區(qū)塊鏈大火，讓我等吃瓜群眾猝不及防。雖然網(wǎng)上文章鋪天蓋地，比如“一圖看懂”系列，但仍然雞同鴨講，莫衷一是，并不知其所以然，頂多知道是個(gè)同步賬本。作為一篇學(xué)習(xí)總結(jié)，我希（盡）望（力）本文能作為一篇普及貼，也能讓其他人看懂。所以這里不會深入探討技術(shù)原理，大佬們請繞過。

 

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三大問題與解決方案

比特幣是世界上第一個(gè)通過密碼學(xué)，而非中央銀行發(fā)行的電子加密貨幣。因?yàn)槠浒l(fā)行總量固定，無中央銀行干預(yù)，讓許多”民主人士“認(rèn)為這是極為先進(jìn)的民主思想技術(shù)革命。然而去中心化的系統(tǒng)帶來了一些新問題：

• 沒有政府背書和資產(chǎn)擔(dān)保，貨幣信任、交易真實(shí)性成了問題。

• 每個(gè)人都有權(quán)了解這個(gè)世界在發(fā)生什么，信息一旦變化，所有數(shù)據(jù)庫需要同步更新，平等對稱。

• 沒有集中決策，為了信息對稱，如何達(dá)成共識，變成了難題。

三大問題“交易信任”、“數(shù)據(jù)對稱”、“共識達(dá)成”

解決辦法“非對稱加密”、“P2P網(wǎng)絡(luò)”、“共識機(jī)制”

中本聰用以上三種方法，構(gòu)架出了區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)構(gòu)，讓比特幣的發(fā)行流通構(gòu)想得以實(shí)現(xiàn)。

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什么是比特幣  

比特幣（bitcoin）誕生于2008年的一篇論文《A Peer-to-Peer Electronic Cash System》并規(guī)定了一些基礎(chǔ)協(xié)議：

圖：比特幣協(xié)議特點(diǎn)

• 比特幣總量為2100萬枚

• 平均10分鐘誕生一個(gè)區(qū)塊。

• 被寫入?yún)^(qū)塊的交易按照手續(xù)費(fèi)高低排優(yōu)先級

• 區(qū)塊的大小只有 1MB，一筆交易大概是500字節(jié)左右，因此一個(gè)區(qū)塊最多只能包含2000多筆交易。

• 挖到新區(qū)塊的礦工將獲得獎(jiǎng)勵(lì)，一開始（2008年）是50個(gè)比特幣，然后每4年減半，目前（2018年）是12.5個(gè)比特幣

• 一筆交易確認(rèn)需要等待6個(gè)區(qū)塊

比特幣網(wǎng)絡(luò)每10分鐘，最多只能處理2000多筆交易，換算一下，就是處理速度為3～7筆/秒。

也就是說，比特幣區(qū)塊鏈每秒最多只能處理7筆交易，要是交易數(shù)據(jù)再大點(diǎn)，可能連7筆都達(dá)不到。而支付寶一秒處理12萬筆交易。這本應(yīng)在1秒處理的12萬筆交易，比特幣需要10小時(shí)。

每4年獎(jiǎng)勵(lì)減半，那么到了2140年，礦工將得不到任何獎(jiǎng)勵(lì)，比特幣的數(shù)量也將停止增加。這時(shí)，礦工的收益就完全依靠交易手續(xù)費(fèi)了。

這些數(shù)據(jù)是怎么確定的，眾說紛紜。比如一個(gè)區(qū)塊鏈的大小是1MB，中本聰在設(shè)計(jì)之初也并未預(yù)料到會發(fā)展到今天的規(guī)模，其本身是一個(gè)構(gòu)想的實(shí)驗(yàn)。很多數(shù)據(jù)并未驗(yàn)證，甚至可以說是拍腦袋定的。

 

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 讓交易被信任——非對稱加密 

比特幣的基礎(chǔ)是加密學(xué)，如果不知道一筆錢從哪來，是誰的，誰敢拿它當(dāng)貨幣呢？非對稱加密從技術(shù)上解決了可信性問題。這也是這一類數(shù)字憑證被稱為"加密貨幣"的原因。

所謂非對稱加密，其實(shí)很簡單：加密和解密需要一把公鑰和一把私鑰。

交易的第一件事就是你必須擁有自己的公鑰和私鑰（任何交易所開戶或錢包類網(wǎng)站都會給）。

圖：比特幣交易加密過程通俗版

驗(yàn)證一筆交易是否有效，需要兩步：

1.FROM（誰發(fā)送的，包括兩部分）
Previous tx: 這筆錢的來源賬單的id， 驗(yàn)證資金來源。
scriptSig: 這筆交易的簽名，就是把交易用私鑰做hash

