區(qū)塊鏈的工作原理是怎樣的

區(qū)塊鏈：去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫

大家都知道，“比特幣”是一種數(shù)字貨幣。而“區(qū)塊鏈”就是比特幣的記賬系統(tǒng)?？梢园褏^(qū)塊鏈想象成一個賬本，上面記錄了全球所有的比特幣交易信息。那么，區(qū)塊鏈跟傳統(tǒng)的銀行記賬有什么區(qū)別呢？

這就涉及到區(qū)塊鏈的本質(zhì)了：區(qū)塊鏈是一種去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫。我會一一解釋這三個關(guān)鍵詞。

數(shù)據(jù)庫：

所謂“數(shù)據(jù)庫”，就是計算機上的一組表格，它可以存放大量的有結(jié)構(gòu)的信息（可以類比Excel，但遠比Excel復(fù)雜）。比如我們?nèi)ャy行存款、取款、匯款，這些交易信息都是要上傳到銀行的數(shù)據(jù)庫的。

分布式：

這個數(shù)據(jù)庫可以存放在銀行的一臺超級電腦上，也可以放在多臺電腦上。比如工行可能在華北、華中、華東、華南等地區(qū)各有一臺服務(wù)器，每個地區(qū)的交易信息發(fā)送到本地區(qū)的服務(wù)器上，各個服務(wù)器之間通過銀行的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接。這就叫“分布式數(shù)據(jù)庫”。

去中心化：

傳統(tǒng)的服務(wù)器，不管是不是分布式的，都是有“管理員”的。也就是說，有一個銀行內(nèi)部的“超級用戶”可以查看所有的交易信息，并且可以隨意添加、修改這些信息。這就叫“中心化”。

而區(qū)塊鏈則是“去中心化”的。也就是說，區(qū)塊鏈這個數(shù)據(jù)庫中不存在管理員，所有人都是平等的，都有權(quán)查看、添加信息。去中心化是區(qū)塊鏈的本質(zhì)特征。

既然所有人都有權(quán)往區(qū)塊鏈上添加信息，那么這個“賬本”難道不會亂七八糟嗎？要搞清楚這點，我們需要了解什么是“區(qū)塊”，什么是“鏈”。

何為“區(qū)塊”何為“鏈”？“區(qū)塊”是區(qū)塊鏈的基本組成。區(qū)塊就是一個數(shù)據(jù)塊。類比賬本的話，區(qū)塊就相當于賬本上的一頁，這一頁上記錄了多條交易信息。而把這些分散在整個互聯(lián)網(wǎng)上的“頁”串成一條鏈，就可以形成一個完整的“賬本”。那么，“區(qū)塊”是怎么串成“區(qū)塊鏈”的呢？

區(qū)塊鏈賬本的記賬原理

哈希值與防篡改：

除了比特幣交易信息之外，區(qū)塊上還包含了這個區(qū)塊本身的一些特征信息。可以類比一頁上的“頁碼”，只不過這個“頁碼”比較復(fù)雜?！绊摯a”中最重要的，就是“哈希值”，它是理解區(qū)塊鏈可靠性的關(guān)鍵。

所謂“哈希值”，可以理解為數(shù)據(jù)的一個“指紋”。我們簽合同有時會摁手印，以后只要把自己的指紋和合同上的指紋對比一下，就可以證明合同是自己簽的。類似地，我們在網(wǎng)上下載一個軟件，有些網(wǎng)站會給出安裝包的哈希值（可能稱為CRC或SHA）。我們下載完安裝包后，只需用專門的工具計算一下這個SHA值，再跟官網(wǎng)上給的SHA值對比一下，就可以知道自己下載的和網(wǎng)站提供的是否100％一致，下載過程有沒有被人做了手腳。

不同的數(shù)據(jù)，算出來的哈希值一般來說是不同的。如果已知數(shù)據(jù)A的哈希值是H，想偽造另一個數(shù)據(jù)B，使它的哈希值也是H，這是極其困難的。也就是說，哈希值具有不可偽造性，起到了“指紋”的作用。

一個區(qū)塊中，包含了兩種哈希值：“上一個區(qū)塊的哈希值”和“本區(qū)塊的哈希值”。因為每個區(qū)塊都包含了上一個區(qū)塊的哈希值，所有的區(qū)塊就依次連成一條（邏輯上的）鏈?！吧弦粋€區(qū)塊的哈希值”就起到了“頁碼”的作用——給頁排序。

▲區(qū)塊所包含的內(nèi)容

▲區(qū)塊連接成區(qū)塊鏈

如果一個區(qū)塊上的交易信息被人惡意篡改的話，“本區(qū)塊的哈希值”就會改變。由于區(qū)塊鏈中下一個區(qū)塊包含了“上一個區(qū)塊的哈希值”，為了讓下一個區(qū)塊依然能連到本區(qū)塊，需要修改下一個區(qū)塊。而這又導(dǎo)致下下個、下下下個。..。..區(qū)塊也必須修改。

▲篡改了一個區(qū)塊，就要修改后面所有區(qū)塊

由于區(qū)塊鏈本身的一些機制（這個機制比較細節(jié)，我們這里不討論），計算一個區(qū)塊的哈希值是極其困難的，修改多個區(qū)塊的哈希值則是難上加難。這樣，篡改區(qū)塊鏈中的交易信息就成為幾乎不可能的事情。這就保證了區(qū)塊鏈的可靠性。

