大话区块链和比特币的技术原理

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发布于: 2020 年 05 月 10 日
前言：区块链大热之后，似乎淡出，但央行推出数字货币再次把区块链推上风口浪尖。本文用大白话，简单明了的讲解区块链和比特币的技术原理。
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历史说到区块链，不得不提一下比特币。我们来看几个比特币的历史事件：
2008年10月，署名为Satoshi Nakamoto（中本聪）的人发表了一篇名为“Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System”的论文。论述了比特币的技术原理，也就是区块链的核心原理。这个文章大家可以在网上搜到。
2009年1月，中本聪发布了比特币软件。他随即创建了区块链上的第一个数据块Block，这个Block被称作创世块（Genesis Block）。因为创建了这个数据块，他获得了50个比特币的奖励，这就是传说中的挖矿赚金币。一直没有人知道他具体是谁。后来他就慢慢消失了，他拥有至少100万个比特币。退休啦！
发布当天，一个名为Hal Finney的哥们下载了比特币软件，中本聪转给了它10个比特币，这是比特币软件上第一笔交易。
2010年5月22日，名为Hanyecz的人做了第一个现实中的比特币交易，他用10000个比特币买了两个价值25美元的披萨，平均每个比特币价值0.008美元。
之后比特币价格扶摇直上，最高达到近20000多美元。
比特币现象引领了区块链技术的热潮，区块链技术以中本聪的论文为核心基础，当然后面大家也有很多改进和创新。
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定义区块链是一种去中心化的数据库，同一份数据在参与者的电脑上都复制了一份；数据一旦被写入区块链，就很难被修改；不同电脑上的数据不断相互同步并验证数据的有效性。
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区块链没有官方的定义，我这个定义很清晰的说明了区块链技术的3个核心特征。我们一个个来看。
一种数据库区块链是一种去中心化的数据库，同一份数据在参与者的电脑上都有保存。
这里有两个要点：它是数据库，通俗点可以理解成账本；它是去中心化的。
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先说去中心化，简单说就是：这个账本所有相关人都人手一份。没有一个中心人物掌握和控制这个账本，人人平等。大家想想我们的银行系统呢？这个账本只有银行有，你没有，是中心化的。
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它是一种数据库，什么样的数据库呢？它是由数据块Block组成的，这些数据块前后相连，连成一个链，所以被称为区块链。对于懂技术的同学，这就是一个链表。
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这些块里面可以放任何数据。对于比特币来说，放的就是交易信息：
张三转给麦叔3个比特币
李四装给麦叔4个比特币
王五转给麦叔5个比特币
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比特币的第一个块是由中本聪创建的，根据比特币软件的规则，因为他成功创建了这个数据块，系统奖励给他50个比特币。系统的比特币哪里来的？是凭空创造出来的，就像中央银行印刷钞票一样。
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比特币的参与者就是在努力的去创造数据块，因为创造数据块可以奖励比特币。这就是挖矿。但是创造数据块没那么容易，需要不停的挖呀挖呀，这个等下我会说。
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现在比特币一共有多少个Block呢？截止到我正在码字的这一刻，比特币一共有553568个Block。最后这块是一个中国哥们挖出来的，这个数据块里面包含了2795笔交易数据，为此他获得了12.5个比特币的奖励。
奖励每4年就会减半，直到最后不再有奖励。所以越来越难挖矿到比特币，发财要趁早啊！比特币最后一共有2100万个，然后就不会再有新的比特币了。
比特币的信仰者认为比特币最后总量是固定的，所以不会有通货膨胀，因此具有价值。
有兴趣的同学可以在这里查看比特币的Block信息：https://www.blockchain.com/explorer
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很难被修改区块链的数据块，一旦被挖出来了，就很难被修改，因为它的数据块不是一般的数据块，是数据块中的战斗块！来看一下结构：
图中有两个数据块，我用3个要点来说它是怎么不一般：
每个数据块都有一个指纹（懂技术的同学，指纹就是Hash）。这个指纹是把这个块里面的所有数据经过一种算法转换成的一个64位的字符串。
一旦数据块里的任何数据变化了，这个64位的指纹都会发生完全的变化，这就是我说的雪崩效应。
这个算法就是哈希算法，常用的是sha256（傻256）。我们来试验一下：
