一文带你最简单易懂的了解区块链原理

POOPE

　　区块链（blockchain）是眼下的大热门，新闻媒体大量报道，宣称它将创造未来。
　　可是，简单易懂的入门文章却很少。区块链到底是什么，有何特别之处，很少有解释。

　　下面，我就来尝试，写一篇最好懂的区块链教程。毕竟它也不是很难的东西，核心概念非常简单，几句话就能说清楚。我希望读完本文，你不仅可以理解区块链，还会明白什么是挖矿、为什么挖矿越来越难等问题。
　　需要说明的是，我并非这方面的专家。虽然很早就关注，但是仔细地了解区块链，还是从今年初开始。文中的错误和不准确的地方，欢迎大家指正。

一、区块链的本质
　　区块链是什么？一句话，它是一种特殊的分布式数据库。

　　首先，区块链的主要作用是储存信息。任何需要保存的信息，都可以写入区块链，也可以从里面读取，所以它是数据库。
　　其次，任何人都可以架设服务器，加入区块链网络，成为一个节点。区块链的世界里面，没有中心节点，每个节点都是平等的，都保存着整个数据库。你可以向任何一个节点，写入/读取数据，因为所有节点最后都会同步，保证区块链一致。

二、区块链的最大特点
　　分布式数据库并非新发明，市场上早有此类产品。但是，区块链有一个革命性特点。
　　区块链没有管理员，它是彻底无中心的。其他的数据库都有管理员，但是区块链没有。如果有人想对区块链添加审核，也实现不了，因为它的设计目标就是防止出现居于中心地位的管理当局。
　　正是因为无法管理，区块链才能做到无法被控制。否则一旦大公司大集团控制了管理权，他们就会控制整个平台，其他使用者就都必须听命于他们了。
　　但是，没有了管理员，人人都可以往里面写入数据，怎么才能保证数据是可信的呢？被坏人改了怎么办？请接着往下读，这就是区块链奇妙的地方。

三、区块
　　区块链由一个个区块（block）组成。区块很像数据库的记录，每次写入数据，就是创建一个区块。

　　每个区块包含两个部分。

• 区块头（Head）：记录当前区块的特征值
  
• 区块体（Body）：实际数据
  

　　区块头包含了当前区块的多项特征值。

• 生成时间
  
• 实际数据（即区块体）的哈希
  
• 上一个区块的哈希
  
• ...
  

　　这里，你需要理解什么叫哈希（hash），这是理解区块链必需的。

　　所谓"哈希"就是计算机可以对任意内容，计算出一个长度相同的特征值。区块链的 哈希长度是256位，这就是说，不管原始内容是什么，最后都会计算出一个256位的二进制数字。而且可以保证，只要原始内容不同，对应的哈希一定是不同的。
　　举例来说，字符串123的哈希是a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0（十六进制），转成二进制就是256位，而且只有123能得到这个哈希。（理论上，其他字符串也有可能得到这个哈希，但是概率极低，可以近似认为不可能发生。）
　　因此，就有两个重要的推论。

• 推论1：每个区块的哈希都是不一样的，可以通过哈希标识区块。
  
• 推论2：如果区块的内容变了，它的哈希一定会改变。
  

四、 Hash 的不可修改性
　　区块与哈希是一一对应的，每个区块的哈希都是针对"区块头"（Head）计算的。也就是说，把区块头的各项特征值，按照顺序连接在一起，组成一个很长的字符串，再对这个字符串计算哈希。

　　Hash = SHA256( 区块头 )

　　上面就是区块哈希的计算公式，SHA256是区块链的哈希算法。注意，这个公式里面只包含区块头，不包含区块体，也就是说，哈希由区块头唯一决定，
　　前面说过，区块头包含很多内容，其中有当前区块体的哈希，还有上一个区块的哈希。这意味着，如果当前区块体的内容变了，或者上一个区块的哈希变了，一定会引起当前区块的哈希改变。
　　这一点对区块链有重大意义。如果有人修改了一个区块，该区块的哈希就变了。为了让后面的区块还能连到它（因为下一个区块包含上一个区块的哈希），该人必须依次修改后面所有的区块，否则被改掉的区块就脱离区块链了。由于后面要提到的原因，哈希的计算很耗时，短时间内修改多个区块几乎不可能发生，除非有人掌握了全网51%以上的计算能力。
　　正是通过这种联动机制，区块链保证了自身的可靠性，数据一旦写入，就无法被篡改。这就像历史一样，发生了就是发生了，从此再无法改变。

