区块链技术入门基础

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（Blockchain）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
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。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
区块链由一个个区块（block）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（Head）：记录当前区块的特征值
区块体（Body）：实际数据
区块头包含了当前区块的多项特征值。
生成时间
实际数据（即区块体）的哈希
上一个区块的哈希
…
这里，你需要理解什么叫哈希（hash），这是理解区块链必需的。

所谓”哈希”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。区块链的哈希长度是256位，这就是说，不管原始内容是什么，最后都会计算出一个256位的二进制数字。而且可以保证，只要原始内容不同，对应的哈希一定是不同的。
举例来说，字符串123的哈希是a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0（十六进制），转成二进制就是256位，而且只有123能得到这个哈希。（理论上，其他字符串也有可能得到这个哈希，但是概率极低，可以近似认为不可能发生。）
因此，就有两个重要的推论。
推论1：每个区块的哈希都是不一样的，可以通过哈希标识区块。
推论2：如果区块的内容变了，它的哈希一定会改变。

四、 Hash 的不可修改性
区块与哈希是一一对应的，每个区块的哈希都是针对”区块头”（Head）计算的。也就是说，把区块头的各项特征值，按照顺序连接在一起，组成一个很长的字符串，再对这个字符串计算哈希。
Hash = SHA256( 区块头 )
上面就是区块哈希的计算公式，SHA256是区块链的哈希算法。注意，这个公式里面只包含区块头，不包含区块体，也就是说，哈希由区块头唯一决定，
前面说过，区块头包含很多内容，其中有当前区块体的哈希，还有上一个区块的哈希。这意味着，如果当前区块体的内容变了，或者上一个区块的哈希变了，一定会引起当前区块的哈希改变。
这一点对区块链有重大意义。如果有人修改了一个区块，该区块的哈希就变了。为了让后面的区块还能连到它（因为下一个区块包含上一个区块的哈希），该人必须依次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，哈希的计算很耗时，短时间内修改多个区块几乎不可能发生，除非有人掌握了全网51%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
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10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哈希，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（mining），因为计算有效哈希的难度，好比在全世界的沙子里面，找到一粒符合条件的沙子。计算哈希的机器就叫做矿机，操作矿机的人就叫做矿工。

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哈希吗，这正是计算机的强项啊，怎么会变得很难，迟迟算不出来呢？
原来不是任意一个哈希都可以，只有满足条件的哈希才会被区块链接受。这个条件特别苛刻，使得绝大部分哈希都不满足要求，必须重算。
原来，区块头包含一个难度系数（difficulty），这个值决定了计算哈希的难度。举例来说，第100000个区块的难度系数是 14484.16236122。

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（target）。显然，难度系数越大，目标值就越小。

哈希的有效性跟目标值密切相关，只有小于目标值的哈希才是有效的，否则哈希无效，必须重算。由于目标值非常小，哈希小于该值的机会极其渺茫，可能计算10亿次，才算中一次。这就是采矿如此之慢的根本原因。
前面说过，当前区块的哈希由区块头唯一决定。如果要对同一个区块反复计算哈希，就意味着，区块头必须不停地变化，否则不可能算出不一样的哈希。区块头里面所有的特征值都是固定的，为了让区块头产生变化，中本聪故意增加了一个随机项，叫做 Nonce。
Nonce 是一个随机值，矿工的作用其实就是猜出 Nonce 的值，使得区块头的哈希可以小于目标值，从而能够写入区块链。Nonce 是非常难猜的，目前只能通过穷举法一个个试错。根据协议，Nonce 是一个32位的二进制值，即最大可以到21.47亿。第 100000 个区块的 Nonce 值是274148111，可以理解成，矿工从0开始，一直计算了 2.74 亿次，才得到了一个有效的 Nonce 值，使得算出的哈希能够满足条件。
运气好的话，也许一会就找到了 Nonce。运气不好的话，可能算完了21.47亿次，都没有发现 Nonce，即当前区块体不可能算出满足条件的哈希。这时，协议允许矿工改变区块体，开始新的计算。

