花一分鐘來了解下 區(qū)塊鏈技術(shù)之前的東西

開篇

很多年沒有看到像區(qū)塊鏈這樣有生命力的事物了。它像一個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，觀點太多，事實太少。我作為一個個體去摸這頭大象的時候，比較擅長的是以技術(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。這些記錄可能很入門，甚至有錯誤，但是或許對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，一個跟在另一個后面，這個順序是嚴(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，來剖析這個鏈表。

為了構(gòu)成鏈表，鏈表的數(shù)據(jù)塊里面有兩個基本的部分：區(qū)塊頭，和數(shù)據(jù)本身。區(qū)塊頭里面有一個字段指明了上一個區(qū)塊的id，而所有區(qū)塊的id既不是順序的，也不是隨機的，而是區(qū)塊頭這80個字節(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)者費解的概念了。聽起來很嚇人，實際很簡單。哈希就是一個算法，能把任意長度的內(nèi)容（無論是一個數(shù)，還是文章，圖像，視頻，總之就是任何數(shù)字化的信息）轉(zhuǎn)換成一串看似沒有規(guī)律的固定長度的數(shù)字（哈希值），并保證結(jié)果唯一，而從這個結(jié)果幾乎沒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

我們把這個哈希值看成亂碼好了，因為唯一的規(guī)律就是沒有規(guī)律。同時，在原始數(shù)據(jù)中哪怕有一點點改動，產(chǎn)生的哈希就會產(chǎn)生巨大的變化。這個特性常常用來做“數(shù)字指紋”。

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

區(qū)塊頭和id

剛才講到，每個區(qū)塊的id從它的區(qū)塊頭的80個字節(jié)數(shù)據(jù)兩次SHA256哈希得到。區(qū)塊鏈的一個精妙的設(shè)計就是，它對于的id是有要求的。只有滿足特定的規(guī)則的id才是合法的。這個規(guī)則就是：區(qū)塊頭的哈希值必須小于一個數(shù)，直觀看到的就是，每個新的區(qū)塊的長達64個字符的id必須以比如18個零開頭④，一個合法的區(qū)塊id是長成這個樣子的： 000000000000000000 3c19cdbebe2df5c7f82558e2c80a0c7341e25072b732a2

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

1. 版本號 最近一直是0x20000000 ⑥

2. 上一個塊的哈希值 這個是排隊時候的隊尾，改了就排不到隊里了

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

4. 時間 不能改，就是現(xiàn)在的時間。

5. 難度 每個給定的時間全網(wǎng)的難度是一樣的④

只有第六個字段是隨便寫的，這個數(shù)字叫做No nce

6. No nce

網(wǎng)絡(luò)上任何一臺機器只要找到一個合適的數(shù)字填到自己的這個區(qū)塊的No nce位置，使得區(qū)塊頭這6個字段（80個字節(jié)）的數(shù)據(jù)的哈希值的哈希值以18個以上的0開頭，誰就找到了那個金子⑦！既然我們無法事先寫好一個滿足18個0的數(shù)字然后反推Nounce，唯一的做法就是從0開始一個一個的嘗試，看結(jié)果是不是滿足要求，不滿足就再試下一個，直到找到。

這個過程被戲稱為挖礦。其實我覺得這個過程和淘金更像。淘金者做的事情很簡單，卻很重復(fù)，就是對于河里所有沙子，拿起來一個，判斷是不是金子。如果不是，扔掉再拿一個。如此重復(fù)幾百萬次，總有一個是金子。而在區(qū)塊鏈?zhǔn)澜纾?4個十六進制的字符串，第一個是0的概率是1/16，第二個也是0的概率再乘以1/16，第18個還是零的概率可想而知。所以大家為了找到這個金子一般的No nce一般要花費十幾億次嘗試，雖然每次算哈希的工作并不那么費時間，重復(fù)十幾億次還是要耗費巨大的計算機資源和電力資源。

比特幣體系的另外一個精妙設(shè)計就是它動態(tài)的調(diào)整難度，以無論有多少臺礦機在尋找那個珍貴的正確的No nce，都保證大約每10分鐘產(chǎn)生一個塊。這也是一個類似經(jīng)濟學(xué)的算法。它每2016的塊（也就是2周）就計算一下前面2016個塊平均每個塊花了多少時間，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。這樣礦機無論增減，比特幣都可以按照每10分鐘找到一個塊的金數(shù)字并且生成一個合法的塊。

找到了那個金子一樣的數(shù)字以后呢？

誰找到了那個數(shù)字，誰都可以向全網(wǎng)廣播這個新塊了。而真正的財富秘密在于在這個新塊的數(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地址（通常是自己的）發(fā)放12.5個比特幣。這是規(guī)則認(rèn)可的，就好像賭場里荷官可以合法的從桌上拿一部分錢進自己的口袋一樣。這12.5個比特幣是比特幣網(wǎng)絡(luò)上唯一沒有發(fā)款人，只有收款人的交易，新的比特幣就這樣憑空誕生了。這個激勵每4年減半，再過兩年就只有6.25個了，這樣2140年左右兩千一百萬個比特幣就基本上全產(chǎn)生了并且不會增加了。

區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)

剛才描述的是在一臺電腦上的樣子。實際上，這一串?dāng)?shù)據(jù)是通過P2P網(wǎng)絡(luò)分布在無數(shù)的電腦（節(jié)點）上的。任何礦工找到了那個金子數(shù)字后就立刻全網(wǎng)絡(luò)剛播新找到的塊。如果所有節(jié)點在一個大的聊天室里面倒也簡單，但實際上這個廣播是跟烽火臺一樣接力的傳遞的。每個節(jié)點告訴周圍的，然后它再告訴周圍的。有意或無意的，就會有兩個或多個礦工近似同時對于網(wǎng)絡(luò)的一部分分別宣布發(fā)現(xiàn)了新塊。這個時候的規(guī)則就是，每個節(jié)點只會接受最長的鏈并且丟棄較短的鏈⑤。經(jīng)過幾個節(jié)點后一定有一個勝出，另外一個被拋棄，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。這也就是如果沒有人掌超過50%的算力就無法控制區(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個字節(jié)的區(qū)塊頭開始，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的節(jié)點上，再又成千上萬的礦機通過挖礦來保持算力高壓，讓篡改數(shù)據(jù)需要算力門檻。同時，任何人對于歷史數(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了，就會被立刻發(fā)現(xiàn)。如此幾層嵌套，一個人類到現(xiàn)在為止最為安全和防篡改的公共信息系統(tǒng)誕生了。