一、为什么我要开始学 “区块链”？
首先声明，我不炒币，不是韭菜。
其次声明，我也不嘎韭菜。
但我认为 WEB3、“元宇宙” 等去中心化概念的兴起并不是无风之浪，在我们轻率地把它们定义为 “骗韭菜” 之前，不妨先了解一下，它们的原理是什么？是否可以拥有更多的想象力，在很多信息化项目、智慧化项目里发挥作用？
万一，我是说万一，Web3 万一真的是未来呢？
心态要 Open，况且，目前很多远程 Web3 岗位的薪酬也是很诱人的呢……哈哈，扯远了。
在我的2022年终总结里：《2022总结：33岁，不瞎卷了，停下等一等灵魂》，我给自己立下了 “学习 Web3” 的 Flag。
用输出倒逼输入，边学边写。
总之，面对未知，我选择先了解，然后再选择是否批判。
二、什么是 “区块链”？
区块链（
BlockChain）是一种去中心化、分布式数据存储技术，并且具备极强的 防篡改 特性。
关键词：
- 去中心化
- 分布式
- 数据存储技术
- 防篡改
只是用概念上理解: “区块链” 这项技术可以让多台计算机之间共享数据、无需中心服务，并且通过密码学手段让每个终端获取到数据后，想要进行篡改变得非常困难，因此可以保证每个终端同步到的数据是真实可信的。
听起来很神奇，对不对？
别害怕，没有魔法，全是科技和狠活儿，一学就会，一讲就懂。
三、数据结构、安全机制
“区块链” 是怎么做到在分布式存储的同时，还能做到 防篡改 的呢？
这得说到区块链的 三个安全特性:
- 特性一：密码学链表结构。
- 特性二：去中心化存储 and 广播机制。
- 特性三：共识机制 (本文会主要介绍
POW机制)
这三大特性，从根本上保证了区块链可以在多个终端上去中心化地存储，并且做到 防篡改。
让我们一一理解，它是怎么做到防篡改的：
3.1 密码学链表结构
区块链 之所以叫 区块链，而不是叫 分布存储、去中心数据库 等这些名字，是取决于它的 数据结构。
区块链，采用的正是经典的 链表结构：
我们先提出一个极简模式的 区块链 模型，在这个链表结构上，每一个节点被称为 一个区块（Block），它至少具备以下属性：
- 当前节点的顺序：在链中的下标，如：0、1、2、3...
- 当前节点的时间戳：当前节点的创建时间，如：
1672795356300 - 当前节点的数据：一般用于记录业务信息，可以是一个
JSON对象。 - 上一个节点的
Hash值：持有前任的Hash，能够保证整个链条的稳定性。 - 当前节点的
Hash值：用以防止当前节点的关键信息被篡改，通过Hash(顺序 + 时间戳 + 数据 + 前任hash)的方式，计算出当前节点的Hash签名。
代码化一下，一个 极简区块 的数据结构长这样：
{
"index": 10,
"timestamp": 1672797082511,
"data": {
"name": "Lily",
"message": "Nice to meet u :)"
},
"preHash": "a665a45920422f9d417e4867efdc4fb8a04a1f3fff1fa07e998e86f7f7a27ae3"
}
因为本文主要面向前端，因此示例均采用
JavaScript进行撰写。
通过以上信息，我们就可以写一段非常简单的代码，计算出该区块本身的 Hash 值：
// 使用浏览器内置函数计算 Hash （SHA-256）
async function digestMessage(message) {
const msgUint8 = new TextEncoder().encode(message);
const hashBuffer = await crypto.subtle.digest('SHA-256', msgUint8);
const hashArray = Array.from(new Uint8Array(hashBuffer));
const hashHex = hashArray.map((b) => b.toString(16).padStart(2, '0')).join('');
return hashHex;
}
// 序列化区块基本信息为字符串
const getBlockString = (block) => { return `${block.index}-${block.timestamp}-${block.preHash}-${JSON.stringify(block.data)}` }
const block0 = {
"index": 10,
"timestamp": 1672797082511,
"data": {
"name": "Lily",
"message": "Nice to meet u :)"
},
"preHash": "a665a45920422f9d417e4867efdc4fb8a04a1f3fff1fa07e998e86f7f7a27ae3" // 来自前任的hash
}
await digestMessage(getBlockString(block0))
// 输出：2a7074e30087fde57a26972c0fb81d2ac099b64c265d976b9f3b3423b70b2652
因此，该区块的完整信息，就可以加上自身的 Hash 了：
{
"index": 10,
"timestamp": 1672797082511,
"data": {
"name": "Lily",
"message": "Nice to meet u :)"
},
"preHash": "a665a45920422f9d417e4867efdc4fb8a04a1f3fff1fa07e998e86f7f7a27ae3",
"hash": "2a7074e30087fde57a26972c0fb81d2ac099b64c265d976b9f3b3423b70b2652" // 补全了自身的 Hash
}
相比于 普通链表，区块链的链表结构里增加了 Hash 机制，每个节点在生成自身 Hash 时，都必须带上前任的 Hash 值，这样就能保证一个基本效果：
你无法在不篡改后续区块的情况下，去单独篡改中间的某一个区块。
按照上面的算法，假设存在一款 “通过区块链记录聊天记录的APP”，它的链上存在以下三个区块：
[
// ... 省略前面的记录
{
"index": 11,
"timestamp": 1672802121156,
"data": {
"name": "LiLei",
"message": "Hi,where is Lucy?"
