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(gè)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?zhǔn)且环N去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫。我會(huì)一一解釋這三個(gè)關(guān)鍵詞。

數(shù)據(jù)庫：

所謂“數(shù)據(jù)庫”，就是計(jì)算機(jī)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(yuǎn)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(gè)數(shù)據(jù)庫可以存放在銀行的一臺(tái)超級(jí)電腦上，也可以放在多臺(tái)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(tái)服務(wù)器，每個(gè)地區(qū)的交易信息發(fā)送到本地區(qū)的服務(wù)器上，各個(gè)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(gè)銀行內(nèi)部的“超級(jí)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(gè)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(gè)“賬本”難道不會(huì)亂七八糟嗎?要搞清楚這點(diǎn)，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(gè)數(shù)據(jù)塊。類比賬本的話，區(qū)塊就相當(dāng)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(gè)互聯(lián)網(wǎng)上的“頁”串成一條鏈，就可以形成一個(gè)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(gè)區(qū)塊本身的一些特征信息?？梢灶惐纫豁撋系?ldquo;頁碼”，只不過這個(gè)“頁碼”比較復(fù)雜。“頁碼”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(gè)“指紋”。我們簽合同有時(shí)會(huì)摁手印，以后只要把自己的指紋和合同上的指紋對(duì)比一下，就可以證明合同是自己簽的。類似地，我們?cè)诰W(wǎng)上下載一個(gè)軟件，有些網(wǎng)站會(huì)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(jì)算一下這個(gè)SHA值，再跟官網(wǎng)上給的SHA值對(duì)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(gè)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(gè)區(qū)塊中，包含了兩種哈希值：“上一個(gè)區(qū)塊的哈希值”和“本區(qū)塊的哈希值”。因?yàn)槊總€(gè)區(qū)塊都包含了上一個(gè)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。“上一個(gè)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(gè)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(huì)改變。由于區(qū)塊鏈中下一個(gè)區(qū)塊包含了“上一個(gè)區(qū)塊的哈希值”，為了讓下一個(gè)區(qū)塊依然能連到本區(qū)塊，需要修改下一個(gè)區(qū)塊。而這又導(dǎo)致下下個(gè)、下下下個(gè)......區(qū)塊也必須修改。

▲篡改了一個(gè)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(jī)制(這個(gè)機(jī)制比較細(xì)節(jié)，我們這里不討論)，計(jì)算一個(gè)區(qū)塊的哈希值是極其困難的，修改多個(gè)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(jì)算出一個(gè)潛在區(qū)塊的哈希值，使這個(gè)區(qū)塊正式加入整個(gè)區(qū)塊鏈的過程。一個(gè)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(shí)。由于比特幣設(shè)計(jì)者的一些考慮，采礦的過程需要消耗大量時(shí)間和資源。前面已經(jīng)提到，計(jì)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(jì)算機(jī)都參與哈希值的計(jì)算，平均每十分鐘才能算出一個(gè)哈希值。

從事采礦活動(dòng)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(shí)間和資源，為什么礦工會(huì)自愿加入呢?這是因?yàn)楸忍貛艆f(xié)議規(guī)定，挖到新區(qū)塊的礦工會(huì)得到比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。這是礦工采礦的動(dòng)力;也因?yàn)榈V工持續(xù)得挖礦，比特幣交易信息才能被確認(rèn)，比特幣交易才能正常進(jìn)行。同時(shí)，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(jī)構(gòu)人為印發(fā)的方式增加，只能通過挖礦獎(jiǎng)勵(lì)的方式“自然地”增加。

如何避免主鏈分叉?

既然挖礦會(huì)有比特幣獎(jiǎng)勵(lì)，比特幣的交易方也會(huì)給礦工一些手續(xù)費(fèi)作為報(bào)酬，礦工之間難免會(huì)產(chǎn)生大量競爭。如果兩個(gè)礦工同時(shí)挖到了某個(gè)區(qū)塊的下一個(gè)區(qū)塊，那么誰挖到的那個(gè)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(gè)分叉上的新增區(qū)塊達(dá)到了六個(gè)，那么它就成為區(qū)塊鏈的“正統(tǒng)”;而同一時(shí)刻其他沒有達(dá)到六個(gè)區(qū)塊的分叉，就會(huì)被不幸淘汰，這些區(qū)塊上的交易信息也不會(huì)被認(rèn)可。這就避免了區(qū)塊鏈的分叉。由于一個(gè)區(qū)塊在被挖出來后，后面必須跟上六個(gè)新區(qū)塊，而平均每十分鐘才能挖到一個(gè)新區(qū)塊，這樣，一筆交易至少需要一個(gè)小時(shí)才能被確認(rèn)(被寫進(jìn)區(qū)塊鏈)。

▲礦工B：我有一句喵喵喵不知當(dāng)不當(dāng)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(duì)稱密碼的知識(shí)，由于不是比特幣所獨(dú)有，不作討論。)當(dāng)你發(fā)起一筆比特幣交易后，這個(gè)交易信息就會(huì)從你的設(shè)備上，逐漸發(fā)送到整個(gè)比特幣網(wǎng)絡(luò)。

為了挖礦獎(jiǎng)勵(lì)，許多礦工都會(huì)收集你的交易信息，并拼命挖新的區(qū)塊。如果一個(gè)礦工挖出了一個(gè)新的區(qū)塊，他就會(huì)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(gè)新的區(qū)塊，以保證整個(gè)區(qū)塊鏈采用了這個(gè)區(qū)塊。這時(shí)你的交易信息才能正式寫入?yún)^(qū)塊鏈，得到確認(rèn)。而那些沒有挖到六個(gè)區(qū)塊的礦工的成果則會(huì)被淘汰。

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

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

小結(jié)一下以上的要點(diǎn)：

區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛沤灰椎目煽康?、唯一的賬本。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)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(gè)區(qū)塊的哈希值”而連接成一條鏈。

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

但同時(shí)，這也導(dǎo)致比特幣交易至少需要一個(gè)小時(shí)來確認(rèn)，不具有即時(shí)性。

挖礦獎(jiǎng)勵(lì)是比特幣唯一的發(fā)行機(jī)制，也是礦工挖礦的動(dòng)力。