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什么是区块链?

区块链定义

工信部指导发布的《中国区块链技术和应用发展白皮书2016》这样解释:广义来讲,区块链技术是利用块链式数据结构来验证与 存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的 一种全新的分布式基础架构与计算范式。

 

什么是区块链?

 

简单地说,区块链就是一种去中心化的分布式账本数据库。去中心化,即与传统中心化的方式不同,这里是没有中心,或者说人人都是中心;分布式账本数据库,意味着记载方式不只是将账本数据存储在每个节点,而且每个节点会同步共享复制整个账本的数据。同时,区块链还具有去中介化、信息透明等特点。

区块链的三个关键词

数据库:

所谓“数据库”,就是计算机上的一组表格,它可以存放大量的有结构的信息(可以类比Excel,但远比Excel复杂)。比如我们去银行存款、取款、汇款,这些交易信息都是要上传到银行的数据库的。

分布式:

这个数据库可以存放在银行的一台超级电脑上,也可以放在多台电脑上。比如工行可能在华北、华中、华东、华南等地区各有一台服务器,每个地区的交易信息发送到本地区的服务器上,各个服务器之间通过银行的内部网络连接。这就叫“分布式数据库”。

去中心化:

传统的服务器,不管是不是分布式的,都是有“管理员”的。也就是说,有一个银行内部的“超级用户”可以查看所有的交易信息,并且可以随意添加、修改这些信息。这就叫“中心化”。

而区块链则是“去中心化”的。也就是说,区块链这个数据库中不存在管理员,所有人都是平等的,都有权查看、添加信息。去中心化是区块链的本质特征。

既然所有人都有权往区块链上添加信息,那么这个“账本”难道不会乱七八糟吗?要搞清楚这点,我们需要了解什么是“区块”,什么是“链”。

何为“区块”何为“链”?“区块”是区块链的基本组成。区块就是一个数据块。类比账本的话,区块就相当于账本上的一页,这一页上记录了多条交易信息。而把这些分散在整个互联网上的“页”串成一条链,就可以形成一个完整的“账本”。

区块链工作原理

区块链的数据存储方式其实就是“区块”+“链”。这就好比我们的日记本,每一页都是一张纸,纸上可以记录有用文字信息,但每一页都会有页码,记录每页文字所处的顺序。对比来说,区块就是“纸”,用来记录创建期间发生的所有价值交换活动。页码就是“链”,按照时间先后顺序将区块存储在数据库中。

什么是区块链?

那么或许你就要问,那么多节点到底选择由谁来优先记录区块信息?

其实很简单,就是谁最先完成记录就以谁为准。如图1所示,如果老张和老李要进行一笔交易,就会产生一笔账单记录,账单记录会显示付款人信息、收款人信息、交易的内容以及当前所处的链条序列。在交易完成后,区块链系统会将本次交易清单与上一账单编号的数据进行加密之后发布到全网所有的节点,也就是接入网络中的每一台主机,所有节点在收到公告账单信息后会争夺第一记账权,这一过程包括验证交易双方的信息,在得到确认之后更新账簿,以第一个完成账单记录的节点为准。因此,一旦第一个记账完成,所有节点只能接收记账信息并更新本地账簿,这就是共识机制。

由于每笔账单交易的记录都包含上一个链条的信息,因此一旦某一条交易记录被篡改就自然会出现信息错误或上下链条信息部匹配,而且容易出现链条分叉,因此,采用区块链技术记录的数据篡改难度几乎不可能,数据的容错性极高。而且由于所有账单交易数据的公布都是以加密的方式在网络中发送,要想在网络中篡改数据就必须至少截获51%以上的节点数据并在极短的时间内破解,这种情况可以认为几乎没有可能。

区块链账本的记账原理

哈希值与防篡改:

除了比特币交易信息之外,区块上还包含了这个区块本身的一些特征信息。可以类比一页上的“页码”,只不过这个“页码”比较复杂。“页码”中最重要的,就是“哈希值”,它是理解区块链可靠性的关键。

所谓“哈希值”,可以理解为数据的一个“指纹”。我们签合同有时会摁手印,以后只要把自己的指纹和合同上的指纹对比一下,就可以证明合同是自己签的。类似地,我们在网上下载一个软件,有些网站会给出安装包的哈希值(可能称为CRC或SHA)。我们下载完安装包后,只需用专门的工具计算一下这个SHA值,再跟官网上给的SHA值对比一下,就可以知道自己下载的和网站提供的是否100%一致,下载过程有没有被人做了手脚。

不同的数据,算出来的哈希值一般来说是不同的。如果已知数据A的哈希值是H,想伪造另一个数据B,使它的哈希值也是H,这是极其困难的。也就是说,哈希值具有不可伪造性,起到了“指纹”的作用。

一个区块中,包含了两种哈希值:“上一个区块的哈希值”和“本区块的哈希值”。因为每个区块都包含了上一个区块的哈希值,所有的区块就依次连成一条(逻辑上的)链。“上一个区块的哈希值”就起到了“页码”的作用——给页排序。

什么是区块链?

