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区块链技术是什么?未来可能用于哪些方面?

2018-05-11 16:19:14 宁夏在线

编辑:鹰眼组(姚曦) 责任编辑:宁NX006

区块链技术是什么?未来可能用于哪些方面?

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友情提醒:比特币采用区块链技术,但是区块链并不等同于比特币;全篇基于比特币底层区块链技术讲述,所以,部分模型可能不适用于以太坊等。另外,由于文章采用了一定的抽象、类举的叙事方式,中间或多或少有些地方会跟区块链底层严谨的技术实现有出入,如果让你觉得困惑,可以在评论下方留言或者私信我一起探讨。最后,也是受限于自己知识结构的不完整,这篇文章会随着我对区块链更深入认识后,随时进行修订,最后更新时间可参考该回答下方的时间戳。

另外,作为一篇科普性文章,大家可以随意转载,注明这篇文章的出处和作者即可,无需再单独私信询问。

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首先不要把区块链想的过于高深,他是一个分布在全球各地、能够协同运转的数据库存储系统,区别于传统数据库运作读写权限掌握在一个公司或者一个集权手上(中心化的特征),区块链认为,任何有能力架设服务器的人都可以参与其中。来自全球各地的掘金者在当地部署了自己的服务器,并连接到区块链网络中,成为这个分布式数据库存储系统中的一个节点;一旦加入,该节点享有同其他所有节点完全一样的权利与义务(去中心化、分布式的特征)。与此同时,对于在区块链上开展服务的人,可以往这个系统中的任意的节点进行读写操作,最后全世界所有节点会根据某种机制的完成一次又依次的同步,从而实现在区块链网络中所有节点的数据完全一致。

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上图中,高亮的点就是区块链系统中分布在全球各地的一个个节点;而这些节点可以简单理解为一台服务器服务器集群

# 问题的由来

我们反复提到区块链是一个去中心化的系统,确实,「去中心化」在区块链世界里面是一个很重要的概念,很多模型(比如账本的维护、货币的发行、时间戳的设计、网络的维护、节点间的竞争等等等等)的设计都依赖于这个中心思想,那到底什么是去中心化呢?在解释真正去中心化之前,我们还是先简单了解下什么是中心化吧。

中心化?

回忆一下你在网上购买一本书的流程:

  1. 第一步,你下单并把钱打给支付宝

  2. 第二步,支付宝收款后通知卖家可以发货了;

  3. 第三步,卖家收到支付宝通知之后给你发货;

  4. 第四步,你收到书之后,觉得满意,在支付宝上选择确认收货;

  5. 第五步,支付宝收到通知,把款项打给卖家。流程结束。

你会发现,虽然你是在跟卖家做交易,但是,所有的关键流程都是在跟支付宝打交道。这样的好处在于:万一哪个环节出问题,卖家和买家都可以通过支付宝寻求帮助,让支付宝做出仲裁。这就是一个最简单的基于中心化思维构建的交易模型,它的价值显著,就是建立权威,通过权威背书来获得多方的信任,同时依赖权威方背后的资本和技术实力确保数据的可靠安全。

你一定会摆出一个巨大的问号脸 ⊙.⊙?通过权威背书来获得多方的信任,同时依赖权威方背后的资本和技术实力确保数据的可靠安全,真的可以嘛?!

假如说,支付宝程序发生重大BUG,导致一段时间内的转账记录全部丢失,或者更彻底一点,支付宝的服务器被ISIS恐怖组织的一个导弹全部炸毁了。而我刚刚转出去的100元找谁说理去,这个时候,你就成了刀殂上的鱼肉;支付宝有良心,会勉为其难承认你刚刚转账的事实,但他不承认你也没辙,因为确实连他自己也不知道这笔转账是否真实存在。

上述就是中心化最大的弊端过分依赖中心和权威,也就意味着逐渐丧失自己的话语权。

去中心化?

那么去中心化的形态是什么样子呢?还是拿刚才那个例子继续,我们构建一个极简的去中心化的交易系统,看看我们是如何在网络上从不认识的卖家手里买到一本书的。

  1. 第一步,你下单并把钱打给卖家;

  2. 第二步,你将这条转账信息记录在自己账本上;

  3. 第三步,你将这条转账信息广播出去;

  4. 第四步,卖家和支付宝在收到你的转账信息之后,在他们自己的账本上分别记录;

  5. 第五步,卖家发货,同时将发货的事实记录在自己的账本上;

  6. 第六步,卖家把这条事实记录广播出去;

  7. 第七步,你和支付宝收到这条事实记录,在自己的账本上分别记录;

  8. 第八步,你收到书籍。至此,交易流程走完。

刚才人为刀俎我为鱼肉的情况在这个体系下就比较难发生,因为所有人的账本上都有着完全一样的交易记录,支付宝的账本服务器坏了,对不起卖家的账本还存在,我的账本还存在;这些都是这笔交易真实发生的铁证。

当然,在这套极简的交易系统中,你已经发现了诸多漏洞和不理解,比如说三方当中有一个是坏人,他故意记录了对他更有利的转账信息怎么办;又比如说消息在传递过程中被黑客篡改了怎么办等等等等。这在以往的计算机概论或者计算机网络书本上中可能都有提及到类两军和拜占庭将军问题。这里就不打算赘述,因为暂时跟主线不相关,感兴趣的同学可以去Google或者百度一下,你只需要知道,在我们下面即将展开讲到的区块链系统中,通过巧妙的设计,足以解决上述存在的BUG。

既然话已说到这份上,相信了解一点技术、特别是有运维背景的同学大概能够从极简交易系统中窥视到了更多区块链的一些影子

  1. 分布式存储,通过多地备份,制造数据冗余

  2. 让所有人都有能力都去维护共同一份数据库

  3. 让所有人都有能力彼此监督维护数据库的行为

在我看来,你猜测的基本上没错。其实这些就是区块链技术最核心的东西,外人看起来高大上、深不可测,但探究其根本发现就是这么简单和淳朴。当然,这里面肯定会有很多很多很多细枝末节的技术需要重构。

如果你差不多认同上面的观点,那我们应该基本上可以达成共识,分布式部署肯定是构建去中心化网络理所当然的解决方向通过P2P协议将全世界所有节点计算机彼此相互连接,形成一张密密麻麻的网络;以巧妙的机制,通过节点之间的交易数据同步来保证全球计算机节点的数据共享和一致。

哈哈,说的轻巧,交易数据这么重要的东西,在一个完全不信任的P2P网络节点中以一种错综复杂的方式传递,数据的一致性和安全性谁来保证,如果说互相监督,他们到底怎么做到?

