区块链介绍

一、区块链的本质

什么是区块链？ 总之，它是一个特殊的分布式数据库。

首先，区块链的主要作用是存储信息。 任何需要保存的信息都可以写入区块链，也可以从中读取，所以它是一个数据库。

其次，任何人都可以架设服务器，加入区块链网络，成为节点。 在区块链世界中，没有中心节点，每个节点都是平等的，他们都保存着整个数据库。 你可以向任意节点写入/读取数据，因为最后所有节点都会同步，保证区块链的一致性。

2、区块链最大的特点

分布式数据库并不是什么新发明，市场上已经有这样的产品。 然而，区块链有一个革命性的特点。

区块链没有管理员，它是完全去中心化的。 其他数据库有管理员，但区块链没有。 如果有人想在区块链中添加审计，他们做不到，因为它旨在防止中央权威。

正是因为无法管理，区块链才无法控制。 否则，一旦大公司、大集团掌握了管理权，他们就控制了整个平台，其他用户就必须服从他们。

但是，没有管理员，任何人都可以向其中写入数据。 如何保证数据可信？ 被坏人改了怎么办？ 请继续阅读，这就是区块链的神奇之处。

3.积木

区块链由区块组成。 块与数据库记录非常相似。 每次写入数据时，都会创建一个块。

每个块由两部分组成。

区块头包含当前区块的多元素信息。

在这里，你需要了解什么是Hash，这是了解区块链所必需的。

所谓Hash，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Hash长度为256位，也就是说无论原始内容是什么，最后都会计算出一个256位的二进制数。 并且可以保证只要原始内容不同，对应的Hash就一定不同。

比如字符串123的Hash是a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0（十六进制），转成二进制是256位，只有123才能得到这个Hash。

因此，有两个重要的推论。

4. Hash的不变性

区块和Hash是一一对应的，每个区块的Hash都是为“区块头”计算的。

Hash = SHA256(区块头)

以上就是区块哈希的计算公式。 Hash 由区块头唯一确定。 SHA256是区块链的Hash算法。

前面说过，区块头包含很多内容，包括当前区块体的Hash（注意是“区块体”的Hash，而不是整个区块的Hash），以及上一个区块的Hash。 这意味着如果当前区块的内容发生变化，或者前一个区块的Hash发生变化，那么肯定会导致当前区块的Hash发生变化。

这对区块链有重大影响。 如果有人修改了一个块，该块的哈希值就会改变。 为了让后面的区块连接到它，这个人必须同时修改所有下面的区块，否则被修改的区块就会从区块链中分离出来。 由于后文提到的原因，Hash 的计算非常耗时，同时修改多个区块几乎是不可能的，除非有人掌握了全网 51% 以上的算力。

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，已经发生的就是已经发生的，从此无法改变。

每个块都连接到前一个块，这就是“区块链”名称的来源。

5.挖矿

由于必须保证节点之间的同步，因此不能太快地添加新块。 想象一下，你刚刚同步了一个区块，准备根据它生成下一个区块，但是此时另一个节点生成了一个新的区块，你不得不放弃一半的计算重新同步。 因为每个块只能跟一个块，所以只能在最新块之后生成下一个块。 因此，您别无选择，只能在听到信号后立即同步。

因此，区块链的发明者中本聪（此为化名，真实身份未知）故意让新区块难以添加。 他的设计是，平均每10分钟，全网可以产生一个新的区块，一个小时只有六个。

这种输出速度不是通过命令来实现的，而是通过刻意设置的海量计算来实现的。 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Hash，从而将新区块加入到区块链中。 由于计算量大，无法快速起来。

