作者注:这篇文章是写给非计算机专业的朋友的科普文,尽量避开了比较专业的细节。如果你是计算机相关专业,或者具备一定数据结构、算法、密码学的知识,建议直接看文末参考资料中的三篇博文,或者更专业的资料。

区块链:去中心化的分布式数据库

大家都知道,“比特币”是一种数字货币。而“区块链”就是比特币的记账系统。可以把区块链想象成一个账本,上面记录了全球所有的比特币交易信息。那么,区块链跟传统的银行记账有什么区别呢?

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这就涉及到区块链的本质了:区块链是一种去中心化的分布式数据库。我会一一解释这三个关键词。

  • 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”。那么,“区块”是怎么串成“区块链”的呢?

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。

区块所包含的内容

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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。

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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)。

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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。

小结一下以上的要点:

  • 区块链是比特币交易的可靠的、唯一的账本。

  • 区块链是一个无中心的分布式数据库。它没有管理员,网络中的所有用户都可以平等地向区块链中写入新的区块。

  • 区块根据“上个区块的哈希值”而连接成一条链。

  • 计算哈希值的困难性,使得区块和区块链无法被篡改,保证了区块和区块链的可靠性。

  • 一个区块后面新增六个区块才能使它正式加入区块链,这使得区块链不会产生分叉,保证了区块链的唯一性。

  • 但同时,这也导致比特币交易至少需要一个小时来确认,不具有即时性。

  • 挖矿奖励是比特币唯一的发行机制,也是矿工挖矿的动力。

参考资料:

《区块链入门教程》,作者:阮一峰(下同)

《比特币入门教程》

《加密货币的本质》

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