},
"preHash": "2a7074e30087fde57a26972c0fb81d2ac099b64c265d976b9f3b3423b70b2652",
"hash": "b1615ad605d2dd5f6298b1ed7ca2871e37ee737e8efe9b5bc16a0bad04d1d518"
},
{
"index": 12,
"timestamp": 1672802337779,
"data": {
"name": "Lily",
"message": "She is at David's Home."
},
"preHash": "b1615ad605d2dd5f6298b1ed7ca2871e37ee737e8efe9b5bc16a0bad04d1d518",
"hash": "b43c8f93d3825788b00057621f1e474d857a75b75e4eb98f7f3519f8a41cd3c3"
},
{
"index": 13,
"timestamp": 1672802921531,
"data": {
"name": "LiLei",
"message": "???!Holy shit!"
},
"preHash": "b43c8f93d3825788b00057621f1e474d857a75b75e4eb98f7f3519f8a41cd3c3",
"hash": "a725251152f6a53791911af78c5bbfb28586bd3d6904fedc31604bf25e8c587e"
}
// ... 省略后面的记录
]
其实这三个区块记录的内容很简单，是一段简单的对话：
LiLei: "Hi,where is Lucy?"
Lily: "She is at David's Home."
LiLei: "???!Holy shit!"
现在，假设你是 Lily，你出于妒忌，诬陷了自己的姐姐 Lucy 正在大卫的家里，事后你很后悔，你想篡改聊天记录，把 "She is at David's Home." 删掉一个单词，变成："She is at Home."。
然后你发现：
除非你把后续所有记录的
Hash进行一次篡改，否则的话，你根本无法只修改其中的一条记录。
因为：每一个节点的变化，都会导致后续节点引用的 preHash 发生变化，从而像多米诺骨牌一样，导致整个大厦坍塌。
现在你明白了，区块链 密码学链表 的数据结构，能保证：
你无法在不修改后续所有区块的情况下，单独篡改其中的某一条区块。
那么问题来了，如果 Lily 特别狠，她不仅篡改了其中一条，又把后续所有的区块的 Hash 都从新算了一遍，又怎么办呢？
那得提到区块链的 去中心化存储 & 广播机制。
3.2 去中心化存储 and 广播机制
如果区块链的数据只被存储在一台计算机上，那它的 防篡改机制 将毫无意义，正如上一节提到的，这唯一持有数据的一台计算机将可以通过篡改后续所有的记录的 hash，从而达到篡改某一条记录的事实。
所以，这款 “通过区块链记录聊天记录的APP” ，为了保证自己的区块记录不被随便篡改，每当有新的区块产生时，它都会进行一次广播，以便通知其他计算机新增区块。
通常情况下，当产生新节点后，无需你向所有节点进行广播，而是通过 P2P 的方式，就近向已经建立连接的若干个节点进行广播即可。
而后续节点会延续这种行为，从而完成所有节点的通知。
细心的人会发现，上图中广播链条中有 校验 二字。
是的，并非所有的广播播都会被认可，它至少应该满足以下几点：
- 当前节点未接收过被广播的新增区块。
- 广播中新增的区块，Hash校验合法。
这样一来，合法的新增区块将被节点群认可，所有的计算机都将进行同步存储。(实际上只要超过一半节点接收，那么该新增区块即算生效)
回到上一节我们提到的问题：
Lily 如果想把某个区块，和其后续区块都篡改掉，那她则需要在篡改完成后，通知其他节点完成更新。这样，她篡改的内容才会获得共识。
假设：一个中立的节点，从 LiLei 那边传来的聊天记录 和 从 Lily 那边传来的聊天，存在非常多的区块 Hash 不一致的情况，那中立节点应该选择采纳谁的版本呢？
目前最通用的方法，是采用 链最长的那个版本。
这就存在问题了。