这个过程叫做挖矿，因为计算一个有效的Hash的难度就像在全世界的沙子中找到一粒符合要求的沙子。 计算Hash的机器称为矿机，操作矿机的人称为矿工。

6.难度系数

看完这篇，你可能会有疑问。 都说挖矿难，但挖矿不就是用电脑算个Hash吗？ 这就是电脑的强项。 怎么会变得这么难？ ？

事实证明，并不是任何一个Hash都是可以接受的，只有满足条件的Hash才会被区块链接受。 这个条件太苛刻了，大部分哈希都不符合要求，必须重新计算。

原来区块头中包含一个难度系数（difficulty），决定了计算Hash的难度。 例如，区块 100,000 的难度系数为 14484.16236122。

区块链协议规定目标值（target）可以通过一个常数除以难度系数得到。 显然，难度系数越大，目标值越小。

Hash 的有效性与目标值密切相关。 只有小于目标值的 Hash 才有效，否则 Hash 无效，必须重新计算。 由于目标值很小，Hash小于这个值的可能性极小，可能计算10亿次才算一次。 这就是挖矿如此缓慢的根本原因。

区块头中还有一个Nonce值，记录了Hash重新计算的次数。 第 100,000 个区块的 Nonce 值为 274148111，即需要 2.74 亿次计算才能得到一个有效的 Hash，该区块才能加入区块链。

7.难度系数动态调整

挖矿再难，也不能保证十分钟正好出块，有时一分钟算出来，有时几小时也可能没有结果。 一般来说，随着硬件设备的提升，矿机数量的增加，计算速度肯定会越来越快。

为了让输出速率保持在十分钟不变，中本聪还设计了难度系数动态调整机制。 他规定难度系数每两周调整一次（2016个区块）。 如果这两周平均出块速度为9分钟，即比法定速度快10%，那么难度系数会增加10%； 如果平均生成速度为11分钟，说明比法定速度慢了10%，所以难度系数会下调10%。

难度系数调的越来越高（目标值越来越小），使得挖矿难度越来越大。

八、区块链分叉

即使区块链是可靠的，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，即同时添加两个区块，因为它们都连接到前一个区块，A分叉形成。 此时应该采用哪个块？

目前的规则是新节点总是采用最长的区块链。 如果区块链出现分叉，它会看分叉点后面是哪个分支，先达到6个新区块（称为“六确认”）。 按照10分钟一个区块计算，一个小时就可以确认。

由于新区块的生成速度是由算力决定的，所以这条规则意味着算力最大的分支就是真正的比特链。

九。 概括

区块链作为一个非托管的分布式数据库，从2009年开始运行了8年，没有出现过重大问题。 这证明它有效。

但是，为了保证数据的可靠性，区块链也有其自身的价格。 一是效率。 等待数据写入区块链至少需要十分钟，所有节点同步数据需要更多时间； 另一个是能源消耗。 区块的产生需要矿工进行无数无意义的计算。 非常耗能。

因此，区块链的适用场景其实非常有限。

没有所有成员信任的管理权限。 写入的数据不需要实时使用。 挖矿的收益可以弥补他们自己的成本。

如果不能满足以上条件，那么传统数据库是更好的解决方案。

目前区块链最大的应用场景（也可能是唯一的应用场景）是以比特币为代表的加密货币。

什么是比特币？ 1. 非对称加密

大家可能听说过这个名词，所谓非对称加密，其实很简单，就是加密和解密需要两把钥匙：公钥和私钥。

公钥是公开的，任何人都可以获得。 私钥是保密的，只有所有者才能使用。 别人用你的公钥加密信息然后发给你，你用私钥解密取出信息。 反过来，你也可以用你的私钥加密信息，别人可以用你的公钥解锁，从而证明信息确实是你发送的，没有被篡改过。 这称为数字签名（更详细的介绍请参考“什么是数字签名”）。

现在请想象一下，如果公钥加密的不是普通的信息，而是加密了一笔钱发给你，会发生什么？

首先，你可以解锁加密包，取出里面的钱，因为私钥在你手里。 第二，没有人能偷钱，因为他们没有你的私钥。 因此，支付可以成功。

这就是比特币（和其他数字货币）的工作原理：非对称加密确保支付的可靠性。

由于支付的钱必须通过私钥提现，所以你是谁并不重要，重要的是谁拥有私钥。 支付给你的钱只有在你有私钥的情况下才能提取。 （其实真正的交易过程略有不同，私钥保证的不是把付给你的钱拿出来，而是保证只有你才能支付属于你的钱，详见下文。）

