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比特幣是世界上第一個通過密碼學，而非中央銀行發(fā)行的電子加密貨幣。而區(qū)塊鏈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。任何人都可以架設服務器，加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡，成為一個節(jié)點。本文主要作為一篇普及貼，簡單的來探討一下技術原理。

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，頂多知道是個同步賬本。

作為一篇學習總結(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原理，大佬們請繞過。

比特幣是世界上第一個通過密碼學，而非中央銀行發(fā)行的電子加密貨幣。因為其發(fā)行總量固定，無中央銀行干預，讓許多”民主人士“認為這是極為先進的民主思想技術革命。

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)擔保，貨幣信任、交易真實性成了問題。
• 每個人都有權了解這個世界在發(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”、“共識達成”。

解決辦法“非對稱加密”、“P2P網(wǎng)絡”、“共識機制”。

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

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)定了一些基礎協(xié)議：

圖：比特幣協(xié)議特點

• 比特幣總量為2100萬枚；
• 平均10分鐘誕生一個區(qū)塊；
• 被寫入?yún)^(qū)塊的交易按照手續(xù)費高低排優(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)塊的礦工將獲得獎勵，一開始（2008年）是50個比特幣，然后每4年減半，目前（2018年）是12.5個比特幣；
• 一筆交易確認需要等待6個區(qū)塊。

比特幣網(wǎng)絡每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，可能連7筆都達不到。而支付寶一秒處理12萬筆交易，這本應在1秒處理的12萬筆交易，比特幣需要10小時。

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

這些數(shù)據(jù)是怎么確定的，眾說紛紜。比如：一個區(qū)塊鏈的大小是1MB，中本聰在設計之初也并未預料到會發(fā)展到今天的規(guī)模，其本身是一個構(gòu)想的實驗。很多數(shù)據(jù)并未驗證，甚至可以說是拍腦袋定的。

?1. 讓交易被信任——非對稱加密

比特幣的基礎是加密學，如果不知道一筆錢從哪來，是誰的，誰敢拿它當貨幣呢？非對稱加密從技術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）。

驗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）：

1. Previous tx：這筆錢的來源賬單的id， 驗證資金來源；
2. 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）：

1. Value：要發(fā)多少；
2. scriptPubKey：支付方的公鑰，也就是比特幣地址。

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

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。任何人都可以架設服務器，加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡，成為一個節(jié)點。

圖：區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)示意圖

區(qū)塊鏈由一個個區(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)建一個區(qū)塊。每個區(qū)塊包含兩個部分：區(qū)塊頭和區(qū)塊體。

區(qū)塊頭（Head）：記錄當前區(qū)塊的元信息

其中包含：

1. 生成時間；
2. 上一個區(qū)塊的 Hash；
3. 區(qū)塊體的Hash。

區(qū)塊體（Body）：實際交易數(shù)據(jù)

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

1. 每個區(qū)塊的 Hash 都是不一樣的，通過 Hash 標識區(qū)塊。
2. 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

?1. 如何把交易寫入?yún)^(qū)塊鏈——“挖礦”？

“挖礦”指的是：把網(wǎng)絡上待確認的交易寫入新區(qū)塊，并獲得比特幣獎勵的過程。

“礦工”是用GPU等硬件設備進行數(shù)據(jù)計算的一群人，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”的機器叫“礦機”；成規(guī)?！巴诘V”的場地叫“礦廠”。

回顧挖礦歷史，比特幣挖礦總共經(jīng)歷了以下五個時代：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。你可能會有一個疑問，計算一個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)塊頭包含一個難度系數(shù)（difficulty），這個值決定了計算 Hash 的難度。舉例來說：第515798個區(qū)塊的難度系數(shù)是 3462542391191.56，而第100000個區(qū)塊鏈難度可只有14484.162361。

（2）Target

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

Target = Targetmax/ Difficulty?

顯然，難度系數(shù)越大，目標值就越小。

Hash 的有效性跟目標值密切相關，只有小于目標值的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 Nonce 值，記錄了 Hash 重算的次數(shù)。

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

（5）難度系數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)

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

2. 挖礦的意外——分叉?

圖：分叉示意圖

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

如果發(fā)生這種狀況：認定率先達到6個新區(qū)塊的一條鏈為有效鏈（比特幣交易的六次確認），即需要1小時左右。

一個很直觀的例子可以說明為何這種經(jīng)濟博弈模式：

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

?3. 讓信息對稱——P2P網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)?

P2P網(wǎng)絡保證每個人的信息同步，任何人都可以成為一個節(jié)點。每個節(jié)點都包含了整個區(qū)塊鏈（目前100G），并且節(jié)點之間時刻不停的同步信息。

當你發(fā)生了一筆交易，你所在的節(jié)點就會把這筆交易告訴另一個節(jié)點，直到傳遍整個網(wǎng)絡?！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)點的區(qū)塊鏈就成了最新版本，其他節(jié)點會來復制新增的區(qū)塊，保證全網(wǎng)同步。

圖：P2P節(jié)點分布全球，每個節(jié)點信息一致

?4. 關于挖礦方法爭論——共識機制?

