你了解比特币和区块链的一切吗？

比特币是世界上第一个通过密码学而非中央银行发行的电子加密货币。 区块链是比特币使用的特殊数据库，是比特币存在的基础。 任何人都可以架设服务器，加入区块链网络，成为节点。 本文主要作为科普帖，简单讨论一下技术原理。

区块链大火让我措手不及。 虽然网上的文章很多，比如《一张图看懂》系列，但还是议论纷纷，怎么办也意见不一。 他们不知道为什么。

作为学习总结，希望（尽我所能）这篇文章能成为一个热门帖子，也能被其他人看懂。 所以这里不深入讨论技术原理，请绕道。

比特币是世界上第一个通过密码学而非中央银行发行的电子加密货币。 由于发行总量固定，没有央行干预，很多“民主人士”认为这是一场极其先进的民主思想技术革命。

然而，去中心化系统带来了一些新的问题：

三大问题是“交易信任”、“数据对称”、“共识”。

解决方案是“非对称加密”、“P2P网络”、“共识机制”。

中本聪通过以上三种方式构建了区块链技术架构，从而实现了比特币发行流通的理念。

什么是比特币？

比特币（bitcoin）诞生于2008年的一篇论文《A Peer-to-Peer Electronic Cash System》，并规定了一些基本协议：

图：比特币协议特点

比特币网络每 10 分钟只能处理 2000 多笔交易。 在转换中，处理速度为每秒 3 到 7 个事务。

也就是说，比特币区块链每秒最多只能处理 7 笔交易。 如果交易数据更大，可能连7笔交易都达不到。 支付宝每秒处理 12 万笔交易，本应在 1 秒内处理完，而比特币需要 10 个小时。

奖励每 4 年减半，因此到 2140 年，矿工将不会获得任何奖励，比特币的数量将停止增加。 此时，矿工的收入完全取决于交易手续费。

对于这些数据是如何确定的，众说纷纭。 举个例子：一条区块链的大小是1MB，中本聪在设计之初并没有想到会发展到今天的规模，这本身就是一个构思的实验。 很多数据都没有考证过关于比特币，甚至可以说是拍脑袋就确定的。

1、让交易可信——非对称加密

比特币的基础是密码学。 如果不知道一笔钱从哪里来，谁拥有，谁敢拿来当货币？ 非对称加密从技术上解决了可信度问题，这也是这类数字证书被称为“加密货币”的原因。

所谓非对称加密其实很简单——加密和解密需要公钥和私钥。

交易首先要有自己的公钥和私钥（任何交易所开户或钱包网站都会给）。

验证交易是否有效需要两个步骤：

(1) FROM（谁发的，包括两部分）：

Previous tx：出钱的账单id，用于验证资金来源； scriptSig：本次交易的签名关于比特币，即用私钥对交易进行哈希。

(2) TO（谁接受，包括两部分）：

值：发送多少； scriptPubKey：付款人的公钥，即比特币地址。

对于比特币来说，钱不是支付给个人，而是支付给某个地址。 没有人知道谁在这些私钥和地址的背后——匿名。

什么是区块链？

区块链（blockchain）是比特币使用的特殊数据库，是比特币的基础。 任何人都可以架设服务器，加入区块链网络，成为节点。

图：区块链结构示意图

区块链由区块组成，区块与数据库记录非常相似。 每次写入数据时，都会创建一个块。 每个区块由两部分组成：区块头和区块体。

区块头（Head）：记录当前区块的元信息

其中包含：

生成时间； 前一个区块的哈希值； 块体的哈希值。

区块体（Body）：实际交易数据

比较重要的概念是“Hash”。 所谓Hash，就是对任意内容计算出一个长度相同的特征值。 并且保证只要原始内容不同，对应的Hash就一定不同，比特币区块使用的SHA256加密算法。

每个区块的Hash不同，区块通过Hash来标识。 如果区块的内容发生变化，那么它的Hash肯定会发生变化。

图：块结构示意图

1、如何将交易写入区块链——“挖矿”？

“挖矿”是指将网络上待确认的交易写入新的区块并获得比特币奖励的过程。

“矿工”是一群使用GPU等硬件设备进行数据计算的人。 就是这群人把交易员的数据一一记入账户。 “挖矿”的机器就叫“矿机”； 大型“挖矿”场地被称为“矿厂”。

回顾挖矿史，比特币挖矿经历了以下五个时代：CPU（20MHash/s）→GPU（400MHash/s）→FPGA（25GHash/s）→ASIC（3.5THash/s）→大规模集群挖矿 Mine (3.5THash/s*X)。