好了,不卖关子了,下面让我们围绕这个最最最最直接的问题开始进入到真正区块链的世界,抽丝剥茧看看它到底是如何一步一步形成的,又是如何一步一步稳定运转。

# 从全球节点到交易数据

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这张图的制作的意义为的是帮助你在宏观上先快速理解区块链中所涉及到的相关名词以及他们的层级关系。同时,文章的知识结构和设计思路也大抵上也会按照:

  1. 首先,将区块作为最小单位体,讲述极简区块链系统是如何运转的;

  2. 接着,进入到比区块更小单位体交易记录,理解区块链是如何处理数据的;

  3. 最后,将所有知识点柔和在一起,重回到区块和区块链,完整讲述整个工作流程。

希望你在这个引导和结构下有一个比较好的阅读体验。Let's go~

# 区块,混沌世界的起源

既然已经达成共识,所以,我们事先构建好了一个去中心化的P2P网络;同时,为了让读者朋友们听起来更轻松,我先粗暴的规定在这个极简的区块链系统里,每十分钟有且仅产生一笔交易。

故事继续,在节点的视野里,大概每十分钟会凭空产生一个建立在自己平行宇宙世界的神奇区块(你可以将区块想象为一个盒子),这个区块里放着一些数字货币以及一张小纸条,小纸条上记录了这十分钟内产生的那唯一一笔交易信息,比如说小A转账给了小B100元;当然,这段信息肯定是被加密处理过的,为的就是保证只有小A和小B(通过他们手上的钥匙)才有能力解读里面真正的内容。

这个神奇的区块被创造出来之后,很快被埋在了地底下,至于埋在哪里?没有一个人不知道,需要所有计算机节点一起参与进来掘地三尺后才有可能找到(找到一个有效的工作量证明)。显然,这是一件工作量巨大、成果随机的事件。但是呢,对于计算机节点来说,一旦从地底下挖出这个区块,他将获得区块内价值不菲的数字货币,以及小A转账给了小B100元过程中小A所支付的小费。同时,对于这个节点来说,也只有他才有权利真正记录小纸条里的内容,这是一份荣耀,而其他节点相当于只能使用它的复制品,一个已经没有数字货币加持的副本。当然这个神奇的区块还有一些其他很特别的地方,后面我们会再细细聊。

为了更好的描述,我们将计算机节点从地底下挖出区块的过程叫做「挖矿」,刚才说了,这是一件工作量巨大、运气成分较多、但收益丰厚的事儿。

过了一会儿,来自中国上海浦东新区张衡路上的一个节点突然跳出来很兴奋的说: 我挖到区块了!里面的小纸条都是有效的!奖励归我! 。虽然此刻张衡路节点已经拿到了数字货币,但对于其他计算机节点来说,因为这里面还涉及到其他一些利益瓜葛,他们不会选择默认相信张衡路节点所说的话;基于陌生节点彼此不信任的原则,他们拿过张衡路节点所谓挖到的区块(副本),开始校验区块内的小纸条信息是否真实有效等等。在区块链世界里,节点们正是通过校验小纸条信息的准确性,或间接或直接判断成功挖出区块的节点是否撒谎。(如何定义小纸条信息真实有效,后面会讲解,这里暂不做赘述)。

在校验过程中,各个节点们会直接通过下面两个行为表达自己对张衡路节点的认同(准确无误)和态度:

  • 停止已经进行了一半甚至99.99%的挖矿进程;

  • 将张衡路节点成功挖出的区块(副本)追加到自己区块链的末尾。

你可以稍微有点困惑:停止可能已经执行了99.99%的挖矿行为,那之前99.99%的工作不是就白做了嘛?!然后,区块链的末尾又是个什么鬼东西?

对于第一个困惑。我想说,你说的一点没错,但是没办法,现实就是这么残酷,即便工作做了99.99%,那也得放弃,这99.99%的工作劳苦几乎可以视为无用功,绝对的伤财劳众。第二个困惑,区块链和区块链的末尾是什么鬼?这里因为事先并没有讲清楚,但是你可以简单想象一下:区块是周期性不断的产生和不断的被挖出来,一个计算机节点可能事先已经执行了N次从别人手上拿过区块 - 校验小纸条有效性的流程,肯定在自己的节点上早已经存放了N个区块,这些区块会按照时间顺序整齐的一字排列成为一个链状。没错,这个链条,就是你一直以来认为的那个区块链。如果你还是不能够理解,没关系,文章后面还会有很多次机会深入研究。

# 走进区块内,探索消息的本质

上面我们构建了一个最简单的区块链世界的模型,相信大多数同学都已经轻松掌握了。但是别骄傲也别着急,这还只是一些皮毛中的皮毛,坐好,下面我们准备开车了。

前面我们说到大概每十分钟会凭空产生一个神奇的区块,这个区块里放了一张小纸条,上面记录了这十分钟内产生的这唯一一笔交易信息。显然,十分钟内产生的交易肯定远不止一条,可能是上万条,这上万条数据在区块链世界是如何组织和处理的呢?另外,为什么在纸条上记录的只是某一次的交易信息,而不是某一个人的余额?余额好像更符合我们现实世界的理解才对。

