区块链的入门教程

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区块链是眼下的大热门,新闻媒体大量报道,宣称它将创造未来。

可是,简单易懂的入门文章却很少。区块链到底是什么,有何特别之处,网络上很少有解释。

区块链的入门教程

毕竟它不是很难的东西,核心概念非常简单,几句话就能说清楚。希望读完本文,你不仅可以理解区块链,还可以明白什么是挖矿、为什么挖矿越来越难等问题。

需要说明的是,笔者并非这方面的专家。虽然很早就关注区块链,但是仔细地了解区块链,还是从今年初开始。文中的错误和不准确的地方,欢迎大家指正。

区块链的本质

区块链是什么?简单的一句话,它是种特殊的分布式数据库。

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首先,区块链主要作用是储存信息。任何需保存的信息,都可以写入区块链,也可以从里面读取,所以说它是数据库。

其次,任何人都能架设服务器,并加入区块链网络,成为一个节点。区块链的世界里面,没有中心节点,每一个节点都是平等的,并且保存着整个数据库。你可以向任何一个节点,写入或是读取数据,因为所有节点最后都会同步,保证区块链的一致。

区块链的最大特点

分布式数据库并不是新发明,市场上早已有此类产品。但是,区块链有一个革命性的特点:区块链没有管理员,它是彻底无中心的。

其他数据库都有管理员,但区块链没有。如果有人想要对区块链添加审核,也实现不了的,因为它设计目标就是防止出现居于中心地位的管理当局。

正是因为无法管理,区块链才能做到无法被控制。否则一旦大公司大集团控制了管理权,他们就会控制整个平台,其他使用者就都必须听命于他们。

但是,没有了管理员,人人都可以往里面写入数据,怎么才能保证数据是可信的?被坏人改了怎么办?请接着往下读,这是区块链奇妙的地方。

区块

区块链由一个个区块block组成。区块很像数据库的记录,每次写入数据,就是创建一个区块。

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每个区块包含两个部分。

  • 区块头Head:记录当前区块的特征值;
  • 区块体Body:实际数据。

区块头包含了当前区块的多项特征值。

  • 生成时间;
  • 实际数据即区块体的hash;
  • 上一个区块的哈希.

这里,你需要理解什么叫哈希,这是理解区块链必需的。

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所谓哈希就是计算机可以对任意内容,计算得出一个长度相同的特征值。区块链哈希长度是256位,这就是说,不管原始的内容是什么,最后都会计算出一个256位二进制数字。而且可以保证,只要原始内容不同,对应哈希一定是不同的。

举例来说,字符串123的哈希值是a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0十六进制,转换成二进制就是256位,而且只有123能得到这个哈希。

因此,就有两个重要推论:

  1. 每个区块哈希都是不一样的,可以通过哈希标识区块;
  2. 如果区块的内容改变了,它的哈希一定跟着改变。

Hash不可修改性

区块与哈希是一一对应,每个区块的哈希都是针对区块头Head计算的。也就是说,把区块头的各项特征值,按照一定的顺序连接在一起,组成一个很长的字符串,再通过这个字符串计算哈希。

Hash=SHA256区块头

上面就是区块哈希计算公式,SHA256是区块链的哈希算法。注意,这个公式里面只包含区块头,不包含区块体,也就是说,哈希由区块头唯一决定。

前面说过,区块头包含了很多内容,其中有当前区块体哈希,还有上一个区块的哈希。这意味着,如果当前区块体的内容变了,或者上一个区块的哈希变了,一定会引起当前区块的哈希改变。

这一点对区块链有重大意义。如果有人修改一个区块,该区块哈希就变了。为了让后面区块还能连到它,该人必须依次修改后面所有区块,否则被改掉的区块就脱离区块链。由于后面要提到的原因,哈希的计算很耗时,短时间内修改多个区块几乎不会发生,除非有人掌握全网51%以上的计算能力。

正是通过这种联动机制,区块链保证了自身的可靠性,数据一旦写入,就无法被篡改。就像历史一样,发生了就是发生了,从此无法改变。

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每个区块都连着上一个区块,这也是区块链这个名字由来。

采矿

由于必须保证节点之间同步,所以新区块的添加速度不能太快。试想一下,你刚刚同步了一个区块,准备基于它生成下一个区块,但这时别的节点又有新区块生成,不得不放弃做了一半的计算,再去同步。因为每一个区块的后面,只能跟着一个区块,永远只能在最新区块的后面,生成下个区块。所以,别无选择,听到信号,必须立刻同步。

所以,区块链的发明者中本聪故意让添加新区块,变得非常困难。他的设计,平均每10分钟,全网才可以生成一个新区块,一小时就六个。

这种产出速度并不是通过命令达成的,而是故意设置了海量的计算。也就是说,只有通过极其大量计算,才可以得到当前区块的有效哈希,从而把新区块添加到区块链。因计算量太大,所以快不起来。

这个过程就叫做采矿mining,因为计算有效哈希值的难度,就好比在全世界的沙子里面,找到一粒符合条件沙子。计算哈希的机器就叫做矿机,操作矿机的人叫做矿工。

难度系数

读到这里,可能会有一个疑问,人们都说采矿很难,可是采矿不就是用计算机算出一个哈希吗,这正是计算机的强项啊,怎么变得很难,迟迟算不出呢?