七、难度系数的动态调节
正如上一节所说，采矿具有随机性，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（2016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10%，因此接下来的难度系数就要调高10%；如果平均生成速度是11分钟，就意味着比法定速度慢了10%，因此接下来的难度系数就要调低10%。
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
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10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，就是正宗的区块链。

九、总结
区块链作为无人管理的分布式数据库，从2009年开始已经运行了10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。
不存在所有成员都信任的管理当局
写入的数据不要求实时使用
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。

十、比特币
比特币是中本聪（Satoshi Nakamoto，传说的比特币创始人，日裔美国人）于2009年提出的一种虚拟数字货币，特点是没有中心化的发行机构，总量固定，为2100万枚，而且不是一次性发行，需要由矿工挖矿产生。由于是去中心化的结构，信任就需要依靠密码学和共识机制技术来达到。
区块链是比特币衍生出来的一种通用技术，它实现了去中心化的数据库模型，比特币可以规为区块链1.0，因为它没有智能合约的概念。区块链关键技术就包括密码学加解密和共识机制，区块链一般是用来和具体业务逻辑相结合，这就需要依赖智能合约了，智能合约提供了不受人为干扰的执行模式。
ICO首次币发行，源自股票市场的首次公开发行（IPO）概念，是区块链项目首次发行代币，募集比特币、解决以太坊等通用数字货币的行为。

十一、问题解答（非专业）
1. 问：比特币和区块链有什么区别和联系？
答：比特币是国外一个大牛（据说叫中本聪）在2008年末、2009年初发明的，用的技术就是区块链。也就是说，比特币是世界上第一种“去中心化”的数字货币，为了发明它，中本聪搞出了一种新技术，他把它命名为“区块链”。因此，区块链是伴随着比特币产生的一种新技术。
通俗地说，比特币是产品，是一种具体的数字货币，而区块链是相对通用的技术。
打个比方，瓦特发明了蒸汽机，他也发明了一整套相关的技术。但技术不是产品本身，别人用他的技术，也能做出相似的蒸汽机。

2. 问：比特币为什么那么贵？
答：因为比特币不是随意能生成的，必须满足严苛的条件，需要大量计算。当然，每个人都可以通过自己的计算，找到比特币，这就是“去中心化”。只要你能找到，就是你的，这和现在各国央行印刷纸币完全不同。
但是，这种通过计算找到比特币的门槛可不低，否则谁都可以找到比特币了。而且随着时间流逝，现在要找出新的比特币，门槛越来越高，要用大量的计算机，消耗大量电力，才能找到新的比特币。这在币圈内叫做“挖矿”，很形象。
正因为寻找新的比特币越来越难，比特币的总数量，和对它需求的人数相比，就相对稀缺了。这导致比特币的价格很高。
比特币的价格高峰出现在2017年12月17日，将近20000美元一枚。后来大幅跳水，又跌回3000多美元，目前（2019年10月底）大约8800多美元。当然，这里的“一枚”也不是真实货币，只是一个计量单位。网络上的一个比特币，就是“一枚”了。

3. 问：比特币到底值多少钱？
答：不知道。
因为这种无形的东西，说值多少钱都可以。比特币刚推出的时候，一枚连一美分都不值。因为刚开始没人知道它的优点，用户少，而比特币的生成速度却很快。诞生10分钟后，第一批50个比特币就生成了，后来每10分钟生成50个，直到总量达到1050万个。这个时候，比特币根本不值钱。
但是随着用户增多，而比特币的生成速度大幅减慢，价格就高了。从几美分涨到成千上万美元，这涨速确实惊人。现在“挖矿”消耗的电力、硬件折旧和人工成本，基本上在8500美元左右。也就是说，目前的价格，和“挖矿”成本差不多，或者稍高一点。
按常理，这样的价格应该是比特币的“底价”了，至少是底部区域。但这是因为很多人都在追捧比特币，形成了“共识”。但换个角度想想，李笑来说的话也不是没有道理哈！
追捧比特币的是傻逼吗？我不知道。
所以我也不知道比特币值多少钱。每个人自己判断吧。