既然存在这样那样的疑问。现在我们就把视线暂时从区块、区块链这些看起来似乎较大实体的物质中移开,进入到区块内更微观的世界里一探究竟,看看小纸条到底是怎么一回事,它的产生以及它终其一生的使命:

  1. 发起交易的时候,发起人会收到一张小纸条,他需要将交易记录比如说盗盗转账给张三40元写在纸上。说来也神奇,当写完的那一刹那,在小纸条的背面会自动将这段交易记录格式化成至少包含了输入值和输出值这两个重要字段;输入值用于记录数字货币的有效来源,输出值记录着数字货币发往的对象。

  2. 刚刚创建的小纸条立马被标记成为未确认的小纸条。从地下成功挖出区块并最终连接到区块链里的小纸条一开始会被标记为有效。若这条有效的小纸条作为其他交易的输入值被使用,那么,这个有效的小纸条很快会被标记为无效。因为各种原因,区块从链上断开、丢弃,曾经这个区块内被标记为有效的小纸条会被重新标记为未确认。

  3. 区块链里面没有账户余额的概念,你真正拥有的数字资产实际上是一段交易信息;通过简单的加减法运算获知你数字钱包里的余额。

上面的1、2、3仅仅作为结论一开始强行灌输给你的知识点,其中有几个描述可能会有点绕,让你觉得云里雾里,没有关系,因为我们立刻、马上就开始会细说里面的细枝末节。

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上图,是区块内,盗盗在一张小纸条上记录下的交易信息,后被格式化的呈现

上图就是从无数打包进区块内的小纸条中,抽取出来的一张,以及它最终被格式化后的缩影。单看右侧的图可能很容易产生误会,虽然看起来有多行,但实际上就是盗盗转账给张三40个比特币这一条交易数据另外的一种呈现形态。因为区块链世界里面这么规定,每一条交易记录,必须有能力追溯到交易发起者 发起这笔交易、其中所涉及金额的上一笔全部交易信息;即这笔钱从何而来的问题。这其实很容易理解,在去中心化的网络中,通过建立交易链、和通过交易链上的可溯源性间接保证数据安全和有效。

我们继续看,在区块链世界里,我们是如何仅通过盗盗转账给张三40个比特币 这条交易信息完成转账流程的。其实跟现实中你在路边买一个包子的流程大抵上相同。

第一步:判断是否有足够的余额完成交易

这里我们再一次重申,在比特币的区块链世界里是没有余额的概念(以太坊的底层区块链有余额概念),余额是通过简单数字的加减最终获得,你拥有所谓的数字货币实际上是因为你拥一条交易记录,即 盗盗转账给张三40个比特币!这里,我们还是拿这条记录说事:

追溯输出值是盗盗相关的全部有效交易记录作为,对有效交易中的数字进行简单求和,判断是否大于等于40,如果确实大于等于,则将这些有效的交易记录合并形成一条新的交易记录(如下图)。如果小于40,其实可以不需要再继续往下探讨。

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就上图的例子,我们追溯到曾经转账给盗盗的有效交易记录有小A转账给盗盗10 btc、小B转账给盗盗20 btc、小C转账给盗盗 25 btc,我们需要将这三条交易记录合并成一条更复杂描述的交易记录,即 ( 小A转账给盗盗10 btc + 小B转账给盗盗20 btc + 小C转账给盗盗 25 btc ) 转账给张三40 btc

第二步:判断是否需要找零

对追溯到的有效交易数字求和,如果发现大于需要支付的金额,需要将多出的数字重新支付给自己,相当于找零。对应生成了一条全新的交易记录(如下图)。

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就上图例子来说,我们最后合并成的交易记录 ( 小A转账给盗盗10 btc + 小B转账给盗盗20 btc + 小C转账给盗盗 25 btc + 盗盗转账给盗盗15 btc ) 转账给张三40 btc 事实上等同于盗盗转账给张三40 btc。其中盗盗转账给盗盗15 btc就可以理解找零。

第三步:发出去,让全球节点认同和备份小纸条

这条内部重新处理过的复杂交易记录被塞进区块,埋到地下,等待节点挖出来,一旦区块被挖矿成功,并且该区块最终被连在了区块链的主链上。张三将最终拥有了这条交易记录,而先前的小A转账给盗盗10 btc 、小B转账给盗盗20 btc 、小C转账给盗盗25 btc都将被视为已经使用过的交易记录从此被贴上无效的标签,意味着这些交易记录将永远不会再被追溯到。

我们最后一次重申,只是希望让你加深印象:拥有数字货币=拥有交易记录!

通过设计巧妙的精巧密码学保证数据安全

记录着交易信息的小纸条借助区块这个载体,在分布式的网络中以不同的轨迹错综复杂的传递,我们前面说了,你真正拥有的数字资产实际上是一段交易信息,而不是你常规意义上理解的货币。所以这个过程就需要重点解决两个问题:

  • 接受到的这条交易记录在传输过程没有被其他人所篡改

  • 接受到的这条交易记录确实是由发起交易的人所创造

在这里,我们需要事先引入两个知识点,可能稍微有点难消化,但都是计算机领域较为成熟的和基础的概念。

第一个知识点:SHA256()函数。你只需要知道,任意长度的字符串、甚至文件体本身经过SHA256函数工厂的加工,都会输出一个固定长度的字符串;同时,输入的字符串或者文件稍微做一丢丢的改动,SHA256() 函数给出的输出结果都将发生翻天覆地的改变。注意,SHA256()函数是公开的,任何人都能使用。

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上图,仅仅一个小数点的变化,输出的结果已经翻天覆地

第二个知识点:非对称加密。你也只需要了解,任何人手里都有两把钥匙,其中一把只有自己知道,叫做私钥,以及一把可以公布于众,叫做公钥;通过私钥加密的信息,必须通过公钥才能解密,连自己的私钥也无解。公钥可以通过私钥生成多把。

