什么是区块链，如何深入浅出地解释区块链？

什么是区块链，如何深入浅出地解释区块链？

区块链如何运作？

以下文章翻译自《How Does the Blockchain Work?》全文作者Michele D'Aliessi用通俗易懂的语言解释了区块链（Blockchain）的工作原理，是一篇很好的入门文章。

我举个例子，赌明天的天气我赌你50元。 我打赌它会是晴天，你打赌它会下雨。 我们将通过三种方式完成交易：

1 我们彼此信任。 不管结果是晴天还是雨天，输的人必须给赢的人50元钱。 如果我们是朋友，这将是一个很好的交易方式。 然而，即使是朋友，更不用说陌生人了，也可能不计后果地付钱。

2 我们可以订立合同，如果任何一方拒绝付款，赢家可以起诉输家。 但仅仅为了讨回50元钱就花钱和时间上法庭，实在是得不偿失。

3 我们找一个中立的第三方，每人先给她50元，结果公布后，她把所有的钱100元给赢家。 不幸的是，这个第三方可能会卷款潜逃。

我们不能相信陌生人，而且我们发现上法庭的成本很高。 而区块链技术很有意思，因为它帮助我们实现了第三种交易方式，而且安全、快速、廉价。

我们只需要编写几行程序代码，让它在区块链网络（Blockchain Network）上执行，进行交易。

以投注天气为例。 这个程序会保证100元的安全，会自动确认明天的天气情况。 结果公布后，100元将自动汇入获奖者账户。 区块链网络上的交易不可篡改或终止，适用于大额交易，如出售房屋或企业。

比特币是区块链技术最著名的应用。 我们先来解释一下比特币是如何工作的，在解释的过程中一点一点地介绍区块链的概念。

什么是比特币？

比特币是一个单位的电子比特币（BTC），和真正的美元货币一样，它本身没有价值，只有在物品被交易时才会产生价值。

在比特币系统中，有一个账本，它是一个记录所有交易记录的电子文件。 该分类帐未存储在中央机构（例如银行）或数据库中。 它有无数个副本，分布存储在区块链网络上的每台计算机中，每台计算机称为一个“节点”。

如果 David 想用比特币给 Sandra 转账，他发送消息告诉网络：他的账户将减少 5 BTC，然后 Sandra 的账户将增加 5 BTC。 网络中的每个节点都会收到信息，将交易记录在自己的账本中，然后更新账户余额。

话虽如此，分类帐由一组计算机共同维护而不是由类似于银行的中央机构管理这一事实有三个启示：

• 在银行系统中，我们只知道自己的交易记录和账户余额，但在区块链网络中，每个人都可以知道任何人的交易记录。

• 一般来说，您信任您的银行，但比特币是一个在网络上运行的分布式系统。 如果出现任何问题，没有客服人员可以帮助您。

• 区块链不是建立在信任和情感的基础上，其安全性和可靠性是通过特殊的数学函数和程序代码实现的。

我们可以将区块链定义为允许一组互连的计算机安全地维护分类帐的系统。

为了能够在区块链网络上进行交易，您需要一个钱包，它允许您存储和交易您的比特币。 只有您可以使用您的比特币，因此每个钱包都受到特殊加密保护，并使用一对独特的密钥解锁：公钥和私钥。

如果消息是用公钥加密的，只有配对的私钥才能解密和读取消息。 相反，如果您使用私钥加密消息，则只有配对的公钥才能解密。 所以当大卫要转账时，需要用自己的私钥加密转账信息发送到网络，然后各个节点用大卫的公钥解密信息，确认是大卫发送的。

当加密完成后，将生成一个电子签名，供节点用来确认交易信息的来源和真实性。 电子签名的内容是一串文本，由交易信息和私钥组成，不能用于其他交易信息。 如果你改变了交易信息中的任何一个字节，电子签名也会随之改变，所以黑客很难改变你的交易信息或知道交易金额。

钱包的公钥实际上是网络中的一个地址（send to address），所以当你向某人转账比特币时，实际上是将比特币发送到公钥的地址。 而且你必须证明你是私钥的所有者才能进行转移。 请注意，网络中的交易信息已经过加密处理，您无需泄露您的私钥。