2.TO（誰接受，包括兩部分）
Value: 要發(fā)多少
scriptPubKey: 接收方的公鑰，也就是比特幣地址

對于比特幣，錢不是支付給個(gè)人的，而是支付給某一個(gè)地址，沒有人知道，那些私鑰和地址背后的主人是誰——匿名性。

 

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什么是區(qū)塊鏈  

區(qū)塊鏈（blockchain）是比特幣使用的一種特殊的數(shù)據(jù)庫，是比特幣存在的基礎(chǔ)。任何人都可以架設(shè)服務(wù)器，加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖：區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)示意圖

 

區(qū)塊鏈由一個(gè)個(gè)區(qū)塊（block）組成。區(qū)塊很像數(shù)據(jù)庫的記錄，每次寫入數(shù)據(jù)，就是創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊。每個(gè)區(qū)塊包含兩個(gè)部分，區(qū)塊頭和區(qū)塊體。

區(qū)塊頭（Head）：記錄當(dāng)前區(qū)塊的元信息。其中包含：

•     生成時(shí)間

•     上一個(gè)區(qū)塊的 Hash

•     區(qū)塊體的Hash

區(qū)塊體（Body）：實(shí)際交易數(shù)據(jù)

其中比較重要的概念是“Hash”。所謂 Hash 是對任意內(nèi)容，計(jì)算出一個(gè)長度相同的特征值。而且保證，只要原始內(nèi)容不同，對應(yīng)的 Hash 一定是不同的。比特幣區(qū)塊用的SHA256加密算法。

• 每個(gè)區(qū)塊的 Hash 都是不一樣的，通過 Hash 標(biāo)識區(qū)塊。

• 如果區(qū)塊的內(nèi)容變了，它的 Hash 一定會改變。

圖：區(qū)塊結(jié)構(gòu)示意圖

 

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 如何把交易寫入?yún)^(qū)塊鏈——“挖礦” 

“挖礦”指的是把網(wǎng)絡(luò)上待確認(rèn)的交易寫入新區(qū)塊，并獲得比特幣獎(jiǎng)勵(lì)的過程。

“礦工”是用GPU等硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算的一群人。正是這群人，把交易者的數(shù)據(jù)一筆一筆記入帳中?！巴诘V”的機(jī)器叫“礦機(jī)”；成規(guī)模“挖礦”的場地叫“礦廠”。

回顧挖礦歷史，比特幣挖礦總共經(jīng)歷了以下五個(gè)時(shí)代：CPU（20MHash/s）→GPU（400MHash/s）→FPGA（25GHash/s）→ASIC（3.5THash/s）→大規(guī)模集群挖礦（3.5THash/s*X）。

圖：礦廠

 

“挖礦”道理其實(shí)很簡單，想要挖到新區(qū)塊必算出符合要求的哈希值。你可能會有一個(gè)疑問，計(jì)算一個(gè)哈希值為什么這么難？原來正確的哈希值是有一定要求的：

圖：515798號區(qū)塊信息

 

1.Difficulty

區(qū)塊頭包含一個(gè)難度系數(shù)（difficulty），這個(gè)值決定了計(jì)算 Hash 的難度。舉例來說，第515798個(gè)區(qū)塊的難度系數(shù)是 3462542391191.56，而第100000個(gè)區(qū)塊鏈難度可只有14484.162361。

2.Target

區(qū)塊鏈協(xié)議規(guī)定，使用一個(gè)常量除以難度系數(shù)，可以得到目標(biāo)值（target）。

Target = Targetmax/ Difficulty 顯然，難度系數(shù)越大，目標(biāo)值就越小。

Hash 的有效性跟目標(biāo)值密切相關(guān)，只有小于目標(biāo)值的Hash 才是有效的。這就是采礦如此之慢的根本原因。

3.Nonce

區(qū)塊頭里面還有一個(gè) Nonce 值，記錄了 Hash 重算的次數(shù)。

第 515798 個(gè)區(qū)塊的 Nonce 值是213587466，即計(jì)算了 2.1 億次，才得到了一個(gè)有效的 Hash，該區(qū)塊才能加入?yún)^(qū)塊鏈。

4.難度系數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)