有了这些知识点的加持,上面两个问题开始变得有解。下面我们来看下内部是如何扭转和工作的吧,这里拿小A 转账给了小B 100元钱 举例:

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  1. 第一步:小A会先用SHA256函数对自己的小纸条进行处理,得到一个固定长度的字符串,这个字符串就等价于这张小纸条。

  2. 第二步:小A使用只有自己知道的那一把私钥,对上面固定长度的字符串进行再加密,生成一份名叫数字签名的字符串,这份数字签名能够充分证明是基于这张小纸条的。你可以这么理解,在现实中,你需要对某一份合同的签署,万一有人拿你曾经在其他地方留下的签名复制粘贴过来怎么办?!最好的办法,就是在你每一次签名的时候,故意在字迹当中留下一些同这份合同存在某种信息关联的小细节,通过对小细节的观察可以知道这个签名有没有被移花接木。步骤一和步骤二的结合就是为了生成这样一份有且仅针对这条小纸条有效的签名。

  3. 第三步:小A将「明文的小纸条」、刚刚加密成功的「数字签名」,以及自己那把可以公布于众的「公钥」打包一起发给小B。

  4. 第四步:当小B收这三样东西,首先会将明文的小纸条进行SHA256()处理,得到一个字符串,我们将其命名为字符串2。然后,小B使用小A公布的公钥,对发过来的数字签名进行解密,得到另外一个字符串1。通过比对字符串1和字符串2的一致性,便可充分证明:小B接受到的小纸条就是小A发出来的小纸条,这张小纸条在中途没有被其他人所篡改;且这张小纸条确实是由小A所编辑。

可以看得出来,加解密的过程几乎是一环套一环,中途任何环节被篡改,结果都是大相径庭。借助这一连串的机制,其实已经能够很好的在公开、匿名、彼此不信任的分布式网络环境中解决数字交易过程中可能遇到的很多问题。这个环节可能确实有点难理解,现在,我需要你停下来,静下心,花上几分钟闭目慢慢回味其中设计精湛的地方。

掌握了这部分知识以后,我们在这里回答一下前面没有解释清楚的问题,「节点对区块的检验」检验的到底是什么?实际上就是:

  • 检验区块内的交易记录签名是否准确(是否被篡改)

  • 检验区块内的交易记录输入值是否有效(是否使用过)

  • 检验区块内的交易记录输入值的数字之和是否大于等于输出值的数字

# 重回区块和区块链的世界

好了,对小纸条和交易记录的研究我们点到为止,其实信息量已经是巨大的了,让我们合上盖子,重回较大的实体、继续聊聊区块和区块链的话题。还记得,咱们在一开始讲到关于区块的特征吗?区块创造后被埋在地下,需要经过节点们马不停蹄的挖采、而且是凭运气的挖采才有可能获得不仅仅如此,事实上他还有其他很多神奇的地方,比如说:

  1. 凭空产生的区块在刚刚创建的时候会形成一股强大的黑洞效应,它会尝试将这段时间全世界各个节点上产生的所有小纸条(交易记录)统统吸进来;在合上区块盖子之前,同时会在区块内放上一些数字货币以及其他一些东西。

  2. 区块拥有一个唯一的ID,但它只会在这个区块被节点成功从地下挖出来之后创建。这个ID至少会跟「区块内所有小纸条的集合」、「即将与之相连的上一个区块ID」以及「挖矿节点的运气值」等因素相关。既然前面我们已经简单了解了SHA256()函数这个东西,这里不妨透露给大家:区块ID = SHA256(区块内所有小纸条的集合+即将与之相连的上一个区块ID+挖矿节点的运气值+) ;基于先前掌握的知识,然后你应该知道区块内任意一张小纸条的信息稍微做改动、或者节点挖矿运气好一点坏一点等等,当前区块的ID都会 biu~ 的发生改变。

基于上述1、2点,如果阅读足够仔细的同学可能会有些头大。在文章开头为了更好的描述,我在设计简化区块链系统的时候故意模棱两可了几个概念,这也许已经误导到了部分同学。这里不得不停下来和你一起修正下之前在你大脑中已经构建的区块链世界观。我们前面讲道,在节点的视野里,大概每十分钟会凭空产生一个建立在自己平行宇宙世界的神奇区块。如何正确去理解这句话呢?拥有上帝之眼的你,可以这么拆解问题、看待问题:

  1. 同一个周期内,全网并不是产生唯一的一个区块等待挖掘;每个节点事实上都在周期性的创造区块和挖出区块;只是在某一个节点的视野里,它不能感知到另外一个节点上区块的产生。为何这里要特别强调在某一个节点的视野里,就是因为我们刚刚讲到,从区块的视角来说,区块的凭空产生,是基于即将与之相连的上一个区块ID;而从节点的视角来看,区块的凭空产生是基于当前节点区块链末尾的那个区块ID产生的。

  2. 全网会尽力控制在一个周期内只有一个节点能够成功挖出区块,但是不能够完全避免多个节点同时挖出区块的可能性;如何尽力控制?比如说,当大伙挖矿的热情高涨、工作效率提高,区块会被埋在更深更广的地方等。简而言之,通过提高工作难度,来维持这个平衡。另外,值得注意的:产生区块、挖出区块、校验区块,他们的时间周期近乎相同。

对于想从技术角度更加深入理解区块、挖矿本质的同学们,你们可以移步至我的专栏《盗亦有道》,其中涉及到一些比较复杂的数学和技术细节,相信阅读完那部分内容之后,你对区块链会有更加透彻的认知。当然,对于绝大多数的吃瓜群众,看完那边内容可能会让你更加困惑,如果你不是十分的喜欢追根究底的话,我建议你还是直接选择跳过那块吧。至少在我看来,即便少了那部分内容,也不影响我们去理解区块链的魅力。

分叉

现在,我们终于对区块这个概念有了更全面的认识,文章开头讲的故事就可以继续展开来絮叨絮叨:

假如几乎同一时间,「中国上海浦东新区张衡路」上的节点和「美国纽约曼哈顿第五大道」上的节点异口同声喊出来:我挖到区块了!里面的小纸条都是有效的!奖励归我!。其他节点也几乎同时参与了对这两个区块的校验,结果发现这俩都没毛病,各节点也开始犯困,因为在他们的视野里他们并不清楚最后哪一个区块应该会被主链接纳。算了!都连在自己区块链尾巴上吧,这时尴尬了,区块链硬生生的被分叉了!

