老礦工的區(qū)塊鏈5000字終極指南
“老礦工”用5000字講清區(qū)塊鏈工作原理：去中心化、分布式存儲、哈希函數加密，這些都是什么?
除非你居住在世外桃源，要不然你一定聽說過比特幣和區(qū)塊鏈。畢竟它們是當下最熱門的話題之一，也被評為了年度流行語。即使那些沒有接觸過數字貨幣、也不知道其如何工作的人也在討論區(qū)塊鏈。
在理解這些新技術的時候，我那些沒有技術背景的朋友“懵了”，他們一連幾個星期纏著讓我解釋到底什么是區(qū)塊鏈。
作為比特幣的資深“老礦工”，我用最淺顯易懂的語言寫了這篇文章，幫助大家理解當下最流行的趨勢。
區(qū)塊鏈：為什么我們需要如此復雜的東西?
| “對于每個復雜的問題，都有一個看似簡單明了、實際上卻是錯誤的答案。”
—— H. L. Mencken |
和其他文章在開頭嘗試定義區(qū)塊鏈不同，我先解釋它解決的問題。
想象一下，你最好的朋友Joe正在國外旅游時候，突然給你打電話說：“我的錢完全花光了，借我點錢。”
因為你是熱心腸的人，所以你說：“馬上打給你。”
然后，你打電話給你的銀行客戶經理：“從我的賬戶轉1000美元到Joe的賬戶。”
你的客戶經理回復：“好的，先生。”
他登陸了你的賬戶，查看了一下你是否有足夠的賬戶余額進行1000美元的轉賬。你很富有，有足夠的錢可以轉賬，于是他在一個表格中做了如下登記：
之后，你打電話告訴Joe，“我已經給你寄了1000美元，你可以去銀行取錢了。”
整個過程中，你和Joe都信任銀行并讓它管理你的錢。上述交易過程并不涉及真金白銀，只是需要在一個表格中進行修改。更準確地說，這個表格并不是你和Joe擁有或能夠直接控制的。
這就是現行制度所體現的問題：為了建立起我們之間的相互信任，我們需要求助獨立的第三方。
多年來，我們通過“中間人”才能信任彼此。你可能會問，“這種中間人制度會帶來什么問題?”
問題就在于，“中間人”的數量是有限的。只要一個人或一個組織有意無意地腐敗了，那么整個社會就將陷入混亂狀態(tài)。
- 如果表格中的交易記錄在火災中燒毀，該怎么辦?
- 如果你的客戶經理寫了1500美元而不是1000美元呢?
- 如果他故意這樣做呢?
多年來，我們一直把所有的雞蛋都放在別人的籃子里。
是否能夠有一個系統(tǒng)可以在沒有第三方(銀行)的參與下進行轉賬?
為了回答這個問題，我們可以想一想，轉賬的含義是什么? 只是在表格中登記的一個條目。
那么，有沒有辦法在不依靠第三方的情況下，維護我們之間的交易記錄?