图：我的

“挖矿”的原理其实很简单。 如果要挖一个新的区块，必须计算出符合要求的哈希值。 大家可能会有疑问，为什么计算一个哈希值这么难？

事实证明，正确的哈希值有一定的要求：

图：区块515798信息

(一)难度

区块头包含一个难度系数（difficulty），决定了计算Hash的难度。 例如：第515798个区块的难度系数为3462542391191.56，而第100000个区块链的难度系数仅为14484.162361。

(2) 目标

区块链协议规定目标值（target）可以通过一个常数除以难度系数得到。

目标 = Targetmax/ 难度

显然，难度系数越大，目标值越小。

Hash的有效性与目标值密切相关，只有小于目标值的Hash才有效，这也是挖矿速度慢的根本原因。

(3) 随机数

区块头中还有一个Nonce值，记录了Hash重新计算的次数。

第 515798 个区块的 Nonce 值为 213587466，即需要 2.1 亿次计算得到一个有效的 Hash，该区块才能加入区块链。

(5) 难度系数动态调整

事实上，新的区块有时可能会在几分钟内计算出来，有些可能需要几个小时。 为了保证新区块在10分钟左右产生，同时考虑到硬件设备的升级，中本聪每2016个区块调整一次Difficulty，保证新区块的平均产生时间在10分钟以内。

2.挖矿事故-分叉

图：分叉示意图

在挖矿过程中，如果同时产生两个新区块，链接到同一个上层区块，就会形成分叉。

如果出现这种情况：大约需要 1 小时来确定一条首先达到 6 个新区块的链为有效链（比特币交易的 6 次确认）。

一个很直观的例子可以说明为什么这个经济博弈模型：

超市支付需要排队，有些人可能不守规矩想插队。 超市管理员会检查队列，认为最长的队列是合法的，将不合法的分叉队列重新排队。 只要大部分人不傻，都会自觉地排在最长的队伍里。

3.让信息对称——P2P网络结构

P2P网络保证了每个人的信息同步，任何人都可以成为节点。 每个节点包含整个区块链（目前100G），节点间不断同步信息。

当你有一笔交易时，你所在的节点会将这笔交易告诉另一个节点，直到它传遍整个网络。 “矿工”收集各种新交易并将其写入区块链。 一旦写入成功，“矿工”所在节点的区块链将成为最新版本，其他节点将复制新添加的区块，保证全网同步。

图：P2P节点分布在世界各地，各节点信息一致

4. 挖矿方式之争——共识机制

“挖矿”行为的本质是寻求达成某种共识，然后将信息写入区块。 这种共识决策实际上并不是比特币使用的唯一方法。

目前主流的共识机制包括：

POW（工作量证明）、POS（权益证明）、DPOS（委托权益证明）

(1) POW（工作量证明）

一句话介绍：做的越快，赚的越多。

工作证明协议。 比特币使用的共识机制。 它需要发起者进行一定量的计算，这意味着计算机需要消耗一定的时间。

优势：

算法简单，易于实现； 节点可以在不交换额外信息的情况下达成共识； 破坏系统需要付出巨大的代价。

缺点：

浪费能源； 区块确认时间难以缩短； 新的区块链必须找到不同的哈希算法，否则将面临比特币的算力攻击； 容易分叉，需要等待多次确认； never Finality 需要一个检查点机制来补偿 finality。

(2) POS（股权证明）

一句话介绍：持有的越多，得到的越多。

股权证明：最早在Peercoin系统中实现，类似于现实生活中的股东机制，一个人拥有的股份越多，越容易获得记账权。 在POW中，如果用户花费2000美元购买硬件设备，当然会获得两倍的算力进行挖矿； 同样，如果他在 POS 机制中投入两倍的代币作为保证金，他将有两倍的机会生成新的区块。 是的。

