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[小天才资讯] 系列1 - 区块链入门教程 | 【By-阮一峰】

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不二如是 发表于 2018-1-8 10:01:23 33810 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 不二如是 于 2018-1-9 09:28 编辑

注:下文中”我“,均为阮一峰

大神博客:http://www.ruanyifeng.com/blog/




Snip20180108_79.png


区块链(blockchain)是眼下的大热门,新闻媒体大量报道,宣称它将创造未来

可是,简单易懂的入门文章却很少。

区块链到底是什么,有何特别之处,很少有解释。


Snip20180108_78.png


下面,我就来尝试,写一篇最好懂的区块链教程

毕竟它也不是很难的东西,核心概念非常简单,几句话就能说清楚。

我希望读完本文,你不仅可以理解:
        区块链,还会明白什么是挖矿为什么挖矿越来越难等问题。


需要说明的是,我并非这方面的专家。

虽然很早就关注,但是仔细地了解区块链,还是从今年初开始。

文中的错误和不准确的地方,欢迎大家指正。




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。


640.jpeg


首先,区块链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。

Snip20180108_84.png


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。

Snip20180108_81.png


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。

640-1.jpeg


每个区块包含两个部分:
区块头(Head):记录当前区块的元信息

区块体(Body):实际数据


区块头包含了当前区块的多项元信息:
生成时间

实际数据(即区块体)的 Hash

上一个区块的 Hash



这里,你需要理解什么叫 Hash,这是理解区块链必需的。

640.png


所谓 Hash 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 Hash 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 Hash 一定是不同的

举例来说:
        字符串123的 Hash 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 Hash。


因此,就有两个重要的推论
推论1:每个区块的 Hash 都是不一样的,可以通过 Hash 标识区块。

推论2:如果区块的内容变了,它的 Hash 一定会改变。





四、 Hash 的不可修改性

区块与 Hash 是一一对应的,每个区块的 Hash 都是针对”区块头”(Head)计算的。

  1. Hash = SHA256(区块头)
复制代码


上面就是区块 Hash 的计算公式,Hash 由区块头唯一决定,SHA256是区块链的 Hash 算法。

前面说过,区块头包含很多内容,其中有当前区块体的 Hash(注意是”区块体”的 Hash,而不是整个区块),还有上一个区块的 Hash。

这意味着:
如果当前区块的内容变了,或者上一个区块的 Hash 变了,一定会引起当前区块的 Hash 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 Hash 就变了。

为了让后面的区块还能连到它,该人必须同时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,Hash 的计算很耗时,同时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。

640-2.jpeg


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

Snip20180108_82.png

全球最大比特币矿厂
游客,如果您要查看本帖隐藏内容请回复


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。

Snip20180108_83.png


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。
推荐阅读:一图读懂“比特币” | 【Zhi Shi改变命运,因为让你变Fei】


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 Hash,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 Hash 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 Hash 的机器就叫做矿机,操作矿机的人就叫做矿工。

640-3.jpeg






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 Hash 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 Hash 都可以,只有满足条件的 Hash 才会被区块链接受。

这个条件特别苛刻,使得绝大部分 Hash 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 Hash 的难度。

举例来说:
  1. 第100000个区块的难度系数是 14484.16236122
复制代码


640-1.png


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。

640-2.png


Hash 的有效性跟目标值密切相关,只有小于目标值的 Hash 才是有效的,否则 Hash 无效,必须重算。

由于目标值非常小,Hash 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。

区块头里面还有一个 Nonce 值,记录了 Hash 重算的次数。

第 100000 个区块的 Nonce 值是274148111,即计算了 2.74 亿次,才得到了一个有效的 Hash,该区块才能加入区块链。




七、难度系数的动态调节

就算采矿很难,但也没法保证,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?


640-3.png


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。

640-4.png


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,就是正宗的比特链。





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8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

两个代价:
        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:
1、不存在所有成员都信任的管理当局

2、写入的数据不要求实时使用

3、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。

640-5.png


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。

下一篇文章,我将会介绍比特币的入门知识

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~风介~ + 6 + 6 + 6 支持楼主!

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像番茄加两个蛋 发表于 2018-1-8 14:16:53 | 显示全部楼层
第一次听说区块链,感觉很强大的样子,我以前只知道数据库,然后有管理员会管理数据,然而区块链居然不需要管理员!长见识了!

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好好学习,天天向上  发表于 2018-1-8 14:23

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不二如是 + 5 加油!

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善人和甲鱼 发表于 2018-1-10 17:40:16 From FishC Mobile | 显示全部楼层
谢谢楼主好人一生平安
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六道土豆 发表于 2018-1-10 22:14:57 From FishC Mobile | 显示全部楼层
恍恍惚惚哈哈哈
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zirear 发表于 2018-1-13 11:42:24 | 显示全部楼层
好好学习,天天向上
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SSSRhac 发表于 2018-1-13 12:33:21 | 显示全部楼层
感谢楼主
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jack_9957 发表于 2018-1-13 14:20:24 | 显示全部楼层
看看采矿
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sky 发表于 2018-1-13 18:30:15 | 显示全部楼层
为什么不用这个来存种子
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july233 发表于 2018-1-13 21:29:40 | 显示全部楼层
谢谢科普
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smallhillcen123 发表于 6 天前 From FishC Mobile | 显示全部楼层
好大

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