　　每个区块都连着上一个区块，这也是"区块链"这个名字的由来。

五、采矿
　　由于必须保证节点之间的同步，所以新区块的添加速度不能太快。试想一下，你刚刚同步了一个区块，准备基于它生成下一个区块，但这时别的节点又有新区块生成，你不得不放弃做了一半的计算，再次去同步。因为每个区块的后面，只能跟着一个区块，你永远只能在最新区块的后面，生成下一个区块。所以，你别无选择，一听到信号，就必须立刻同步。
　　所以，区块链的发明者中本聪（这是假名，真实身份至今未知）故意让添加新区块，变得很困难。他的设计是，平均每10分钟，全网才能生成一个新区块，一小时也就六个。
　　这种产出速度不是通过命令达成的，而是故意设置了海量的计算。也就是说，只有通过极其大量的计算，才能得到当前区块的有效哈希，从而把新区块添加到区块链。由于计算量太大，所以快不起来。
　　这个过程就叫做采矿（mining），因为计算有效哈希的难度，好比在全世界的沙子里面，找到一粒符合条件的沙子。计算哈希的机器就叫做矿机，操作矿机的人就叫做矿工。

六、难度系数
　　读到这里，你可能会有一个疑问，人们都说采矿很难，可是采矿不就是用计算机算出一个哈希吗，这正是计算机的强项啊，怎么会变得很难，迟迟算不出来呢？
　　原来不是任意一个哈希都可以，只有满足条件的哈希才会被区块链接受。这个条件特别苛刻，使得绝大部分哈希都不满足要求，必须重算。
　　原来，区块头包含一个难度系数（difficulty），这个值决定了计算哈希的难度。举例来说，第100000个区块的难度系数是 14484.16236122。

　　区块链协议规定，使用一个常量除以难度系数，可以得到目标值（target）。显然，难度系数越大，目标值就越小。

　　哈希的有效性跟目标值密切相关，只有小于目标值的哈希才是有效的，否则哈希无效，必须重算。由于目标值非常小，哈希小于该值的机会极其渺茫，可能计算10亿次，才算中一次。这就是采矿如此之慢的根本原因。
　　前面说过，当前区块的哈希由区块头唯一决定。如果要对同一个区块反复计算哈希，就意味着，区块头必须不停地变化，否则不可能算出不一样的哈希。区块头里面所有的特征值都是固定的，为了让区块头产生变化，中本聪故意增加了一个随机项，叫做 Nonce。
　　Nonce 是一个随机值，矿工的作用其实就是猜出 Nonce 的值，使得区块头的哈希可以小于目标值，从而能够写入区块链。Nonce 是非常难猜的，目前只能通过穷举法一个个试错。根据协议，Nonce 是一个32位的二进制值，即最大可以到21.47亿。第 100000 个区块的 Nonce 值是274148111，可以理解成，矿工从0开始，一直计算了 2.74 亿次，才得到了一个有效的 Nonce 值，使得算出的哈希能够满足条件。
　　运气好的话，也许一会就找到了 Nonce。运气不好的话，可能算完了21.47亿次，都没有发现 Nonce，即当前区块体不可能算出满足条件的哈希。这时，协议允许矿工改变区块体，开始新的计算。

七、难度系数的动态调节
　　正如上一节所说，采矿具有随机性，没法保证正好十分钟产出一个区块，有时一分钟就算出来了，有时几个小时可能也没结果。总体来看，随着硬件设备的提升，以及矿机的数量增长，计算速度一定会越来越快。
　　为了将产出速率恒定在十分钟，中本聪还设计了难度系数的动态调节机制。他规定，难度系数每两周（2016个区块）调整一次。如果这两周里面，区块的平均生成速度是9分钟，就意味着比法定速度快了10%，因此接下来的难度系数就要调高10%；如果平均生成速度是11分钟，就意味着比法定速度慢了10%，因此接下来的难度系数就要调低10%。
　　难度系数越调越高（目标值越来越小），导致了采矿越来越难。

八、区块链的分叉
　　即使区块链是可靠的，现在还有一个问题没有解决：如果两个人同时向区块链写入数据，也就是说，同时有两个区块加入，因为它们都连着前一个区块，就形成了分叉。这时应该采纳哪一个区块呢？

　　现在的规则是，新节点总是采用最长的那条区块链。如果区块链有分叉，将看哪个分支在分叉点后面，先达到6个新区块（称为"六次确认"）。按照10分钟一个区块计算，一小时就可以确认。