4. 问：市场上现在有很多数字货币，它们和比特币有什么区别？
答：比特币是完全“去中心化”的数字货币，而且产生艰难，总量有限，新产生的比特币的成本很高，因而具有一定的信誉。而其他数字货币，我不敢说100%，但至少99%的数字货币，基本上都是骗子。

这是因为：比特币的代码是公开的，任何人都可以对它进行修改，生成自己的一套数字货币系统。因此，理论上可以产生无穷个数字货币公司，每种数字货币也可以无限量供应，更可以集中控制。
那么，其他公司“生产”的数字货币，“价值”到底有多少，可想而知。

5. 问：这么说来，还是比特币有价值了？
答：也不能这么说。我只是说：相对于其他数字货币，比特币更有价值，更值得信赖。但是比特币到底值多少钱？能不能一直做下去，我也不知道。
而且，比特币毕竟是第一种去中心化的数字货币，以后很有可能出现新的、更好的数字货币。比如一个或几个国家、大公司，全力推出新的数字货币，也有可能淘汰比特币。
打个比方，瓦特的蒸汽机很牛，但是技术在发展。别人用他的一套技术，不断进行改良，肯定越做越好。现在他发明蒸汽机已经200多年了，现在的蒸汽机，肯定比瓦特时代要好得多。

6. 问：说了半天，还没说到区块链呢，到底什么是区块链？
答：区块链是一种软件技术。说得简单点，就是“分散存储”和“档案全留”。也就是说，比特币的所有交易信息，在网上都有保留，而且是重复存储在成千上万台计算机上。
比如，A把比特币卖给了B，这条交易记录不是存储在一台计算机上，而是存储在网上尽量多的计算机上，至少几百台以上。而且，这些比特币过去所有的交易记录，也全都保留在网上。
这种分散存储和信息保留，让人极难篡改。因为如果想篡改交易记录，就得改成千上万台机器上的数据，这几乎是不可能的。迄今为止，还没有发生过篡改现象。因此，从实际应用角度来说，比特币是不可篡改和不可伪造的。加上它本身具有一定的成本和稀缺性，因此具有一定的信用。因此，比特币具有货币的特征。
正因为如此，它才受一部分人追捧。
凡是真正采用区块链技术的数字货币，也都应该有这种特征。请注意，要“真正采用”区块链技术才行噢。

7. 问：为了保证“去中心化”，区块链数据要广泛存储，这形成了“各个区块”和各个“链”。但是，这是否意味着交易效率很低呢？
答：你很聪明！是这样的。
要完成一个交易，一个比特币要从用户A转到用户B的名下，要更新网上成千上万台机器，这个速度非常非常慢。现在交易一次，动不动就需要至少十个小时，就是在更新网上无数台机器中的数据。而在整个网络上，全世界的人之间自由买卖比特币，一天的总交易笔数大约是6000笔左右。

8. 问：一天的总交易量才6000笔？这能保证大规模商业应用吗？
答：当然不能。现在成规模的商业应用，每天都是百万笔以上。一天的股票交易笔数是上千万，微信、支付宝日均交易笔数都上亿，高峰时甚至在十亿笔以上（如春节），是比特币的上万倍都不止。
而且，由于一枚比特币价格昂贵，经常拆分成更小的单位，就像一元钱可以分为十角，或者100分那样。但比特币太贵了，所以拆得更小，现在比特币的最小交易量是0.00001。如果一枚比特币是1万美元，意味着最小交易金额大约是0.1美元。用这种方式，保证尽量多的人能来投资（或投机）。
这样，比特币在网上的交易数据，更为纷乱复杂。比如一个人A，他手里有10枚比特币，另一个人B，只想买0.01枚（因为没钱啊），如果A找不到其他买家，并且觉得B的出价合适，就会卖给B 0.01枚。另一方面，B陆续从100个人手里买了5枚比特币，然后整体卖给了大款C，那么，这5枚比特币的信息是支离破碎的，因为要保留B从以前100个人手里买来的信息。
所以，比特币的交易速度越来越低，而在网上保留的信息量，却越来越庞大。每天的总成交笔数，很可能还不如一个乡镇的小型集贸市场，根本无法满足大规模商业应用。