2. 比特币钱包

使用比特币，钱不是支付给个人，而是支付给某个私钥。 这是交易匿名的根本原因，因为没有人知道那些私钥背后的人是谁。

因此，在比特币交易中，首先要有自己的公钥和私钥。

你到网上那些比特币交易所去开户，他们会让你先生成一个比特币钱包（wallet）。 这个钱包不是用来存放比特币的，而是用来存放你的公钥和私钥的。 该软件将帮助您生成这两个密钥并将它们放入钱包中。

根据协议，公钥长度为512位。 这个长度不方便传输，所以协议规定要为公钥生成一个160位的指纹。 所谓指纹，就是一个比较短的散列值，容易传播。 160位是二进制，写成十六进制，大概26到35个字符，比如1BvBMSEYstWetqTFn5Au4m4GFg7xJaNVN2。 这个字符串叫做钱包的地址，它是唯一的，即每个钱包的地址必须不同。

当你向别人收钱时，你只需要告诉对方你的钱包地址，对方就会向这个地址付款。 由于您是该地址的所有者，您将收到这笔钱。

由于你是否拥有某个钱包地址是通过私钥来证明的（具体的证明方法后面会介绍），所以私钥一定要做好保护。 这是非常重要的。 如果你的私钥被盗，你的比特币就没有了，因为别人可以冒充你的身份，把钱包里的钱全部转走。

同样，如果你用比特币支付给他人，你也不能把别人的钱包地址写错，否则你的比特币会被支付给另一个人。

三、交易流程

下面，我把整个过程串起来，看看比特币是如何完成一笔交易的。

交易是将比特币从一个地址转移到另一个地址。 由于所有比特币交易记录都是公开的，因此可以查出哪个地址拥有多少比特币。 因此，付款人是否有足够的比特币来完成交易是很容易验证的。

问题在于如何防止他人以你的名义申报交易。 比如有人声明一笔交易：地址A支付10个比特币给地址B，我怎么知道这个声明是真实的，声明者是地址A的所有者呢？

比特币协议规定，在申报交易时，转出比特币的一方除提供交易金额外，还必须提供以下数据。

验证交易是否真实需要三个步骤。

第一步是找到之前的交易并确认付款人的比特币来源。

第二步，对付款人的公钥进行指纹计算，确认与付款人的地址一致，从而保证公钥的真实性。

第三步，使用公钥解锁数字签名，保证私钥的真实性。

经过以上三步，可以确定交易是真实的。

4. 交易确认与区块链

确认交易真实性后，交易不视为完成。 交易数据必须写入数据库才算有效，对方才能真正收到钱。

比特币使用称为区块链的特殊数据库

首先，所有交易数据都发送给矿工。 矿工负责将这些交易写入区块链。

根据比特币协议，一个区块的最大大小为 1MB，一笔交易大约为 500 字节，因此一个区块最多可以包含 2000 笔交易。 矿工负责将这2000多笔交易打包在一起形成一个区块，然后计算这个区块的Hash。

计算Hash的过程称为挖矿，需要大量的计算。 矿工之间也存在竞争。 谁先计算出哈希值，谁就将最先在区块链中添加一个新区块，从而享受这个区块的所有收益，而其他矿工将一无所获。

交易一旦写入区块链，就无法撤销。 这里需要建立一个概念：比特币不存储在钱包或其他地方，只存在于区块链上。 区块链记录了你参与的每一笔交易，你收到了多少比特币，支付了多少比特币，这样你就可以计算出你拥有多少资产。

5、矿工收益

交易的确认离不开矿工。 为什么有人想成为一名矿工？

比特币协议规定，挖掘新区块的矿工将获得奖励。 一开始（2008年）是50个比特币，后来每4年减半。 目前（2018 年）是 12.5 个比特币。 这也是比特币的增发机制，流通中的新比特币就是这样诞生的。

正如你可能看到的那样，奖励每 4 年减半，因此到 2140 年，矿工将不会获得任何奖励，比特币的数量将停止增加。 此时，矿工的收入完全取决于交易手续费。

所谓交易手续费，就是矿工可以从每笔交易中获得佣金，具体数额由支付方自愿确定。 你可以什么都不带，不给矿工一分钱，但那样的话，你的交易将不会被处理，再写入区块链并得到确认就来不及了。 矿工总是优先考虑费用最高的交易。

