，一直計算了 2.74 億次，才得到了一個有效的 Nonce 值，使得算出的雜湊能夠滿足條件。

運氣好的話，也許一會就找到了 Nonce。運氣不好的話，可能算完了21.47億次，都沒有發現 Nonce，即當前區塊體不可能算出滿足條件的雜湊。這時，協議允許礦工改變區塊體，開始新的計算。

七、難度係數的動態調節

正如上一節所說，採礦具有隨機性，沒法保證正好十分鐘產出一個區塊，有時一分鐘就算出來了，有時幾個小時可能也沒結果。總體來看，隨著硬體裝置的提升，以及礦機的數量增長，計算速度一定會越來越快。

為了將產出速率恆定在十分鐘，中本聰還設計了難度係數的動態調節機制。他規定，難度係數每兩週（2016個區塊）調整一次。如果這兩週裡面，區塊的平均生成速度是9分鐘，就意味著比法定速度快了10%，因此接下來的難度係數就要調高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%，因此接下來的難度係數就要調低10%。

難度係數越調越高（目標值越來越小），導致了採礦越來越難。

八、區塊鏈的分叉

即使區塊鏈是可靠的，現在還有一個問題沒有解決：如果兩個人同時向區塊鏈寫入資料，也就是說，同時有兩個區塊加入，因為它們都連著前一個區塊，就形成了分叉。這時應該採納哪一個區塊呢？

現在的規則是，新節點總是採用最長的那條區塊鏈。如果區塊鏈有分叉，將看哪個分支在分叉點後面，先達到6個新區塊（稱為"六次確認"）。按照10分鐘一個區塊計算，一小時就可以確認。

由於新區塊的生成速度由計算能力決定，所以這條規則就是說，擁有大多數計算能力的那條分支，就是正宗的區塊鏈。

九、總結

區塊鏈作為無人管理的分散式資料庫，從2009年開始已經執行了8年，沒有出現大的問題。這證明它是可行的。

但是，為了保證資料的可靠性，區塊鏈也有自己的代價。一是效率，資料寫入區塊鏈，最少要等待十分鐘，所有節點都同步資料，則需要更多的時間；二是能耗，區塊的生成需要礦工進行無數無意義的計算，這是非常耗費能源的。

因此，區塊鏈的適用場景，其實非常有限。

  1. 不存在所有成員都信任的管理當局
  2. 寫入的資料不要求實時使用
  3. 挖礦的收益能夠彌補本身的成本

如果無法滿足上述的條件，那麼傳統的資料庫是更好的解決方案。

目前，區塊鏈最大的應用場景（可能也是唯一的應用場景），就是以比特幣為代表的加密貨幣。下一篇文章，我將會介紹比特幣的入門知識。

十、參考連結

（完）

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