　　由于新区块的生成速度由计算能力决定，所以这条规则就是说，拥有大多数计算能力的那条分支，就是正宗的区块链。

九、区块链分类
　　以参与方分类，区块链可以分为公有链、联盟链和私有链；从链与链的关系来分，可以分为主链和侧链。
　　1) 公有链（Public Blockchain）
　　公有链通常也称为非许可链（Permissionless Blockchain），无官方组织及管理机构，无中心服务器，参与的借点按照系统规格自由接入网路、不受控制，节点间基于共识机制开展工作。
　　公有链是真正意义上的完全去中心化的区块链，它通过密码学保证交易不可篡，同时也利用密码学验证以及经济上的激励，在互为陌生的网络环境中建立共识，从而形成去中心化的信用机制。在公有链中的共识机制一般是工作量证明（PoW）或权益证明（PoS），用户对共识形成的影响力直接取决于他们在网络中拥有资源的占比。
　　公有链一般适合于虚拟货币、面向大众的电子商务、互联网金融等B2C、C2C或C2B等应用场景，比特币和以太坊等就是典型的公有链。
　　2) 联盟链（Consortium Blockchain）
　　联盟链是一种需要注册许可的区块链，这种区块链也称为许可链（Permissioned Blockchain）。联盟链仅限于联盟成员参与，区块链上的读写权限、参与记账权限按联盟规则来制定。整个网络由成员机构共同维护，网络接入一般通过成员机构的网关节点接入，共识过程由预先选好的节点控制。由于参与共识的节点比较少，联盟链一般不采用工作量证明的挖矿机制，而是多采用权益证明（PoS）或PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerant）、RAFT等共识算法。
　　一般来说，联盟链适合于机构间的交易、结算或清算等B2B场景。例如在银行间进行支付、结算、清算的系统就可以采用联盟链的形式，将各家银行的网关节点作为记账节点，当网络上有超过2/3的节点确认一个区块，该区块记录的交易将得到全网确认。联盟链对交易的确认时间、每秒交易数都与公有链有较大的区别，对安全和性能的要求也比公共链高。
　　由40多家银行参与的区块链联盟R3和Linux基金会支持的超级账本（Hyperleder）项目都属于联盟链架构。目前国内有影响力的区块链联盟——中国分布式总账基础协议联盟（ChinaLedger）、中国区块链研究联盟、金链盟（金融区块链联盟）等——也都在致力于开发联盟区块链项目。
　　3) 私有链（Private Blockchain）
　　私有链建立在某个企业内部，系统的运作规则根据企业要求进行设定。
　　私有链的应用场景一般是企业内部的应用，如数据库管理、审计等；在政府行业也会有一些应用，比如政府的预算和执行，或者政府的行业统计数据，这个一般来说由政府登记，但公众有权力监督。私有链的价值主要是提供安全、可追溯、不可篡改、自动执行的运算平台，可以同时防范来自内部和外部对数据的安全***，这个在传统的系统是很难做到的。

　　4) 侧链（Side chain）
　　侧链是用于确认来自于其它区块链的数据的区块链，通过双向挂钩（TwoWay Peg）机制使比特币、Ripple币等多种资产在不同区块链上以一定的汇率实现转移。
　　所谓“多种资产在不同区块链上转移”其实并不会实际发生。以比特币为例，侧链的运作机制是，将比特币暂时锁定在比特币区块链上，同时将辅助区块链上的等值数字货币解锁；当辅助区块链上的数字货币被锁定时，原先的比特币就被解锁。

　　侧链进一步扩展了区块链技术的应用范围和创新空间，使区块链支持包括股票、债券、金融衍生品等在内的多种资产类型，以及小微支付、智能合约、安全处理机制、真实世界财产注册等；侧链还可以增强区块链的隐私保护。

十、总结
　　区块链作为无人管理的分布式数据库，从2009年开始已经运行了8年，没有出现大的问题。这证明它是可行的。
　　但是，为了保证数据的可靠性，区块链也有自己的代价。一是效率，数据写入区块链，最少要等待十分钟，所有节点都同步数据，则需要更多的时间；二是能耗，区块的生成需要矿工进行无数无意义的计算，这是非常耗费能源的。
　　因此，区块链的适用场景，其实非常有限。

• 不存在所有成员都信任的管理当局
  
• 写入的数据不要求实时使用
  
• 挖矿的收益能够弥补本身的成本
  

　　如果无法满足上述的条件，那么传统的数据库是更好的解决方案。

　　目前，区块链最大的应用场景（可能也是唯一的应用场景），就是以比特币为代表的加密货币。
　　区块链的应用可以***到非常多的行业，合同，税收，财产公示(可以含私隐的公示)，防伪，交易，选举，信用体系…等等，这些都只是本人想到的，其实也还有更多地方可以去应用，而比特币(泛指去中心加密数字货币)主要应用了财产公示，交易…

十、参考链接
　　http://www.ruanyifeng.com/blog/2017/12/blockchain-tutorial.html