區(qū)塊鏈最通俗易懂的闡述 - 全文

這應(yīng)該是目前對(duì)區(qū)塊鏈最通俗易懂的解釋了。。.

區(qū)塊鏈如何運(yùn)作的？

下面這篇文翻譯自”How Does the Blockchain Work？”全文。作者M(jìn)ichele D‘Aliessi用通俗易懂的文字闡述了區(qū)塊鏈（Blockchain）的工作原理，是一篇非常不錯(cuò)的入門(mén)文章。

先舉個(gè)例子，我和你打賭50元明天的天氣。我賭它會(huì)是晴天，你賭它會(huì)是雨天。我們會(huì)有三種方式來(lái)完成交易：

①我們信任彼此。不論結(jié)果是晴天，還是雨天，輸家要給贏(yíng)家50元。如果我們是朋友，這會(huì)是一個(gè)好的交易方式。然而，即便是朋友，也有可能會(huì)賴(lài)皮不認(rèn)輸而不愿付錢(qián)，更何況是陌生人。

②我們可以訂定合約，如果有任何一方不愿付錢(qián)，贏(yíng)家可以告輸家。但要花錢(qián)花時(shí)間打官司，只為了討回50元，實(shí)在是得不償失。

③我們找一個(gè)中立的第三者，每人分別先給她50元，結(jié)果揭曉后，她再把所有的錢(qián)100元給贏(yíng)家。無(wú)奈的是，這個(gè)第三者有可能卷款潛逃。

我們無(wú)法信任陌生人，也覺(jué)得打官司勞神傷財(cái)。

區(qū)塊鏈技術(shù)很有趣，因?yàn)樗鼛臀覀儗?shí)現(xiàn)第③種交易方式，而且安全、快速和便宜。

我們只需寫(xiě)幾行程序代碼，讓它執(zhí)行在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)（Blockchain Network）上，進(jìn)行交易。

以打賭天氣的例子，這個(gè)程序會(huì)確保100元的安全，并且一到明天會(huì)自動(dòng)確認(rèn)天氣狀況，結(jié)果揭曉后，也會(huì)自動(dòng)將100元匯到贏(yíng)家的帳戶(hù)里。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的交易，是無(wú)法被篡改或終止的，而且適合于大型交易，如賣(mài)一間房子或一家公司。

比特幣是人們最熟知的采用區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用。我們先來(lái)說(shuō)明比特幣是如何工作的，在說(shuō)明過(guò)程中一點(diǎn)一點(diǎn)帶入?yún)^(qū)塊鏈的概念。

什么是比特幣？

一塊比特幣就是一個(gè)單位的電子比特貨幣（BTC），并且就像真實(shí)的一塊錢(qián)貨幣一樣，本身是沒(méi)有價(jià)值的，只有在進(jìn)行物品交易時(shí)才會(huì)產(chǎn)生價(jià)值。

在比特幣系統(tǒng)里，有一本帳本（ledger），它是一個(gè)電子檔案，記錄著所有的交易紀(jì)錄。

▲圖1 比特幣電子帳本

這帳本不是存放在一個(gè)中央機(jī)構(gòu)（比如銀行），或者一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。它擁有無(wú)數(shù)份副本，散布存放在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的每一臺(tái)電腦里，而每臺(tái)電腦我們稱(chēng)為“節(jié)點(diǎn)（node）”。

如果David想用比特幣轉(zhuǎn)帳給Sandra，他就發(fā)送一個(gè)信息告訴網(wǎng)絡(luò)說(shuō)：他的帳戶(hù)減5 BTC，然后Sandra的帳戶(hù)加5 BTC。在網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到信息，并且將這筆交易記錄到自己的帳本里，然后更新帳戶(hù)的余額。

▲圖2 請(qǐng)求交易信息

說(shuō)到這里，關(guān)于帳本是由一組電腦共同維護(hù)，而不是由一個(gè)類(lèi)似銀行的中心機(jī)構(gòu)來(lái)掌管，有三個(gè)啟發(fā)：

?在銀行系統(tǒng)中，我們只知道自己的交易紀(jì)錄和帳戶(hù)余額，而在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)里，每個(gè)人可以知道任何人的交易紀(jì)錄。

?一般來(lái)說(shuō)你信任你的銀行，而比特幣是分布式系統(tǒng)，運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)上，任何事情發(fā)生錯(cuò)誤，是沒(méi)有客服人員可以幫你的。

