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[4694] 2017-12-31_区块链入门教程

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-16
2017-12-31_区块链入门教程 区 块 链 入 门 教 程 阮 一 峰   E 安 全   2 0 1 7 - 1 2 - 3 1 更 多 全 球 网 络 安 全 资 讯 尽 在 E 安 全 官 网 w w w . e a s y a q . c o m 区 块 链 （ b l o c k c h a i n ） 是 眼 下 的 大 热 门 ， 新 闻 媒 体 大 量 报 道 ， 宣 称 它 将 创 造 未 来 。 可 是 ， 简 单 易 懂 的 入 门 文 章 却 很 少 。 区 块 链 到 底 是 什 么 ， 有 何 特 别 之 处 ， 很 少 有 解 释 。 下 面 ， 我 就 来 尝 试 ， 写 一 篇 最 好 懂 的 区 块 链 教 程 。 毕 竟 它 也 不 是 很 难 的 东 西 ， 核 心 概 念 非 常 简 单 ， 几 句 话 就 能 说 清 楚 。 我 希 望 读 完 本 文 ， 你 不 仅 可 以 理 解 区 块 链 ， 还 会 明 白 什 么 是 挖 矿 、 为 什 么 挖 矿 越 来 越 难 等 问 题 。 需 要 说 明 的 是 ， 我 并 非 这 方 面 的 专 家 。 虽 然 很 早 就 关 注 ， 但 是 仔 细 地 了 解 区 块 链 ， 还 是 从 今 年 初 开 始 。 文 中 的 错 误 和 不 准 确 的 地 方 ， 欢 迎 大 家 指 正 。 一 、 区 块 链 的 本 质 一 、 区 块 链 的 本 质 区 块 链 是 什 么 ？ 一 句 话 ， 它 是 一 种 特 殊 的 分 布 式 数 据 库 。
首 先 ， 区 块 链 的 主 要 作 用 是 储 存 信 息 。 任 何 需 要 保 存 的 信 息 ， 都 可 以 写 入 区 块 链 ， 也 可 以 从 里 面 读 取 ， 所 以 它 是 数 据 库 。 其 次 ， 任 何 人 都 可 以 架 设 服 务 器 ， 加 入 区 块 链 网 络 ， 成 为 一 个 节 点 。 区 块 链 的 世 界 里 面 ， 没 有 中 心 节 点 ， 每 个 节 点 都 是 平 等 的 ， 都 保 存 着 整 个 数 据 库 。 你 可 以 向 任 何 一 个 节 点 ， 写 入 / 读 取 数 据 ， 因 为 所 有 节 点 最 后 都 会 同 步 ， 保 证 区 块 链 一 致 。 二 、 区 块 链 的 最 大 特 点 二 、 区 块 链 的 最 大 特 点 分 布 式 数 据 库 并 非 新 发 明 ， 市 场 上 早 有 此 类 产 品 。 但 是 ， 区 块 链 有 一 个 革 命 性 特 点 。 区 块 链 没 有 管 理 员 ， 它 是 彻 底 无 中 心 的 。 区 块 链 没 有 管 理 员 ， 它 是 彻 底 无 中 心 的 。 其 他 的 数 据 库 都 有 管 理 员 ， 但 是 区 块 链 没 有 。 如 果 有 人 想 对 区 块 链 添 加 审 核 ， 也 实 现 不 了 ， 因 为 它 的 设 计 目 标 就 是 防 止 出 现 居 于 中 心 地 位 的 管 理 当 局 。 正 是 因 为 无 法 管 理 ， 区 块 链 才 能 做 到 无 法 被 控 制 。 否 则 一 旦 大 公 司 大 集 团 控 制 了 管 理 权 ， 他 们 就 会 控 制 整 个 平 台 ， 其 他 使 用 者 就 都 必 须 听 命 于 他 们 了 。 但 是 ， 没 有 了 管 理 员 ， 人 人 都 可 以 往 里 面 写 入 数 据 ， 怎 么 才 能 保 证 数 据 是 可 信 的 呢 ？ 被 坏 人 改 了 怎 么 办 ？ 请 接 着 往 下 读 ， 这 就 是 区 块 链 奇 妙 的 地 方 。 三 、 区 块 三 、 区 块 区 块 链 由 一 个 个 区 块 （ b l o c k ） 组 成 。 区 块 很 像 数 据 库 的 记 录 ， 每 次 写 入 数 据 ， 就 是 创 建 一 个 区 块 。
