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昨天晚上被新聞刷屏了的區(qū)塊鏈，它到底是個啥

點(diǎn)擊：  作者：Jimi S    來源：中科院物理所  發(fā)布時間:2019-10-27 10:52:31

 

       相信不少人昨天晚上被突如其來的區(qū)塊鏈刷了個屏。

中共中央政治局10月24日下午就區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行第十八次集體學(xué)習(xí)。中共中央總書記習(xí)近平在主持學(xué)習(xí)時強(qiáng)調(diào)，區(qū)塊鏈技術(shù)的集成應(yīng)用在新的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)變革中起著重要作用。我們要把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關(guān)鍵核心技術(shù)，加快推動區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

公眾號：人民日報習(xí)近平：把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新重要突破口

可能有一些讀者有疑問，“區(qū)塊鏈”到底是什么？為什么會這么受重視呢？今天，小編就來帶大家一起了解一下。

引言

首先，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N電子化數(shù)據(jù)的存儲方法。數(shù)據(jù)是以區(qū)塊的形式出現(xiàn)的，想象一下有很多存儲著數(shù)字化數(shù)據(jù)的區(qū)塊。這些區(qū)塊都鏈接在了一起，為其內(nèi)部數(shù)據(jù)賦予了不可變性。當(dāng)一個數(shù)據(jù)塊被鏈接到了這條鏈上，其內(nèi)部數(shù)據(jù)就再也無法更改了。一旦某個區(qū)塊被添加到了鏈上，里面的數(shù)據(jù)對任何人都是公開可見的。這項技術(shù)具有非凡的革新意義，可以用來記錄我們能想到的幾乎所有數(shù)據(jù)（例如，產(chǎn)權(quán)、身份、余額、病歷等等），同時不存在被篡改記錄的風(fēng)險。假設(shè)我買了一套房子，把產(chǎn)權(quán)證拍照上傳到了區(qū)塊鏈上，我就可以證明我在那個時刻享有這套房產(chǎn)的所有權(quán)。也就是說，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N存儲數(shù)據(jù)且保證數(shù)據(jù)不被篡改的方法。這聽上去不錯，不過隨之而來的問題是：我們是怎么實(shí)現(xiàn)這樣的技術(shù)的？

（校對注：吹毛求疵來說，這一段表述并非無懈可擊，但姑且可以這么先記著。）

第一階——交易數(shù)據(jù)

好吧，我們先拿比特幣區(qū)塊鏈做個例子。比特幣區(qū)塊鏈?zhǔn)乾F(xiàn)存歷史最悠久的區(qū)塊鏈。在比特幣區(qū)塊鏈上，每個區(qū)塊的大小在 1 MB 左右。至截稿日，這條鏈上已經(jīng)累積了 52.5 萬個區(qū)塊，鏈上存儲的數(shù)據(jù)總量約為 52.5 萬 MB 。（校對注：其實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有 52.5萬 MB，因?yàn)樵谠缙冢芏鄥^(qū)塊都沒有打滿 1MB。）

比特幣區(qū)塊鏈上僅存儲比特幣的交易數(shù)據(jù) 。它就像是一個龐大的交易記錄庫，可追溯至第一筆比特幣交易。在本文中，我們假設(shè)有一條存儲交易數(shù)據(jù)的區(qū)塊鏈，就像比特幣區(qū)塊鏈那樣。

第二階——（通過哈希運(yùn)算）鏈接區(qū)塊

想象有三個存儲著交易數(shù)據(jù)的區(qū)塊（如圖一所示）。

 