万一 Lily 篡改某个节点后，不仅重新生成了后续节点的 Hash，还伪造了许多并不存在的聊天记录，这样一来，她所广播的区块链将会是环境中最长的那一个，这样她不就成功完成数据篡改了吗？
所以，就产生了一种机制，能让伪造区块的成本，变得更大，大到 Lily 无法轻易生成足够多的节点来篡改后续记录。
这种机制，就叫 共识机制。
3.3 共识机制
什么是 共识机制？
共识机制 是用以约束新增的区块，只有当它们及它们的 Hash 复合某一特征时，才能被其他节点所接收。
以比特币为例：
“比特币” 采用的是一种名为 “工作证明（
PoW）” 的共识机制，在这种共识机制中，你必须通过在区块中增加一个名为 "nonce" 的随机盐值，把它加入到Hash计算中，值到你计算出的Hash值以 10 个0作为开头，你的这个区块的Hash才被视为有效。
代码举例，假如你有如下区块：
{
"index": 12,
"timestamp": 1672802337779,
"data": {
"name": "Lily",
"message": "She is at David's Home."
},
"preHash": "b1615ad605d2dd5f6298b1ed7ca2871e37ee737e8efe9b5bc16a0bad04d1d518"
}
按我们再第一节中写的 JavaScript 代码为例，你可以很快生成它的 Hash 是 "b43c8f93d3825788b00057621f1e474d857a75b75e4eb98f7f3519f8a41cd3c3"。
这实在太容易了，因此 Lily 可以很轻松地进行篡改和生成。
如果我们提出一个新的规则呢？
新增一个随机数 nonce 属性，区块结构变成了这样：
{
"index": 12,
"timestamp": 1672802337779,
"data": {
"name": "Lily",
"message": "She is at David's Home."
},
"preHash": "b1615ad605d2dd5f6298b1ed7ca2871e37ee737e8efe9b5bc16a0bad04d1d518",
"nonce": 0 // 看这行，它的值是可变的
}
序列化区块为字符串的函数也变成了这样：
// 序列化区块基本信息为字符串
const getBlockString = (block) => { return `${block.index}-${block.timestamp}-${block.preHash}-${JSON.stringify(block.data)}-${block.nonce}` }
// 主要注意新增的 -${block.nonce}
现在，我们出具一个规则：允许你随机生成 nonce 属性的数值，只要最终产生的 Hash 是以两个0 作为开头的，那么我就认为你有效。
让我们试试：
// nonce = 0 时， Hash 为：
'899761b75219e45c1382b5de7f84abd2b107124217ab087ba1b42259d368d031'
// nonce = 1 时，Hash 为：
'3c6dbec4d76883b393f25e2d09c37982c2d1def7ca250bf4ead21b7296d76a90'
// nonce = 2 时，Hash 为：
'2f7750258bb28d437ba840feac72cd4a8f898d95a4559efbe9a306dcdd2b38e5'
// nonce = 3 时，Hash 为：
'cc56cbdc11038635aab1424cf637e6d23e8456474adbc19440b6f26cc02d4aa4'
好家伙，手动计算了四次，我已经烦了，于是，我准备写一个循环代码，来找到能够符合“产出Hash以两个0 作为开头”的 nonce 值。
for(let i = 0; i < 1000; i++) {
const v = await digestMessage(getBlockString({
"index": 12,
"timestamp": 1672802337779,
"data": {
"name": "Lily",
"message": "She is at David's Home."
