区块链入门教程.docx

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区块链入门教程

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，还是从今年初开场。

文中的错误和不准确的地方，欢送大家指正。

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，任何人都可以架设效劳器，参加区块链网络，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创造，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。

否那么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，就是创立一个区块。

每个区块包含两个局部。

∙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容，计算出一个长度一样的特征值。

区块链的哈希长度是256位，这就是说，不管原始容是什么，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，否那么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，区块链的创造者中本聪〔这是假名，真实身份至今未知〕成心让添加新区块，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，而是成心设置了海量的计算。

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受。

这个条件特别苛刻，使得绝大局部哈希都不满足要求，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，否那么哈希无效，必须重算。

由于目标值非常小，哈希小于该值的时机极其渺茫，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，否那么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，中本聪成心增加了一个随机项，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开场，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，开场新的计算。

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〔2021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，同时有两个区块参加，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？

现在的规那么是，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，先到达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，所以这条规那么就是说，拥有大多数计算能力的那条分支，就是正宗的区块链。

九、总结

区块链作为无人管理的分布式数据库，从2021年开场已经运行了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，那么需要更多的时间；二是能耗，区块的生成需要矿工进展无数无意义的计算，这是非常消耗能源的。

因此，区块链的适用场景，其实非常有限。

1.不存在所有成员都信任的管理当局

2.写入的数据不要时使用

3.挖矿的收益能够弥补本身的本钱

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。

下一篇文章，我将会介绍比特币的入门知识。

十、参考

∙Howdoesblockchainreallywork?

bySeanHan

∙Bitcoinminingthehardway:

thealgorithms,protocols,andbytes,byKenShirriff

〔完〕

教育之通病是教用脑的人不用手，不教用手的人用脑，所以一无所能。

教育革命的对策是手脑联盟，结果是手与脑的力量都可以大到不可思议。