?區(qū)塊鏈不是建構(gòu)在信任情感的基礎(chǔ)上，其安全性和可靠性是通過(guò)特殊的數(shù)學(xué)函數(shù)和程序代碼達(dá)到的。

我們可以將區(qū)塊鏈定義為一個(gè)系統(tǒng)，它讓一組互聯(lián)的電腦安全地共同維護(hù)一份帳本。

為了能在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)里進(jìn)行交易，你需要一個(gè)錢(qián)包（wallet），它讓你可以存放和交易你的比特幣。只有你可以花費(fèi)你的比特幣，所以每個(gè)錢(qián)包被特殊的加密法保護(hù)著，使用一對(duì)獨(dú)特且配對(duì)的鑰匙：公鑰和私鑰，才能解鎖。

如果一個(gè)信息被公鑰加密，只有配對(duì)的私鑰才能解密讀到信息。反之，如果你用你的私鑰加密信息，只有配對(duì)的公鑰可以解密。所以當(dāng)David想要轉(zhuǎn)帳，他需要用他的私鑰將轉(zhuǎn)帳信息加密后，送到網(wǎng)絡(luò)里，然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用David的公鑰將信息解開(kāi)，以確認(rèn)是由David發(fā)送的。

在加密完成時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子簽名，它會(huì)被節(jié)點(diǎn)們用來(lái)確認(rèn)交易信息的發(fā)送來(lái)源和真?zhèn)?。電子簽名?nèi)容是一串文字，它是由交易信息和私鑰所組成的，所以不能用在其他的交易信息上。如果你更改交易信息中任何一個(gè)字節(jié)，電子簽名也會(huì)跟著改變，所以黑客很難更改你的交易信息或是得知交易金額。

▲圖3 電子簽名與加密交易

錢(qián)包的公鑰其實(shí)是網(wǎng)絡(luò)里的一個(gè)地址（send to address），所以當(dāng)你轉(zhuǎn)比特幣給某人時(shí)，你其實(shí)是將比特幣轉(zhuǎn)公鑰的地址。而且你必須證明你是私鑰的所有人，才能進(jìn)行轉(zhuǎn)帳。請(qǐng)注意，在網(wǎng)絡(luò)里的交易信息已經(jīng)是被加密過(guò)的，你不用暴露你的私鑰。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保有一份帳本，但節(jié)點(diǎn)是如何知道你的帳戶(hù)余額呢？區(qū)塊鏈系統(tǒng)并沒(méi)有記錄每個(gè)人的帳戶(hù)余額（注：所以帳本實(shí)際上不是圖1那樣），事實(shí)上，它只紀(jì)錄網(wǎng)絡(luò)上每筆交易紀(jì)錄（如下圖）。為了得知你的帳戶(hù)余額，你必須分析和驗(yàn)證所有曾經(jīng)跟你錢(qián)包產(chǎn)生交易的紀(jì)錄。

▲圖4 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的帳本

“帳戶(hù)余額”的計(jì)算和驗(yàn)證需要靠之前的交易紀(jì)錄。舉個(gè)例子，為了轉(zhuǎn)出 10 BTC給John，Mary先發(fā)起一個(gè)交易信息，它包含了之前部分的轉(zhuǎn)入交易紀(jì)錄，只要這些紀(jì)錄的轉(zhuǎn)入金額的總和剛好或大于10 BTC，即可發(fā)送信息。這些包含的交易紀(jì)錄稱(chēng)作輸入（inputs），每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)驗(yàn)證這些輸入的金額的總和是等于或大于10 BTC。這些計(jì)算和驗(yàn)證會(huì)由錢(qián)包和節(jié)點(diǎn)自動(dòng)完成，使用者不需要煩惱。

▲圖5 區(qū)塊鏈的交易信息結(jié)構(gòu)

那么，系統(tǒng)如何信任這些輸入呢？

它要確認(rèn)你的錢(qián)包在之前所有的轉(zhuǎn)入交易紀(jì)錄中是否真的有這些輸入。為了簡(jiǎn)化和加速驗(yàn)證的過(guò)程，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)保留一份特殊的數(shù)據(jù)來(lái)達(dá)到目的，也因?yàn)檫@個(gè)驗(yàn)證過(guò)程，錢(qián)不可能會(huì)無(wú)緣無(wú)故多出來(lái)。