每 个 区 块 包 含 两 个 部 分 。 区 块 头 （ H e a d ） ： 记 录 当 前 区 块 的 元 信 息 区 块 体 （ B o d y ） ： 实 际 数 据 区 块 头 包 含 了 当 前 区 块 的 多 项 元 信 息 。 生 成 时 间 实 际 数 据 （ 即 区 块 体 ） 的   H a s h 上 一 个 区 块 的   H a s h . . . 这 里 ， 你 需 要 理 解 什 么 叫   H a s h ， 这 是 理 解 区 块 链 必 需 的 。
所 谓   H a s h   就 是 计 算 机 可 以 对 任 意 内 容 ， 计 算 出 一 个 长 度 相 同 的 特 征 值 。 区 块 链 的   H a s h   长 度 是 2 5 6 位 ， 这 就 是 说 ， 不 管 原 始 内 容 是 什 么 ， 最 后 都 会 计 算 出 一 个 2 5 6 位 的 二 进 制 数 字 。 而 且 可 以 保 证 ， 只 要 原 始 内 容 不 同 ， 对 应 的   H a s h   一 定 是 不 同 的 。 举 例 来 说 ， 字 符 串 的   H a s h   是 （ 十 六 进 制 ） ， 转 成 二 进 制 就 是 2 5 6 位 ， 而 且 只 有 能 得 到 这 个   H a s h 。 因 此 ， 就 有 两 个 重 要 的 推 论 。 推 论 1 ： 每 个 区 块 的   H a s h   都 是 不 一 样 的 ， 可 以 通 过   H a s h   标 识 区 块 。 推 论 2 ： 如 果 区 块 的 内 容 变 了 ， 它 的   H a s h   一 定 会 改 变 。 四 、 四 、   H a s h   的 不 可 修 改 性 的 不 可 修 改 性 区 块 与   H a s h   是 一 一 对 应 的 ， 每 个 区 块 的   H a s h   都 是 针 对 " 区 块 头 " （ H e a d ） 计 算 的 。 H a s h   =   S H A 2 5 6 ( 区 块 头 ) 上 面 就 是 区 块   H a s h   的 计 算 公 式 ， H a s h   由 区 块 头 唯 一 决 定 ， 1 2 3 a 8 f d c 2 0 5 a 9 f 1 9 c c 1 c 7 5 0 7 a 6 0 c 4 f 0 1 b 1 3 d 1 1 d 7 f d 0 1 2 3 S H A 2 5 6
是 区 块 链 的   H a s h   算 法 。 前 面 说 过 ， 区 块 头 包 含 很 多 内 容 ， 其 中 有 当 前 区 块 体 的   H a s h （ 注 意 是 " 区 块 体 " 的   H a s h ， 而 不 是 整 个 区 块 ） ， 还 有 上 一 个 区 块 的   H a s h 。 这 意 味 着 ， 如 果 当 前 区 块 的 内 容 变 了 ， 或 者 上 一 个 区 块 的   H a s h   变 了 ， 一 定 会 引 起 当 前 区 块 的   H a s h   改 变 。 这 一 点 对 区 块 链 有 重 大 意 义 。 如 果 有 人 修 改 了 一 个 区 块 ， 该 区 块 的   H a s h   就 变 了 。 为 了 让 后 面 的 区 块 还 能 连 到 它 ， 该 人 必 须 同 时 修 改 后 面 所 有 的 区 块 ， 否 则 被 改 掉 的 区 块 就 脱 离 区 块 链 了 。 由 于 后 面 要 提 到 的 原 因 ， H a s h   的 计 算 很 耗 时 ， 同 时 修 改 多 个 区 块 几 乎 不 可 能 发 生 ， 除 非 有 人 掌 握 了 全 网 5 1 % 以 上 的 计 算 能 力 。 正 是 通 过 这 种 联 动 机 制 ， 区 块 链 保 证 了 自 身 的 可 靠 性 ， 数 据 一 旦 写 入 ， 就 无 法 被 篡 改 。 这 就 像 历 史 一 样 ， 发 生 了 就 是 发 生 了 ， 从 此 再 无 法 改 变 。 每 个 区 块 都 连 着 上 一 个 区 块 ， 这 也 是 " 区 块 链 " 这 个 名 字 的 由 来 。 五 、 采 矿 五 、 采 矿 由 于 必 须 保 证 节 点 之 间 的 同 步 ， 所 以 新 区 块 的 添 加 速 度 不 能 太 快 。 