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入門區塊鏈教學

原標題 : 區塊鏈入門教程

作者:阮一峰

日期:2017年12月26日


入門區塊鏈教學

區塊鏈(blockchain)是眼下的大熱門,新聞媒體大量報導,宣稱它將創造未來。

可是,簡單易懂的入門文章卻很少。區塊鏈到底是什麼,有何特別之處,很少有解釋。

區塊鏈教學

下面,我就來嘗試,寫一篇最好懂的區塊鏈教程。畢竟它也不是很難的東西,核心概念非常簡單,幾句話就能說清楚。我希望讀完本文,你不僅可以理解區塊鏈,還會明白什麼是挖礦、為什麼挖礦越來越難等問題。

需要說明的是,我並非這方面的專家。雖然很早就關注,但是仔細地了解區塊鏈,還是從今年初開始。文中的錯誤和不准確的地方,歡迎大家指正。

一、區塊鏈的本質

區塊鍊是什麼?一句話,它是一種特殊的分佈式數據庫。

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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,也可以從裡面讀取,所以它是數據庫。

其次,任何人都可以架設服務器,加入區塊鍊網絡,成為一個節點。區塊鏈的世界裡面,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,因為所有節點最後都會同步,保證區塊鏈一致。

二、區塊鏈的最大特點

分佈式數據庫並非新發明,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於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台,其他使用者就都必須聽命於他們了。

但是,沒有了管理員,人人都可以往裡面寫入數據,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。

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每個區塊包含兩個部分。

  • 區塊頭(Head):記錄當前區塊的特徵值
  • 區塊體(Body):實際數據

區塊頭包含了當前區塊的多項特徵值。

  • 生成時間
  • 實際數據(即區塊體)的哈希
  • 上一個區塊的哈希

這裡,你需要理解什麼叫哈希(hash),這是理解區塊鏈必需的。

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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徵值。區塊鏈的哈希長度是256位,這就是說,不管原始內容是什麼,最後都會計算出一個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,把區塊頭的各項特徵值,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,這個公式裡面只包含區塊頭,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。為了讓後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),該人必須依次修改後面所有的區塊,否則被改掉的區塊就脫離區塊鏈了。由於後面要提到的原因,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。

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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、採礦

由於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,準備基於它生成下一個區塊,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。因為每個區塊的後面,只能跟著一個區塊,你永遠只能在最新區塊的後面,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。由於計算量太大,所以快不起來。

這個過程就叫做採礦(mining),因為計算有效哈希的難度,好比在全世界的沙子裡面,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。

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六、難度係數

讀到這裡,你可能會有一個疑問,人們都說採礦很難,可是採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係數(difficulty),這個值決定了計算哈希的難度。舉例來說,第100000個區塊的難度係數是14484.16236122。

區塊鏈教學

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

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哈希的有效性跟目標值密切相關,只有小於目標值的哈希才是有效的,否則哈希無效,必須重算。由於目標值非常小,哈希小於該值的機會極其渺茫,可能計算10億次,才算中一次。這就是採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徵值都是固定的,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於目標值,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、難度係數的動態調節

正如上一節所說,採礦具有隨機性,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。

為了將產出速率恆定在十分鐘,中本聰還設計了難度係數的動態調節機制。他規定,難度係數每兩週(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%,因此接下來的難度係數就要調高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%,因此接下來的難度係數就要調低10%。

難度係數越調越高(目標值越來越小),導致了採礦越來越難。

八、區塊鏈的分叉

即使區塊鍊是可靠的,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。這時應該採納哪一個區塊呢?

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現在的規則是,新節點總是採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後面,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。

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由於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佈式數據庫,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。

  1. 不存在所有成員都信任的管理當局
  2. 寫入的數據不要求實時使用
  3. 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。

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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

(完)

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