花一分鐘來(lái)了解下 區(qū)塊鏈技術(shù)之前的東西

開(kāi)篇

很多年沒(méi)有看到像區(qū)塊鏈這樣有生命力的事物了。它像一個(gè)欣欣向榮的新大陸一樣，把技術(shù)理想主義者，圍觀者，投資者，投機(jī)者，甚至流氓騙子各色人等聚集在一起。

在此亂象中，我深感于現(xiàn)在區(qū)塊鏈，觀點(diǎn)太多，事實(shí)太少。我作為一個(gè)個(gè)體去摸這頭大象的時(shí)候，比較擅長(zhǎng)的是以技術(shù)的角度切入，看它到底是如何工作，如何發(fā)展的，從而把這一只象腿摸清楚。我把自己的學(xué)習(xí)記錄下來(lái)。這些記錄可能很入門，甚至有錯(cuò)誤，但是或許對(duì)于同樣感興趣的人有所幫助。

鏈表

從技術(shù)角度看，區(qū)塊鏈的底層是精妙設(shè)計(jì)的鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)①。

什么是鏈表呢？就是有順序的一串?dāng)?shù)據(jù)塊，一個(gè)跟在另一個(gè)后面，這個(gè)順序是嚴(yán)格規(guī)定的，不能亂。區(qū)塊鏈，食物鏈，供應(yīng)鏈，資金鏈，甚至鄙視鏈，描述的就是這樣有順序的一串物品②。

我們以比特幣為例，來(lái)剖析這個(gè)鏈表。

為了構(gòu)成鏈表，鏈表的數(shù)據(jù)塊里面有兩個(gè)基本的部分：區(qū)塊頭，和數(shù)據(jù)本身。區(qū)塊頭里面有一個(gè)字段指明了上一個(gè)區(qū)塊的id，而所有區(qū)塊的id既不是順序的，也不是隨機(jī)的，而是區(qū)塊頭這80個(gè)字節(jié)的兩次哈希值。

哈希 Hash

這可能是區(qū)塊鏈里面最讓非理工科出身的學(xué)習(xí)者費(fèi)解的概念了。聽(tīng)起來(lái)很嚇人，實(shí)際很簡(jiǎn)單。哈希就是一個(gè)算法，能把任意長(zhǎng)度的內(nèi)容（無(wú)論是一個(gè)數(shù)，還是文章，圖像，視頻，總之就是任何數(shù)字化的信息）轉(zhuǎn)換成一串看似沒(méi)有規(guī)律的固定長(zhǎng)度的數(shù)字（哈希值），并保證結(jié)果唯一，而從這個(gè)結(jié)果幾乎沒(méi)有辦法推算出原始數(shù)據(jù)。比特幣用的是叫做SHA256的哈希算法。

比如： 1 的SHA256哈希結(jié)果是： 0x6b86b273ff34fce19d6b804eff5a3f5747ada4eaa22f1d49c01e52ddb7875b4b

2 的SHA256哈希結(jié)果是：

0xd4735e3a265e16eee03f59718b9b5d03019c07d8b6c51f90da3a666eec13ab35

我們把這個(gè)哈希值看成亂碼好了，因?yàn)槲ㄒ坏囊?guī)律就是沒(méi)有規(guī)律。同時(shí)，在原始數(shù)據(jù)中哪怕有一點(diǎn)點(diǎn)改動(dòng)，產(chǎn)生的哈希就會(huì)產(chǎn)生巨大的變化。這個(gè)特性常常用來(lái)做“數(shù)字指紋”。

用日常例子來(lái)打個(gè)比方。比如按照配方做菜就是個(gè)哈希過(guò)程：有了配方精確的做菜容易，而從菜品推測(cè)出配方難得多。給出兩個(gè)數(shù)算出他們的平方和比較容易，給出一個(gè)數(shù)求是哪兩個(gè)數(shù)的平方和就難很多。哈希算法就大概這么個(gè)意思。

區(qū)塊頭和id

剛才講到，每個(gè)區(qū)塊的id從它的區(qū)塊頭的80個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)兩次SHA256哈希得到。區(qū)塊鏈的一個(gè)精妙的設(shè)計(jì)就是，它對(duì)于的id是有要求的。只有滿足特定的規(guī)則的id才是合法的。這個(gè)規(guī)則就是：區(qū)塊頭的哈希值必須小于一個(gè)數(shù)，直觀看到的就是，每個(gè)新的區(qū)塊的長(zhǎng)達(dá)64個(gè)字符的id必須以比如18個(gè)零開(kāi)頭④，一個(gè)合法的區(qū)塊id是長(zhǎng)成這個(gè)樣子的： 000000000000000000 3c19cdbebe2df5c7f82558e2c80a0c7341e25072b732a2

區(qū)塊頭這80個(gè)字節(jié)里面的6個(gè)字段，5個(gè)是不能改的，它們是：

1. 版本號(hào) 最近一直是0x20000000 ⑥

2. 上一個(gè)塊的哈希值 這個(gè)是排隊(duì)時(shí)候的隊(duì)尾，改了就排不到隊(duì)里了

3. 數(shù)據(jù)的哈希 這個(gè)是區(qū)塊里的交易數(shù)據(jù)，也不能改③

4. 時(shí)間 不能改，就是現(xiàn)在的時(shí)間。

5. 難度 每個(gè)給定的時(shí)間全網(wǎng)的難度是一樣的④

只有第六個(gè)字段是隨便寫的，這個(gè)數(shù)字叫做No nce

6. No nce

網(wǎng)絡(luò)上任何一臺(tái)機(jī)器只要找到一個(gè)合適的數(shù)字填到自己的這個(gè)區(qū)塊的No nce位置，使得區(qū)塊頭這6個(gè)字段（80個(gè)字節(jié)）的數(shù)據(jù)的哈希值的哈希值以18個(gè)以上的0開(kāi)頭，誰(shuí)就找到了那個(gè)金子⑦！既然我們無(wú)法事先寫好一個(gè)滿足18個(gè)0的數(shù)字然后反推Nounce，唯一的做法就是從0開(kāi)始一個(gè)一個(gè)的嘗試，看結(jié)果是不是滿足要求，不滿足就再試下一個(gè)，直到找到。