實(shí)際上，新的區(qū)塊有時(shí)候幾分鐘就可能被算出來，有的可能需要幾小時(shí)。為了保證新區(qū)塊在10分鐘左右的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生，并且考慮到硬件設(shè)備的升級，中本聰將Difficulty每2016個(gè)區(qū)塊調(diào)整一次以保證新區(qū)塊平均產(chǎn)生時(shí)間在10分鐘。

 

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挖礦的意外——分叉 

圖：分叉示意圖

 

在挖礦的過程中，如果同時(shí)生成了兩個(gè)新區(qū)快，鏈接著同一個(gè)上級區(qū)塊，便形成了分叉。

如果發(fā)生這種狀況：認(rèn)定率先達(dá)到6個(gè)新區(qū)塊的一條鏈為有效鏈（比特幣交易的六次確認(rèn)）。即需要1小時(shí)左右。

 

一個(gè)很直觀的例子可以說明為何這種經(jīng)濟(jì)博弈模式：

超市付款需要排成一隊(duì)，可能有人不守規(guī)矩要插隊(duì)。超市管理員會檢查隊(duì)伍，認(rèn)為最長的一條隊(duì)伍是合法的，并讓不合法的分叉隊(duì)伍重新排隊(duì)。只要大部分人不傻，就會自覺在最長的隊(duì)伍上排隊(duì)。

 

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 讓信息對稱——P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 

P2P網(wǎng)絡(luò)保證每個(gè)人的信息同步，任何人都可以成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含了整個(gè)區(qū)塊鏈（目前100G），并且節(jié)點(diǎn)之間時(shí)刻不停的同步信息。

當(dāng)你發(fā)生了一筆交易。你所在的節(jié)點(diǎn)就會把這筆交易告訴另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到傳遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)?！暗V工”搜集各種新發(fā)生的交易，將他們寫入?yún)^(qū)塊鏈。一旦寫入成功，此“礦工”所在節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈就成了最新版本，其他節(jié)點(diǎn)會來復(fù)制新增的區(qū)塊，保證全網(wǎng)同步。

圖：P2P節(jié)點(diǎn)分布全球，每個(gè)節(jié)點(diǎn)信息一致

 

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 關(guān)于挖礦方法爭論——共識機(jī)制 

 

“挖礦”這種行為的本質(zhì)是尋求達(dá)到某一共識，再把信息寫入?yún)^(qū)塊的勞動。這種共識決策其實(shí)不只比特幣所使用的一種方法。

目前主流共識機(jī)制目前有：

POW（Proof of Work）、POS （Proof of Stake）、DPOS（Delegated Proof of Stake）

1.POW（Proof of Work）

一句話介紹：干的快，收的越多。

工作量證明協(xié)議。比特幣所用共識機(jī)制。它要求發(fā)起者進(jìn)行一定量的運(yùn)算，也就意味著需要消耗計(jì)算機(jī)一定的時(shí)間。

優(yōu)點(diǎn)：

1)算法簡單，容易實(shí)現(xiàn)；

2)節(jié)點(diǎn)間無需交換額外的信息即可達(dá)成共識；

3)破壞系統(tǒng)需要投入極大的成本；

缺點(diǎn)：

1)浪費(fèi)能源；

2)區(qū)塊的確認(rèn)時(shí)間難以縮短；

3)新的區(qū)塊鏈必須找到一種不同的散列算法，否則就會面臨比特幣的算力攻擊；

4)容易產(chǎn)生分叉，需要等待多個(gè)確認(rèn)；

5)永遠(yuǎn)沒有最終性，需要檢查點(diǎn)機(jī)制來彌補(bǔ)最終性；

2.POS （Proof of Stake）

一句話介紹：持有越多，獲得越多。

權(quán)益證明，最早在 Peercoin 系統(tǒng)中被實(shí)現(xiàn)，類似現(xiàn)實(shí)生活中的股東機(jī)制，擁有股份越多的人越容易獲取記賬權(quán)。在POW中，如果用戶花費(fèi)2000美元購買硬件設(shè)備，當(dāng)然會獲得兩倍算力來挖礦；同樣，在POS機(jī)制中投入兩倍的代幣作為押金，就有兩倍大的機(jī)會獲得產(chǎn)生新區(qū)塊的權(quán)利。

