下面，我就來(lái)嘗試，寫(xiě)一篇最好懂的區塊鏈教程。畢竟它也不是很難的東西，核心概念非常簡(jiǎn)單，幾句話(huà)就能說(shuō)清楚。我希望讀完本文，你不僅可以理解區塊鏈，還會(huì )明白什么是挖礦、為什么挖礦越來(lái)越難等問(wèn)題。
需要說(shuō)明的是，我并非這方面的專(zhuān)家。雖然很早就關(guān)注，但是仔細地了解區塊鏈，還是從今年初開(kāi)始。文中的錯誤和不準確的地方，歡迎大家指正。
一、區塊鏈的本質(zhì)
區塊鏈是什么？一句話(huà)，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(xiě)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(wù)器，加入區塊鏈網(wǎng)絡(luò )，成為一個(gè)節點(diǎn)。區塊鏈的世界里面，沒(méi)有中心節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)都是平等的，都保存著(zhù)整個(gè)數據庫。你可以向任何一個(gè)節點(diǎn)，寫(xiě)入/讀取數據，因為所有節點(diǎn)最后都會(huì )同步，保證區塊鏈一致。
二、區塊鏈的最大特點(diǎn)
分布式數據庫并非新發(fā)明，市場(chǎng)上早有此類(lèi)產(chǎn)品。但是，區塊鏈有一個(gè)革命性特點(diǎn)。
區塊鏈沒(méi)有管理員，它是徹底無(wú)中心的。其他的數據庫都有管理員，但是區塊鏈沒(méi)有。如果有人想對區塊鏈添加審核，也實(shí)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(wú)法管理，區塊鏈才能做到無(wú)法被控制。否則一旦大公司大集團控制了管理權，他們就會(huì )控制整個(gè)平臺，其他使用者就都必須聽(tīng)命于他們了。
但是，沒(méi)有了管理員，人人都可以往里面寫(xiě)入數據，怎么才能保證數據是可信的呢？被壞人改了怎么辦？請接著(zhù)往下讀，這就是區塊鏈奇妙的地方。
三、區塊
區塊鏈由一個(gè)個(gè)區塊（block）組成。區塊很像數據庫的記錄，每次寫(xiě)入數據，就是創(chuàng )建一個(gè)區塊。
每個(gè)區塊包含兩個(gè)部分。
- 區塊頭（Head）：記錄當前區塊的元信息
- 區塊體（Body）：實(shí)際數據
區塊頭包含了當前區塊的多項元信息。
- 生成時(shí)間
- 實(shí)際數據（即區塊體）的 Hash
- 上一個(gè)區塊的 Hash
- …
這里，你需要理解什么叫 Hash，這是理解區塊鏈必需的。
所謂 Hash 就是計算機可以對任意內容，計算出一個(gè)長(cháng)度相同的特征值。區塊鏈的 Hash 長(cháng)度是256位，這就是說(shuō)，不管原始內容是什么，最后都會(huì )計算出一個(gè)256位的二進(jìn)制數字。而且可以保證，只要原始內容不同，對應的 Hash 一定是不同的。
舉例來(lái)說(shuō)，字符串123的 Hash 是a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0（十六進(jìn)制），轉成二進(jìn)制就是256位，而且只有123能得到這個(gè) Hash。
因此，就有兩個(gè)重要的推論。
- 推論1：每個(gè)區塊的 Hash 都是不一樣的，可以通過(guò) Hash 標識區塊。
- 推論2：如果區塊的內容變了，它的 Hash 一定會(huì )改變。
四、 Hash 的不可修改性
區塊與 Hash 是一一對應的，每個(gè)區塊的 Hash 都是針對”區塊頭”（Head）計算的。
Hash = SHA256(區塊頭)
上面就是區塊 Hash 的計算公式，Hash 由區塊頭唯一決定，SHA256是區塊鏈的 Hash 算法。
前面說(shuō)過(guò)，區塊頭包含很多內容，其中有當前區塊體的 Hash（注意是”區塊體”的 Hash，而不是整個(gè)區塊），還有上一個(gè)區塊的 Hash。這意味著(zhù)，如果當前區塊的內容變了，或者上一個(gè)區塊的 Hash 變了，一定會(huì )引起當前區塊的 Hash 改變。
這一點(diǎn)對區塊鏈有重大意義。如果有人修改了一個(gè)區塊，該區塊的 Hash 就變了。為了讓后面的區塊還能連到它，該人必須同時(shí)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，Hash 的計算很耗時(shí)，同時(shí)修改多個(gè)區塊幾乎不可能發(fā)生，除非有人掌握了全網(wǎng)51%以上的計算能力。
正是通過(guò)這種聯(lián)動(dòng)機制，區塊鏈保證了自身的可靠性，數據一旦寫(xiě)入，就無(wú)法被篡改。這就像歷史一樣，發(fā)生了就是發(fā)生了，從此再無(wú)法改變。
每個(gè)區塊都連著(zhù)上一個(gè)區塊，這也是”區塊鏈”這個(gè)名字的由來(lái)。
五、采礦
由于必須保證節點(diǎn)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(gè)區塊，準備基于它生成下一個(gè)區塊，但這時(shí)別的節點(diǎn)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(gè)區塊的后面，只能跟著(zhù)一個(gè)區塊，你永遠只能在最新區塊的后面，生成下一個(gè)區塊。所以，你別無(wú)選擇，一聽(tīng)到信號，就必須立刻同步。
