漫畫(huà)圖解：什么是區(qū)塊鏈

什么是區(qū)塊鏈？

區(qū)塊鏈，英文 Blockchain，本質(zhì)上是一種去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。任何人只要架設(shè)自己的服務(wù)器，接入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，都可以成為這個(gè)龐大網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

區(qū)塊鏈既然本質(zhì)是數(shù)據(jù)庫(kù)，里面究竟存儲(chǔ)了什么東西呢？讓我們來(lái)了解一下區(qū)塊鏈的基本單元：區(qū)塊（Block）。

一個(gè)區(qū)塊分為兩大部分：

1.區(qū)塊頭 

區(qū)塊頭里面存儲(chǔ)著區(qū)塊的頭信息，包含上一個(gè)區(qū)塊的哈希值（PreHash），本區(qū)塊體的哈希值（Hash），以及時(shí)間戳（TimeStamp）等等。

2.區(qū)塊體

區(qū)塊體存儲(chǔ)著這個(gè)區(qū)塊的詳細(xì)數(shù)據(jù)（Data），這個(gè)數(shù)據(jù)包含若干行記錄，可以是交易信息，也可以是其他某種信息。

剛才提及的哈希值又是什么意思呢？

想必大家都聽(tīng)說(shuō)過(guò)MD5，MD5就是典型的哈希算法，可以把一串任意長(zhǎng)度的明文轉(zhuǎn)化成一串固定長(zhǎng)度（128bit）的字符串，這個(gè)字符串就是哈希值。

而在我們的區(qū)塊鏈中，采用的是一種更為復(fù)雜的哈希算法，叫做SHA256。最新的數(shù)據(jù)信息（比如交易記錄）經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的計(jì)算，最終會(huì)通過(guò)這個(gè)哈希算法轉(zhuǎn)化成了長(zhǎng)度為256bit的哈希值字符串，也就是區(qū)塊頭當(dāng)中的Hash，格式如下：

a8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0

區(qū)塊與Hash是一一對(duì)應(yīng)的，Hash可以當(dāng)做是區(qū)塊的唯一標(biāo)識(shí)。

不同的區(qū)塊之間是如何進(jìn)行關(guān)聯(lián)的呢？依靠Hash和PreHash來(lái)關(guān)聯(lián)。每一個(gè)區(qū)塊的PreHash和前一個(gè)區(qū)塊的Hash值是相等的。

為什么要計(jì)算區(qū)塊的哈希值呢？

既然區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)鏈狀結(jié)構(gòu)，就必然存在鏈條的頭節(jié)點(diǎn)（第一個(gè)區(qū)塊）和尾節(jié)點(diǎn)（最后一個(gè)區(qū)塊）。一旦有人計(jì)算出區(qū)塊鏈最新數(shù)據(jù)信息的哈希值，相當(dāng)于對(duì)最新的交易記錄進(jìn)行打包，新的區(qū)塊會(huì)被創(chuàng)建出來(lái)，銜接在區(qū)塊鏈的末尾。

新區(qū)塊頭的Hash就是剛剛計(jì)算出的哈希值，PreHash等于上一個(gè)區(qū)塊的Hash。區(qū)塊體的Data存儲(chǔ)的是打包前的交易記錄，這部分?jǐn)?shù)據(jù)信息已經(jīng)變得不可修改。

這個(gè)計(jì)算Hash值，創(chuàng)建新區(qū)塊的過(guò)程就叫做挖礦。

用于進(jìn)行海量計(jì)算的服務(wù)器，叫做礦機(jī)。

操作計(jì)算的工作人員，叫做礦工。

計(jì)算哈希值究竟難在哪里？咱們來(lái)做一個(gè)最粗淺的解釋，哈希值計(jì)算的公式如下：

Hash = SHA-256（最后一個(gè)區(qū)塊的Hash + 新區(qū)塊基本信息 + 交易記錄信息 + 隨機(jī)數(shù)）

其中，交易記錄信息也是一串哈希值，它的計(jì)算涉及到一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Merkle Tree。有興趣的小伙伴可以查閱相關(guān)資料，我們暫時(shí)不做展開(kāi)介紹。

這里關(guān)鍵的計(jì)算難點(diǎn)在于隨機(jī)數(shù)的生成。猥瑣的區(qū)塊鏈發(fā)明者為了增大Hash的計(jì)算難度，要求Hash結(jié)果的前72bit必須都是0，這個(gè)幾率實(shí)在是太小太小。

由于（最后一個(gè)區(qū)塊的Hash + 新區(qū)塊基本信息 + 交易記錄信息）是固定的，所以能否獲得符合要求的Hash，完全取決于隨機(jī)數(shù)的值。挖礦者必須經(jīng)過(guò)海量計(jì)算，反復(fù)生成隨機(jī)數(shù)進(jìn)行“撞大運(yùn)”一般的嘗試，才有可能得到正確的Hash，從而挖礦成功。

