区块链

区块链(1.0)是一个基于密码学安全的分布式账本，是一个方便验证，不可篡改的账本。
通常认为与智能合约相结合的区块链为区块链2.0, 如以太坊是典型的区块链2.0
很多人只了解过比特币，不知道区块链，比特币实际是一个使用了区块链技术的应用。

而区块链是采用哈希函数进行运算的，所以我们要了解一下哈希函数

哈希函数

哈希函数：Hash(原始信息) = 摘要信息
原始信息可以是任意的信息, hash之后会得到一个简短的摘要信息

哈希函数有几个特点:

• 同样的原始信息用同一个哈希函数总能得到相同的摘要信息

• 原始信息任何微小的变化都会哈希出面目全非的摘要信息

• 从摘要信息无法逆向推算出原始信息

举例说明：
Hash(张三借给李四100万，利息1%，1年后还本息 …..) = AC4635D34DEF
账本上记录了AC4635D34DEF这样一条记录。

可以看出哈希函数有4个作用：

• 简化信息
  很好理解，哈希后的信息变短了。

• 标识信息
  可以使用AC4635D34DEF来标识原始信息，摘要信息也称为原始信息的id。

• 隐匿信息
  账本是AC4635D34DEF这样一条记录，原始信息被隐匿。

• 验证信息
  假如李四在还款时欺骗说，张三只借给李四10万，双方可以用AC4635D34DEF来验证原始信息

哈希函数的这4个作用在区块链技术里有广泛的运用。

区块链记账方法

假设有一个账页序号为0的账页交易记录如下:

记账时间为：2017-10-22 10:22:02

区块链在记账是会把账页信息（包含序号、记账时间、交易记录）作为原始信息进行Hash, 得到一个Hash值，如：787635ACD, 用函数表示为：

1

Hash(序号0、记账时间、交易记录) = 787635ACD

账页信息和Hash值组合在一起就构成了第一个区块。

比特币系统里约10分钟记一次账，即每个区块生成时间大概间隔10分钟

在记第2个账页的时候，会把上一个块的Hash值和当前的账页信息一起作为原始信息进行Hash,即：

1

Hash(上一个Hash值、序号1、记账时间、交易记录) = 456635BCD

这样第2个区块不仅包含了本账页信息，还间接的包含了第一个区块的信息。依次按照此方法继续记账，则最新的区块总是间接包含了所有之前的账页信息。

所有这些区块组合起来就形成了区块链，这样的区块链就构成了一个便于验证（只要验证最后一个区块的Hash值就相当于验证了整个账本），不可更改（任何一个交易信息的更改，会让所有之后的区块的Hash值发生变化，这样在验证时就无法通过）的总账本。

比特币之工作量证明

我们知道所有的计算和存贮是需要消耗计算机资源的，既然要付出成本，那节点为什么还要参与记账呢？在中本聪（比特币之父）的设计里，完成记账的节点可以获得系统给与的一定数量的比特币奖励，这个奖励的过程也就是比特币的发行过程，因此大家形象的把记账称为“挖矿”。

记账工作

由于记账是有奖励的，每次记账都可以给自己凭空增加一定数量的个比特币（当前是12.5比特币，博文写作时每个比特币是4万人民币以上，大家可以算算多少钱），因此就出现大家争相记账，大家一起记账就会引起问题：出现记账不一致的问题，比特币系统引入工作量证明来解决这个问题，规则如下：

• 一段时间内（10分钟左右，具体时间会与密码学难题难度相互影响）只有一人可以记账成功

• 通过解决密码学难题（即工作量证明）竞争获得唯一记账权

• 其他节点复制记账结果

不过在进行工作量证明之前，记账节点会做进行如下准备工作：

• 收集广播中还没有被记录账本的原始交易信息

• 检查每个交易信息中付款地址有没有足够的余额

• 验证交易是否有正确的签名

• 把验证通过的交易信息进行打包记录

• 添加一个奖励交易：给自己的地址增加12.5比特币

如果节点争夺记账权成功的话，就可以得到12.5比特币的奖励。

工作量证明

每次记账的时候会把上一个块的Hash值和当前的账页信息一起作为原始信息进行Hash。
如果仅仅是这样，显然每个人都可以很轻松的完成记账。
为了保证10分钟左右只有一个人可以记账，就必须要提高记账的难度，使得Hash的结果必须以若干个0开头。同时为了满足这个条件，在进行Hash时引入一个随机数变量。

用伪代码表示一下：

1
2

# 没有难度时为：Hash(上一个Hash值，交易记录集) = 456635BCD
Hash(上一个Hash值，交易记录集，随机数) = 0000aFD635BCD

我们知道改变Hash的原始信息的任何一部分，Hash值也会随之不断的变化，因此在运算Hash时，不断的改变随机数的值，总可以找的一个随机数使的Hash的结果以若干个0开头（下文把这个过程称为猜谜），率先找到随机数的节点就获得此次记账的唯一记账权。

计算量分析

Hash值是由数字和大小写字母构成的字符串，每一位有62种可能性（可能为26个大写字母、26个小写字母，10个数字中任一个），假设任何一个字符出现的概率是均等的，那么第一位为0的概率是1/62（其他位出现什么字符先不管），理论上需要尝试62次Hash运算才会出现一次第一位为0的情况，如果前两2位为0，就得尝试62的平方次Hash运算，以n个0开头就需要尝试62的n次方次运算。我们结合当前实际区块#493050信息来看看：