你可能已經猜到了答案——那就是區(qū)塊鏈。
區(qū)塊鏈：一種不需要依賴第三方的交易方法
區(qū)塊鏈如何實現自己登記交易記錄?這就需要用到分布式記賬的技術。
這種方法要求有足夠多的人選擇不依賴于第三方。 只有這樣，這些人才能依靠自己運營這個去中心化的系統(tǒng)。
| “可以存一些比特幣，萬一以后它漲了呢。如果這么想的人多了，那設想就變成現實了。”
——中本聰 |
系統(tǒng)里有多少人就算足夠多了?至少三個。 但這里，我們假設有十個人想要放棄銀行或任何其他管理交易的第三方。在彼此同意的情況下，他們一直都有對方賬戶的詳細信息但不知道對方的身份。
1. 建立一個空文件夾
每個人都從建立自己的空文件夾開始。隨著這個過程不斷推進，這十個人將不斷向他們的空文件夾中添加頁面。這個頁面集合就是追蹤交易的表格。
2. 開始交易
接下來，網絡中的每個人手里都有一支筆，用來填寫空白頁。 每人都準備好寫入系統(tǒng)內發(fā)生的任何交易。
現在，假設2號想轉賬10美元給9號。
為了完成交易，2號發(fā)表聲明告訴大家，“我想轉10美元給9號。收到消息的人就在自己的空白頁上進行交易記錄。”
每人都檢查2號的余額是否足夠，是否能將10美元轉給9號。如果她余額足夠，每個人就會在他們的空白頁面上記錄這筆交易。
3 .繼續(xù)進行更多交易
隨著時間的推移，會有更多的人利用該網絡進行轉賬交易。每當他們想做一個交易，他們就通知其他人。只要有一個人聽到這個通知，TA就會把交易記錄寫在TA的頁面上。
記錄將繼續(xù)進行，直到所有人都用完當前頁面上的空間。假設一個頁面的空間只能記錄十個交易，當第十個交易完成后，每個人的空間也都用完了。
當一個頁面被填滿時，就可以將其放入文件夾中，并創(chuàng)建出一個新的頁面，重復上述步驟2的過程。
4. 收起頁面
在我們將文件放進文件夾之前，我們需要用網絡上每個人都同意的唯一數字來加密。通過加密，密碼副本將放入每個人的文件夾中，我們就能確保沒有人能對加密數字進行修改，且不會隨時間而改變。不論是在今天、明天，甚至是一年之后，密碼副本一旦進入文件夾，它將始終停留在文件夾中并處于加密狀態(tài)。而且，如果每個人都信任這一加密方式，那么他們就會相信頁面內容。頁面的加密方式是網絡交易的關鍵。
保護頁面不被修改這項工作叫做“挖礦”。但為了簡單起見，我們將繼續(xù)稱它為“加密”。
在區(qū)塊鏈出現前，我們相信第三方/中間人，相信他們在表格中登記的每筆交易都不會改變。而在剛剛描述的這種分布式和分散系統(tǒng)中，人們也會信任這一加密方式。
用來加密的魔法機器：哈希函數
在我們學習如何加密頁面之前，我們需要知道加密的原理。我稱之為“魔法機器”。
想象一臺由厚厚的墻包圍的機器。如果從左邊給機器發(fā)送一個非空的盒子，它會“吐出”一個包含其他內容的盒子。
這臺機器被稱為“哈希函數”，但是為了方便理解，我們暫且稱它為“魔法機器”。
假設你從左邊發(fā)送數字4，它在右邊吐出單詞：'dcbea'。
它是如何將數字4轉換成'dcbea'這個詞? 沒人知道。而且，轉換過程不可逆。
即使你知道機器輸出了“dcbea”，你也無法知道對應的輸入內容。但是每次你把數字4輸進機器上，它總是會吐出同一個詞“dcbea”。
圖：哈希(4)== dcbea
發(fā)送數字26會怎么樣?
圖：哈希(26)== 94c8e
我們這次得到了'94c8e'。 有趣! 所以機器輸出的結果中也會包含數字。
現在，如果我問你以下問題：
“我從左邊給機器輸入什么，可以從機器右邊獲得一個以三個0開頭的單詞?例如，000ab，00098，000fa或000XX。”
上面已經提到，機器有一個屬性，即我們無法從右邊的結果逆推出左邊所輸入的內容。
面對這樣的機器，如何解決剛才提出的問題?
我想到一種方法。 為什么不一一地嘗試宇宙中的每一個數字，直到我們得到一個以連續(xù)三個0開頭的單詞?
經過幾千次的嘗試，最終會得到一個能夠產生正確結果的數字。
要計算給定輸出的輸入內容是非常困難的。 但與此同時，驗證輸入輸出是否對應確實很容易。請記住，對一個給定的數字，機器每次都會吐出相同的單詞。
如果我給你一個數字，比如說72533，并且問你，“把這個數字輸進機器，是否輸出了一個以三個0開頭的單詞?”，完成這個過程你覺得有多困難?
