最近无论是在技术论坛，还是群分享会，都在热火朝天地聊着区块链，那么今天我就自己的理解和大家分享一下什么是区块链。

不得不聊的比特币

之所以区块链突然火起来，是因为比特币在2017年年底突然暴涨，可以看到图中从11月份开始到12月份的暴涨，加剧了人们对比特币的认识，不过也因为投机的人多了，最近开始跌了。

可以点这里看看它值多少钱。

比特币其实就是一种流通于网络的虚拟货币。区块链是比特币的底层核心技术，因为对比特币关注增加，间接导致人们对区块链技术的兴趣探索。

接下来我们还是先从比特币源头聊起。

从最原始的交易谈起

问：如果两个陌生人要进行远距离交易，要怎么保证信任？

答：通过第三方——比如某宝。

买家转账给第三方，卖家发货，然后第三方付款给卖家。

这种需要第三方参与的交易模式成为“中心化交易模式”。

目前大部分的交易都是中心化模式的，比如银行转账，证券炒股，证明这种模式在现实世界确实是目前最优的解决方案，但是它也有缺点。

中心化交易模式的缺点

1.必须有个可靠的中心——如果中心不可靠，带着钱跑了怎么办？

2.中心要获取不必要的个人信息来构建信任——中心和不认识的甲乙双方也需要构建信任，这个信任就是你的个人信息（身份证，手机号等）。（而且这一过程也是一种资源的浪费）

3.受中心的制约——你给别人转帐，可能因为记帐机构放假而延迟几天到帐，可能因为记帐机构要盈利而付高额手续费，可能因为记帐机构作弊或系统崩溃而受到损失。

那么问题来了——

能否实现在不需要第三方的情况下完成交易呢？

有人就提出了一个新方案，中本聪在2008年11月1日发表了一篇论文《比特币白皮书：一种点对点的电子现金系统》，提出了一种完全通过点对点技术实现的电子现金系统，它使得在线支付能够直接由一方发起并支付给另外一方，中间不需要通过任何的金融机构。

这时候去中心化借贷模型就出现了。举个栗子——

A借了B 100块钱，这个时候，A在人群中大喊“我是A，我借给了B 100块钱！”，B也在人群中大喊“我是B，A借给了我100块钱！”，此时路人甲乙丙丁都听到了这些消息，因此所有人都在心中默默记下了“A借给了B100块钱”。

这个时候一个去中心化的系统就建立起来了，这个系统中不需要银行，也不需要借贷协议和收据，严格来说，甚至不需要人与人长久的信任关系（比如B突然又改口说“我不欠A钱！”，这个时候人民群众就会站出来说“不对，我的小本本上记录了你某天借了A100块钱！”）。

在上述的模型中，所谓的“100块钱”已经不重要了。换句话说，任何东西都可以在这个模型中交换，甚至你可以凭空杜撰一个东西，只要大家承认，你就可以让你杜撰的东西流通。

比如我在人群中高喊一声“我创造了1w个腾讯币！”，我甚至不需要知道腾讯币是什么，也不需要关心世界上是不是真的有腾讯币，只要大家都听到，然后在自己的小本本上记下“A有1w个腾讯币”，于是我就真的有1w个腾讯币了。

从此以后，我便可以声称我给了某人xxx个腾讯币，只要路人甲乙丙丁都收到并且承认了这一信息，那我就算完成了这次交易，哪怕世界上没有腾讯币。

没错，比特币也是这么来的。

甲乙丙丁就是网路上的其他结点地址。

AB君就是两个结点地址，任意两个结点发生交易都会广播给所有结点。

甲乙丙丁：我凭啥给你们记账？？？

你们可能会问：“凭啥你喊一句话我就帮你记？我不要面子的吗”。为了激励大家帮我传话和记账，我决定给第一个听到我喊话并且记录在小本本上的人一些奖励：你就凭空得到了50腾讯币，这个是整个系统对你幸苦记账的报酬，而你记录了这句话之后，要马上告诉其它人你已经记录好了，让别人放弃继续记录这句话，并给你自己的记录编号让别人有据可查，然后你再把我的话加上你的记录编号一起喊出来，供下一个人记账。当这个规则定下以后，这个系统中一定会出现一批人，他们开始竖着耳朵监听周围发出的声音，以抢占第一个记账的权利。

