一文轻松看懂区块链的工作原理

星蕴 2024年10月08日 09:28 0

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作者注：这篇文章是写给非计算机专业的朋友的科普文，尽量避开了比较专业的细节。如果你是计算机相关专业，或者具备一定数据结构、算法、密码学的知识，建议直接看文末参考资料中的三篇博文，或者更专业的资料。

区块链：去中心化的分布式数据库

大家都知道，“比特币”是一种数字货币。而“区块链”就是比特币的记账系统。可以把区块链想象成一个账本，上面记录了全球所有的比特币交易信息。那么，区块链跟传统的银行记账有什么区别呢？

这就涉及到区块链的本质了：区块链是一种去中心化的分布式数据库。我会一一解释这三个关键词。

数据库：

所谓“数据库”，就是计算机上的一组表格，它可以存放大量的有结构的信息（可以类比Excel，但远比Excel复杂）。比如我们去银行存款、取款、汇款，这些交易信息都是要上传到银行的数据库的。

分布式：

这个数据库可以存放在银行的一台超级电脑上，也可以放在多台电脑上。比如工行可能在华北、华中、华东、华南等地区各有一台服务器，每个地区的交易信息发送到本地区的服务器上，各个服务器之间通过银行的内部网络连接。这就叫“分布式数据库”。

去中心化：

传统的服务器，不管是不是分布式的，都是有“管理员”的。也就是说，有一个银行内部的“超级用户”可以查看所有的交易信息，并且可以随意添加、修改这些信息。这就叫“中心化”。

而区块链则是“去中心化”的。也就是说，区块链这个数据库中不存在管理员，所有人都是平等的，都有权查看、添加信息。去中心化是区块链的本质特征。

既然所有人都有权往区块链上添加信息，那么这个“账本”难道不会乱七八糟吗？要搞清楚这点，我们需要了解什么是“区块”，什么是“链”。

何为“区块”何为“链”？“区块”是区块链的基本组成。区块就是一个数据块。类比账本的话，区块就相当于账本上的一页，这一页上记录了多条交易信息。而把这些分散在整个互联网上的“页”串成一条链，就可以形成一个完整的“账本”。那么，“区块”是怎么串成“区块链”的呢？

区块链账本的记账原理

哈希值与防篡改：

除了比特币交易信息之外，区块上还包含了这个区块本身的一些特征信息。可以类比一页上的“页码”，只不过这个“页码”比较复杂。“页码”中最重要的，就是“哈希值”，它是理解区块链可靠性的关键。

所谓“哈希值”，可以理解为数据的一个“指纹”。我们签合同有时会摁手印，以后只要把自己的指纹和合同上的指纹对比一下，就可以证明合同是自己签的。类似地，我们在网上下载一个软件，有些网站会给出安装包的哈希值（可能称为CRC或SHA）。我们下载完安装包后，只需用专门的工具计算一下这个SHA值，再跟官网上给的SHA值对比一下，就可以知道自己下载的和网站提供的是否100%一致，下载过程有没有被人做了手脚。

不同的数据，算出来的哈希值一般来说是不同的。如果已知数据A的哈希值是H，想伪造另一个数据B，使它的哈希值也是H，这是极其困难的。也就是说，哈希值具有不可伪造性，起到了“指纹”的作用。

一个区块中，包含了两种哈希值：“上一个区块的哈希值”和“本区块的哈希值”。因为每个区块都包含了上一个区块的哈希值，所有的区块就依次连成一条（逻辑上的）链。“上一个区块的哈希值”就起到了“页码”的作用——给页排序。

区块所包含的内容

区块连接成区块链

如果一个区块上的交易信息被人恶意篡改的话，“本区块的哈希值”就会改变。由于区块链中下一个区块包含了“上一个区块的哈希值”，为了让下一个区块依然能连到本区块，需要修改下一个区块。而这又导致下下个、下下下个......区块也必须修改。