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产生分叉

你肯定在想,那还得了,这种情况继续下去,每个节点的区块以及他们整理维护的小纸条都将变得不一样,这已经严重违背了区块链世界里第一大最基本原则所有节点共同维护同一份数据。所以,为了解决这个问题,区块链世界引入了一条新的规则拥有最多区块的支链将是真正被认可有价值的,较短的支链将会被直接Kill掉。

我们大伙都知道挖矿的过程存在巨大的工作量(如果没有任何难度,把区块扔在人群中,必然同一时间发现区块的节点数量将大大增加,也就会产生无数的支链,通过这个例子,你大概也就能够明白,区块链世界为什么需要设置工作难度了吧),并且在计算机的硅基世界里,不可能出现所谓 同时 的概念,哪怕纳秒的差别,那也总是会有先后顺序。所以理论上,分叉的这种僵局很快会在下一个区块被挖掘出来(以及校验区块)的时候被打破,实在不行下下个,或者下下下个总之机制可以让整个分叉的区块链世界迅速稳定下来。

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分叉这种僵局在确认下一个区块(以及校验小纸条)的时候被打破,从而整个区块链世界迅速稳定下来

就上图而言,所有基于张衡路节点挖矿获得的区块以及后续区块的那条分支被视为有价值,最终会全部保留了下来;其他节点会统一效仿那个拥有更长分支链的节点所做的决策。另外,值得一提的是,同一时间,较短分支上的区块会立即丢弃,而里面的小纸条也会随之释放出来,被重新标记上未确认。

双花与51%攻击

你可能已经开始困惑或者有点兴奋,末尾几个区块的排序在修复过程中,因为时间差肯定会产生一些模棱两可的地方,这往往会给数据安全埋下一颗雷。一个最简单的假设我记录的一张小纸条很不巧地被归在了一条较短的支链上,这条支链在竞争过程中理所当然输掉了比赛,区块被丢弃、小纸条被无情的贴上未确认的标签。在等待下次区块重新确认的过程中,这个时间差内,我,好像、似乎可以做点什么坏事 ?(﹃?) ,就比如说双花(双花,花两次,双重支付的意思)

你脑海中也许很快浮过的这样的构想,可不可能通过下面这种方法触发双花问题的产生,从而让我不劳而获:

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  1. 假设有一个名叫X-Man的坏家伙,他控制了一个计算机节点,这个节点拥有比地球上任何一个节点算力都强大的计算机集群。

  2. 首先,X-Man事先创造了一条独立的(不去广而告之)、含有比较多区块的链条。其中一个区块里放着X-Man转账给X-Man 1000元的纸条。

  3. 接着,X-Man跟张三购买了一部手机,他在小纸条上记录下X-Man转账给张三1000元;这条信息被三次确认后(即三个区块被真实挖出、校验和连接),然后,张三把手机给了X-Man。

  4. X-Man拿到手机之后,按下机房的开关,试图将先前已经创造的区块链条连接在自己这个节点区块链的末尾。

  5. 大功告成,X-Man拥有了一条更长的区块链条,那些较短、存放着X-Man转账给张三1000元的区块链,以及在区块链世界里那则真实转账行为被一同成功销毁。(?)

事实真的如此吗?在这里我可以很负责任的说,too young too simple,区块链世界规则的制定远比我们想象的要健全很多,还记得我们之前讲的区块的ID至少会跟区块内所有小纸条的集合、即将与之相连的上一个区块ID以及挖矿节点的运气值等因素相关。 在这里,正是因为打算连接到主链的时候,事先准备的链子会意识到马上要连接上的那个区块ID发生了改变,随之而来的是后面所有区块ID都瞬间。节点不得不重新对后续区块的解锁以及对区块内小纸条的校验。

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在区块链的世界,重新计算的行为等同于把自己(节点)置身于同一个起跑线,跟世界上其他所有的节点一同竞争挖矿。你会说,我拥有更强大的计算能力,但是对不起,跟你竞争的对象并不是第五大道、南京西路、香榭丽舍大道上的某一个节点,而是全球所有算力的集合,在这个集合中,你拥有的算力永远都只是一个很小的子集。所以,根据区块链算力民主、少数服从多数的基本原则,这个构想将永远不会成立。

除非....

你控制着全球51%的算力,这也就是区块链世界里另外一个著名的概念,叫做51%攻击,但这也仅仅是一个理论值,在真实世界里这样的攻击我个人觉得是很难发动起来的,这里面就牵涉到很多经济、哲学甚至政治的因素。举个最简单的例子:X-Man为了回滚刚刚发生的一笔交易记录,成功发起了51%攻击,这意味着很快整个区块链系统将会崩盘,因为这次攻击已经严重伤害到人们对这套系统的信任,接着比特币开始暴跌至几乎一文不值;但是这个拥有51%算力的X-Man原本完完全全可以通过挖矿的方式获取更多收益,购买无数的iPhone手机。那他不是脑袋不是坏了还能是啥?对51%攻击话题感兴趣的同学可以阅读这篇文章《什么是比特币51%攻击?》。

至此,我觉得区块链最基础、最核心的知识已经全部讲完了(除了挖矿内部实现原理,作为一个遗憾留在这里,有时间会完善掉),相信你已经对它有了一个宏观的认识。另外,由于这篇文章采用了适当抽象、类举的叙事方式,中间或多或少有些地方会跟区块链底层严谨的技术实现有出入,欢迎大家来纠错。另外,也是受限于自己知识结构的缺失,这篇文章会随着我对区块链更深入认识后,随时进行修订,最后更新时间可参考该回答下方的时间戳。

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问答部分

去中心化的系统中,到底是谁在发行货币?是无限量发行吗?