9. 问：乖乖，比特币的交易居然以0.00001枚为最小单位！还得保留过去所有的交易数据，这么乱七八糟的数据保留在网上，可以想象是多么庞杂！我很奇怪，这么个庞大的去中心化系统，真能保证所有交易数据都保持一致性吗？
答：的确很难。
这倒不是因为软硬件的性能跟不上 ---- 跟不上就慢点，没关系。而是因为：比特币的系统越来越庞大，技术肯定也要不断发展。但是开发比特币技术的有很多程序员，他们基于对技术的理解不同，就会产生讨论，继而产生争论。于是，不可避免地，“分叉”产生了。
所谓“分叉”，就是一群人开始搞另一种技术。当然，基本技术都一样，只是在局部有所不同。但这点不同，也足以导致产生分叉了。这实际上是比特币的分裂。
比特币（BTC）在2017年8月发生了第一次硬分叉，产生了“比特币现金（BCH）”，后来又分裂出“比特币黄金（BTG）”、“比特币钻石（BCD）”、“超级比特币（SBTC）”……目前分叉已经越来越多，大概有几十个……

10. 问：等等！我已经晕了！这么多变种都叫比特币吗？怎么交易？对比特币的价格有没有影响？

答：严格来说，只有传统的比特币还能叫比特币，新出现的变种或分叉，不能叫比特币了。这也是2017年比特币暴跌的原因。比特币第一次分叉后，价格坚持了一段，随着以后分叉越来越多，就开始暴跌了，这就是2018年比特币一度跌至不足4000美元的重要原因。
因此，比特币的不断分叉，对价格有比较明显的负面影响。各组程序员之间，吵得非常厉害。
但这也是必然的，我说的是，既然区块链是“去中心化”技术，以它为基础的比特币，以后分叉是必然的，而且会越分越多。
打个比方，不好意思，我拿宗教打比方吧。一神教的始祖是犹太教，犹太教后来出现了正统派、改革派、保守派、重建派。当然，更有名的是它后来出现一个变种，叫基督教；后来又出现了另一个变种，叫伊斯兰教。基督教后来又出现了更细的变种：东正教和新教，因此传统的教派就叫天主教。伊斯兰教内也出现了逊尼派、什叶派，乃至派内之派。
在局外人看来，它们都是一神教，尊奉同一个上帝（或真主），最多就是简单地分为三大一神教。但在内部，教徒们知道各派的严格区分，绝不会混淆。
这个比方可能不太恰当，但或许有助于理解比特币的分叉或分裂。

11. 问：真够乱的。算了，还是回到区块链。我听宣传区块链的人说，区块链的一大优势是提高交易和计算速度。他们说，“去中心化”可以提高交易速度，因为大家可以分头交易，不用集中处理。但他们讲的术语太多，我也听不懂，感觉很高深的样子。我只是奇怪：既然区块链可以大幅提高交易速度，为什么不大幅提高比特币的交易速度呢？
答：你这个问题很尖锐啊，你怎么总是问到点儿上？
从我上面的介绍就可看出：在数据量越大、数据极度去中心化、存储量极为庞大的情况下，交易速度必然越来越慢。这是没办法的事，每做一笔交易，都要更新网上无数的数据，都需要极大的通信量。
而且，比特币从诞生到现在，虽然只有十一年时间，但由于它吸引了全世界的眼球，所以全世界最聪明的人，最有实力的公司，无不想提高比特币的交易速度。所以全世界都在研究怎么提高区块链的效率。但是到今天为止，这个问题解决不了，可见是多么困难。
比特币一天只能交易6000笔左右，而支付宝、微信每天转账上亿笔，速度还很快，这足以说明，目前的集中式管理的数据处理和交易速度，要远远高于去中心化的区块链。