目前，由于交易笔数激增，手续费水涨船高，一个区块2000笔以上交易的总手续费可达3到10个比特币。 如果你的手续费降低了，很可能一周后交易还没有确认。

一个区块的奖励是12.5个比特币，加上手续费，收益还是相当可观的。 按照现在的价格，可以达到100万到200万人民币。 想想看，运气好的话，几分钟就能挖出一个区块，还能得到这么大的一笔钱，难怪人们蜂拥而至挖矿。

6.区块扩容

根据比特币协议，平均每 10 分钟创建一个区块。 区块大小只有1MB，最多只能包含2000多笔交易。 也就是说，比特币网络每 10 分钟只能处理 2000 多笔交易。 在转换中，处理速度为每秒 3 到 5 个事务。

世界上有这么多的比特币交易，但区块链每秒最多只能处理5笔交易，这已经成为制约比特币发展的瓶颈。

长期以来一直呼吁改革比特币协议以提高处理速度。 这件事在 2017 年 8 月形成，当时区块链发生了分叉，一个新的协议诞生了，叫做比特币现金（简称 BCH）。 新货币在其他方面与比特币一致，每个区块的大小从 1MB 增加到 8MB，从而使处理速度提高了八倍，费用也低得多。 该协议是原始区块链的一个分叉，所以当时持有比特币的人等于一个人获得等量的BCH。

BCH相当于创造了一种新的货币，有人提出将原有比特币的区块大小增加到2MB，称为SegWit2x。 该提案原定于2017年11月实施，但因缺乏共识在最后一刻被取消，目前仍在讨论中。

7.点对点网络

比特币是一个遍布全球的开放网络。 只要有服务器，就可以加入这个网络，成为节点。 每个节点包含整个区块链（目前大约 100 GB），并且信息在节点之间不断同步。

当您进行支付时，您​​的节点会将交易告知另一个节点，直到它传遍整个网络。 矿工从互联网上收集各种新的交易并打包到区块链中。 一旦写入成功，矿工所在节点的区块链将成为最新版本，其他节点将复制新添加的区块，保证全网区块链的一致性。

最后你的节点也拿到了最新的区块链，所以你知道你之前的交易已经写在里面了，交易确认成功。

八、还有一个问题

至此，我已经介绍了比特币的基础知识。 我希望您已经了解比特币是什么。 但还有一个基本问题我没有回答：比特币的本质是什么？

毕竟，比特币只是区块链中的一个记录，是凭空产生的。 为什么可以当钱用？ 例如，一名矿工获得 12.5 个比特币的奖励。 事实上，区块链中有这样一条记录：“xxx地址收到了12.5个比特币”。 正是这个记录导致矿工得到了很多钱。 如果区块链突然增加一条记录，记录你的地址获得了1000个比特币，你就真的有1000个比特币了。 这是什么？

比特币如何利用区块链？ 1． 比特币的可信度

比特币要解决的核心问题是创建一个可信的数字证书。 由于此证书是可信的，因此可以用作货币。

比特币的技术基础是密码学，因为只有密码学才能保证其可信度。 一旦加密被破解，就不能作为货币使用。 这就是为什么这种数字证书被称为“加密货币”的原因。

技术人员对比特币感兴趣还有一个重要原因。 在需要可靠数字凭证的任何地方，这种技术都可能有用。

2. 比特币的特点

比特币具有三个特征。 就是因为这三点，才可信，才能当钱用。

首先，它不能（轻易）被盗。 或者，反过来，让别人的钱无法偷，你只能花自己的钱。 因为你必须要有别人的私钥才能把他的钱取走。 正常情况下，你无法得到别人的私钥。

第二，不能伪造。 每一颗比特币都可以追本溯源，所有的比特币都来源于矿工获得的奖励。 矿工只有创造新的区块才能获得奖励，这是非常困难的，所以不可能伪造比特币。

最后，它不能量产。 原因和上一个一样。 比特币发行速度稳定。 现在每10分钟新增12.5个比特币，然后每四年减半，最后停止增长。 因此，就像纸币一样，政府不会因为发行过多而造成通货膨胀。