比特币的货币是通过挖矿(工作量证明)来发行的,总数量是通过程序写死了2100万个,而第一笔区块奖励也是硬编码写死的??蠊ね诔鲆桓銮樗竦玫慕崩?,每隔21万个区块将减少一半,按照平均10分钟挖出一个区块的执行效率,也就就说差不多每四年会锐减一次。2009年1月起每个区块奖励50个比特币,2012年11月减半为每个区块25个比特币,2016年7月减半为12.5个比特币。基于这个规则,到2140年,所有比特币(20,999,999,980)将全部发行完毕,之后不会再有新的比特币产生。

矿工节点的收益除了挖出区块以外还有哪些?

矿工节点的收益主要由两部分组成:1)挖出新区块的奖励;2)挖出新区块内所含交易的交易费。但就目前来说,一个区块内的交易费大概只占到矿工总收入的0.5%甚至更少,大部分收益主要还是来自于挖矿所得的比特币奖励。然而,随着挖矿奖励的递减,以及每个区块中包含的交易数量增加,交易费在矿工收益中所占的比重将会逐渐增加。在2140年之后,所有的矿工收益将完全由交易费构成。

作者:达鸿飞

作者:汪乐-LaiW3n

链接:#/question/37290469/answer/107612456

来源:知乎

著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

更新:将私信问答放在了最后

-----正文-----

事情是这样的,最近我的室友Hasaki一直在问我区块链和比特币的事情,我尝试了很多种不通的姿势以求简单通俗形象生动地跟他解释什么是区块链技术,但是最后都失败了。因此我萌生了要写一篇BlockChain for Babies(又名:如何向你的弱智室友解释区块链)的想法,以求能简单直观生动形象地向对区块链技术不了解但是想知道区块链是什么的人介绍区块链技术或者比特币。

因为面向的读者是不想知道具体技术实现只想了解区块链的人群,因此本文避开了一些底层和算法细节,采用比较主观的方式来展示笔者对区块链技术的感性认识。如果你只是对区块链感兴趣,并没有深入学习的打算,或者只是想像我一样在别人问起来的时候装逼,本文应该是一篇很好的导论。

总览

区块链本质上是一个去中心化的分布式账本数据库(感谢

@程剑宇

指出:在与比特币相关的区块链应用中可使用这一术语,但区块链技术可能并不包含账本)。其本身是一串使用密码学相关联所产生的数据块,每一个数据块中包含了多次比特币网络交易有效确认的信息。

这是区块链的定义,因此要逐步了解区块链,我们需要一步步了解如下东西。

去中心化

先来考虑一个中心化集中式处理的过程。你要在某宝上买一部手机,交易流程是:你将钱打给支付宝-支付宝收款后通知卖家发货-卖家发货-你确认收货-支付宝把钱打给卖家。

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图1: 中心化集中式交易模式

在这个过程中,虽然你是在和卖家交易,但是这笔交易还牵扯到了除了你和卖家的第三方,即支付宝,你和卖家的交易都是围绕支付宝展开。因此,如果支付宝系统出了问题便会造成这笔交易的失败。并且虽然你只是简单的买了一个手机,但是你和卖家都要向第三方提供多余的信息。因此考虑极端情况,如果支付宝跑路了或者是拿了钱不却不承认你的交易或者是支付宝所在的城市因为开G20把所有人都赶走了(?),那么你就悲剧了。

而去中心化的处理方式就要显得简单很多,你只需要和卖家交换钱和手机,然后双方都声称完成了这笔交易,就OK了。

可以看出在某些特定情况下,去中心化的处理方式会更便捷,同时也无须担心自己的与交易无关的信息泄漏。

其实如果只考虑两个人的交易并不能把去中心化的好处完全展示出来,设想如果有成千上万笔交易在进行,去中心化的处理方式会节约很多资源,使得整个交易自主化、简单化,并且排除了被中心化代理控制的风险。

去中心化是区块链技术的颠覆性特点,它无需中心化代理,实现了一种点对点的直接交互,使得高效率、大规模、无中心化代理的信息交互方式成为了现实。

当然,上述的例子有一个很大的潜在问题:没有了权威的中心化代理,怎样保证每笔交易的准确性和有效性呢?比如:如果没有了权威的中心化代理,张三某一天借了我100块钱,但是不还钱还不承认怎么办?这里就引出了区块链的其它特性。

两个基础难题

在去中心化以后,整个系统中没有了权威的中心化代理,信息的可信度和准确性便会面临问题。

问题1:类两军问题

第一次听说这个问题居然是在TCP的课上,大致说的是有两个相距很远的军队要传递信息,红军派遣一个信使去跟蓝军说:你他娘的把意大利炮拿出来!。蓝军收到信息后又派了一个信使去红军说:收到指令!。然后红军又派一个信使去蓝军说:知道你收到指令了!。然后蓝军又派一个信使去红军说:知道你知道我收到指令了!。然后红军又派一个信使去蓝军说:知道你知道我知道你收到指令了!然后就没完没了了。

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图2:在分布式计算中在异步系统和不可靠的通道上达到一致性是不可能的

在这种情况下,因为是点对点的通信,双方不可能在这种情况下达到信息的一致性。严谨一点,就是在分布式计算上,试图在异步系统和不可靠的通道上达到一致性是不可能的。

问题2:拜占庭将军问题

拜占庭罗马帝国在军事行动中,采取将军投票的策略来决定是进攻还是撤退,也就是说如果多数人决定进攻,就上去干。但是军队中如果有奸细(比如将军已经反水故意乱投票,或者传令官叛变擅自修改军令),那怎么保证最后投票的结果真正反映了忠诚的将军的意愿呢?