持有比特幣代表的是，帳本上你還未變成輸入的交易紀(jì)錄。

在比特幣網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行交易的程序都是開(kāi)源的，這表示任何人只要有電腦和網(wǎng)絡(luò)就可以進(jìn)行交易。然而，程序的錯(cuò)誤有可能導(dǎo)致你的比特幣會(huì)不見(jiàn)。還記得嗎？比特幣是分散式網(wǎng)絡(luò)，并沒(méi)有專(zhuān)屬的客服人員替你找回遺失的錢(qián)或錢(qián)包密碼。所以你想要用比特幣進(jìn)行交易，建議使用正式的比特幣錢(qián)包軟件，并且妥善保存你的錢(qián)包密碼或私鑰。

嗯，了解，但它真的安全嗎？而且它為什么叫做區(qū)塊鏈？

任何人都可以進(jìn)到比特幣網(wǎng)絡(luò)，并且只需要出示他的公鑰就可以進(jìn)行交易。如果一直使用同一個(gè)公鑰，所有的交易紀(jì)錄就會(huì)指向同一個(gè)帳戶(hù)。比特幣網(wǎng)絡(luò)允許你產(chǎn)生多個(gè)錢(qián)包，每個(gè)錢(qián)包都擁有自己的公鑰和私鑰。這么做可以讓你用不同的錢(qián)包做消費(fèi)。沒(méi)有一個(gè)公開(kāi)的方式可以知道你是這多個(gè)錢(qián)包的擁有者，除非你將每個(gè)錢(qián)包的比特幣轉(zhuǎn)到同一個(gè)錢(qián)包去。

比特幣地址（Bitcoin addresses），也就是錢(qián)包，的總數(shù)是 2^1??或1461501637330902918203684832716283019655932542976。在讓任何人都可以擁有錢(qián)包的情況下，用這么大的數(shù)字可以防止一些可能的攻擊。

話(huà)雖如此，仍然有一個(gè)安全漏洞會(huì)被利用：如果把錢(qián)轉(zhuǎn)出后馬上取消交易。交易信息會(huì)在網(wǎng)絡(luò)里的節(jié)點(diǎn)間傳遞，所以?xún)蓚€(gè)交易信息抵達(dá)同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間會(huì)不一樣。黑客送出一個(gè)交易信息，在等商家把貨物寄出后，再送出一個(gè)取消交易的信息。這種情況下，有些節(jié)點(diǎn)會(huì)先收到第二個(gè)信息，而把第一個(gè)信息視為非法。如何知道交易信息之間的優(yōu)先順序？使用時(shí)間戳（timestamp），但它容易被偽造。因此這會(huì)發(fā)生一些舞弊現(xiàn)象。

節(jié)點(diǎn)間會(huì)為了交易的順序而意見(jiàn)不合，所以區(qū)塊鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一套機(jī)制讓所有節(jié)點(diǎn)可以遵循一致的交易順序。

比特幣網(wǎng)絡(luò)為了將交易信息排出順序，所以將它們包成一組，稱(chēng)為區(qū)塊（block），每個(gè)區(qū)塊包含的若干個(gè)交易信息和一個(gè)連到前個(gè)區(qū)塊的連接。隨著時(shí)間，一個(gè)區(qū)塊跟著另一個(gè)區(qū)塊，形成一條時(shí)間鏈，這就是區(qū)塊鏈。

▲圖6 區(qū)塊鏈的序列結(jié)構(gòu)

在時(shí)間序列上，同個(gè)區(qū)塊內(nèi)的交易信息被認(rèn)為是同時(shí)發(fā)生，還未被打包進(jìn)區(qū)塊的交易信息會(huì)被視為未確認(rèn)狀態(tài)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以將若干個(gè)交易信息打包成區(qū)塊發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，并建議其為鏈上的最新候選區(qū)塊。

因?yàn)槿魏喂?jié)點(diǎn)都可以發(fā)送候選區(qū)塊，系統(tǒng)如何決定誰(shuí)才是可以放在鏈上的最新區(qū)塊？

區(qū)塊鏈系統(tǒng)使用加密哈希函數(shù)（cryptographic hash function）設(shè)計(jì)了一道復(fù)雜的數(shù)學(xué)題，候選區(qū)塊只要有正確答案，就可以成為鏈上的最新區(qū)塊。

這個(gè)答案是由節(jié)點(diǎn)計(jì)算后一起被打包進(jìn)區(qū)塊。答案是一個(gè)數(shù)字，得到答案的唯一方法就是用猜的，猜到對(duì)為止。一臺(tái)普通配置的電腦需要花一年的時(shí)間才能猜對(duì)答案。所謂團(tuán)結(jié)就是力量，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)里有很多臺(tái)電腦（節(jié)點(diǎn)），一起猜，只需要平均10分鐘就可找到答案。