同時(shí)，區(qū)塊頭內(nèi)還包含著一個(gè)動(dòng)態(tài)的難度系數(shù)，當(dāng)全世界的硬件計(jì)算能力越來(lái)越快的時(shí)候，區(qū)塊鏈的難度系數(shù)也會(huì)水漲船高，使得全網(wǎng)平均每10分鐘才能產(chǎn)生出一個(gè)新區(qū)塊。

小伙伴們明白挖礦有多么難了吧？需要補(bǔ)充的是，不同的區(qū)塊鏈應(yīng)用在細(xì)節(jié)上是不同的，這里所描述的挖礦規(guī)則是以比特幣為例。

區(qū)塊鏈的應(yīng)用

比特幣（BitCoin）的概念最初由中本聰于2008年提出，而后根據(jù)這一思路設(shè)計(jì)發(fā)布了開(kāi)源軟件以及建構(gòu)其上的P2P網(wǎng)絡(luò)。比特幣是一種P2P形式的數(shù)字貨幣。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸意味著一個(gè)去中心化的支付系統(tǒng)。

什么是P2P網(wǎng)絡(luò)呢？

傳統(tǒng)的貨幣都是由中央銀行統(tǒng)一發(fā)行，所有的個(gè)人儲(chǔ)蓄也是由銀行統(tǒng)一管理，這是典型的中心化系統(tǒng)。

而比特幣則是部署在一個(gè)全世界眾多對(duì)等節(jié)點(diǎn)組成的去中心化網(wǎng)絡(luò)之上。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有資格對(duì)這種數(shù)字貨幣進(jìn)行記錄和發(fā)行。

至于比特幣底層的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，正是基于了區(qū)塊鏈技術(shù)。比特幣的每一筆交易，都對(duì)應(yīng)了區(qū)塊體數(shù)據(jù)中的一行，簡(jiǎn)單的示意如下：

交易記錄的每一行都包含時(shí)間戳、交易明細(xì)、數(shù)字簽名。

表格中只是為了方便理解。實(shí)際存儲(chǔ)的交易明細(xì)是匿名的，只會(huì)記錄支付方和收款方的錢包地址。

至于數(shù)字簽名呢，可以理解為每一條單筆交易的防偽標(biāo)識(shí)，由非對(duì)稱加密算法所生成。

接下來(lái)說(shuō)一說(shuō)比特幣礦工的獎(jiǎng)勵(lì)：

比特幣協(xié)議規(guī)定，挖到新區(qū)塊的礦工將獲得獎(jiǎng)勵(lì)，從2008年起是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。流通中新增的比特幣都是這樣誕生的，也難怪大家對(duì)挖掘比特幣的工作如此趨之若鶩！

區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)：

1.去中心化

區(qū)塊鏈不依賴于某個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)由全網(wǎng)所有對(duì)等節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)，都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢驗(yàn)。這樣一來(lái)，除非攻擊者黑掉全網(wǎng)半數(shù)以上的節(jié)點(diǎn)，否則整個(gè)系統(tǒng)是不會(huì)遭到破壞的。

2.信息不可篡改

區(qū)塊內(nèi)的數(shù)據(jù)是無(wú)法被篡改的。一旦數(shù)據(jù)遭到篡改哪怕一丁點(diǎn)，整個(gè)區(qū)塊對(duì)應(yīng)的哈希值就會(huì)隨之改變，不再是一個(gè)有效的哈希值，后面鏈接的區(qū)塊也會(huì)隨之?dāng)嗔选?

區(qū)塊鏈的劣勢(shì)：

1.過(guò)度消耗能源

想要生成一個(gè)新的區(qū)塊，必須要大量服務(wù)器資源進(jìn)行大量無(wú)謂的嘗試性計(jì)算，嚴(yán)重耗費(fèi)電能。

2.信息的網(wǎng)絡(luò)延遲

以比特幣為例，任何一筆交易數(shù)據(jù)都需要同步到其他所有節(jié)點(diǎn)，同步過(guò)程中難免會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的影響，帶來(lái)較長(zhǎng)的耗時(shí)。

幾點(diǎn)補(bǔ)充：

1.本漫畫(huà)部分內(nèi)容參考了阮一峰的博文《區(qū)塊鏈入門教程》，感謝這位大神的科普。

2.由于篇幅有限，關(guān)于Merkle Tree 和 非對(duì)稱加密 的知識(shí)暫時(shí)沒(méi)有展開(kāi)細(xì)講，有興趣的小伙伴們可以查閱資料進(jìn)行更深一步的學(xué)習(xí)。