篡改了一个区块，就要修改后面所有区块

由于区块链本身的一些机制（这个机制比较细节，我们这里不讨论），计算一个区块的哈希值是极其困难的，修改多个区块的哈希值则是难上加难。这样，篡改区块链中的交易信息就成为几乎不可能的事情。这就保证了区块链的可靠性。

采矿：向区块链写入信息的方式

采矿：向区块链写入信息的方式“采矿”，就是计算出一个潜在区块的哈希值，使这个区块正式加入整个区块链的过程。一个区块加入区块链后，其中包含的交易信息才能成为事实。由于比特币设计者的一些考虑，采矿的过程需要消耗大量时间和资源。前面已经提到，计算区块的哈希值是极其困难的。具体有多困难呢？如果比特币网络中的计算机都参与哈希值的计算，平均每十分钟才能算出一个哈希值。

从事采矿活动的人，称为“矿工”。互联网上的任何人都可以加入比特币网络，成为矿工。既然采矿需要消耗大量时间和资源，为什么矿工会自愿加入呢？这是因为比特币协议规定，挖到新区块的矿工会得到比特币奖励。这是矿工采矿的动力；也因为矿工持续得挖矿，比特币交易信息才能被确认，比特币交易才能正常进行。同时，这也是比特币总量唯一的增加方式。比特币不像传统货币，它的总量不能通过国家或机构人为印发的方式增加，只能通过挖矿奖励的方式“自然地”增加。

如何避免主链分叉？

既然挖矿会有比特币奖励，比特币的交易方也会给矿工一些手续费作为报酬，矿工之间难免会产生大量竞争。如果两个矿工同时挖到了某个区块的下一个区块，那么谁挖到的那个区块有资格加入区块链呢？如果都可以加入区块链，区块链产生了分叉，这样如何保证区块链的“唯一性”呢？

区块链协议规定，如果一个分叉上的新增区块达到了六个，那么它就成为区块链的“正统”；而同一时刻其他没有达到六个区块的分叉，就会被不幸淘汰，这些区块上的交易信息也不会被认可。这就避免了区块链的分叉。由于一个区块在被挖出来后，后面必须跟上六个新区块，而平均每十分钟才能挖到一个新区块，这样，一笔交易至少需要一个小时才能被确认（被写进区块链）。

矿工B：我有一句喵喵喵不知当不当讲

综合上文，那么比特币交易的过程是怎样的呢？

交易无非就是一条信息：“买方-1$，卖方+1$。”（这里涉及到一些非对称密码的知识，由于不是比特币所独有，不作讨论。）当你发起一笔比特币交易后，这个交易信息就会从你的设备上，逐渐发送到整个比特币网络。

为了挖矿奖励，许多矿工都会收集你的交易信息，并拼命挖新的区块。如果一个矿工挖出了一个新的区块，他就会把你的交易信息写入区块。在这之后，他还需要再挖出六个新的区块，以保证整个区块链采用了这个区块。这时你的交易信息才能正式写入区块链，得到确认。而那些没有挖到六个区块的矿工的成果则会被淘汰。

这样，虽然是多个矿工在竞争着写入你的交易信息，最后只能有一个矿工成功地写入。这就保证了同一次交易中，你的钱不会被扣掉两次。

一旦一个新的区块正式加入了区块链，这个区块就会被同步到所有矿工的机器上，新的区块只能跟在这个区块后面。而挖到这个区块的矿工会获得一些比特币作为奖励，这也是新比特币发行的过程。

小结一下以上的要点：

区块链是比特币交易的可靠的、唯一的账本。

区块链是一个无中心的分布式数据库。它没有管理员，网络中的所有用户都可以平等地向区块链中写入新的区块。

区块根据“上个区块的哈希值”而连接成一条链。

计算哈希值的困难性，使得区块和区块链无法被篡改，保证了区块和区块链的可靠性。

一个区块后面新增六个区块才能使它正式加入区块链，这使得区块链不会产生分叉，保证了区块链的唯一性。