拜占庭将军问题反映到信息交换领域中来,可以理解为在一个去中心的系统中,有一些节点是坏掉的,它们可能向外界广播错误的信息或者不广播信息,在这种情况下如何验证数据传输的准确性。

区块链技术的诞生

现在让我们来一步一步在去中心化的系统中解决这些问题,见证区块链技术雏形的诞生。

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我们先来建立一个去中心化的系统,为了方便理解,我们来看一个简单的去中心化借贷模型:如果A借了B 100块钱,这个时候,A在人群中大喊我是A,我借给了B 100块钱!,B也在人群中大喊我是B,A借给了我100块钱!,此时路人甲乙丙丁都听到了这些消息,因此所有人都在心中默默记下了A借给了B100块钱。你看,这个时候一个去中心化的系统就建立起来了,这个系统中不需要银行,也不需要借贷协议和收据,严格来说,甚至不需要人与人长久的信任关系(比如B突然又改口说我不欠A钱!,这个时候人民群众就会站出来说不对,我的小本本上记录了你某天借了A100块钱?。?。

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图3:去中心化借贷模型

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可能你已经发现了,在上述的模型中,所谓的100块钱已经不重要了。换句话说,任何东西都可以在这个模型中交换,甚至你可以凭空杜撰一个东西,只要大家承认,你就可以让你杜撰的东西流通。比如:我在人群中高喊一声我创造了10个查克拉!,我甚至不需要知道查克拉是什么,也不需要关心世界上是不是真的有查克拉,只要大家都听到,然后在自己的小本本上记下LaiW3n有10个查克拉,于是我就真的有100个查克拉了。从此以后,我便可以声称我给了某人1个查克拉,只要路人甲乙丙丁都收到并且承认了这一信息,那我就算完成了这次交易,哪怕世界上没有查克拉。

你现在脑海中是不是浮现出了三个字比特币?由于真正的区块链和比特币比我上述的模型复杂太多,细节也丰富太多,因此以下还是以查克拉举例,毕竟本文是Blockchain for Babies.(笑)

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假设过了很长一段时间,我凭空创造的查克拉已经在这个系统中流通了起来,大家都开始认可了查克拉。但是这个系统中一共就只有10个查克拉,于是有人动了坏心思,他在人群中高呼我有10个查克拉!怎么办?大家是直接在本本上记下他有10个查克拉么,这样不是人人都可以伪造查克拉了么?

为了防止这种现象发生,我决定在我创造查克拉的时候给我的查克拉打上标记(更准确地说,我是给我喊的那句我创造了10个查克拉打上标记,比如标记为001),这样以后在每一笔交易的时候,我在高喊我给了某某1个查克拉!的时候,会附加上额外的一句话:这1个查克拉的来源是记为001的那条记录,我的这句话标记为002!。我们再抽象一点,某人喊话的内容的格式就变成了:这句话编号xxx,上一句话的编号是yyy,我给了某某1个查克拉!,这样就解决了伪造的问题。其实上述模型就变成一个简化的中本聪第一版比特币区块链协议:

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图4:查克拉模型和中本聪第一版区块链协议对比图

好了,看到这里你基本已经能够生动形象又不涉及任何细节地向你的弱智室友解释区块链了。但是也许你的室友是一个有打破沙锅问到底精神求是学子,因此你最好继续准好回答以下这几个问题。

1. 凭啥?

你室友可能会问:凭啥你喊一句话我就帮你记?我的小本本不要钱么?。为了激励大家帮我传话和记账,我决定给第一个听到我喊话并且记录在小本本上的人一些奖励:第一个听到我喊话并记录下来的人,你就凭空得到了1个查克拉,这个查克拉是整个系统对你幸苦记账的报酬,而你记录了这句话之后,要马上告诉其它人你已经记录好了,让别人放弃继续记录这句话,并给你自己的记录编号让别人有据可查,然后你再把我的话加上你的记录编号一起喊出来,供下一个人记账。

当这个规则定下以后,这个系统中一定会出现一批人,他们开始竖着耳朵监听周围发出的声音,以抢占第一个记账的权利。对的,你脑海中是不是又浮现出了比特币挖矿的字眼?

值得一提的是,关于比特币挖矿,

@玲珑邪僧

举了一个很形象的例子:

单身汪们要找女票,国民岳母说我有好多女儿,这样吧我给你们出点题目,解出一个就给其中一个姑娘的微信号。

单身汪们疯狂竞争,想破脑袋去解题。只要其中一只汪解出一道题,就立马得意洋洋地昭告天下,示威全部单身汪,这个姑娘是我的啦,你们放弃吧。其他单身汪们即使不服也没有办法,惆怅懊恼也不是个事儿啊,还是麻溜地立马去解下一道题目吧。这只喜赢姑娘的幸运小汪被岳母认可后还能得到25个货币单位的彩礼,简直人生赢家。

2. 听谁的?

在这个系统中,如果我和另一个人C几乎同时地喊出一句:为了艾泽拉斯!。由于听众所处的位置不同,一定会有人先听到我说的那句话,而另外一些人则先听到C的那句话,如果我们规定只能有一个人说出这句话,那到底这句话是谁说的?

如果不加任何条件,那么上述的情况一定会这样发展:一部分人认为这句话是我说的,在听到这句话之后开始记账,之后他们所做的所有事情都是基于这个事实,并且随着这个信息一次次的传下去,这条信息链会越来越深;而另外一群认为是C先说这句话的人,也会按照这样的趋势发展。这样,原本是一条唯一的信息链,在我们喊出为了艾泽拉斯这句话之后,分叉了???

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图5:区块链分叉

这会导致怎样的情况呢?按照我们的设想,应该每个人的小本本上记录的东西都是一样的,都是一条可以把所有信息串联起来的链条。但是在这一刻,他们小本本上记录的东西不一样了!这还玩毛???以后还怎么确定交易和信息的真实性???