优势：

在一定程度上缩短了达成共识的时间； 无需消耗大量能源进行挖矿。

缺点：

还是需要挖矿，本质上并没有解决商业应用的痛点。

(3) DPOS（委托权益证明）

一句话介绍：选出代表，进行高效计算。

这种由 Dan Larimer 发明的新共识算法被称为委托权益证明 (DPoS)，用于 BitShares 和 Steemit 社区。

每个股东按其持股比例推选一名代表，每个股东向一名代表投出表决权。 得票最多的前 100 名代表加上 1 名随机代表将按照既定时间表轮流出块。 每个代表被分配一个时间段来生产区块，所有代表将获得相当于平均水平 10% 包含的交易费用的区块作为报酬。

这种模式可以每 30 秒生成一个新块。 每次一个人有序的出块，在正常网络条件下，区块链分叉的可能性极小，即使出现，也能在几分钟内解决。

优点：高效。

缺点：整个共识机制仍然依赖于代币，很多商业应用并不需要代币的存在。

5. 区块链 2.0——以太坊

为什么会有以太坊？

其创始人Vitalik Buterin在《以太坊白皮书》序言中指出：由于比特币没有账户状态的概念，POW机制效率低下，浪费了大量时间和资源。 以太坊作为区块链平台，将区块链技术的发展带入了2.0时代。

以太坊想要实现的是——一个内置编程语言（Solidity）的区块链协议。 理论上，任何区块链应用都可以用这种语言定义并运行在以太坊的区块链协议上（该协议的含义类似于互联网时代的TCP/IP协议）。 这使得区块链应用程序开发者能够高效快速地开发顶级应用程序。

以太坊涉及的问题太多了，很难一言以蔽之。 这里仅对其地位和意义作简要的了解。 有兴趣的可以去它的官网看看：

ICO 和其他电子加密货币

图：火币Pro上线币种

目前交易所上线的电子加密货币不下1000种，它们是什么？ 来自哪里？ 什么是山寨币、分叉币、ICO？

山寨币

我们最初指的是比特币以外的加密货币。

叉币

它是从主链上分叉出来的一种新的货币，比如：Bitcoin Cash BCH，就是从Bitcoin BTC上分叉出来的。

ICO 是 Initial Coin Offering 的缩写

所有成功的数字货币和区块链项目都是社区项目。 在常见的 ICO 中，数字货币和区块链项目向早期爱好者出售项目代币。 项目团队通过ICO获得技术开发和市场拓展资金，项目爱好者通过ICO支持项目，也可以投入相应的代币。 交易市场后选择交易退出。

第一个可以查的ICO来自Mastercoin项目（现已更名为Omni），该项目于2013年7月在Bitcointalk（最大的比特币和数字货币社区论坛）上宣布通过比特币进行ICO众筹，并生成相应的Mastercoin代币分发给众筹参与者。

本质上，这个ICO是一种易货交易，即参与者用比特币换取Mastercoin项目中的代币。 最初，ICO只是数字货币爱好者的一种社区行为。 随着数字货币和区块链的不断发展，越来越多的人开始接受和参与。 大多数 ICO 都是通过比特币或其他数字货币进行的。 正在进行中。

几个知名的ICO案例：

这是一个平等的世界吗？

细心的观众可能已经发现，这套民主思维技巧似乎并没有那么公平。 如果你有足够的资金建矿，你会持有大量的比特币（尤其是在前期难度不高的情况下）。

资本逐渐聚集在少数算力集中的矿场手中，形成马太效应，削弱去中心化效应。 比如：在现在的比特大陆（一度接近51%的算力），郭宏才也是这样开始挖矿的。 现在挖矿已经不是小散户可以玩的游戏了。

扩展问题

比特币的块大小是 1M。 如果比特币交易越来越多，很多交易发生后不会在第一个区块中打包确认，可能需要几个区块甚至更长时间。 比特币交易的拥堵导致传输速度变慢和手续费增加。

中本聪曾提出比特币容量不够时如何扩容。 白皮书发布后，他在社区提出的第一个问题就指出了比特币未来扩容的隐患。

结束

区块链技术性很强，技术分支越来越多。 这里我们只谈它。

从商业角度来说，已经有很多应用：网易星球，阿里的马积宝。 但是，目前人们觉得区块链还是为了区块链，并没有真正出现需求。

目前，德国、英国、日本政府认可比特币的价值，加密猫的诞生将币价一度推高。 但是，区块链和比特币到底是钻石还是郁金香，还有很多需要考证的地方。

参考文章：

《区块链导论》

《比特币简介》

“比特币分叉怎么了？” “

“什么是 ICO 众筹？”

“如何理解拜占庭将军问题？” “

区块链共识机制有哪些？ “