采礦：向區(qū)塊鏈寫入信息的方式

采礦：向區(qū)塊鏈寫入信息的方式“采礦”，就是計算出一個潛在區(qū)塊的哈希值，使這個區(qū)塊正式加入整個區(qū)塊鏈的過程。一個區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈后，其中包含的交易信息才能成為事實。由于比特幣設(shè)計者的一些考慮，采礦的過程需要消耗大量時間和資源。前面已經(jīng)提到，計算區(qū)塊的哈希值是極其困難的。具體有多困難呢？如果比特幣網(wǎng)絡(luò)中的計算機都參與哈希值的計算，平均每十分鐘才能算出一個哈希值。

從事采礦活動的人，稱為“礦工”?；ヂ?lián)網(wǎng)上的任何人都可以加入比特幣網(wǎng)絡(luò)，成為礦工。既然采礦需要消耗大量時間和資源，為什么礦工會自愿加入呢？這是因為比特幣協(xié)議規(guī)定，挖到新區(qū)塊的礦工會得到比特幣獎勵。這是礦工采礦的動力；也因為礦工持續(xù)得挖礦，比特幣交易信息才能被確認，比特幣交易才能正常進行。同時，這也是比特幣總量唯一的增加方式。比特幣不像傳統(tǒng)貨幣，它的總量不能通過國家或機構(gòu)人為印發(fā)的方式增加，只能通過挖礦獎勵的方式“自然地”增加。

如何避免主鏈分叉？

既然挖礦會有比特幣獎勵，比特幣的交易方也會給礦工一些手續(xù)費作為報酬，礦工之間難免會產(chǎn)生大量競爭。如果兩個礦工同時挖到了某個區(qū)塊的下一個區(qū)塊，那么誰挖到的那個區(qū)塊有資格加入?yún)^(qū)塊鏈呢？如果都可以加入?yún)^(qū)塊鏈，區(qū)塊鏈產(chǎn)生了分叉，這樣如何保證區(qū)塊鏈的“唯一性”呢？

區(qū)塊鏈協(xié)議規(guī)定，如果一個分叉上的新增區(qū)塊達到了六個，那么它就成為區(qū)塊鏈的“正統(tǒng)”；而同一時刻其他沒有達到六個區(qū)塊的分叉，就會被不幸淘汰，這些區(qū)塊上的交易信息也不會被認可。這就避免了區(qū)塊鏈的分叉。由于一個區(qū)塊在被挖出來后，后面必須跟上六個新區(qū)塊，而平均每十分鐘才能挖到一個新區(qū)塊，這樣，一筆交易至少需要一個小時才能被確認（被寫進區(qū)塊鏈）。

▲礦工B：我有一句喵喵喵不知當不當講

綜合上文，那么比特幣交易的過程是怎樣的呢？

交易無非就是一條信息：“買方－1＄，賣方＋1＄。”（這里涉及到一些非對稱密碼的知識，由于不是比特幣所獨有，不作討論。）當你發(fā)起一筆比特幣交易后，這個交易信息就會從你的設(shè)備上，逐漸發(fā)送到整個比特幣網(wǎng)絡(luò)。

為了挖礦獎勵，許多礦工都會收集你的交易信息，并拼命挖新的區(qū)塊。如果一個礦工挖出了一個新的區(qū)塊，他就會把你的交易信息寫入?yún)^(qū)塊。在這之后，他還需要再挖出六個新的區(qū)塊，以保證整個區(qū)塊鏈采用了這個區(qū)塊。這時你的交易信息才能正式寫入?yún)^(qū)塊鏈，得到確認。而那些沒有挖到六個區(qū)塊的礦工的成果則會被淘汰。

這樣，雖然是多個礦工在競爭著寫入你的交易信息，最后只能有一個礦工成功地寫入。這就保證了同一次交易中，你的錢不會被扣掉兩次。

一旦一個新的區(qū)塊正式加入了區(qū)塊鏈，這個區(qū)塊就會被同步到所有礦工的機器上，新的區(qū)塊只能跟在這個區(qū)塊后面。而挖到這個區(qū)塊的礦工會獲得一些比特幣作為獎勵，這也是新比特幣發(fā)行的過程。

小結(jié)一下以上的要點：

區(qū)塊鏈是比特幣交易的可靠的、唯一的賬本。

區(qū)塊鏈是一個無中心的分布式數(shù)據(jù)庫。它沒有管理員，網(wǎng)絡(luò)中的所有用戶都可以平等地向區(qū)塊鏈中寫入新的區(qū)塊。

區(qū)塊根據(jù)“上個區(qū)塊的哈希值”而連接成一條鏈。

計算哈希值的困難性，使得區(qū)塊和區(qū)塊鏈無法被篡改，保證了區(qū)塊和區(qū)塊鏈的可靠性。

一個區(qū)塊后面新增六個區(qū)塊才能使它正式加入?yún)^(qū)塊鏈，這使得區(qū)塊鏈不會產(chǎn)生分叉，保證了區(qū)塊鏈的唯一性。

但同時，這也導(dǎo)致比特幣交易至少需要一個小時來確認，不具有即時性。

挖礦獎勵是比特幣唯一的發(fā)行機制，也是礦工挖礦的動力。

來源：IT之家