這個(gè)過(guò)程被戲稱為挖礦。其實(shí)我覺(jué)得這個(gè)過(guò)程和淘金更像。淘金者做的事情很簡(jiǎn)單，卻很重復(fù)，就是對(duì)于河里所有沙子，拿起來(lái)一個(gè)，判斷是不是金子。如果不是，扔掉再拿一個(gè)。如此重復(fù)幾百萬(wàn)次，總有一個(gè)是金子。而在區(qū)塊鏈?zhǔn)澜?，?4個(gè)十六進(jìn)制的字符串，第一個(gè)是0的概率是1/16，第二個(gè)也是0的概率再乘以1/16，第18個(gè)還是零的概率可想而知。所以大家為了找到這個(gè)金子一般的No nce一般要花費(fèi)十幾億次嘗試，雖然每次算哈希的工作并不那么費(fèi)時(shí)間，重復(fù)十幾億次還是要耗費(fèi)巨大的計(jì)算機(jī)資源和電力資源。

比特幣體系的另外一個(gè)精妙設(shè)計(jì)就是它動(dòng)態(tài)的調(diào)整難度，以無(wú)論有多少臺(tái)礦機(jī)在尋找那個(gè)珍貴的正確的No nce，都保證大約每10分鐘產(chǎn)生一個(gè)塊。這也是一個(gè)類似經(jīng)濟(jì)學(xué)的算法。它每2016的塊（也就是2周）就計(jì)算一下前面2016個(gè)塊平均每個(gè)塊花了多少時(shí)間，如果低于10分鐘就按照低的比例調(diào)高難度，如果高于10分鐘調(diào)低難度。這樣礦機(jī)無(wú)論增減，比特幣都可以按照每10分鐘找到一個(gè)塊的金數(shù)字并且生成一個(gè)合法的塊。

找到了那個(gè)金子一樣的數(shù)字以后呢？

誰(shuí)找到了那個(gè)數(shù)字，誰(shuí)都可以向全網(wǎng)廣播這個(gè)新塊了。而真正的財(cái)富秘密在于在這個(gè)新塊的數(shù)據(jù)區(qū)的交易數(shù)據(jù)里面，第一條交易中，挖礦的人可以憑空的給一個(gè)地址（通常是自己的）發(fā)放12.5個(gè)比特幣。這是規(guī)則認(rèn)可的，就好像賭場(chǎng)里荷官可以合法的從桌上拿一部分錢進(jìn)自己的口袋一樣。這12.5個(gè)比特幣是比特幣網(wǎng)絡(luò)上唯一沒(méi)有發(fā)款人，只有收款人的交易，新的比特幣就這樣憑空誕生了。這個(gè)激勵(lì)每4年減半，再過(guò)兩年就只有6.25個(gè)了，這樣2140年左右兩千一百萬(wàn)個(gè)比特幣就基本上全產(chǎn)生了并且不會(huì)增加了。

區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)

剛才描述的是在一臺(tái)電腦上的樣子。實(shí)際上，這一串?dāng)?shù)據(jù)是通過(guò)P2P網(wǎng)絡(luò)分布在無(wú)數(shù)的電腦（節(jié)點(diǎn)）上的。任何礦工找到了那個(gè)金子數(shù)字后就立刻全網(wǎng)絡(luò)剛播新找到的塊。如果所有節(jié)點(diǎn)在一個(gè)大的聊天室里面倒也簡(jiǎn)單，但實(shí)際上這個(gè)廣播是跟烽火臺(tái)一樣接力的傳遞的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)告訴周圍的，然后它再告訴周圍的。有意或無(wú)意的，就會(huì)有兩個(gè)或多個(gè)礦工近似同時(shí)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的一部分分別宣布發(fā)現(xiàn)了新塊。這個(gè)時(shí)候的規(guī)則就是，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只會(huì)接受最長(zhǎng)的鏈并且丟棄較短的鏈⑤。經(jīng)過(guò)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)后一定有一個(gè)勝出，另外一個(gè)被拋棄，而添加新塊是需要算力的，最終一定是擁有最大算力的一方獲勝。這也就是如果沒(méi)有人掌超過(guò)50%的算力就無(wú)法控制區(qū)塊鏈。

小結(jié)

以比特幣體系為例，最底層就是一串這樣以80個(gè)字節(jié)的區(qū)塊頭開(kāi)始，約1M的數(shù)據(jù)跟著的數(shù)據(jù)。用哈希這樣的算法，一層一層的鎖定，形成了固若金湯的鏈條。再把它分布在成千上萬(wàn)的節(jié)點(diǎn)上，再又成千上萬(wàn)的礦機(jī)通過(guò)挖礦來(lái)保持算力高壓，讓篡改數(shù)據(jù)需要算力門檻。同時(shí)，任何人對(duì)于歷史數(shù)據(jù)，哪怕就改了很小的一部分，數(shù)據(jù)的哈希就變了，區(qū)塊頭就變了，它的兩次哈希結(jié)果就變了，它后面的塊就連不上來(lái)了，就會(huì)被立刻發(fā)現(xiàn)。如此幾層嵌套，一個(gè)人類到現(xiàn)在為止最為安全和防篡改的公共信息系統(tǒng)誕生了。