每个节点都有一个账本，但是节点怎么知道你的账户余额呢？ 区块链系统并没有记录每个人的账户余额（注：所以账本实际上并不是图1所示），实际上它只是记录了网络上的每一笔交易记录（如下图所示）。 为了了解您的账户余额，您必须分析和验证您钱包曾经发生的所有交易记录。

“账户余额”的计算和验证依赖于以前的交易记录。 例如，为了给John转10个BTC，Mary首先发起了一条交易消息，消息中包含了之前的部分转入交易记录，只要这些记录的转入金额总和大于或等于超过 10 BTC，可以发送消息。 这些包含的交易记录称为输入，每个节点将验证这些输入的金额总和是否等于或大于 10 BTC。 这些计算和验证将由钱包和节点自动完成，用户无需担心。

那么，系统如何信任这些输入呢？

就是确认你的钱包在之前的所有转账交易记录中是否真的有这些输入。 为了简化和加快验证过程，每个节点都会保留一个特殊的数据来达到目的，也因为这个验证过程，钱不可能无缘无故的出来。

持有比特币意味着你还没有进入账本上的交易记录。

在比特币网络上执行交易的程序是开源的，这意味着任何拥有计算机和互联网连接的人都可以进行交易。 但是，程序中的错误可能会导致您的比特币消失。 你是否记得？ 比特币是一个去中心化的网络，没有专门的客服人员帮你找回丢失的钱或钱包密码。 所以如果您想用比特币进行交易，建议使用官方的比特币钱包软件，并妥善保管您的钱包密码或私钥。

好吧，明白了，但是真的安全吗？ 为什么叫区块链？

任何人都可以进入比特币网络，只需要出示他的公钥就可以进行交易。 如果一直使用同一个公钥，所有的交易记录都会指向同一个账户。 比特币网络允许你生成多个钱包，每个钱包都有自己的公钥和私钥。 这样做可以让您使用不同的钱包进行消费。 没有公开的方式可以知道你是多个钱包的所有者，除非你将比特币从每个钱包转移到同一个钱包。

话虽如此，如果在转账后立即取消交易，仍然存在可以被利用的安全漏洞。 交易信息会在网络中的节点之间传递，因此两次交易信息到达同一个节点的时间会不同。 黑客发送交易消息，商户发货后，发送消息取消交易。 在这种情况下，一些节点会先收到第二条消息，并认为第一条消息是非法的。 如何知道交易信息的优先级？ 使用时间戳，但容易伪造。 所以这里有一些欺诈行为。

节点之间会对交易顺序产生分歧，因此区块链系统设计的一套机制可以让所有节点遵循一致的交易顺序。

为了将交易信息有序排列，比特币网络将它们打包成一个称为区块的组，每个区块包含若干交易信息以及与前一个区块的连接。 随着时间的推移，一个区块接一个区块，形成一条时间链，这就是区块链。

在时间序列上，同一个区块中的交易信息被认为是同时发生的，没有被打包进区块的交易信息将被认为是未确认的。 每个节点可以将若干笔交易信息打包成一个区块发送给网络，并推荐为链上最新的候选区块。

由于任何节点都可以发送候选区块，系统如何决定谁是最新的区块上链？

区块链系统使用加密哈希函数来设计一个复杂的数学问题。 只要候选区块有正确答案比特币区块链是什么意思，它就可以成为链上的最新区块。

这个答案由节点计算并一起打包到块中。 答案是一个数字，获得答案的唯一方法是猜测，直到你猜对为止。 普通计算机需要一年的时间才能猜出答案。 所谓团结就是力量。 区块链网络中有很多计算机（节点）。 如果大家一起猜，平均只需要10分钟就可以找到答案。

谁先猜到答案，谁就有权将自己的候选区块先放到链上。

找茬：如果两个节点同时猜出答案，同时将自己的候选区块上链，会发生什么情况？ 每个节点都有区块链的副本。 当该节点得到其他节点抛出的候选区块（有正确答案）时，会将该区块放到复制链上。 同时，系统会要求节点搜索网络。 是否有一条链比它的复制链长，如果有，则丢弃原来的链并使用更长的链。

事实上，节点同时猜出正确​​答案的概率是很低的，所以整个区块链会很快稳定下来，收敛成一条单链。 尽管如此，不一致的尾块仍然存在潜在的安全问题。 如果该区块属于一条较短的链（图 7 中的区块 B），一旦系统决定采用其他较长的链，则区块 B 中的所有交易信息将被设置回未确认状态。