你需要做的就是把數字扔給機器，看看在右邊輸出了什么而已。
這樣的機器最重要的特性就是，給定一個輸出，計算輸入是非常困難的，但是給定輸入和輸出，驗證輸入輸出是否對應確實很容易。
如何加密一個頁面?
我們將使用這個神奇的機器來加密頁面。像往常一樣，我們將從一個假設開始。
想象一下，我給你兩個盒子，第一個盒子里包含了數字20893。然后，我問你，“你能算出這樣一個數字嗎：如果用它加上第一個盒子里的數字，然后發(fā)送給機器，可以得到一個以三個0開頭的單詞。”
這與我們之前看到的情況類似。我們已經了解到，計算這樣一個數字的唯一方法是通過嘗試整個宇宙中可用的每一個數字。
經過幾千次嘗試，我們會偶然發(fā)現一個數字，比如說21191，當用它加上20893(即21191 + 20893 = 42084)并發(fā)送給機器時，會產生一個滿足我們要求的詞。
在這種情況下，號碼21191成為20893的封印。假設有一個頁面的內容是20893。為了加密這個頁面(即讓人無法改變它的內容)，我們在這頁上添加一個名為“21191”的封印。 一旦加密數字(即21191)印在頁面上，頁面就被加密了。
加密數字也可以被稱為“工作證明”，意思是這個數字證明了為了計算它所做的努力。
如果有人想驗證頁面是否被修改，他所要做的就是將頁面內容加上封印數字，并送到魔法機器。如果機器給出以三個0開頭的單詞，則證明頁面內容不變。如果結果不符合我們的要求，我們可以扔掉頁面，因為它的內容是妥協(xié)的，是沒有用的。
我們將使用類似的加密機制來加密我們所有的頁面，并將它們放在各自的文件夾中。
為了加密包含網絡交易的頁面，我們需要找到一個數字，當把它附加到交易清單上并送給機器時，我們能在右邊得到一個以三個0開頭的詞。
注意：我一直只使用“以三個0開頭的詞”這個短語作為例子。因為它演示了哈希函數如何工作。真正的計算原理比這更復雜。
在機器上花費時間和電力后，一旦計算出這個數字，頁面就被這個數字封印了。如果有人試圖改變頁面的內容，任何人都可以利用封印數字驗證頁面的完整性。
現在我們已經知道如何加密頁面了，我們將回到編寫第十個交易的頁面上。編寫這十個交易用盡了我們的空間。
當每個人用來編寫進一步交易的頁面都用完時，為了獲得頁面，他們就會不停的計算加密數字，以便可以將其隱藏在文件夾中。
網絡中的每個人都會計算加密數字。第一個在網絡中找到的人會將其宣布給其他人。
一旦收到加密數字，每個人都會驗證它是否產生合法的輸出。輸出如果合法，每個人都用這個數字標記他們的頁面，并將其放在文件夾中。
但是，如果有個人說公布的加密數字產生的輸出不合法，怎么辦? 這種情況并不罕見。可能有以下原因：
- 他可能誤讀了網絡中公布的交易
- 他可能誤寫了在網絡中公布的交易
- 在寫交易時，他可能會試圖欺騙或不誠實，或者在網絡上偏袒自己或其他人
不管是什么原因，這個人只有一個選擇——放棄他的頁面，并復制別人的頁面放在文件夾中。 如果他沒有把他的頁面放在文件夾中，他將無法編寫更多的交易，也會被禁止成為網絡的一部分。
大多數人同意的加密數字就變成了真正的加密數字。
區(qū)塊鏈的工作原理
那么，為什么每個人都努力計算加密數字，即使知道別人會計算并向他們宣布?為什么不坐下來等待通知呢?