哪個(gè)節(jié)點(diǎn)先猜到了答案，它就先有權(quán)利將它的候選區(qū)塊放到鏈上。

要找茬的話(huà)：如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)猜到答案，同時(shí)將各自的候選區(qū)塊放在鏈上，會(huì)怎么樣？每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一份區(qū)塊鏈副本，當(dāng)節(jié)點(diǎn)拿到其他節(jié)點(diǎn)丟出來(lái)的候選區(qū)塊（已有正確答案的），就會(huì)把區(qū)塊放到副本鏈上，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)要求節(jié)點(diǎn)搜尋網(wǎng)絡(luò)里有沒(méi)有比它的副本鏈更長(zhǎng)的鏈，如果有，舍棄原有的鏈，取用更長(zhǎng)的鏈。

▲圖7 解決鏈模糊邏輯

事實(shí)上，節(jié)點(diǎn)同時(shí)猜對(duì)答案的發(fā)生機(jī)率很低，所以整個(gè)區(qū)塊鏈會(huì)很快地穩(wěn)定下來(lái)，收斂成單一條鏈。話(huà)雖如此，不一致的鏈尾區(qū)塊仍存在潛在的安全問(wèn)題。如果區(qū)塊屬于較短的鏈尾上（如圖7的區(qū)塊B），一旦系統(tǒng)決定采用其他更長(zhǎng)的鏈（如圖7的區(qū)塊A和N），則區(qū)塊B內(nèi)的所有交易信息會(huì)被設(shè)定回到未確認(rèn)狀態(tài)。

我們來(lái)看看Mary如何利用鏈尾模糊現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行攻擊。Mary要付錢(qián)給John，John要出貨給Mary，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)總是取用長(zhǎng)鏈執(zhí)行其上的交易信息，這個(gè)時(shí)候Mary假造一個(gè)更長(zhǎng)的鏈，里面包含了一個(gè)取消交易的信息，于是John可能會(huì)財(cái)貨兩失。

▲圖8 Mary的攻擊方法

系統(tǒng)如何防止這類(lèi)攻擊？剛提到所有節(jié)點(diǎn)會(huì)合力找到數(shù)學(xué)題的答案才能把候選區(qū)塊放到鏈上，單靠一臺(tái)電腦去猜是非常困難，Mary必須比網(wǎng)絡(luò)上所有的節(jié)點(diǎn)更快找到答案，才可能把假造的候選區(qū)塊放到鏈上。就算她成功假造了第一個(gè)區(qū)塊，還有第二個(gè)、第三個(gè)區(qū)塊，每次都要跟整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)們做競(jìng)賽。如果Mary用一臺(tái)超級(jí)快的電腦呢？因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上有大量的節(jié)點(diǎn)，Mary不可能在確切的時(shí)間點(diǎn)假造多個(gè)區(qū)塊來(lái)進(jìn)行攻擊。

如果她控制了網(wǎng)絡(luò)上一半的節(jié)點(diǎn)，她有50%的機(jī)率可以成功假造區(qū)塊，但如果要連續(xù)假造兩個(gè)區(qū)塊，機(jī)率降到25%。想假造越多的區(qū)塊，Mary的成功機(jī)率越低。

比特幣區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易信息是被數(shù)學(xué)競(jìng)賽保護(hù)著：黑客是跟整個(gè)網(wǎng)絡(luò)做競(jìng)速。

所以，交易信息隨著時(shí)間越來(lái)越安全。越舊的區(qū)塊比越新的區(qū)塊更安全。平均10分鐘就有一個(gè)新的區(qū)塊加到鏈上，大概一個(gè)小時(shí)后，里面的交易信息有很高的機(jī)率已經(jīng)被執(zhí)行了，而且是不可逆的。

▲圖9 區(qū)塊鏈的交易安全

為了轉(zhuǎn)錢(qián)出去，你的錢(qián)包必須先驗(yàn)證有錢(qián)轉(zhuǎn)進(jìn)來(lái)過(guò)，網(wǎng)絡(luò)上所有的交易都會(huì)經(jīng)過(guò)這樣的驗(yàn)證。雞生蛋，蛋生雞，但一開(kāi)始的比特幣從哪來(lái)？