優(yōu)點(diǎn)：

在一定程度上縮短了共識達(dá)成的時(shí)間；

不再需要大量消耗能源挖礦。

缺點(diǎn)：

還是需要挖礦，本質(zhì)上沒有解決商業(yè)應(yīng)用的痛點(diǎn)；

3.DPOS （Delegated Proof of Stake）

一句話介紹： 選出代表，高效運(yùn)算

Dan Larimer發(fā)明的這種新共識算法被稱為股份授權(quán)證明機(jī)制(DPoS)，應(yīng)用于比特股和Steemit社區(qū)。

每個(gè)股東按其持股比例選定代表，每個(gè)股東將選票授予一名代表。獲票數(shù)最多的前100位代表加1位隨機(jī)代表按既定時(shí)間表輪流產(chǎn)生區(qū)塊。每名代表分配到一個(gè)時(shí)間段來生產(chǎn)區(qū)塊。所有的代表將收到等同于一個(gè)平均水平的區(qū)塊所含交易費(fèi)的10%作為報(bào)酬。該模式可以每30秒產(chǎn)生一個(gè)新區(qū)塊，每次單人有序生產(chǎn)區(qū)塊在正常的網(wǎng)絡(luò)條件下區(qū)塊鏈分叉的可能性極其小，即使發(fā)生也可以在幾分鐘內(nèi)得到解決。

優(yōu)點(diǎn)：高效

缺點(diǎn)：整個(gè)共識機(jī)制還是依賴于代幣，很多商業(yè)應(yīng)用是不需要代幣存在的。

 

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 區(qū)塊鏈2.0——以太坊 

為什么會有以太坊呢？它的創(chuàng)始人Vitalik Buterin在《以太坊白皮書》前言部分挑明：因?yàn)楸忍貛艣]有賬戶狀態(tài)的概念；而且POW機(jī)制效能低，浪費(fèi)大量時(shí)間和資源。而以太坊作為區(qū)塊鏈平臺將區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展帶入到 2.0 時(shí)代。

以太坊要實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)內(nèi)置了編程語言（Solidity）的區(qū)塊鏈協(xié)議，那么理論上任何區(qū)塊鏈應(yīng)用都可以用這門語言進(jìn)行定義，運(yùn)行于以太坊的區(qū)塊鏈協(xié)議之上（該協(xié)議的意義與互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的 TCP/IP 協(xié)議相似）。這使得區(qū)塊鏈應(yīng)用開發(fā)者們高效快速地開發(fā)頂層應(yīng)用，變?yōu)榭赡堋?/span>

以太坊涉及的問題非常多，很難一言蔽之。這里只對其地位和意義做簡要了解。如果感興趣可以登陸其官網(wǎng)：https://www.ethereum.org/

 ICO和其他電子加密貨幣 

圖：火幣pro上市幣種

目前交易所上市的電子加密貨幣已經(jīng)不下1000種。那他們是什么？從哪來？什么是山寨幣，分叉幣，ICO？

山寨幣

是我們最初指除比特幣以外的加密貨幣。

分叉幣

是由主鏈分叉出來的新幣，比如比特幣BTC分叉的比特現(xiàn)金B(yǎng)CH。

ICO是Initial Coin Offering的簡稱

所有成功的數(shù)字貨幣以及區(qū)塊鏈項(xiàng)目無一不是社區(qū)項(xiàng)目。常見的ICO里，數(shù)字貨幣和區(qū)塊鏈項(xiàng)目向早期愛好者出售項(xiàng)目代幣。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過ICO獲取技術(shù)開發(fā)和市場拓展資金；而項(xiàng)目愛好者通過ICO支持項(xiàng)目，同時(shí)也可在對應(yīng)代幣進(jìn)入交易市場后選擇交易退出。

可查的首個(gè)ICO來自于Mastercoin項(xiàng)目（現(xiàn)已更名為Omni），其在13年7月時(shí)在Bitcointalk（最大的比特幣和數(shù)字貨幣社區(qū)論壇）上宣布通過比特幣進(jìn)行ICO眾籌，并生成對應(yīng)的Mastercoin代幣并分發(fā)給到眾籌參與者。本質(zhì)上來說這次ICO是一種以物換物的行為，即參與者用比特幣換得Mastercoin項(xiàng)目里的代幣。一開始ICO只是數(shù)字貨幣愛好者的一種社區(qū)行為，隨著數(shù)字貨幣以及區(qū)塊鏈的不斷發(fā)展開始被越來越多人接受并參與。絕大部分ICO都是通過比特幣或其他數(shù)字貨幣進(jìn)行的。

幾個(gè)著名的ICO案例：

- 2013年7月，Mastercoin（現(xiàn)更名為Omni）：可查的最早ICO項(xiàng)目，通過meta-protocol拓展比特幣功能，募集5000 BTC。