数据是：中本聪转给麦叔88个比特币”
Hash是：90621272001aed0b5f986943adc34ce2feae5d1e9ed9684f73d1ec1673de3247
如果聪明的我，把数据修改一下，悄悄加了1个0，Hash值将会变得完全不一样。
数据是：中本聪转给麦叔808个比特币”
Hash是：0bdaababb3efa3149f30c0f45319fcf0249f4d289d071b93e7694b5c3471a179
有兴趣的同学可以自己网上找个在线计算器玩一下，比如这个地址：https://emn178.github.io/online-tools/sha256.html
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后一个数据块保存了前一个数据块的Hash，这也就是说，如果前一个数据块变化了，后一个数据块保存的Hash和前一个数据块就完全不同了。区块链软件会进行这个验证，如果不同就说明数据是无效的。
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如果我把后一个Block修改一下，加上新的前一个块的Hash呢？那么根据要点1，后一个块的Hash就又变了，造成了再后一个块又无效了。造成多米诺骨牌式的崩塌，雪崩效应加剧了！
每个块的Hash必须以多个数字0开头，加大计算Hash的难度。要点2提到修改了某Block后，就需要修改所有后续Block中的Hash。但如果计算机运算速度快，就一个个修改过去吧，计算Hash是非常快的。比特币到现在也只有55万个Block，找一台怪兽机来恐怕一会就都计算好了，就成功篡改了数据。
所以比特币引入了要点3：不是你随便计算出来一个Hash就可以的，你计算出来的Hash必须以若干个0开头（假设6个0开头）。
Hash不是根据数据自动算出来的吗，怎么能随便修改成0开头呢？所以有了挖矿专用数字。在每个Block中添加了一个额外的数字，这个数字你可以随便改，直到你能让整个Block的Hash是以6个0开头。
所谓的挖矿就是找到这个数字，让Hash以6个0开头。就是我图中下面标的绿油油的绿宝石一样的数字。
具体几个0呢？具体几个是会变化的。比特币设计的原则是整个网络中大约每10分钟能有1个人挖出来1个Block。如果挖的人少了，就会减少要求的0的个数，这样就容易挖点，相当于降低要求；如果挖的人多了，就会增加难度，要求更多的0。软件会定期自动调整要求的0个数，比特币是每周调整一次。
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这样综合起来看：
你要改一个数据，需要从新计算当前Block的Hash，为了保证它的Hash符合0开头的条件，你要不停计算，整个参与比特币网络的人要大约10分钟才能计算出来，你自己机器肯定需要更长时间，假设10天吧；10天后你找到了，然后你又要10天的时间计算下一个数据块的。如果你修改的Block后面有1000个Block，你需要10000天才能算完。
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10000天后，大功告成了吗？问题是，在这10000天时间里，整个网络上已经又新加了大约10000x24x6个新的数据块了。你还能跟得上吗？
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同步机制就算你可以修改自己的那份数据，也都计算出了Hash，但你还需要和网络上的其他参与者同步。
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同步是一个复杂的过程，但至少验证以下几件事情：
是否每个Block都有符合条件的Hash，就是以多个0开头并且确实是根据Block的数据计算出来的。
这里注意：计算Hash，也就是挖矿是很费时，但是验证是否正确是非常快的！
是否每个Block都保存了正确的前一个Block的Hash。
比特币等数字货币还会验证里面的转账交易是否合理，比如张三要转给我3个比特币，但他实际上1个币都没有，那交易肯定不合理了。
最后还会比较谁的有效的链条更长。如果出现不一致，谁的长听谁的。
所以我们前面讨论的情况，修改数据的人几乎永远跟不上大部队的长度，除非他的计算能力超过了所有其他人的总和！
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应用现在比特币的价格飞流直下，反对者认为它的价值可能会归零。不管比特币如何，区块链技术都是大有用武之地的，否则我也不会写这么长了吧。
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有人这么说：人工智能(AI)技术是生产力的革命，而区块链是生产关系的革命，因为它去除了中心机构，从软件底层机制上解决了人与人之间的信任关系。
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一旦理解了它的本质，就可以在很多场景上去应用它，而不仅仅是比特币这样的数字货币，比如：
产品（药品，食物）溯源
我们前面说的警察档案库
投票系统
供应链系统等
就具体的应用案例，我们后面可以再细聊。
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