这个就是比特币去中心化的运作机制，当全网任意结点发生交易时，都会有其他结点帮忙记账。

争取第一个记账并获得奖励的行为称为“挖矿”

一般十分钟可以挖出一个区块，这个区块是1M容量大小，用来记着十分钟里的所有交易（如果没记下来的就延后）
最开始挖矿奖励50个
每产生21万个区块（大约每四年）挖矿奖励减半一次
按上述规则计算，币总量不超过2100万个，预计2140年挖完（这也是比特币保值的原因，不会有通货膨胀的问题）
最近一次减半在2016年7月9日，2017年流通的有1600万+
用于挖矿的设备称为“矿机”，运作的人称为“矿工”

谁都可以说“我”有一万个腾讯币咯？

假设过了很长一段时间，我凭空创造的腾讯币已经在这个系统中流通了起来，大家都开始认可了腾讯币。但是这个系统中一共就只有1W个腾讯币，于是有人动了坏心思，他在人群中高呼“我有1W个腾讯币！”怎么办？大家是直接在本本上记下他有1W个腾讯币么，这样不是人人都可以伪造了么？

为了防止这种现象发生，我决定在我创造腾讯币的时候给我喊的那句“我创造了1W个腾讯币”打上标记，比如标记为001），这样以后在每一笔交易的时候，我在高喊“我给了某某1个腾讯币！”的时候，会附加上额外的一句话：“这1个腾讯币的来源是记为001的那条记录，我的这句话标记为002！”。我们再抽象一点，某人喊话的内容的格式就变成了：“这句话编号xxx，上一句话的编号是yyy，我给了某某1个腾讯币！”，这样就解决了伪造的问题。

其实上述模型就变成一个简化的中本聪第一版比特币区块链协议。

比特币的诞生

2009年1月3日，中本聪创造了第一个区块——创世区块，里面有50比特币。并附带了一句话：

“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks”，这一句话是当天泰晤士报的头版文章标题，确认了比特币的诞生时间。

甲乙丙丁：第一个由谁记帐谁说了算？

那你们又要问了，大家都说自己是第一个记账的怎么办？

于是一种新的规则——共识算法产生了。

列举两种方法：

工作量证明：我规定，只有做对一套五年模拟、三年高考试卷的第一名，才有权利记账。

工作量证明机制是算出答案很困难，但是检验答案很容易的一种机制。

比特币使用的是工作量证明，让每个想要挖矿的计算机结点先去做一道有难度的计算题，先算出来的有权利记账。计算难度大概使得需要花费10分钟才能算出来。这就是为什么前面说每10分钟挖出一个区块。

但是工作量证明的毛病是带来不必要的消耗，因为只有一个人是第一名，其他人完成的工作量都是徒劳的。

因此有人提出了权益证明：

权益证明：我规定，持有腾讯币最多且持有天数最多的人，才有权利记账。

这个也有问题，就是强者越强的问题。

工作量证明（Proof-of-Work）

挖矿的人需要求出一个随机值，使得：SHA256( 随机值 + H( 区块头 ) ) < 某目标值

系统每产生 2,016 个区块，会动态调整目标值（难度），使得每产生一个区块需要约十分钟。

难度值公式可以想象成：

新难度值 = 旧难度值 * ( 20160 分钟 / 过去2016个区块花费时长 )

目标值的计算公式可以想象成：

1.目标值 = 最大目标值 / 难度值

2.其中最大目标值为一个恒定值： 0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF

目标值可以想象成： 0x00000000000000000000000000000000000000000000000017268d8a21a

难度的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每2016个区块，所有节点都会按统一的公式自动调整难度，这个公式是由最新2016个区块的花费时长与期望时长（期望时长为20160分钟即两周，是按每10分钟一个区块的产生速率计算出的总时长）比较得出的，根据实际时长与期望时长的比值，进行相应调整（或变难或变易）。也就是说，如果区块产生的速率比10分钟快则增加难度，比10分钟慢则降低难度。