- 2013年12月，NXT（未來幣）：首個(gè)完整的PoS區(qū)塊鏈，曾經(jīng)神秘的開發(fā)者，持續(xù)發(fā)展的強(qiáng)大社區(qū)。ICO神話：募集21 BTC（是的你沒看錯(cuò)，21BTC，約等于當(dāng)時(shí)6000美元），市值峰值曾到達(dá)過1億美元。

- 2013年-2014年，Bitshares（比特股）：曾經(jīng)的“數(shù)字資產(chǎn)二代幣三劍客”之一（另外兩個(gè)為NXT和CounterParty），國內(nèi)數(shù)字貨幣界口水之源，毀譽(yù)參半。其社區(qū)培養(yǎng)了國內(nèi)大量早期ICO以及數(shù)字資產(chǎn)愛好者。

- 2014年7月，Ethereum（以太坊）：ICO時(shí)募集3萬余個(gè)比特幣曾創(chuàng)下紀(jì)錄。將智能合約理念推進(jìn)到極致的區(qū)塊鏈項(xiàng)目，讓全世界重新認(rèn)識區(qū)塊鏈公有鏈的項(xiàng)目。近兩年最成功的ICO，也是至今為止除比特幣以外市值最高的數(shù)字貨幣/區(qū)塊鏈項(xiàng)目。近期由于TheDAO事件影響晴雨不定。

- 2015年3月，F(xiàn)actom（公正通）：雙代幣設(shè)計(jì)，首提存在性證明的區(qū)塊鏈商業(yè)化以及由此導(dǎo)出的基金會與公司雙機(jī)構(gòu)設(shè)置。

- 2016年3月，Lisk：以太坊挑戰(zhàn)者，利用側(cè)鏈的Dapp解決方案。

- 2016年5月，TheDAO：等值1.5億美元破世界紀(jì)錄的ICO眾籌，非典型ICO（其本身不是區(qū)塊鏈）。向世界大聲宣告智能合約時(shí)代到來后一個(gè)月即被黑客攻克，在歷史上刻下了深深的雙重驚嘆號 （該項(xiàng)目目前已經(jīng)失?。?。

- 2017年6月， EOS (Enterprise Operation System) ：為商用分布式應(yīng)用設(shè)計(jì)的一款區(qū)塊鏈操作系統(tǒng)。 創(chuàng)始人是比特股創(chuàng)始人、DPOS發(fā)明者Dan Larimer，已經(jīng)創(chuàng)造了一個(gè)新的ICO記錄——5天內(nèi)籌集了1.85億美元。它是以以太坊為募集基礎(chǔ)的代幣。

 

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這是個(gè)平等的世界嗎？

 

細(xì)心的觀眾可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這套民主思想的技術(shù)，似乎并沒有那么公平。如果你有足夠資本建立礦場，將會持有大量的比特幣（尤其前期難度不高）。資本逐漸慢慢聚攏到算力集中的少數(shù)礦場的手里，形成馬太效應(yīng)，去中心化效應(yīng)減弱。比如現(xiàn)在的比特大陸（一度接近51%的算力），郭宏才也是這樣挖礦起家?，F(xiàn)在挖礦已經(jīng)不是小散戶玩的起的游戲了。

擴(kuò)容問題

 

比特幣的區(qū)塊大小為1M，如果比特幣交易越來越多，很多交易就不會在發(fā)生后的第一個(gè)區(qū)塊被打包和確認(rèn)，可能要等好幾個(gè)區(qū)塊，甚至更久。比特幣交易的擁堵導(dǎo)致了轉(zhuǎn)賬速度變慢，手續(xù)費(fèi)也越來越高。

中本聰曾提出了在比特幣容量不夠用的時(shí)候應(yīng)該怎樣進(jìn)行擴(kuò)容。白皮書發(fā)布之后，他自己在社區(qū)留言的第一個(gè)問題，就指出了比特幣未來的擴(kuò)容隱患。

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  THE END  

區(qū)塊鏈技術(shù)性強(qiáng)，技術(shù)分支也越來越多，這里也只聊了九牛一毛。

從業(yè)務(wù)上看，應(yīng)用卻已經(jīng)很多：網(wǎng)易星球、阿里的麻吉寶。然而目前給人的感覺都還是為了做區(qū)塊鏈而區(qū)塊鏈，需求的還沒有真正出現(xiàn)。目前德國、英國、日本等政府認(rèn)可比特幣的價(jià)值，和此前加密貓的誕生，推著幣價(jià)一度走高。不過，區(qū)塊鏈和比特幣到底是鉆石還是郁金香，等待驗(yàn)證還有很多。