區塊鏈入門：比特幣是如何實現去中心化的？

一、區塊鏈的本質

區塊鏈是什麼？一句話，它是一種特殊的分布式數據庫。

首先，區塊鏈的主要作用是儲存信息。任何需要保存的信息，都可以寫入區塊鏈，也可以從里面讀取，所以它是數據庫。

其次，任何人都可以架設服務器，加入區塊鏈網絡，成為一個節點。區塊鏈的世界里面，沒有中心節點，每個節點都是平等的，都保存著整個數據庫。你可以向任何一個節點，寫入/讀取數據，因為所有節點最后都會同步，保證區塊鏈一致。

二、區塊鏈的最大特點

分布式數據庫并非新發明，市場上早有此類產品。但是，區塊鏈有一個革命性特點。

區塊鏈沒有管理員，它是徹底無中心的。其他的數據庫都有管理員，但是區塊鏈沒有。如果有人想對區塊鏈添加審核，也實現不了，因為它的設計目標就是防止出現居于中心地位的管理當局。

正是因為無法管理，區塊鏈才能做到無法被控制。否則一旦大公司大集團控制了管理權，他們就會控制整個平臺，其他使用者就都必須聽命于他們了。

但是，沒有了管理員，人人都可以往里面寫入數據，怎麼才能保證數據是可信的呢？被壞人改了怎麼辦？請接著往下讀，這就是區塊鏈奇妙的地方。

三、區塊

區塊鏈由一個個區塊（block）組成。區塊很像數據庫的記錄，每次寫入數據，就是創建一個區塊。

每個區塊包含兩個部分。

區塊頭（Head）：記錄當前區塊的特征值

區塊體（Body）：實際數據

區塊頭包含了當前區塊的多項特征值。

生成時間

實際數據（即區塊體）的哈希

上一個區塊的哈希

…

這里，你需要理解什麼叫哈希（hash），這是理解區塊鏈必需的。

所謂”哈希”就是計算機可以對任意內容，計算出一個長度相同的特征值。區塊鏈的 哈希長度是256位，這就是說，不管原始內容是什麼，最后都會計算出一個256位的二進制數字。而且可以保證，只要原始內容不同，對應的哈希一定是不同的。

舉例來說，字符串123的哈希是a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0（十六進制），轉成二進制就是256位，而且只有123能得到這個哈希。（理論上，其他字符串也有可能得到這個哈希，但是概率極低，可以近似認為不可能發生。）

因此，就有兩個重要的推論。

推論1：每個區塊的哈希都是不一樣的，可以通過哈希標識區塊。

推論2：如果區塊的內容變了，它的哈希一定會改變。

四、 Hash 的不可修改性

區塊與哈希是一一對應的，每個區塊的哈希都是針對”區塊頭”（Head）計算的。也就是說，把區塊頭的各項特征值，按照順序連接在一起，組成一個很長的字符串，再對這個字符串計算哈希。

Hash = SHA256( 區塊頭 )

上面就是區塊哈希的計算公式，SHA256是區塊鏈的哈希算法。注意，這個公式里面只包含區塊頭，不包含區塊體，也就是說，哈希由區塊頭唯一決定，

前面說過，區塊頭包含很多內容，其中有當前區塊體的哈希，還有上一個區塊的哈希。這意味著，如果當前區塊體的內容變了，或者上一個區塊的哈希變了，一定會引起當前區塊的哈希改變。

這一點對區塊鏈有重大意義。如果有人修改了一個區塊，該區塊的哈希就變了。為了讓后面的區塊還能連到它（因為下一個區塊包含上一個區塊的哈希），該人必須依次修改后面所有的區塊，否則被改掉的區塊就脫離區塊鏈了。由于后面要提到的原因，哈希的計算很耗時，短時間內修改多個區塊幾乎不可能發生，除非有人掌握了全網51%以上的計算能力。

正是通過這種聯動機制，區塊鏈保證了自身的可靠性，數據一旦寫入，就無法被篡改。這就像歷史一樣，發生了就是發生了，從此再無法改變。

每個區塊都連著上一個區塊，這也是”區塊鏈”這個名字的由來。

五、采礦

由于必須保證節點之間的同步，所以新區塊的添加速度不能太快。試想一下，你剛剛同步了一個區塊，準備基于它生成下一個區塊，但這時別的節點又有新區塊生成，你不得不放棄做了一半的計算，再次去同步。因為每個區塊的后面，只能跟著一個區塊，你永遠只能在最新區塊的后面，生成下一個區塊。所以，你別無選擇，一聽到信號，就必須立刻同步。

所以，區塊鏈的發明者中本聰（這是假名，真實身份至今未知）故意讓添加新區塊，變得很困難。他的設計是，平均每10分鐘，全網才能生成一個新區塊，一小時也就六個。

這種產出速度不是通過命令達成的，而是故意設置了海量的計算。也就是說，只有通過極其大量的計算，才能得到當前區塊的有效哈希，從而把新區塊添加到區塊鏈。由于計算量太大，所以快不起來。