3. 比特币有实体吗？

由于后文提到的原因，比特币不可能有实体，也不可能实现“从口袋里掏出一枚硬币”的场景。 所有交易必须通过互联网完成。

你可能会说钱是有实体的，哪有无形的钱呢？ 答案恰恰相反，钱应该是无形的，那些有形的钱其实是对物质材料的浪费，因为科技不够发达，只好做成实体。

小时候买东西都要用现金，否则无法证明自己有购买力。 只有通过实物货币才能保证对方收到了钱。 如果银行业发达，就不需要现金，可以用银行卡。 付款时，对方复制了银行卡号，并询问银行“这个账户里有没有钱”。 银行回复有钱，OK比特币怎么交易给别人，交易完成。

然而，互联网让实体银行卡变得不再必要。 如果有一个开放的中央会计系统，任何人都可以检查它。 你把钱转到老板的账户上。 老板检查了一下，发现已经收到了。 交易自动关闭。 整个过程是看不见的。 您需要什么样的银行卡？ ？

这种中央记账系统已经实现，称为区块链。

4. 区块链的作用

区块链是一个记录所有交易并充当中央会计系统的数据库。

每笔交易的核心都是一句话，比如“张三转1个比特币给李四”。 为了证明这句话是可信的，张三在上面加上了数字签名。 任何人都可以用张三的公钥来证明这确实是张三自己的行为。 另一方面，别人无法伪造张三的数字签名，也就不可能伪造这笔交易。

矿工收到这句话后，首先验证数字签名的真实性，然后验证张三是否真的拥有这些比特币（每笔交易都有上一笔交易的编号，用于查询比特币的来源）。 验证通过后，开始将这句话写入区块链。 一旦写入区块链，大家就可以查到，所以这个比特币就算是从张三转移到了李四的手里。

区块链的作用就是永久保存这句话，让任何人都可以查看，任何人（包括张三自己）都不能再修改。

什么是货币？ 其实就是这句话。 这句话完成了一次支付。 我们通常用人民币支付，但实际上我们只是用纸币来表达这个信息。 如果每个人都可以实时写入/读取中央分类账（区块链），那么就根本不需要携带现金。

5.双花

如前所述，交易无法伪造。 但是，由于每笔交易都是一串二进制信号，因此可以复制。 比如“张三转1个比特币给李四”这句话，可能是别人复制的，也可能是张三自己复制提交到区块链上的。

如果这句话被写入区块链两次，就意味着张三可以两次花同样的钱。 但是第二次写的时候，通过查询区块链可以发现张三已经把钱花掉了，所以确定这是一笔非法交易，不能写入区块链。 因此，复制交易是不可能的。

比较麻烦的是另外一种情况，那就是张三给两个人同样的钱。 他先是向区块链提交了一笔交易“张三给李四转了1个比特币”，然后又提交了另一笔交易“张三给王五转了1个比特币”。 这两种交易都可能被认为是真实的交易，从而进入区块链。 所以必须有一种方法来防止这种情况发生。

情况 1：两笔交易均由同一矿工接收。 然后他会意识到它们不能同时建立比特币怎么交易给别人，所以他选择其中一个写入区块链。

情况二：矿工A收到第一笔交易，矿工B收到第二笔交易。 他们会各自承认这是一笔合法的交易，并将这两笔交易分别写入两个区块中。 这时，区块链出现了分叉。

比特币协议规定，分叉点后最先达到6个区块的分支被认定为正式区块链，其他分支将被废弃。 由于出块速度是由算力决定的，所以最后将哪笔交易写入区块链，完全取决于所在分支能够吸引多少算力。 隐藏的逻辑是，如果大多数人（算力）选择相信某个交易，那么它应该是真实的。

总之，双花是不可能发生的。 因为中央会计系统总会想办法发现你把同样的钱花了两次。 不过，这也说明了比特币的一个代价，那就是交易无法实时确认，至少要等待一个小时。