這三個區(qū)塊內(nèi)都存有一些交易數(shù)據(jù)。這沒什么特別的。就好比是三個獨(dú)立的 word 文檔，里面描述了交易的內(nèi)容和余額變化情況。文檔 1 會按照時間順序從第一筆交易開始記錄，直到數(shù)據(jù)量達(dá)到 1 MB 為止，之后的交易會記錄在文檔 2 中，直到數(shù)據(jù)量達(dá)到 1 MB 為止，以此類推。這些文檔就是數(shù)據(jù)塊。它們一個接著一個聯(lián)系（鏈接）在一起。為此，每個區(qū)塊會根據(jù)其內(nèi)部數(shù)據(jù)串生成一個特殊的（數(shù)字）簽名。如果這個區(qū)塊中的數(shù)據(jù)發(fā)生任何變動，即使只改變了一個數(shù)字，這個區(qū)塊的簽名也會發(fā)生改變。這是如何實(shí)現(xiàn)的？欲知詳情，請閱讀步驟三中的哈希運(yùn)算部分。

（校對注：如上文所述，實(shí)際情形中的區(qū)塊并不是個個都接近區(qū)塊大小的上限，實(shí)際數(shù)據(jù)大小要看把區(qū)塊打包上鏈的礦工在區(qū)塊中記錄了多少交易，而他們并不會等到有了 1MB 交易數(shù)據(jù)才開始動手。實(shí)際情形見下文）

假設(shè)區(qū)塊 1 中記錄了兩筆交易，分別是交易 1 和交易 2 。這兩筆交易的總數(shù)據(jù)量達(dá)到了 1 MB （實(shí)際上一個區(qū)塊中包含的交易筆數(shù)遠(yuǎn)不止這點(diǎn)）。根據(jù)這個區(qū)塊內(nèi)的數(shù)據(jù)串會生成一個簽名。假設(shè)這個簽名是 “X32” 。如下圖所示：

 

請記住，即使區(qū)塊 1 中存儲的數(shù)據(jù)改動了一個數(shù)字，也會得到一個完全 不同的簽名！只要將區(qū)塊 1 的簽名添加到區(qū)塊 2 中，就可以將區(qū)塊 1 的數(shù)據(jù)與區(qū)塊 2 關(guān)聯(lián)起來。區(qū)塊 1 的簽名也包含在區(qū)塊 2 的數(shù)據(jù)串內(nèi)，因此這個簽名與區(qū)塊 2 中的其它數(shù)據(jù)一樣，成了區(qū)塊 2 簽名的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。如下圖所示：

 

正是這些簽名將區(qū)塊鏈接在了一起，形成了一條區(qū)塊鏈。現(xiàn)在加上區(qū)塊 3 ，整條鏈的情況如下圖所示：

 

現(xiàn)在，假設(shè)區(qū)塊 1 中的數(shù)據(jù)被 更改了。比方說 Damian 和 George 之間的交易被更改了。Damian 向 George 發(fā)送了 500 個而非 100 個比特幣。由于區(qū)塊 1 中的數(shù)據(jù)串改變了，其簽名也相應(yīng)改變了。更改過數(shù)據(jù)之后，區(qū)塊 1 的簽名不再是 “X32” ，而是變成了 “W10” ，如下圖所示：

 

-請訪問 r/BlockchainSchool 查看更多關(guān)于區(qū)塊鏈的科普知識-

這樣一來，區(qū)塊 1 的新簽名 “W10” 跟之前添加進(jìn)區(qū)塊 2 數(shù)據(jù)串的舊簽名 “X32” 產(chǎn)生了沖突。區(qū)塊 1 和區(qū)塊 2 之間的鏈接就斷了。這條鏈上的其他用戶就會知道區(qū)塊 1 中的數(shù)據(jù)被更改了。為了維護(hù)區(qū)塊鏈的不可變性，其他用戶會拒絕同步更改后的交易信息，依舊維持原有的交易記錄（即 Damian 向 George 發(fā)送 100 BTC ）不變，整條鏈依舊保持完整。這就意味著，要想不露痕跡地篡改交易，必須將區(qū)塊 2 數(shù)據(jù)串中區(qū)塊 1 的舊簽名替換成新簽名。然而，一旦區(qū)塊 2 中的數(shù)據(jù)串發(fā)生變化，區(qū)塊 2 的簽名也會隨之發(fā)生變化。假設(shè)區(qū)塊 2 的簽名從 “9BZ” 變成了“PP4” 。那么區(qū)塊 2 和區(qū)塊 3 之間的鏈接就斷了！