這就是激勵機制出現的地方。每個人都是區(qū)塊鏈的一部分，都有資格獲得獎勵。計算加密數字的第一個人將因為他的努力(即消耗的CPU功率和電力)而獲得獎金。
簡單想象一下，如果5號計算了一個頁面的加密數字，他會得到一些錢，比如1美元，這些錢是憑空而來的。換句話說，5號的賬戶余額增加了1美元，而其他人的賬戶余額卻不會減少。
這就是比特幣存在的方式。這是第一個在區(qū)塊鏈(分布式帳本)上交易的貨幣。為了保持人們在網絡上繼續(xù)工作的動力，人們將獲得作為回報的比特幣。
當一定數量的人都擁有比特幣時，比特幣的價值就會增長，那么其他人也會想購買比特幣。這使比特幣的價格進一步增長，繼而更多的人想購買比特幣，比特幣的價格又會增長。
獎勵使每個人都有了繼續(xù)在網絡上工作的動力。
而且，一旦所有人都將頁面收到他們的文件夾中，他們就會帶出一個新的空白頁面，這個過程在不停重復進行。
一個頁面可以被視為一個交易塊(區(qū)塊)，而文件夾可以被視為一連串頁面(區(qū)塊鏈)。
這就是區(qū)塊鏈的工作原理。
除此之外，還有一件小事。
想象一下，這個文件夾中已經有五個頁面了——全部用加密數字進行了加密。如果我為了自己的利益回到第二頁并修改交易，該怎么辦?加密數字可以讓任何人發(fā)現交易中的不一致性，對嗎?如果我繼續(xù)為已修改的交易計算一個新的加密數字，并在頁面上添加這一數字，該怎么辦呢?
為了防止某人返回并修改頁面(Block)以及加密數字，計算加密數字的方法有一些小小的改動。
加密方式的改進
請記住我給出兩個盒子的目的：一個盒子存放號碼20893，另外一個則為你的計算預留空間。實際上，為了計算區(qū)塊鏈中的加密數字，兩個盒子是不夠的，其實有三個盒子：兩個盒子作為預填盒子，另外一個盒子用于計算。
當這三個盒子所有的內容被發(fā)送到機器時，從右邊出來的答案必須滿足要求。
我們已經知道，一個盒子用來存放交易清單，另一個盒子用來存放封印數字。 第三個盒子包含魔法機器的前一頁輸出結果。
有了這個小技巧，我們就能確保每一頁都依賴于它的前一頁。 因此，如果有人要修改一個歷史頁面，那么他必須改變所有頁面的內容和加密數字，以保持區(qū)塊鏈上的一致性。
如果我們開始時想象的十個人中的一個人試圖欺騙和修改區(qū)塊鏈(包含交易記錄的頁面的文件夾)的內容，他將不得不調整幾個頁面并計算新的加密數字來加密這些頁面。我們知道計算加密數字有多困難。因此，網絡上一個不誠實的人無法擊敗九個誠實的人。
如果一個不誠實的人試圖在一個頁面上做出欺騙行為，那會在網絡中創(chuàng)造另一個鏈條，但是欺騙的鏈條永遠無法趕上誠實的鏈條——因為一個人的努力和速度無法擊敗九個人累積的努力和速度。因此，這個機制可以保證網絡中最長的鏈是最誠實的鏈。
如果，不是一個人不誠實，而是有六個人不誠實呢?
在這種情況下，協(xié)議就變得一塌糊涂。它被稱為“51%攻擊”。如果網絡中的大多數人都變得不誠實，并欺騙網絡的其余部分，協(xié)議目的就失效了。
如果區(qū)塊鏈會崩潰，那么這可能就是唯一可能的原因。雖然這種情況不太可能發(fā)生，但是我們必須知道區(qū)塊鏈系統(tǒng)的弱點：它建立在大多數人群總是誠實的假設之上。
以上就是“老礦工”關于區(qū)塊鏈的全部介紹。你看懂了嗎?
原文鏈接：
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【本文是51CTO專欄機構大數據文摘的原創(chuàng)譯文，微信公眾號“大數據文摘（ id: BigDataDigest）”】