我们也可以简单理解成，比特币工作量证明的过程，就是通过不停的变换区块头（即尝试不同的nouce值）作为输入进行SHA256哈希运算，找出一个特定格式哈希值的过程（即要求有一定数量的前导0）。而要求的前导0的个数越多，代表难度越大。

区块头部结构

区块头里面包含了版本号，父块的哈希值，还有Merkle根，还有时间戳，还有难度值，还有nonce（number once，只有一次的数字，密码学专用名词）……

等等，Merkle根是什么？？

Merkle（默克尔树 or 梅克尔根）

Merkle是一种二叉树，在每个区块中有若干交易，将每个交易做一次Hash0，然后每两个交易的Hash0再合并Hash1，再把两个合并的Hash1再合并Hash2……用上图举例，就是交易1和2各自哈希后再合并哈希变成Hash12，再和Hash34合并哈希变成Hash1234，再和Hash5678合并哈希变成Hash1-8……

特点：

快速比较大量数据：当两个默克尔树根相同时，则意味着所代表的数据必然相同。
快速定位修改：例如上例中，如果 N4 中数据被修改，会影响到 N34，N1234 和 Root。因此，沿着 Root —>N1234 —>N34，可以快速定位到发生改变的 D1；
零知识证明：例如如何证明某个数据（H1-8）中包括给定内容交易6，很简单，构造一个默克尔树，公布 H1-8，H5678，H56，H6，交易6 拥有者可以很容易检测交易6 存在，但不知道其它内容。

算力

我们最开始说了比特币这么值钱，而且谁都可以去挖矿，那我们是不是现在就可以回家挖矿了呢？

理论上是的，实际上，要考虑计算机的算力（计算能力），前面我们也说了挖矿的难度很大……淘宝搜一下挖矿机，你看到的会是这样的。

但是确实有人不干别的，就挖矿，有的公司雇人专门维护这些矿机的正常运行。这些矿机的电力消耗可能就要几十万。

分叉问题

「中国上海浦东新区张衡路」上的节点和「美国纽约曼哈顿第五大道」上的节点异口同声喊出来：“我挖到区块了！里面的交易都是有效的！奖励归我！”。其他节点也几乎同时参与了对这两个区块的校验，结果发现这俩都没毛病。

这已经严重违背了区块链世界里第一大最基本原则——所有节点共同维护同一份数据。所以，为了解决这个问题，区块链世界引入了一条新的规则——

拥有最多区块的支链将被认可，较短的支链将会被直接弃掉。

我们大伙都知道挖矿的过程存在巨大的工作量，并且在计算机的硅基世界里，不可能出现所谓 “同时” 的概念，哪怕纳秒的差别，那也总是会有先后顺序。所以理论上，“分叉”的这种僵局很快会在下一个区块被挖掘出来（以及校验区块）的时候被打破，实在不行下下个，或者下下下个……总之机制可以让整个分叉的区块链世界迅速稳定下来。

另外，同一时间，较短分支上的区块会立即丢弃，而里面的交易也会随之释放出来，被重新标记上“未确认”。

双花问题和51%攻击

从前，有一个很有钱也很聪明的人——X-Man，他说：“

我是X-Man，我很有钱，拥有一个强大算力的计算机群。

我先从某个区块创造了一条独立的含有多个区块的链条，然后里面记录着我转给自己1000个比特币。

这条独立的区块链先不广播给全网。然后我找到张三，给了他1000比特币买他1000万人民币，

当这笔交易被三次确认后（三个区块被挖出），张三给了我1000万。

这个时候我再把我独立的区块链条广播出去，我的链变成了最长链，我和张三的交易就被弃掉了，但是我却拿到了他的1000万。”

这个就是双花问题——即利用系统漏洞来使得货币重复花费。

X-Man的想法确实可行，但是他的计算机群要对抗的是全世界的计算机，除非 X-Man 拥有全网 51% 的算力，否则构想不可能实现。这就是51%攻击，拥有51%算力已经是不太可能的事情了。