 

區(qū)塊鏈上的區(qū)塊對所有人都是可見的。因此，如果篡改者真想要不露痕跡地篡改交易，就必須保證篡改之后的區(qū)塊仍然都聯(lián)系在一起（否則人們就很容易發(fā)現(xiàn)哪個區(qū)塊跟其他區(qū)塊并不相連，進(jìn)而判斷出該區(qū)塊已經(jīng)被改過了）。也就是說，改掉一個區(qū)塊必須為后續(xù)的所有區(qū)塊計算新的簽名。可以認(rèn)為這幾乎是不可能的，但要理解這是為什么，請看下文。

第三階——生成簽名（哈希值）

那么，我們以區(qū)塊 1 為例再畫一個示意圖。假設(shè)區(qū)塊 1 只記錄一筆交易，即 Thomas 向 David 發(fā)送 100 BTC 。需要根據(jù)這個數(shù)據(jù)串生成一個簽名。在區(qū)塊鏈上，這個簽名是通過密碼學(xué)哈希函數(shù)生成的。密碼學(xué)哈希函數(shù)是一個極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式：將任意數(shù)據(jù)串作為輸入值代入公式，可以得到一個獨(dú)一無二的 64 位輸出值。例如，你可以將 “Jinglebells” 一詞代入這個哈希函數(shù)（哈希函數(shù)的種類有很多，這只是其中一例），得到的輸出為：

761A7DD9CAFE34C7CDE6C1270E17F773025A61E511A56F700D415F0D3E199868

只要這個輸入中有一個字符發(fā)生變化，包括改變大小寫或是增加空格和標(biāo)點(diǎn)，就會得到截然不同的輸出。如果你在這個輸入后面加上一個句號變成了“Jinglebells.”，得到的輸出就變成了：

B9B324E2F987CDE8819C051327966DD4071ED72D998E0019981040958FEC291B

如果我們把句號去掉，還是能得到跟之前一樣的輸入：

761A7DD9CAFE34C7CDE6C1270E17F773025A61E511A56F700D415F0D3E199868

對于同一個密碼學(xué)哈希函數(shù)來說，相同的輸入必定會得到相同的輸出，不同的輸入必定會得到不同的輸出。比特幣區(qū)塊鏈就是利用哈希函數(shù)為區(qū)塊生成簽名的，將區(qū)塊中的數(shù)據(jù)作為輸入，得到的輸出就是區(qū)塊的簽名。我們再來看看只含有一筆交易（ Thomas 向 David 發(fā)送 100 BTC ）的區(qū)塊 1 示意圖。

 

假設(shè)區(qū)塊 1 中的 數(shù)據(jù)串如下所示：

Block 1 Thomas -100 David +100

將這個數(shù)據(jù)串輸入哈希函數(shù)，得到的輸出（簽名）如下所示：

BAB5924FC47BBA57F4615230DDBC5675A81AB29E2E0FF85D0C0AD1C1ACA05BFF

這個簽名會被添加進(jìn)區(qū)塊 2 的中。再假設(shè)現(xiàn)在 David 向 Jimi 轉(zhuǎn)了 100 BTC ，這筆交易被打包進(jìn)了區(qū)塊 2 。那么如下圖所示：

 

區(qū)塊 2 的數(shù)據(jù)串如下所示：

Block 2 David -100 Jimi +100 BAB5924FC47BBA57F4615230DDBC5675A81AB29E2E0FF85D0C0AD1C1ACA05BFF

將這個數(shù)據(jù)串輸入哈希函數(shù)，得到的輸出（簽名）如下所示：

25D8BE2650D7BC095D3712B14136608E096F060E32CEC7322D22E82EA526A3E5

這就是區(qū)塊 2 的簽名。每一個區(qū)塊都會通過這個密碼學(xué)哈希函數(shù)生成一個數(shù)字簽名。哈希函數(shù)種類繁多，比特幣區(qū)塊鏈用的是 SHA-256 哈希算法。