试 想 一 下 ， 你 刚 刚 同 步 了 一 个 区 块 ， 准 备 基 于 它 生 成 下 一 个 区 块 ， 但 这 时 别 的 节 点 又 有 新 区 块 生 成 ， 你 不 得 不 放 弃 做 了 一 半 的 计 算 ， 再 次 去 同 步 。 因 为 每 个 区 块 的 后 面 ， 只 能 跟 着 一 个 区 块 ， 你 永 远 只 能 在 最 新 区 块 的 后 面 ， 生 成 下 一 个 区 块 。 所 以 ， 你 别 无 选 择 ， 一 听 到 信 号 ， 就 必 须 立 刻 同 步 。 所 以 ， 区 块 链 的 发 明 者 中 本 聪 （ 这 是 假 名 ， 真 实 身 份 至 今 未 知 ） 故 意 让 添 加 新 区 块 ， 变 得 很 困 难 。 他 的 设 计 是 ， 平 均 每 1 0 分 钟 ， 全 网 才 能 生 成 一 个 新 区 块 ， 一 小 时 也 就 六 个 。 这 种 产 出 速 度 不 是 通 过 命 令 达 成 的 ， 而 是 故 意 设 置 了 海 量 的 计 算 。 也 就 是 说 ， 只 有 通 过 极 其 大 量 的 计 算 ， 才 能 得 到 当 前 区 块 的 有 效   H a s h ， 从 而 把 新 区 块 添 加 到 区 块 链 。 由 于 计 算 量 太 大 ， 所 以 快 不 起 来 。 这 个 过 程 就 叫 做 采 矿 （ m i n i n g ） ， 因 为 计 算 有 效   H a s h   的 难 度 ， 好 比 在 全 世 界 的 沙 子 里 面 ， 找 到 一 粒 符 合 条 件 的 沙 子 。 计 算 H a s h   的 机 器 就 叫 做 矿 机 ， 操 作 矿 机 的 人 就 叫 做 矿 工 。
六 、 难 度 系 数 六 、 难 度 系 数 读 到 这 里 ， 你 可 能 会 有 一 个 疑 问 ， 人 们 都 说 采 矿 很 难 ， 可 是 采 矿 不 就 是 用 计 算 机 算 出 一 个   H a s h   吗 ， 这 正 是 计 算 机 的 强 项 啊 ， 怎 么 会 变 得 很 难 ， 迟 迟 算 不 出 来 呢 ？ 原 来 不 是 任 意 一 个   H a s h   都 可 以 ， 只 有 满 足 条 件 的   H a s h   才 会 被 区 块 链 接 受 。 这 个 条 件 特 别 苛 刻 ， 使 得 绝 大 部 分   H a s h   都 不 满 足 要 求 ， 必 须 重 算 。 原 来 ， 区 块 头 包 含 一 个 难 度 系 数 （ d i f f i c u l t y ） ， 这 个 值 决 定 了 计 算   H a s h   的 难 度 。 举 例 来 说 ， 第 1 0 0 0 0 0 个 区 块 的 难 度 系 数 是 1 4 4 8 4 . 1 6 2 3 6 1 2 2 。 区 块 链 协 议 规 定 ， 使 用 一 个 常 量 除 以 难 度 系 数 ， 可 以 得 到 目 标 值 （ t a r g e t ） 。 显 然 ， 难 度 系 数 越 大 ， 目 标 值 就 越 小 。
H a s h   的 有 效 性 跟 目 标 值 密 切 相 关 ， 只 有 小 于 目 标 值 的   H a s h   才 是 有 效 的 ， 否 则   H a s h   无 效 ， 必 须 重 算 。 由 于 目 标 值 非 常 小 ， H a s h   小 于 该 值 的 机 会 极 其 渺 茫 ， 可 能 计 算 1 0 亿 次 ， 才 算 中 一 次 。 这 就 是 采 矿 如 此 之 慢 的 根 本 原 因 。 区 块 头 里 面 还 有 一 个   N o n c e   值 ， 记 录 了   H a s h   重 算 的 次 数 。 第   1 0 0 0 0 0   个 区 块 的   N o n c e   值 是 ， 即 计 算 了   2 . 7 4   亿 次 ， 才 得 到 了 一 个 有 效 的   H a s h ， 该 区 块 才 能 加 入 区 块 链 。 