我们来看看Mary是如何利用链尾歧义进行攻击的。 Mary要给John付钱，John要给Mary发货，因为节点总是使用长链来执行上面的交易信息。 这时比特币区块链是什么意思，Mary 伪造了一条更长的链，其中包含取消交易的消息，因此 John 可能会损失金钱和货物。

系统如何防范此类攻击？ 我刚才提到，所有节点将共同努力寻找数学问题的答案，以便将候选块放在链上。 靠电脑猜测是非常困难的。 Mary 必须比网络上的所有节点都更快地找到答案，以便将假的 Candidate 块放在链上。 即使她成功锻造了第一个区块，还会有第二个、第三个区块，每次都要和全网的节点竞争。 如果玛丽使用超快的计算机会怎样？ 因为网络上有大量的节点，Mary 不可能在准确的时间伪造多个区块进行攻击。

如果她控制了网络上一半的节点，她有 50% 的机会成功锻造一个区块，但如果她想连续锻造两个区块，则概率下降到 25%。 她想要锻造的方块越多，玛丽成功的可能性就越低。

比特币区块链系统的交易信息受到数学竞赛的保护：黑客正在与整个网络竞争。

因此，随着时间的推移，交易信息变得越来越安全。 旧块比新块更安全。 平均而言，每 10 分钟就有一个新区块添加到链中。 大约一个小时后，里面的交易信息有很大概率被执行，而且是不可逆的。

为了转出资金，您的钱包必须首先验证资金是否已转入，网络上的所有交易都将经过此验证。 鸡生蛋，蛋生鸡，但比特币最初是从哪里来的呢？

为了平衡因软件错误或钱包密码丢失造成的通缩，系统会对解决数学问题的节点给予一定的奖励。 执行软件以换取奖励的行为称为“挖矿”——就像挖金子一样。

奖励是一种激励，促使人们建立节点并贡献一些计算性能，以帮助整个网络的运行和稳定。

因为一台计算机解决问题需要很长时间（平均一年左右），所以几个节点可以组成一个组，一起解决问题。 这种方法会更快，奖励也会平分。 这样的群体被称为矿池。

有些矿池非常大，可能拥有全网20%以上的算力。 这样可能会有安全问题，就像刚才Mary的例子一样。 但即使矿池获得50%的算力，时间越长，交易信息就越安全。

但部分矿池会限制节点数量，避免计算性能过高，保障网络安全。

并且随着时间的推移，整个网络的计算性能会提高，比如技术革新或者节点数量的增加，区块链网络会重新调整数学题的难度，以便产生新区块的时间将保持在 10 分钟。 这样做有助于网络的稳定性和安全性。

此外，挖矿奖励每四年减半，因此人们对挖矿的兴趣会随着时间的推移而降低。 为了防止节点停止挖矿，系统允许每笔交易信息都附有一点奖励，让节点获得额外的收益。

因为这种机制，如果交易信息有更高的奖励，它就会被更快地执行。 这意味着如果你想让你的交易快速执行，你就必须附加一个相对较高的返佣。 与银行的手续费相比，比特币的交易手续费相对较小，与交易量无关。

现在您对区块链有了基本的了解，让我们快速了解一下它为什么有趣。

使用区块链技术有几个相当重要的好处：

• 您可以完全掌控您的个人财产，任何第三方机构都不会保管或限制您使用。

• 交易成本非常低，使我们能够实施小额支付。

•财产可以在几分钟内转移，交易记录可以在几小时内得到保护。

•任何人都可以随时验证每笔交易记录，区块链透明度高。

• 区块链技术可以用来创建任何去中心化的应用软件，可以快速安全地管理和传输数据。

然而，有一些挑战需要克服：

• 交易记录是匿名的。 一方面保证了用户的隐私，另一方面监管机构无法追踪到非法交易。

• 即使有许多交易平台的兴起，用比特币买东西仍然不容易。

•与其他虚拟货币一样，比特币非常不稳定：在市场上不容易买到，而且需求波动很大。 比特币的价格很容易受到虚拟货币市场突发事件的影响。

•区块链技术仍处于起步阶段，每天都有新的发展，使区块链更加安全稳定。

总的来说，区块链技术在许多行业也具有潜在的革命性意义，例如从广告到能源。 它的主要影响来源于去中心化和隐形信任的概念，很多应用正在开发中。返回搜狐查看更多