但是，（僅有上述措施顯然還不夠）如果有人想篡改區(qū)塊中的數(shù)據(jù)，TA 可以在篡改之后生成新的簽名，塞下一個區(qū)塊中，然后逐個逐個區(qū)塊生成新的簽名，這些改動后的區(qū)塊還是形成了一條鏈，他人就沒法分辨出數(shù)據(jù)已經(jīng)被更改過了。如何防止這種情形呢？

答案是只有符合特定要求的哈希值（簽名）才會被區(qū)塊鏈接受。這就是第四階中介紹的挖礦。

第四階——什么是合格的簽名？由誰來簽署區(qū)塊？

并非所有的簽名都符合要求。區(qū)塊鏈協(xié)議會預(yù)先確定一些要求，比如，在比特幣區(qū)塊鏈上，只有以連續(xù)的零開頭的數(shù)字簽名相對應(yīng)的區(qū)塊才能上鏈。例如，只有在數(shù)字簽名以不少于 連續(xù)10 個零開頭的情況下，對應(yīng)的區(qū)塊才能上鏈。

然而，由第三小節(jié)可知，每個數(shù)據(jù)串對應(yīng)的哈希值都是 唯一的。如果一個區(qū)塊的簽名（哈希值）開頭少于 10 個零呢？為了獲得符合條件的區(qū)塊簽名，需要反復(fù)改變輸入的數(shù)據(jù)串，直到能生成以連續(xù) 10 個零開頭的簽名為止。但由于交易數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)（區(qū)塊編號、時間戳等等）需要保持原樣（否則意義就改變了），每個區(qū)塊里面還另外添加了一段特定長度的、可以改動的數(shù)據(jù)。想把區(qū)塊添加到鏈上時，人們可以不斷改變這段數(shù)據(jù)，直到找到一個合格的簽名，然后確定下這段數(shù)據(jù)的具體值。這段數(shù)據(jù)就是區(qū)塊的nonce。nonce 不是預(yù)先確定的數(shù)據(jù)，而是應(yīng)實(shí)際需要而找出的一串完全隨機(jī)的數(shù)字（注：圖中所示的其他數(shù)據(jù)可以由任意字符組成，nonce 只能由數(shù)字組成）。

綜上所述，區(qū)塊包含：1）交易數(shù)據(jù)；2）上一個區(qū)塊的簽名；3）nonce 。這種通過反復(fù)更改 nonce、對區(qū)塊數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希運(yùn)算、尋找合格簽名的過程就叫做 挖礦，也就是 礦工所做的事。礦工投入大量電力，轉(zhuǎn)化成算力，不斷代入 nonce 進(jìn)行哈希運(yùn)算，直到找到合格的簽名（輸出）為止。礦工手中掌握的算力越多，哈希運(yùn)算的速度就越快，搶先找到合格簽名的可能性就越高。這是一種 反復(fù)試錯 的過程，如下圖所示：

 

-注：nonce 必須是數(shù)字（詳情請閱讀 r/BlockchainSchool 上的講解）-

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的任何用戶都可以通過下載并啟動 挖礦軟件 來參與挖礦，實(shí)際上，這就是用他們的硬件計算能力來計算區(qū)塊的 nonce 。以比特幣區(qū)塊鏈上的 Block #521,477 為例：

 

-源自區(qū)塊鏈瀏覽器 blockchain.com –

可以看出，這個區(qū)塊的哈希值（簽名）和上一個區(qū)塊的哈希值都是以相同數(shù)量的零開頭的。找到這樣一個哈希值并非易事，需要付出大量算力和時間，或者 運(yùn)氣爆棚。沒錯，有時候運(yùn)氣爆棚的礦工在幾分鐘之內(nèi)就能算出合格的簽名，花的算力也很少。Block #523034 就是一個極其罕見的例子。一個算力很少的小礦工很快就找到了合格的簽名，而其他礦工的算力加起來是他的 7 萬億倍。相比之下，贏得 Powerball 彩票頭獎的概率是 2.92 億分之一，而這位幸運(yùn)兒挖到礦的概率是中頭獎的 1/24000 。