但即便 X-Man 真拥有全网 51% 的算力，在真实世界中，用这 51% 算力做其他事（比如挖矿或者其他算力服务）都比攻击比特币系统划算。

说了那么多，区块链到底是什么？

区块链(Blockchain)是一种防篡改、共享的、可追溯的分布式账本数据库技术

防篡改:单点的修改，必须通过其他多个节点共识认可后，才能成功可追溯:区块链账本，只允许写入，不允许删除共享:账本对参与节点透明

为什么叫“区块链”？

比特币网络里，每十分钟诞生一个新的区块，区块里打包了网络里最近十分钟内产生的交易。某一个矿工做Hash运算获得这个区块的记录权，同步到其他矿工节点去。

每个区块都添加在上一个区块的后面，形成一条长链条，所以称为“区块链”。

区块链的技术分类

公有链： 1、无官方组织及管理机构维护 2、所有节点权限一致 3、自由加入和退出

典型应用:比特币、以太坊

（公有链有它的价值，但是太极端了，于是产生了稍微弱中心化一点的联盟链。）

联盟链： 1、由若干机构联合进行发起和维护 2、节点权限通常是混合型 3、通过授权加入和退出

典型应用:腾讯区块链(trustSQL)

区块链应用价值举例——公益寻人

公益寻人平台众多，就鹅厂都不止如下：

存在的问题：

同步不及时重复报案 & 多方撤案解决方案：使用区块链让大家共用一个链条，信息同步快，一方报案，多方广播。

区块链游戏价值举例——以太坊撸猫

最近在币圈，有一款撸猫的游戏在网络也很火（我们之所以没有感觉到是因为这是个土豪的游戏，我们玩不起）。

如何开始玩：玩家用ETH作为“货币”来买卖猫，先去市场上买一只猫。先挑便宜的买，买猫需要手续费（为了防止以太坊区块链拥堵）。

买了两只后：就可以让它俩生小猫。每只猫都有256个属性，控制着毛色、花纹、胡须、牙齿等等，可以理解成256种不同的基因。两只猫繁殖的时候，基因以一定的概率遗传。基因也会突变，如果遇到基因突变，就会生出奇形怪状的小猫。

这些小猫由于基因突变，往往能卖出高价。

每次生完小猫后，父母就会进入Cooldown模式，必须“恢复”一段时间才能继续繁殖小猫。每只猫恢复的时间有长有短，而且越生得多恢复的时间就越长。恢复时间长短也是影响猫价的一个因素。

如果只有一只猫，想跟别人的猫配种，也可以到市场上看看。玩家1可以标一个“配种价”，玩家2如果想配种，需要支付给玩家1这个价格，生下来的猫归玩家2所有。基因优秀的猫可以在配种市场上标个高价。

配种成功后，生育也需要一段时间（几个小时不等）。小猫出生后，就可以在My Kitties页面看到新出生的小猫。

每只猫都有Gen标识，Gen 0表示这是创世猫，Gen 1是第一代，Gen 2是第二代，以此类推。每隔大约15分钟，会产生一只Gen 0的创世猫，并通过合约自动拍卖，拍卖所得进入开发商的钱包。

区块链撸猫和云撸猫有啥区别？

最大的区别是，游戏规则确立后，你的猫永远是你的猫，开发商无权也无法剥夺任何人的猫。而云撸猫是一个中心化的游戏，所有的猫都登记在开发商的数据库中，开发商可以随时篡改、剥夺任何人的猫，开发商也可以任意给自己创建高价猫。想想看，在线游戏中的道具不过就是开发商自己创建并拿来出售的数字资产，没有任何方式可以保证开发商不作弊。

Refrences:

《区块链是什么，如何简单易懂地介绍区块链？》- 知乎

《区块链（Blockchain）和比特币（Bitcoin）是什么关系？》- 知乎

《比特币》-维基百科

《分布式一致性与共识算法》

《揭秘比特币和区块链（一）：什么是区块链？》- InfoQ

《深度解读区块链撸猫》- 廖雪峰

《工作量证明 | Proof Of Work》- 《 Bitcoin Developer Guide》中文版