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什么是區塊鏈?比特幣、挖礦又是什么,和區塊鏈有何關系?

什么是區塊鏈?

 

區塊鏈,英文 Blockchain,本質上是一種去中心化的分布式數據庫。任何人只要架設自己的服務器,接入區塊鏈網絡,都可以成為這個龐大網絡的一個節點。

 

 

 

區塊鏈既然本質是數據庫,里面究竟存儲了什么東西呢?讓我們來了解一下區塊鏈的基本單元:區塊(Block)

 

 

 

一個區塊分為兩大部分:

 

1.區塊頭 

區塊頭里面存儲著區塊的頭信息,包含上一個區塊的哈希值(PreHash),本區塊體的哈希值(Hash),以及時間戳(TimeStamp)等等。

 

2.區塊體

區塊體存儲著這個區塊的詳細數據(Data),這個數據包含若干行記錄,可以是交易信息,也可以是其他某種信息。

 

剛才提及的哈希值又是什么意思呢?

 

想必大家都聽說過MD5,MD5就是典型的哈希算法,可以把一串任意長度的明文轉化成一串固定長度(128bit)的字符串,這個字符串就是哈希值。

 

而在我們的區塊鏈中,采用的是一種更為復雜的哈希算法,叫做SHA256。最新的數據信息(比如交易記錄)經過一系列復雜的計算,最終會通過這個哈希算法轉化成了長度為256bit的哈希值字符串,也就是區塊頭當中的Hash,格式如下:

 

a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0

 

區塊與Hash是一一對應的,Hash可以當做是區塊的唯一標識。

 

不同的區塊之間是如何進行關聯的呢?依靠Hash和PreHash來關聯。每一個區塊的PreHash和前一個區塊的Hash值是相等的。

 

 

 

 

什么是挖礦?

 

 

 

為什么要計算區塊的哈希值呢?

 

既然區塊鏈是一個鏈狀結構,就必然存在鏈條的頭節點(第一個區塊)和尾節點(最后一個區塊)。一旦有人計算出區塊鏈最新數據信息的哈希值,相當于對最新的交易記錄進行打包,新的區塊會被創建出來,銜接在區塊鏈的末尾。

 

新區塊頭的Hash就是剛剛計算出的哈希值,PreHash等于上一個區塊的Hash。區塊體的Data存儲的是打包前的交易記錄,這部分數據信息已經變得不可修改。

 

 

 

這個計算Hash值,創建新區塊的過程就叫做挖礦

 

用于進行海量計算的服務器,叫做礦機

 

操作計算的工作人員,叫做礦工

 

 

 

 

計算哈希值究竟難在哪里?咱們來做一個最粗淺的解釋,哈希值計算的公式如下:

 

Hash = SHA-256(最后一個區塊的Hash + 新區塊基本信息 + 交易記錄信息 + 隨機數)

 

其中,交易記錄信息也是一串哈希值,它的計算涉及到一個數據結構 Merkle Tree。有興趣的小伙伴可以查閱相關資料,我們暫時不做展開介紹。

 

這里關鍵的計算難點在于隨機數的生成。猥瑣的區塊鏈發明者為了增大Hash的計算難度,要求Hash結果的前72bit必須都是0,這個幾率實在是太小太小。

 

由于(最后一個區塊的Hash + 新區塊基本信息 + 交易記錄信息是固定的,所以能否獲得符合要求的Hash,完全取決于隨機數的值。挖礦者必須經過海量計算,反復生成隨機數進行“撞大運”一般的嘗試,才有可能得到正確的Hash,從而挖礦成功。

 

同時,區塊頭內還包含著一個動態的難度系數,當全世界的硬件計算能力越來越快的時候,區塊鏈的難度系數也會水漲船高,使得全網平均每10分鐘才能產生出一個新區塊。

 

小伙伴們明白挖礦有多么難了吧?需要補充的是,不同的區塊鏈應用在細節上是不同的,這里所描述的挖礦規則是以比特幣為例。

 

區塊鏈的應用

 

 

比特幣(BitCoin)的概念最初由中本聰于2008年提出,而后根據這一思路設計發布了開源軟件以及建構其上的P2P網絡。比特幣是一種P2P形式的數字貨幣。點對點的傳輸意味著一個去中心化的支付系統。

 

什么是P2P網絡呢?

 

傳統的貨幣都是由中央銀行統一發行,所有的個人儲蓄也是由銀行統一管理,這是典型的中心化系統。

 

 

 

 

 

 

而比特幣則是部署在一個全世界眾多對等節點組成的去中心化網絡之上。每一個節點都有資格對這種數字貨幣進行記錄和發行。

 

 

 

 

 

至于比特幣底層的數據存儲,正是基于了區塊鏈技術。比特幣的每一筆交易,都對應了區塊體數據中的一行,簡單的示意如下:

交易記錄的每一行都包含時間戳、交易明細、數字簽名。

 

表格中只是為了方便理解。實際存儲的交易明細是匿名的,只會記錄支付方和收款方的錢包地址

 

至于數字簽名呢,可以理解為每一條單筆交易的防偽標識,由非對稱加密算法所生成。

 

接下來說一說比特幣礦工的獎勵:

 

 

比特幣協議規定,挖到新區塊的礦工將獲得獎勵,從2008年起是50個比特幣,然后每4年減半,目前2018年是12.5個比特幣。流通中新增的比特幣都是這樣誕生的,也難怪大家對挖掘比特幣的工作如此趨之若鶩!

 

區塊鏈的優勢和劣勢

區塊鏈的優勢:

 

1.去中心化

 

區塊鏈不依賴于某個中心節點,整個系統的數據由全網所有對等節點共同維護,都可以進行數據的存儲和檢驗。這樣一來,除非攻擊者黑掉全網半數以上的節點,否則整個系統是不會遭到破壞的。

 

2.信息不可篡改

 

區塊內的數據是無法被篡改的。一旦數據遭到篡改哪怕一丁點,整個區塊對應的哈希值就會隨之改變,不再是一個有效的哈希值,后面鏈接的區塊也會隨之斷裂。

 

 

區塊鏈的劣勢:

 

1.過度消耗能源

 

想要生成一個新的區塊,必須要大量服務器資源進行大量無謂的嘗試性計算,嚴重耗費電能。

 

 

2.信息的網絡延遲

 

以比特幣為例,任何一筆交易數據都需要同步到其他所有節點,同步過程中難免會受到網絡傳輸延遲的影響,帶來較長的耗時。

 

 

 

 

幾點補充:

 

1.本漫畫部分內容參考了阮一峰的博文《區塊鏈入門教程》,感謝這位大神的科普。

 

2.由于篇幅有限,關于Merkle Tree 和 非對稱加密 的知識暫時沒有展開細講,有興趣的小伙伴們可以查閱資料進行更深一步的學習。

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