不要小看這些零。這一小節(jié)的重點(diǎn)是，找到一個合格的簽名很難。

第五階——區(qū)塊鏈的不可變性是如何是實(shí)現(xiàn)的？

正如第三階中所述，更改某個區(qū)塊會導(dǎo)致它的簽名改變，與后續(xù)區(qū)塊記錄的對不上，從而與后面的區(qū)塊斷開鏈接。要想讓網(wǎng)絡(luò)中的其他參與者接受這個被更改過的區(qū)塊，就要把它跟后面的區(qū)塊重新鏈接起來。也就是說，一個區(qū)塊的簽名變了，跟在它后面的所有區(qū)塊的簽名都要改變，才能讓別人覺得這是一條前后一致的鏈。

你想起什么事沒有？

如第四節(jié)所述，簽名必須符合要求！雖然更改所有區(qū)塊的簽名看似可行，但是要花費(fèi)很多成本和時間，因此被認(rèn)為是不可能的，原因如下：

假設(shè)有一個礦工惡意篡改了某個區(qū)塊內(nèi)的交易，然后根據(jù)哈希運(yùn)算為這個區(qū)塊連同跟在它后面的所有區(qū)塊生成了新的簽名，以此讓網(wǎng)絡(luò)中的其他參與者都接受被篡改過的交易。問題在于，網(wǎng)絡(luò)中的其他礦工也在原來的鏈上不斷為新的區(qū)塊計算簽名。隨著新的區(qū)塊不斷上鏈，作惡的礦工也要重新計算這些區(qū)塊的簽名。他必須保證所有區(qū)塊都鏈接在一起，包括不斷被添加到鏈上的新區(qū)塊。除非這個礦工擁有的算力超過全網(wǎng)其他人的總算力，否則他永遠(yuǎn)趕超不了其他礦工。

（校對注：這一段的實(shí)際意思是，只要礦工都在自己看到的最長區(qū)塊鏈上挖礦，所有算力就會隨時間自然匯聚到一條主鏈上，而攻擊者只有制造出一條比當(dāng)前主鏈更長的鏈，才能成功改變大家共同認(rèn)可的交易記錄。這種始終以最長鏈為主鏈（有效鏈）的原則，就是所謂的 “最長鏈規(guī)則”，是 Nakamoto Concensus（中本聰共識機(jī)制）的一部分。另，并不是所有區(qū)塊鏈都采用了中本聰共識。）

 

如今有數(shù)百萬用戶在比特幣區(qū)塊鏈上挖礦，由此可以推定某個惡意參與者或?qū)嶓w的算力是不可能超過全網(wǎng)剩余算力的。這就意味著網(wǎng)絡(luò)中的其他參與者不可能接受任何對區(qū)塊鏈的修改，從而實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊鏈的不可變性。一旦數(shù)據(jù)被添加到區(qū)塊鏈上，就無法再修改了。

只有一種例外，就是惡意參與者的算力真的超過全網(wǎng)其他人的算力總和。從理論上來說，這種情況下是有可能篡改區(qū)塊鏈的（即改變大家共同認(rèn)可的歷史記錄）。這就叫做 51% 攻擊（我寫了另一篇文章來解釋這種情形），過去也有很多區(qū)塊鏈遭受過這種攻擊。

（校對注：目前為止，遭受過 51% 攻擊的著名區(qū)塊鏈有 bitGold、Verge、Ethereum Classic。）

實(shí)際上，對比特幣區(qū)塊鏈發(fā)動 51% 攻擊所能獲得的收益遠(yuǎn)抵不上高昂的攻擊成本。要想獲得足夠多的算力，除了要負(fù)擔(dān)硬件、冷卻設(shè)備和存儲空間方面的成本，還要承擔(dān)被千夫所指的風(fēng)險，更重要的是，會對被攻擊區(qū)塊鏈的生態(tài)系統(tǒng)造成極大的損害，攻擊所得的收益也會大幅貶值。51% 攻擊實(shí)際上就是以一己之力對抗區(qū)塊鏈上的其他用戶。這也就是為何參與挖礦的用戶人數(shù)越多，整條鏈的安全性就越高。