所以，區塊鏈的發(fā)明者中本聰（這是假名，真實(shí)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(wǎng)才能生成一個(gè)新區塊，一小時(shí)也就六個(gè)。
這種產(chǎn)出速度不是通過(guò)命令達成的，而是故意設置了海量的計算。也就是說(shuō)，只有通過(guò)極其大量的計算，才能得到當前區塊的有效 Hash，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(lái)。
這個(gè)過(guò)程就叫做采礦（mining），因為計算有效 Hash 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 Hash 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(huì )有一個(gè)疑問(wèn)，人們都說(shuō)采礦很難，可是采礦不就是用計算機算出一個(gè) Hash 嗎，這正是計算機的強項啊，怎么會(huì )變得很難，遲遲算不出來(lái)呢？
原來(lái)不是任意一個(gè) Hash 都可以，只有滿(mǎn)足條件的 Hash 才會(huì )被區塊鏈接受。這個(gè)條件特別苛刻，使得絕大部分 Hash 都不滿(mǎn)足要求，必須重算。
原來(lái)，區塊頭包含一個(gè)難度系數（difficulty），這個(gè)值決定了計算 Hash 的難度。舉例來(lái)說(shuō)，第100000個(gè)區塊的難度系數是 14484.16236122。
區塊鏈協(xié)議規定，使用一個(gè)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。
Hash 的有效性跟目標值密切相關(guān)，只有小于目標值的 Hash 才是有效的，否則 Hash 無(wú)效，必須重算。由于目標值非常小，Hash 小于該值的機會(huì )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。
區塊頭里面還有一個(gè) Nonce 值，記錄了 Hash 重算的次數。第 100000 個(gè)區塊的 Nonce 值是274148111，即計算了 2.74 億次，才得到了一個(gè)有效的 Hash，該區塊才能加入區塊鏈。
七、難度系數的動(dòng)態(tài)調節
就算采礦很難，但也沒(méi)法保證，正好十分鐘產(chǎn)出一個(gè)區塊，有時(shí)一分鐘就算出來(lái)了，有時(shí)幾個(gè)小時(shí)可能也沒(méi)結果?？傮w來(lái)看，隨著(zhù)硬件設備的提升，以及礦機的數量增長(cháng)，計算速度一定會(huì )越來(lái)越快。
為了將產(chǎn)出速率恒定在十分鐘，中本聰還設計了難度系數的動(dòng)態(tài)調節機制。他規定，難度系數每?jì)芍埽?016個(gè)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(zhù)比法定速度快了10%，因此難度系數就要調高10%；如果平均生成速度是11分鐘，就意味著(zhù)比法定速度慢了10%，因此難度系數就要調低10%。
難度系數越調越高（目標值越來(lái)越?。?，導致了采礦越來(lái)越難。
八、區塊鏈的分叉
即使區塊鏈是可靠的，現在還有一個(gè)問(wèn)題沒(méi)有解決：如果兩個(gè)人同時(shí)向區塊鏈寫(xiě)入數據，也就是說(shuō)，同時(shí)有兩個(gè)區塊加入，因為它們都連著(zhù)前一個(gè)區塊，就形成了分叉。這時(shí)應該采納哪一個(gè)區塊呢？
現在的規則是，新節點(diǎn)總是采用最長(cháng)的那條區塊鏈。如果區塊鏈有分叉，將看哪個(gè)分支在分叉點(diǎn)后面，先達到6個(gè)新區塊（稱(chēng)為”六次確認”）。按照10分鐘一個(gè)區塊計算，一小時(shí)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(shuō)，擁有大多數計算能力的那條分支，就是正宗的比特鏈。
九、總結
區塊鏈作為無(wú)人管理的分布式數據庫，從2009年開(kāi)始已經(jīng)運行了8年，沒(méi)有出現大的問(wèn)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(jià)。一是效率，數據寫(xiě)入區塊鏈，最少要等待十分鐘，所有節點(diǎn)都同步數據，則需要更多的時(shí)間；二是能耗，區塊的生成需要礦工進(jìn)行無(wú)數無(wú)意義的計算，這是非常耗費能源的。
因此，區塊鏈的適用場(chǎng)景，其實(shí)非常有限。
- 不存在所有成員都信任的管理當局
- 寫(xiě)入的數據不要求實(shí)時(shí)使用
- 挖礦的收益能夠彌補本身的成本
如果無(wú)法滿(mǎn)足上述的條件，那么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(chǎng)景（可能也是唯一的應用場(chǎng)景），就是以比特幣為代表的加密貨幣。下一篇文章，我將會(huì )介紹比特幣的入門(mén)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