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

目前主流共識機制目前有：

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。比特幣所用共識機制。它要求發(fā)起者進行一定量的運算，也就意味著需要消耗計算機一定的時間。

優(yōu)點：

1. 算法簡單，容易實現(xiàn)；
2. 節(jié)點間無需交換額外的信息即可達成共識；
3. 破壞系統(tǒng)需要投入極大的成本。

缺點：

1. 浪費能源；
2. 區(qū)塊的確認時間難以縮短；
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，需要等待多個確認；
5. 永遠沒有最終性，需要檢查點機制來彌補最終性。

（2）POS （Proof of Stake）

一句話介紹：持有越多，獲得越多。

權益證明：最早在?Peercoin?系統(tǒng)中被實現(xiàn)，類似現(xiàn)實生活中的股東機制，擁有股份越多的人越容易獲取記賬權。在POW中，如果用戶花費2000美元購買硬件設備，當然會獲得兩倍算力來挖礦；同樣，在POS機制中投入兩倍的代幣作為押金，就有兩倍大的機會獲得產(chǎn)生新區(qū)塊的權利。

優(yōu)點：

1. 在一定程度上縮短了共識達成的時間；
2. 不再需要大量消耗能源挖礦。

缺點：

還是需要挖礦，本質(zhì)上沒有解決商業(yè)應用的痛點。

（3）DPOS （Delegated Proof of Stake）

一句話介紹： 選出代表，高效運算。

Dan Larimer發(fā)明的這種新共識算法，被稱為股份授權證明機制(DPoS)，應用于比特股和Steemit社區(qū)。

每個股東按其持股比例選定代表，每個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位隨機代表，按既定時間表輪流產(chǎn)生區(qū)塊，每名代表分配到一個時間段來生產(chǎn)區(qū)塊，所有的代表將收到等同于一個平均水平的區(qū)塊所含交易費的10%作為報酬。

該模式可以每30秒產(chǎn)生一個新區(qū)塊，每次單人有序生產(chǎn)區(qū)塊在正常的網(wǎng)絡條件下區(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：高效。

缺點：整個共識機制還是依賴于代幣，很多商業(yè)應用是不需要代幣存在的。

5. 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：因為比特幣沒有賬戶狀態(tài)的概念，而且POW機制效能低，浪費大量時間和資源。而以太坊作為區(qū)塊鏈平臺，將區(qū)塊鏈技術的發(fā)展帶入到 2.0 時代。

以太坊要實現(xiàn)的是——一個內(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)塊鏈應用都可以用這門語言進行定義，運行于以太坊的區(qū)塊鏈協(xié)議之上（該協(xié)議的意義與互聯(lián)網(wǎng)時代的 TCP/IP 協(xié)議相似）。這使得區(qū)塊鏈應用開發(fā)者們高效快速地開發(fā)頂層應用，變?yōu)榭赡堋?/p>

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)塊鏈項目無一不是社區(qū)項目。常見的ICO里，數(shù)字貨幣和區(qū)塊鏈項目向早期愛好者出售項目代幣，項目團隊通過ICO獲取技術開發(fā)和市場拓展資金，而項目愛好者通過ICO支持項目，同時也可在對應代幣進入交易市場后選擇交易退出。

可查的首個ICO來自于Mastercoin項目（現(xiàn)已更名為Omni），其在13年7月時在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行ICO眾籌，并生成對應的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)字貨幣進行的。

幾個著名的ICO案例：

• 2013年7月，Mastercoin（現(xiàn)更名為Omni）：可查的最早ICO項目，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)展的強大社區(qū)。ICO神話：募集21 BTC（是的你沒看錯，21BTC，約等于當時6000美元），市值峰值曾到達過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（另外兩個為NXT和CounterParty），國內(nèi)數(shù)字貨幣界口水之源，毀譽參半，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時募集3萬余個比特幣曾創(chuàng)下紀錄。將智能合約理念推進到極致的區(qū)塊鏈項目，讓全世界重新認識區(qū)塊鏈公有鏈的項目。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）：雙代幣設計，首提存在性證明的區(qū)塊鏈商業(yè)化以及由此導出的基金會與公司雙機構(gòu)設置。
• 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代到來后一個月即被黑客攻克，在歷史上刻下了深深的雙重驚嘆號?（該項目目前已經(jīng)失?。?。
• 2017年6月， EOS (Enterprise Operation System) ：為商用分布式應用設計的一款區(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的代幣。

這是個平等的世界嗎？

細心的觀眾可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這套民主思想的技術，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，去中心化效應減弱。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，現(xiàn)在挖礦已經(jīng)不是小散戶玩的起的游戲了。

擴容問題

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)生后的第一個區(qū)塊被打包和確認，可能要等好幾個區(qū)塊，甚至更久。比特幣交易的擁堵導致了轉(zhuǎn)賬速度變慢，手續(xù)費也越來越高。

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

THE END

區(qū)塊鏈技術性強，技術分支也越來越多，這里也只聊了九牛一毛。

從業(yè)務上看，應用卻已經(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、日本等政府認可比特幣的價值，和此前加密貓的誕生，推著幣價一度走高。不過，區(qū)塊鏈和比特幣到底是鉆石還是郁金香，等待驗證還有很多。

參考文章：

《區(qū)塊鏈入門》

《比特幣入門》

《比特幣分叉是怎么回事？》

《什么是ICO眾籌？》

《如何理解拜占庭將軍問題？》

《區(qū)塊鏈共識機制有哪些？》

作者：owenii ，公眾號 Hao設計（ID:HaoDesign_）歡迎添加微信：owenii 一起探討交流，「一個設計師的胡思亂想」。

本文由 @owenii 原創(chuàng)發(fā)布于人人都是產(chǎn)品經(jīng)理。未經(jīng)許可，禁止轉(zhuǎn)載

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