恭喜你已經(jīng)又進(jìn)了一階！現(xiàn)在，你應(yīng)該已經(jīng)理解（大型）區(qū)塊鏈被認(rèn)為具有不可更改性的原因了吧。不過現(xiàn)在又出現(xiàn)一個很重要的問題：如何防止礦工將偽造的交易數(shù)據(jù)添加到區(qū)塊鏈上？從技術(shù)上來說是做不到的。關(guān)于區(qū)塊鏈交易的詳細(xì)解釋可參見這篇文章。

（校對注：只有私鑰掌控者才能花費(fèi)相應(yīng)地址中的資金，而礦工并不知道你的私鑰，他人只能通過你公開的公鑰來驗(yàn)證某筆交易是不是你發(fā)起的。所以偽造交易并不可行）

第六階——如何治理區(qū)塊鏈？由誰決定規(guī)則？

……

區(qū)塊鏈協(xié)議自動以最長鏈上的交易記錄為準(zhǔn)，將這條鏈視為代表絕大多數(shù)參與者的鏈。打造最長鏈需要消耗全網(wǎng)絕大部分算力。被篡改過的區(qū)塊就與最長鏈斷開了鏈接，因此會被全網(wǎng)絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)自動拒絕。

在比特幣區(qū)塊鏈上， 所有交易歷史和錢包余額都是公開可見的（blockchain.info）。任何人都可以查看任一錢包的余額情況，或是始自（2009 年 1 月 3 日的）第一筆交易的所有交易記錄。雖然任何人都能查看錢包余額，但是這些錢包的所有者大多都是不為人知的。例如，一個錢包里存有 6.9 萬個比特幣，至本文截稿之時價值約 5 億美元。這個錢包在 2015 年 4 月使用過一次，之后就再也沒有過交易。

（校對注：這一部分其實(shí)并沒有回答 “由誰決定規(guī)則” 的問題，只大概說明了 “根據(jù)現(xiàn)有規(guī)則，這種技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)的”。公鏈治理是一個復(fù)雜的問題，也超出了這篇文章需要說明的范圍了。）

第七階——這些對密碼學(xué)貨幣有何意義？

密碼學(xué)貨幣從本質(zhì)上來說都是比特幣的變體。絕大多數(shù)加密貨幣都是按照自己的區(qū)塊鏈協(xié)議搭建的，遵循不同于比特幣的規(guī)則。比特幣應(yīng)當(dāng)被歸類為一種貨幣，也就是說它明確具備貨幣功能。門羅幣也是一種具有相同功能的加密貨幣，不過它的區(qū)塊鏈協(xié)議還增加了一些規(guī)則來增強(qiáng)隱私性（提高交易溯源的難度）。

不過，用區(qū)塊鏈發(fā)行的資產(chǎn)可以被賦予很多種不同的用途，這點(diǎn)由發(fā)行方?jīng)Q定，如此發(fā)行的資產(chǎn)一般被稱為“代幣”。這些代幣可以賦予其所有人某種權(quán)利，例如社交媒體渠道、 水電等等。所有這些資產(chǎn)交易都記錄在不同的區(qū)塊鏈上，并且可以通過幣安之類的交易所進(jìn)行線上交易。

代幣其實(shí)是一種新型互聯(lián)網(wǎng)貨幣，可能會影響到一部分行業(yè)，其中一個典型的例子就是股票市場。在未來，公司股份之類的產(chǎn)權(quán)很有可能會以代幣的形式存儲到區(qū)塊鏈上。區(qū)塊鏈不僅限于以代幣的形式代表實(shí)物價值，也可以安全地記錄病歷、身份、歷史記錄、納稅記錄等數(shù)據(jù)。

原文鏈接: https://blog.goodaudience.com/blockchain-for-beginners-what-is-blockchain-519db8c6677a

作者: Jimi S.