为了解决这个问题,我又追加了新的规则:每个人在记录小本本的时候,需要脱鞋然后用脚拿笔,在小本本上用正楷体书写!有了这个规定,由于用脚写字难度很大,每个人至少需要10分钟才能写完,而且由于每个人用脚写字的熟练度不通,写完这句话所用的时间也不同,因此一定会有人先写完然后高呼我写完了!那句话是LaiW3n喊的!,这样其它正在写这句话的人便会停笔,然后在小本本上重新开始写那句话是来文写的,上一句的编号是xxx。

如果你对上述我的解决方法感兴趣,你可以对照我上面的比喻去了解以下知识:

听谁的中本聪破解拜占庭将军问题的算法

在小本本上记录比特币挖矿

脱鞋用脚写字比特币挖矿难度

脱鞋写字速度算力

新的规则工作量证明链

3. 双花问题

这个时候你的室友可能又要问:如果我同时宣布我给了A一个查克拉和我给了B一个查克拉,但是我只有一个查克拉,那咋整?是A和B都收到了查克拉还是咋地?

这个时候你只需要托起他的下巴,温柔地看着他的眼睛,用手刮刮他的鼻子,说:小妖精,你把这种情况带到上面的规则中去试试?

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一些私信问题讨论:

1. 为何目前还鲜有区块链和实体商业业务对接的案例?

从理论上:区块链是一门新技术,保守大众(包括我)还处在观望阶段,只有少数激进或者目标明确的实体开始向区块链进军,而这些少数的实体在现阶段发声的强度还不够。

从应用上:区块链技术要与实体商业对接,在技术和规则上还需要进一步开拓,区块链解决的所谓不信任问题其对象也只局限于区块链上的数据。因此如果区块链要与实体业务对接,还需要进一步推动实体与数据之间跨域的游戏规则的建立。

2. 虚拟加密货币最终是否会走向庞氏骗局?

这个问题我也不太好回答,毕竟我是一个技术人员而非这个领域的弄潮儿。我个人的看法是:对于普通人,不建议长期持有某种数字货币,应将数字货币作为法币之间转换的桥梁;对于投机者,炒币需谨慎,应将风险控制在自己能够承受的范围内。PS:其实我真的不关心这个问题。

3.为什么听你一讲,感觉区块链很弱智的样子?

我在文中已经说明,这只是一篇关于区块链技术的新人导论,其目的在于帮助你快速对区块链有一个感性的认识;如果真的想了解区块链技术细节,请阅读相关文献或访问区块链社区。

4.工作机会

感谢各位热情的HR,但我现在暂无跳槽的打算。

来源:知乎

著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

我来试图给区块链技术下个定义:

区块链技术是指通过去中心化和去信任的方式集体维护一个可靠数据库的技术。

4个关键词:去中心化(Decentralized)、去信任(Trustless)、集体维护(Collectively maintain)、可靠数据库(Reliable Database)。

按照这个定义,比特币使用了区块链技术,而维基百科就没有。维基虽然无需信任人人可编辑,但其管理团队是一个具有特殊权力的中心。

区块链起源于比特币,是比特币网络参与者们集体维护的一个总账本。但创新者们已经开始用区块链技术开发远超比特币自身的众多应用。从这个意义讲,我们又可以认为比特币是区块链技术的第一个应用。

区块链可以应用在以下方面:

I. Financial Instruments, Records and Models

  1. Currency

  2. Private equities

  3. Public equities

  4. Bonds

  5. Derivatives (futures, forwards, swaps, options and more complex variations)

  6. Voting rights associated with any of the above

  7. Commodities

  8. Spending records

  9. Trading records

  10. Mortgage / loan records

  11. Servicing records

  12. Crowd-funding

  13. Micro-finance

  14. Micro-charity

    II. Public Records

  15. Land titles

  16. Vehicle registries

  17. Business license

  18. Business incorporation / dissolution records

  19. Business ownership records

  20. Regulatory records

  21. Criminal records

  22. Passports

  23. Birth certificates

  24. Death certificates

  25. Voter IDs

  26. Voting

  27. Health / Safety Inspections

  28. Building permits

  29. Gun permits

  30. Forensic evidence

  31. Court records

  32. Voting records

  33. Non-profit records

  34. Government/non-profit accounting/transparency

    III. Private Records

  35. Contracts

  36. Signatures

  37. Wills

  38. Trusts

  39. Escrows

  40. GPS trails (personal)

    IV. Other Semi-Public Records

  41. Degree

  42. Certifications

  43. Learning Outcomes

  44. Grades

  45. HR records (salary, performance reviews, accomplishment)

  46. Medical records

  47. Accounting records

  48. Business transaction records

  49. Genome data

  50. GPS trails (institutional)

  51. Delivery records

  52. Arbitration

    V. Physical Asset Keys

  53. Home / apartment keys

  54. Vacation home / timeshare keys

  55. Hotel room keys

  56. Car keys

  57. Rental car keys

  58. Leased cars keys

  59. Locker keys

  60. Safety deposit box keys

  61. Package delivery (split key between delivery firm and receiver)

  62. Betting records

  63. Fantasy sports records (!)

    VI. Intangibles

  64. Coupons

  65. Vouchers

  66. Reservations (restaurants, hotels, queues, etc)

  67. Movie tickets

  68. Patents

  69. Copyrights

  70. Trademarks

  71. Software licenses

  72. Videogame licenses

  73. Music/movie/book licenses (DRM)

  74. Domain names

  75. Online identities

  76. Proof of authorship / Proof of prior art

    VI. Other

  77. Documentary records (photos, audio, video)

  78. Data records (sports scores, temperature, etc)

  79. Sim Cards

  80. GPS network identity

  81. Gun unlock codes

  82. Weapons unlock codes

  83. Nuclear launch codes (!)

  84. Spam control (micro-payments for posting)

以上摘录自 Bitcoin Series 24: The Mega-Master Blockchain List

责编:鹰眼组(姚曦)

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