},
"preHash": "b1615ad605d2dd5f6298b1ed7ca2871e37ee737e8efe9b5bc16a0bad04d1d518",
"nonce": i
}))
if (v.indexOf('00') == 0) {
console.log('i', i)
console.log('hash', v)
break;
}
}
这样，我们就写出了一个 最简单的挖矿程序，瞬间完成了计算：
当
nonce=141时，输出的Hash是005385f8a00527350affff839cc7618126a23130ba624abaf7b78d25103b83cd。符合条件。
当然，我们只要求了以两个 0 开头，因此计算难度并不大，很容易就能找到符合要求的 nonce 值。
但是，如果要求是以 9个0、甚至 10个0 开头呢？
那么找到一个可用的 nonce 将会消耗掉天文数字级别的算力，破 JavaScript 单线程什么D东西，也配算？CPU什么D东西，也配这种计算密集型场景？
于是有了 GPU 和专业的挖矿软件。
说远了，继续说安全性。
上面说到的这种 “特殊要求”，就是目前比特币采用的 POW 共识机制。
目前市面上除了
POW共识机制外，还有各种各样的共识机制，比如 “以太坊” 采用的POS等。后面会简单介绍。
假设，现在 Lily 使用的这款软件，采用了 “POW” 机制，要求新区块的 Hash 必须以 6个0 作为开头，那么每个区块的生成，都必须经历漫长的计算。
Lily 如果想把某个节点的内容篡改，并把后续所有节点的 Hash 值都重新生成一遍，那等待她的可能就是大量的耗电、以及长时间的计算。
这可能很难，但如果 Lily 拥有一台算力不俗的超级计算机，并且她拥有一大笔资金呢？她依然具备完全修改后续所有区块 Hash，并且制造大量虚假区块，让自己持有的链长度最长的能力。
为了解决这种担忧，于是有了压死 Lily 的最后一根稻草：
区块奖励。
3.4 POW的区块奖励
虽然计算 “POW” 共识机制消耗很大，但如果能力和收益足够大时，一定还是会有人尝试去进行篡改。
因此，“共识机制” 通常还会伴随着一种让篡改者 “能力不足” 的机制。
在比特币的 POW 机制中，这种机制叫 “区块奖励”。
简单来说，它鼓励大家去计算出新的可用区块，谁率先找到符合条件的 nonce 和 Hash，谁就能获得一定份额比特币的收益。
因此，全世界的 (海盗) 矿工们趋之若鹜，开始了 “大挖矿时代”。
可怕到难以想象的算力被投入到 “新区块” 的计算中，
这就直接导致了，无论篡改者抱着怎样的目的，只要他手中的算力无法超过全球所有算力的 50%，那么他伪造新区块的速度，就一定无法成为 最长链。
因此，在以上四种机制的共同作用下，Lily 试图篡改一条聊天记录的尝试变得渺茫，她看了看自己的能力，只能确认：
这种方法确实足够安全。
让我们捋一下，它是如何一步步组织恶意用户企图篡改某个区块内容的：
当然，作为一款聊天软件，存储数据居然要耗费这么多电量是否合理还需要商榷，但本文的主题还是想要介绍 为啥区块链这么安全 的原理。
3.5 其他主流 共识机制
虽然 POW 因为比特币而名噪天下，但它也有非常多的内容被人所诟病。
比如：
- 它耗费巨大能源
- 区块的产生受限于算力，基本是每10分钟产生一个新区块，这会直接影响交易的确认。
- 专业大矿场和去中心化初衷相悖而行
因此，在很多时候，POW 并不是最优选择，还有很多主流的 共识机制 可以进行学习。
比如：
POS：Proof of Stake 股权证明，根据每个节点持有的代币数量来决定其被选中的概率，选中者获得记账权。
DPOS：Delegated Proof of Stake 委托股权证明，根据投票选出代理人，从获票最多的代理人中选中N人，然后在这N人中随机选中一人获得记账权。
等等...
每一类 共识机制 都有自己的优点和缺点，都多多少少存在安全上的隐患，但它们确实可以在某些场景下顺畅运行，满足区块链 安全地分布式存储 的诉求。
在学习区块链相关知识时，共识机制 是难点，也是充满魅力的所在，其中关于人性、关于博弈论的应用，让人惊叹。
四、小结
到此为止，我和大家一起完成了了解 Web3 世界的第一步：
认识区块链。
虽然没办法去进行相关开发，但也已经粗略知道了区块链的一些基本概念。
- 什么是区块链？
- 什么是区块？
- 为什么它采用密码学链表结构？
- 为什么它需要分布式存储？
- 为什么它需要共识机制？
POW如何运作？- 比特币挖矿的本质是什么？
这些知识，对于后续我们学习撰写智能合约、学习理解交易都有所帮助。
这就是我学习 Web3 的第一课，如果你觉得对你有帮助，不妨关注我的专栏：