12. 问：那还搞什么区块链？
答：话不能这么说。我们应该换个角度想想：正因为区块链有集中式管理不可比拟的优势，如果解决了它的短板，也就是数据存储和处理的低效率问题，区块链不就可以有大规模应用价值了吗？
谁能解决这个问题，谁必然执未来信息技术之牛耳。
要解决这个问题，也不是没有可能。现在量子计算机和通信的速度，要比传统计算机和网络至少快一亿倍，如果量子计算和通信的技术成熟了，区块链技术或许就可实现大规模商业应用。

13. 问：但是，量子计算机和通信很难搞吧？
答：没错，是很难搞。但我还是那句话，正因为难搞，才要去搞，而且谁搞成了，谁必然执未来信息技术之牛耳。

14. 问：据说我国在量子通信上是世界前列？潘建伟那帮人是不是很牛？
答：呵呵，别跑题，还是回来继续说区块链。

15. 问：据说国家对量子通信和区块链的支持力度很大？看来，我要去投资区块链技术了？
答：前景是光明的，但道路是极其艰难的。
我们完全支持国家对区块链技术的支持，也应该对未来抱有美好的期望，也希望人类能实现区块链技术的大突破。如果这种大突破由我国完成，更值得我们骄傲和自豪！

答：但是，这是国家和大公司的事，是极少数技术牛人的事。99.999%以上的人一定要搞清楚：对于前沿技术，自己愿意免费试用，还是真金白银地去投资支持？
比如，某公司号称开发了很牛的区块链技术，并且做出了应用。我们可以去免费试用（也鼓励这么做），也可以买入该公司的股票或数字货币，这些都是用实际行动来支持，都很好。
但是，这两种支持是不一样的。前者你不用花钱，或者只花很少的钱；后者你要花钱，可能花很多钱，而且有可能亏损。

16. 问：所以我们既要坚决支持区块链技术的发展，但脑子里一定要清楚，投资买相关股票或者数字货币，是另一回事？
答：是的。
我相信，我们所有人都衷心支持发展区块链技术，支持所有的技术创新。我们要衷心支持国家大力发展区块链技术，也要努力去尝试新技术。但要提防一些别有用心的公司或个人，比如像李笑来、徐小平这样的，高喊着比特币很好，疯狂收割韭菜。

17. 问：你讲的我居然都听懂了！果然没什么高深的术语，以前我听别人讲区块链，什么分布式账本、非对称加密、共识机制、智能合约、中央帐簿、积分奖励、创世区块……我彻底晕了，不明觉厉，只是觉得非常高深。
答：呵呵，记住，区块链的核心思想是“去中心化”交易。为了保证这一点，必须广泛地分布式存储，由此带来一大堆新问题，进而需要人们的进一步解决。
当然，区块链也不是横空出世的全新技术。在它出现前，人们已经研究分布式存储、并行计算至少三十年了，这方面的成果也不少，很多在局部都很难继续突破了。不过，“中本聪”能在前人基础上，搞出这么一套技术，也够牛的。
打个比方，就像瓦特发明蒸汽机，其实在瓦特发明蒸汽机以前，早就有蒸汽机“1.0”和“2.0”版，瓦特的发明算是“3.0”版。不过瓦特这个3.0版很牛，它是一系列发明的集合，让蒸汽机脱离玩具阶段，人类正式进入了工业革命时代。

18. 问：你这个比方，是不是说现在的区块链技术相当于当年瓦特的发明？
答：有这个意思，我这是从技术角度来说的。但目前的区块链技术是否进入实用阶段了呢？当然没有，它仍然代表了人类一种美好的理想，也就是“去中心化”，所以才需要进一步大力发展。不过我们一定要认识到技术突破的艰巨性。
再次强调一遍：国家和公司，大力发展区块链技术是完全必要的，我们也完全支持；但作为普通人，投资上一定要慎之又慎，一定要充分地意识到：国家愿意大力发展的事物，绝不代表愿意炒作。我想，这也是国家的本意。
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区块链与数字货币