七 、 难 度 系 数 的 动 态 调 节 七 、 难 度 系 数 的 动 态 调 节 就 算 采 矿 很 难 ， 但 也 没 法 保 证 ， 正 好 十 分 钟 产 出 一 个 区 块 ， 有 时 一 分 钟 就 算 出 来 了 ， 有 时 几 个 小 时 可 能 也 没 结 果 。 总 体 来 看 ， 随 着 硬 件 设 备 的 提 升 ， 以 及 矿 机 的 数 量 增 长 ， 计 算 速 度 一 定 会 越 来 越 快 。 为 了 将 产 出 速 率 恒 定 在 十 分 钟 ， 中 本 聪 还 设 计 了 难 度 系 数 的 动 态 调 节 机 制 。 他 规 定 ， 难 度 系 数 每 两 周 （ 2 0 1 6 个 区 块 ） 调 整 一 次 。 如 果 这 两 周 里 面 ， 区 块 的 平 均 生 成 速 度 是 9 分 钟 ， 就 意 味 着 比 法 定 速 度 快 了 1 0 % ， 因 此 难 度 系 数 就 要 调 高 1 0 % ； 如 果 平 均 生 成 速 度 是 1 1 分 钟 ， 就 意 味 着 比 法 定 速 度 慢 了 1 0 % ， 因 此 难 度 系 数 就 要 调 低 1 0 % 。 难 度 系 数 越 调 越 高 （ 目 标 值 越 来 越 小 ） ， 导 致 了 采 矿 越 来 越 难 。 八 、 区 块 链 的 分 叉 八 、 区 块 链 的 分 叉 即 使 区 块 链 是 可 靠 的 ， 现 在 还 有 一 个 问 题 没 有 解 决 ： 如 果 两 个 人 同 时 向 区 块 链 写 入 数 据 ， 也 就 是 说 ， 同 时 有 两 个 区 块 加 入 ， 因 为 它 们 都 连 着 前 一 个 区 块 ， 就 形 成 了 分 叉 。 这 时 应 该 采 纳 哪 一 个 区 块 呢 ？ 现 在 的 规 则 是 ， 新 节 点 总 是 采 用 最 长 的 那 条 区 块 链 。 如 果 区 块 链 有 分 叉 ， 将 看 哪 个 分 支 在 分 叉 点 后 面 ， 先 达 到 6 个 新 区 块 （ 称 为 " 六 次 确 认 " ） 。 按 照 1 0 分 钟 一 个 区 块 计 算 ， 一 小 时 就 可 以 确 认 。 由 于 新 区 块 的 生 成 速 度 由 计 算 能 力 决 定 ， 所 以 这 条 规 则 就 是 说 ， 拥 有 大 多 数 计 算 能 力 的 那 条 分 支 ， 就 是 正 宗 的 比 特 链 。 2 7 4 1 4 8 1 1 1
九 、 总 结 九 、 总 结 区 块 链 作 为 无 人 管 理 的 分 布 式 数 据 库 ， 从 2 0 0 9 年 开 始 已 经 运 行 了 8 年 ， 没 有 出 现 大 的 问 题 。 这 证 明 它 是 可 行 的 。 但 是 ， 为 了 保 证 数 据 的 可 靠 性 ， 区 块 链 也 有 自 己 的 代 价 。 一 是 效 率 ， 数 据 写 入 区 块 链 ， 最 少 要 等 待 十 分 钟 ， 所 有 节 点 都 同 步 数 据 ， 则 需 要 更 多 的 时 间 ； 二 是 能 耗 ， 区 块 的 生 成 需 要 矿 工 进 行 无 数 无 意 义 的 计 算 ， 这 是 非 常 耗 费 能 源 的 。 因 此 ， 区 块 链 的 适 用 场 景 ， 其 实 非 常 有 限 。 1 .   不 存 在 所 有 成 员 都 信 任 的 管 理 当 局 2 .   写 入 的 数 据 不 要 求 实 时 使 用 3 .   挖 矿 的 收 益 能 够 弥 补 本 身 的 成 本 如 果 无 法 满 足 上 述 的 条 件 ， 那 么 传 统 的 数 据 库 是 更 好 的 解 决 方 案 。 目 前 ， 区 块 链 最 大 的 应 用 场 景 （ 可 能 也 是 唯 一 的 应 用 场 景 ） ， 就 是 以 比 特 币 为 代 表 的 加 密 货 币 。 下 一 篇 文 章 ， 我 将 会 介 绍 比 特 币 的 入 门 知 识 。 本 文 由 作 者 ： 阮 一 峰 h t t p : / / w w w . r u a n y i f e n g . c o m / b l o g / 2 0 1 7 / 1 2 / b l o c k c h a i n - t u t o r i a l . h t m l 推 荐 阅 读 ：
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