原来不是任意一个哈希都可以用,只有满足条件的哈希值才会被区块链接受。这个条件特别苛刻,使得绝大部分哈希都不满足要求,必须重算。

原来,区块头包含一个难度系数difficulty,这个值决定计算哈希的难度。举例来说,第100000个区块的难度系数是14484.16236122。

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区块链的协议规定,使用一个常量除以难度系数,可以得到目标值target。显然,难度系数越大,目标值就越小。

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哈希的有效性跟目标值密切相关,只有小于目标值的哈希是有效的,否则哈希无效,必须重算。由于目标值非常小,哈希小于该值机会极其渺茫,可能需计算10亿次,才会算中一次。这就是采矿如此之慢的根本原因。

前面说过,当前区块的哈希由区块头唯一决定的。如果要对同一区块反复计算哈希,就意味着,区块头必须不停地变化,否则不可能算出不一样的哈希值。区块头里面所有的特征值都是固定的,为了让区块头产生变化,中本聪故意增加了一个随机项叫做Nonce。

Nonce是个随机值,矿工的作用其实就是猜出Nonce的值,使区块头的哈希可以小于目标值,从而能够写入到区块链。Nonce是很难猜的,目前只能通过穷举法一个个试错。根据协议,Nonce是一个32位二进制值,即最大可以到21.47亿。第100000个区块的Nonce值是274148111,可理解成,矿工从0开始,一直计算了2.74亿次,才得到了一个有效Nonce值,使算出的哈希能够满足条件。

运气好的,也许一会就找到Nonce。运气不好的话,可能算完了21.47亿次,都没有发现Nonce,即当前区块体不可能算出满足条件的哈希。这时,协议会允许矿工改变区块体,开始新的计算。

难度系数动态调节

正如上节所说,采矿有随机性,没法保证正好每十分钟产出一个区块,有时一分钟就算出来了,有时几个小时可能也没结果。总体来看,随着硬件设备提升,以及矿机数量增长,计算的速度一定会越来越快。

为了能将产出速率恒定在十分钟,中本聪还设计了难度系数的动态调节机制。规定难度系数两周(2016个区块)调整一次。如果在这两周里面,区块平均生成速度是9分钟,就意味着比法定速度快了10%,因此接下来的难度系数要调高10%;如果平均生成速度是11分钟,就意味着比法定速度慢了10%,因此接下来的难度系数要调低10%。

难度系数越调越高,导致采矿越来越难。

区块链的分叉

就算区块链是很可靠的,现在还有一个问题没有解决:如果有两个人同时向区块链写入数据,也就是说,同时两个区块加入,因为它们都连着前一个区块,就形成了分叉。这时应该采纳哪一个区块呢?

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现在的规则是,新节点总是采用最长的那一条区块链。如果区块链有分叉,将看哪个分支在分叉点后面,先达到6个新区块称为六次确认。按照每10分钟一个区块计算,一小时就可以确认。

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由于新区块生成速度由计算能力决定,所以这条规则是说,拥有大多数计算能力的那条分支,就是正宗的区块链。

总结

区块链作为无人管理的分布式数据库,从2009年开始已经运行了8年,没有出现大的问题。这证明它是可行的。

但是,为了保证数据的可靠性,区块链也有自己的代价。一是效率,数据写入到区块链,最少要等待十分钟,所有节点都要同步数据,则需要更多的时间;二是能耗,区块生成需要矿工进行无数无意义的计算,这是非常耗能源的。

因此,区块链的适用场景,其实非常有限。

  1. 不存在所有成员都信任管理当局;
  2. 写入的数据不要求实时使用;
  3. 挖矿的收益能够弥补本身的成本。

如果无法满足上述条件,那么传统的数据库是更好的解决方案。

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目前,区块链最大的应用场景,就是以比特币为代表的加密货币。

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目前评论:7   其中:访客  4   博主  3

    • avatar curta 4

      目前还是小白一枚,努力拜读ing,感谢分享

        • avatar Penn Admin

          @curta 感谢支持,欢迎常来!

        • avatar 菜鸟头头 1

          不睡觉也坚持看完了,还是能懂得。

          • avatar 匿名 9

            签到成功!签到时间:今日的上午8:09:47,每日打卡,生活更精彩哦!

            • avatar 一抹阳光 2

              学习,学习~