為了平衡軟件錯(cuò)誤或錢(qián)包密碼遺失所造成的通貨緊縮，系統(tǒng)會(huì)把一些回饋金給解開(kāi)數(shù)學(xué)題的節(jié)點(diǎn)。為了得到回饋金而去執(zhí)行軟件的行為，稱(chēng)為“挖礦”?——?就像挖金礦一樣。

回饋金是一種激勵(lì)，推動(dòng)人們?nèi)ソ⒐?jié)點(diǎn)，順帶貢獻(xiàn)一些計(jì)算效能來(lái)幫助整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算和穩(wěn)定。

因?yàn)橐慌_(tái)電腦需要花很長(zhǎng)的時(shí)間解題（大約平均一年），所以幾個(gè)節(jié)點(diǎn)可以組成一個(gè)群組一起解題。這種方式會(huì)比較快，而且平分得到的回饋金。這種群組稱(chēng)為挖礦池（mining pools）。

有些挖礦池很大，可能擁有整個(gè)網(wǎng)絡(luò)超過(guò)20%的計(jì)算效能。這可能會(huì)有安全性問(wèn)題，就像剛剛Mary那個(gè)例子。但就算挖礦池得到50%的計(jì)算效能，時(shí)間越久，交易信息就越安全。

然而，有些挖礦池會(huì)限制節(jié)點(diǎn)的數(shù)量避免過(guò)大的計(jì)算效能來(lái)保障網(wǎng)絡(luò)的安全。

而且隨著時(shí)間整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算效能會(huì)提升，例如技術(shù)的創(chuàng)新或節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)會(huì)重新調(diào)整數(shù)學(xué)題的難度，讓產(chǎn)生新的區(qū)塊的時(shí)間保持在10分鐘。這么做可以促使網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和安全。

再者，每四年挖礦的回饋金會(huì)減半，所以隨著時(shí)間人們對(duì)挖礦的興趣會(huì)減少。為了避免節(jié)點(diǎn)停止挖礦，系統(tǒng)允許每筆交易信息可以附帶一點(diǎn)回饋金，節(jié)點(diǎn)便可以獲得額外的利益。

因?yàn)檫@個(gè)機(jī)制，如果交易信息帶有較高的回饋金，就會(huì)比較快被執(zhí)行。這表示你想要你的交易快點(diǎn)被執(zhí)行，就得附加比較高的回饋金。跟銀行的手續(xù)費(fèi)來(lái)比，比特幣的交易回饋金顯得比較少，而且跟交易量無(wú)關(guān)。

▲圖10 比特幣交易

現(xiàn)在你已經(jīng)對(duì)區(qū)塊鏈有一個(gè)初步的了解，我們來(lái)快速看一下它為什么有趣。

使用區(qū)塊鏈技術(shù)有幾個(gè)相當(dāng)顯著的好處：

?你可完全控制自己的身家財(cái)產(chǎn)，沒(méi)有第三方機(jī)構(gòu)組織保管或限制你使用它。

?交易成本非常低，讓我們可以實(shí)現(xiàn)小額支付（micropayments）。

?財(cái)產(chǎn)可以在幾分鐘內(nèi)就完成轉(zhuǎn)移，交易紀(jì)錄可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)獲得保障。

?任何人可以在任何時(shí)間驗(yàn)證每個(gè)交易紀(jì)錄，區(qū)塊鏈具有高透明度。

?應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)可以打造任何去中心化的應(yīng)用軟件，它可以快速且安全管理和傳送數(shù)據(jù)。

然而，有一些挑戰(zhàn)需要克服：

?交易紀(jì)錄都是匿名的。一方面保障了用戶(hù)的隱私，另一方面管制機(jī)構(gòu)無(wú)法追蹤非法的交易行為。

?即使很多交易平臺(tái)興起，仍不容易使用比特幣買(mǎi)東西。

?比特幣就像其他的虛擬貨幣，非常不穩(wěn)定：在市場(chǎng)上不容易取得而且需求劇烈變化。比特幣的價(jià)格很容易受到虛擬貨幣市場(chǎng)的突發(fā)事件影響。

?區(qū)塊鏈技術(shù)還處于起步階段，每天都有新的發(fā)展讓區(qū)塊鏈更安全且穩(wěn)定。

整體來(lái)說(shuō)，區(qū)塊鏈技術(shù)在許多行業(yè)上也具有潛在的革命性，例如從廣告到能源。它的主要影響力是源自于去中心化的概念和不需要無(wú)形的信賴(lài)，很多的應(yīng)用正在發(fā)展中。