這個過程就叫做采礦（mining），因為計算有效哈希的難度，好比在全世界的沙子里面，找到一粒符合條件的沙子。計算哈希的機器就叫做礦機，操作礦機的人就叫做礦工。

六、難度系數

讀到這里，你可能會有一個疑問，人們都說采礦很難，可是采礦不就是用計算機算出一個哈希嗎，這正是計算機的強項啊，怎麼會變得很難，遲遲算不出來呢？

原來不是任意一個哈希都可以，只有滿足條件的哈希才會被區塊鏈接受。這個條件特別苛刻，使得絕大部分哈希都不滿足要求，必須重算。

原來，區塊頭包含一個難度系數（difficulty），這個值決定了計算哈希的難度。舉例來說，第100000個區塊的難度系數是 14484.16236122。

區塊鏈協議規定，使用一個常量除以難度系數，可以得到目標值（target）。顯然，難度系數越大，目標值就越小。

哈希的有效性跟目標值密切相關，只有小于目標值的哈希才是有效的，否則哈希無效，必須重算。由于目標值非常小，哈希小于該值的機會極其渺茫，可能計算10億次，才算中一次。這就是采礦如此之慢的根本原因。

前面說過，當前區塊的哈希由區塊頭唯一決定。如果要對同一個區塊反復計算哈希，就意味著，區塊頭必須不停地變化，否則不可能算出不一樣的哈希。區塊頭里面所有的特征值都是固定的，為了讓區塊頭產生變化，中本聰故意增加了一個隨機項，叫做 Nonce。

Nonce 是一個隨機值，礦工的作用其實就是猜出 Nonce 的值，使得區塊頭的哈希可以小于目標值，從而能夠寫入區塊鏈。Nonce 是非常難猜的，目前只能通過窮舉法一個個試錯。根據協議，Nonce 是一個32位的二進制值，即最大可以到21.47億。第 100000 個區塊的 Nonce 值是274148111，可以理解成，礦工從0開始，一直計算了 2.74 億次，才得到了一個有效的 Nonce 值，使得算出的哈希能夠滿足條件。

運氣好的話，也許一會就找到了 Nonce。運氣不好的話，可能算完了21.47億次，都沒有發現 Nonce，即當前區塊體不可能算出滿足條件的哈希。這時，協議允許礦工改變區塊體，開始新的計算。

七、難度系數的動態調節

正如上一節所說，采礦具有隨機性，沒法保證正好十分鐘產出一個區塊，有時一分鐘就算出來了，有時幾個小時可能也沒結果。總體來看，隨著硬件設備的提升，以及礦機的數量增長，計算速度一定會越來越快。

為了將產出速率恒定在十分鐘，中本聰還設計了難度系數的動態調節機制。他規定，難度系數每兩周（2016個區塊）調整一次。如果這兩周里面，區塊的平均生成速度是9分鐘，就意味著比法定速度快了10%，因此接下來的難度系數就要調高10%；如果平均生成速度是11分鐘，就意味著比法定速度慢了10%，因此接下來的難度系數就要調低10%。

難度系數越調越高（目標值越來越小），導致了采礦越來越難。

八、區塊鏈的分叉

即使區塊鏈是可靠的，現在還有一個問題沒有解決：如果兩個人同時向區塊鏈寫入數據，也就是說，同時有兩個區塊加入，因為它們都連著前一個區塊，就形成了分叉。這時應該采納哪一個區塊呢？

現在的規則是，新節點總是采用最長的那條區塊鏈。如果區塊鏈有分叉，將看哪個分支在分叉點后面，先達到6個新區塊（稱為”六次確認”）。按照10分鐘一個區塊計算，一小時就可以確認。

由于新區塊的生成速度由計算能力決定，所以這條規則就是說，擁有大多數計算能力的那條分支，就是正宗的區塊鏈。

九、總結

區塊鏈作為無人管理的分布式數據庫，從2009年開始已經運行了8年，沒有出現大的問題。這證明它是可行的。

但是，為了保證數據的可靠性，區塊鏈也有自己的代價。一是效率，數據寫入區塊鏈，最少要等待十分鐘，所有節點都同步數據，則需要更多的時間；二是能耗，區塊的生成需要礦工進行無數無意義的計算，這是非常耗費能源的。

因此，區塊鏈的適用場景，其實非常有限。

不存在所有成員都信任的管理當局

寫入的數據不要求實時使用

挖礦的收益能夠彌補本身的成本

如果無法滿足上述的條件，那麼傳統的數據庫是更好的解決方案。

目前，區塊鏈最大的應用場景（可能也是唯一的應用場景），就是以比特幣為代表的加密貨幣。下一篇文章，我將會介紹比特幣的入門知識。

十、參考鏈接

How does blockchain really work?, by Sean Han

Bitcoin mining the hard way: the algorithms, protocols, and bytes, by Ken Shirriff