▲区块所包含的内容

什么是区块链?

▲区块连接成区块链

如果一个区块上的交易信息被人恶意篡改的话,“本区块的哈希值”就会改变。由于区块链中下一个区块包含了“上一个区块的哈希值”,为了让下一个区块依然能连到本区块,需要修改下一个区块。而这又导致下下个、下下下个……区块也必须修改。

什么是区块链?

▲篡改了一个区块,就要修改后面所有区块

由于区块链本身的一些机制(这个机制比较细节,我们这里不讨论),计算一个区块的哈希值是极其困难的,修改多个区块的哈希值则是难上加难。这样,篡改区块链中的交易信息就成为几乎不可能的事情。这就保证了区块链的可靠性。

采矿:向区块链写入信息的方式

采矿:向区块链写入信息的方式“采矿”,就是计算出一个潜在区块的哈希值,使这个区块正式加入整个区块链的过程。一个区块加入区块链后,其中包含的交易信息才能成为事实。由于比特币设计者的一些考虑,采矿的过程需要消耗大量时间和资源。前面已经提到,计算区块的哈希值是极其困难的。具体有多困难呢?如果比特币网络中的计算机都参与哈希值的计算,平均每十分钟才能算出一个哈希值。

从事采矿活动的人,称为“矿工”。互联网上的任何人都可以加入比特币网络,成为矿工。既然采矿需要消耗大量时间和资源,为什么矿工会自愿加入呢?这是因为比特币协议规定,挖到新区块的矿工会得到比特币奖励。这是矿工采矿的动力;也因为矿工持续得挖矿,比特币交易信息才能被确认,比特币交易才能正常进行。同时,这也是比特币总量唯一的增加方式。比特币不像传统货币,它的总量不能通过国家或机构人为印发的方式增加,只能通过挖矿奖励的方式“自然地”增加。

如何避免主链分叉?

既然挖矿会有比特币奖励,比特币的交易方也会给矿工一些手续费作为报酬,矿工之间难免会产生大量竞争。如果两个矿工同时挖到了某个区块的下一个区块,那么谁挖到的那个区块有资格加入区块链呢?如果都可以加入区块链,区块链产生了分叉,这样如何保证区块链的“唯一性”呢?

区块链协议规定,如果一个分叉上的新增区块达到了六个,那么它就成为区块链的“正统”;而同一时刻其他没有达到六个区块的分叉,就会被不幸淘汰,这些区块上的交易信息也不会被认可。这就避免了区块链的分叉。由于一个区块在被挖出来后,后面必须跟上六个新区块,而平均每十分钟才能挖到一个新区块,这样,一笔交易至少需要一个小时才能被确认(被写进区块链)。

什么是区块链?

▲矿工B:我有一句喵喵喵不知当不当讲

综合上文,那么比特币交易的过程是怎样的呢?

交易无非就是一条信息:“买方-1$,卖方+1$。”(这里涉及到一些非对称密码的知识,由于不是比特币所独有,不作讨论。)当你发起一笔比特币交易后,这个交易信息就会从你的设备上,逐渐发送到整个比特币网络。

为了挖矿奖励,许多矿工都会收集你的交易信息,并拼命挖新的区块。如果一个矿工挖出了一个新的区块,他就会把你的交易信息写入区块。在这之后,他还需要再挖出六个新的区块,以保证整个区块链采用了这个区块。这时你的交易信息才能正式写入区块链,得到确认。而那些没有挖到六个区块的矿工的成果则会被淘汰。

这样,虽然是多个矿工在竞争着写入你的交易信息,最后只能有一个矿工成功地写入。这就保证了同一次交易中,你的钱不会被扣掉两次。

一旦一个新的区块正式加入了区块链,这个区块就会被同步到所有矿工的机器上,新的区块只能跟在这个区块后面。而挖到这个区块的矿工会获得一些比特币作为奖励,这也是新比特币发行的过程。

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