注：数据来源于https://blockchain.info

我们可以看到Hash值以18个0开头，理论上需要尝试62的18次方次，这个数是非常非常巨大的，我已经算不清楚了，应该是亿亿级别以上了。如此大的计算量需要投入大量的计算设备、电力等，

目前应该没有单矿工独立参与挖矿了，基本都是由矿工联合起来组成矿池进行挖矿（矿池里的矿工按算力百分比来分收益）。

从经济的角度讲，只有挖矿还有收益（比特币价格不断上涨也让收益变大），就会有新的矿工加入，从而加剧竞争，提高算力难度，挖矿就需要耗费更多的运算和电力，相互作用引起最终成本会接近收益。

题外话：国内由于电力成本较低，相对收益更高，中国的算力占整个网络的一半以上。

验证

在节点成功找到满足的Hash值之后，会马上对全网进行广播打包区块，网络的节点收到广播打包区块，会立刻对其进行验证。

如果验证通过，则表明已经有节点成功解迷，自己就不再竞争当前区块打包，而是选择接受这个区块，记录到自己的账本中，然后进行下一个区块的竞争猜谜。
网络中只有最快解谜的区块，才会添加的账本中，其他的节点进行复制，这样就保证了整个账本的唯一性。

假如节点有任何的作弊行为，都会导致网络的节点验证不通过，直接丢弃其打包的区块，这个区块就无法记录到总账本中，作弊的节点耗费的成本就白费了，因此在巨大的挖矿成本下，也使得矿工自觉自愿的遵守比特币系统的共识协议，也就确保了整个系统的安全。

说明

矿工的收益其实不仅仅包含新发行的12.5比特币奖励，同时还有交易费收益（本文忽略一些细节是为了让主干更清晰）。

有兴趣的同学可以看看图中区块都包含了那些信息，红箭头标示出的是本文涉及的信息。

本文中有提到共识协议，比特币共识协议主要是由工作量证明和最长链机制 两部分组成

最长链的选择

比特币没有中心机构，几乎所有的完整节点都有一份公共总帐本，那么大家如何达成共识：确认哪一份才是公认权威的总账本呢？

为什么要遵守协议

这其实是一个经济问题，在经济活动中的每个人都是自私自利的，追求的是利益的最大化，一个节点工作量只有在其他的节点认同其是有效的（打包的新区块，其他的节点只有验证通过才会加入到区块链中，并在网络上传播），才能够过得收益，
而只有遵守规则才会得到其他的节点认同。
因此，基于逐利，节点就会自发的遵守协议。共识就是数以万计的独立节点遵守了简单的规则（通过异步交互）自发形成的。

共识：共同遵守的协议规范

去中心化共识

我们了解通过工作量证明来竞争记账，权威的总帐本是怎么达到共识的，没有完全说清楚，今天补上，
实际上，比特币的共识由所有节点的4个独立过程相互作用而产生：

1. 每个节点（挖矿节点）依据标准对每个交易进行独立验证

2. 挖矿节点通过完成工作量证明，将交易记录独立打包进新区块

3. 每个节点独立的对新区块进行校验并组装进区块链

4. 每个节点对区块链进行独立选择，在工作量证明机制下选择累计工作量最大的区块链

共识最终目的是保证比特币不停的在工作量最大的区块链上运转，工作量最大的区块链就是权威的公共总帐本。

最长链的选择

先来一个定义，把累计了最多难度的区块链。在一般情况下，也是包含最多区块的那个链称为主链
每一个（挖矿）节点总是选择并尝试延长主链。

分叉

当有两名矿工在几乎在相同的时间内，各自都算得了工作量证明解，便立即传播自己的“获胜”区块到网络中，先是传播给邻近的节点而后传播到整个网络。每个收到有效区块的节点都会将其并入并延长区块链。
当这个两个区块传播时，一些节点首先收到#3458A, 一些节点首先收到#3458B，这两个候选区块（通常这两个候选区块会包含几乎相同的交易）都是主链的延伸，分叉就会产生，这时分叉出有竞争关系的两条链，如图：

两个块都收到的节点，会把其中有更多工作量的一条会继续作为主链，另一条作为备用链保存（保存是因为备用链将来可能会超过主链难度称为新主链）。

分叉解决

收到#3458A的（挖矿）节点，会立刻以这个区块为父区块来产生新的候选区块，并尝试寻找这个候选区块的工作量证明解。同样地，接受#3458B区块的节点会以这个区块为链的顶点开始生成新块，延长这个链（下面称为B链）。
这时总会有一方抢先发现工作量证明解并将其传播出去，假设以#3458B为父区块的工作量证明首先解出，如图：

当原本以#3458A为父区块求解的节点在收到#3458B,#3459B之后，会立刻将B链作为主链（因为#3458A为顶点的链已经不是最长链了）继续挖矿。

节点也有可能先收到#3459B，再收到#3458B，收到#3459B时，会被认为是“孤块“（因为还找不到#3459B的父块#3458B）保存在孤块池中，一旦收到父块#3458B时，节点就会将孤块从孤块池中取出，并且连接到它的父区块，让它作为区块链的一部分。

比特币将区块间隔设计为10分钟，是在更快速的交易确认和更低的分叉概率间作出的妥协。更短的区块产生间隔会让交易确认更快地完成，也会导致更加频繁地区块链分叉。与之相对地，长的间隔会减少分叉数量，却会导致更长的确认时间。

注：本文整理自： https://learnblockchain.cn/2017/11/04/bitcoin-pow/