什么是区块链和比特币

区块链是比特币世界村落的账本。 谁挖了矿，谁就有权在这个账本上翻开新的一页，在新的一页上写下“X年X日，本村X挖矿获得一个比特币，并获得一定的手续费作为奖励。” 比特币又火了。 怎么又说了？ 因为比特币在2013年流行过一次，这次和2013年一样，比特币的价格一路飙升，让人目瞪口呆。 与2013年不同的是，这一次人们关注的不仅仅是比特币的价格，还有比特币背后的技术——区块链。 一夜之间，区块链站在台后，站在聚光灯下，成为人们追捧的热点。 物流、医药、版权……似乎一切都可以借助区块链重生。 那么，如此惊人的技术到底是怎么回事呢？ 本文以最流行的语言介绍比特币和区块链系统，无需任何高等数学和计算机知识。 说到区块链，就不得不说到比特币。 比特币是区块链技术最好的载体，所以本文以比特币为例介绍区块链。 比特币很好，它有两个特点：去中心化和电子货币。 别小看这两点，同时拥有这两点可不是一件容易的事。 首先，让我们谈谈权力下放。 去中心化货币通常可以追溯到很久以前。 在古代，人们自发地使用贝壳和石头作为交易的原型货币。 此时的货币可以看作是去中心化的货币——不需要中央银行组织发行和确认交易的合法性。

但是使用这种货币的缺点我就不用多说了。 货币供应不稳定，取决于每年的贝类产量； 动不动就需要好几车炮弹，运来这么多钱，很容易被人抢走。 于是货币进化，信用货币时代来临，货币变成了银行账户里的数字。 上面的问题都解决了，但是我们必须要有银行来控制货币的发行、防伪、交易的结算。 我们的产权都在银行手里。 银行动不动就喜欢做一些QE放点水，我们银行卡里的钱越来越贬值。 这时候，我们就希望有一种货币，既可以在没有银行干预的情况下使用贝壳，又能满足当前信息时代对货币功能的需求。 于是，结合了这两个特点的比特币诞生了。 比特币作为一种货币，其基本原理通常需要满足几个特性：必须有人发行，必须能够持有，人们可以相互兑换。 持有比特币非常简单，只要有接收地址就可以持有比特币，接受比特币。 持有比特币的数量只是这个地址下的一个数字。 可能有人会问比特币挖矿的意义何在，这不就跟银行账户一样吗？ 确实很相似，但本质却大不相同。 银行系统是一个中心化系统。 账户余额由银行决定。 如果银行系统出错，余额变为0，那你就真的不能从ATM上取钱了。 比特币没有这样一个权威的中央机构，需要一个稳定的记账系统，所以解决办法是每个“矿工”把比特币世界发生的所有交易记录都存储在自己的硬盘上。

有了所有的交易记录，就很容易计算出每个人有多少余额。 这种交易记录，保存在每个人的电脑里，就叫区块链。 一个黑客可以破解一部分人保存的区块链，但他不可能破解世界上大部分人。 只要大多数人仍然保持正确的区块链，整个系统就可以通过纠错恢复正常。 就像打麻将一样，我们有时会用记账的方式来记录每一局的应收应付情况。 比特币世界也使用簿记来进行交易。 每笔交易都会被公开，然后每个人都会把这笔交易记录在自己的小账本里，每个人都可以在自己的小账本里查看每个家庭有多少钱。 只是当记账从4个人变成了整个比特币世界的村民，这就需要稍微复杂一点的系统了。 发布 让我们再看看发布。 我们先来看看纸币是怎么发行的。 这很简单。 央行启动印钞机，瞬间出现一大堆“毛爷爷”。 比特币作为一种去中心化的电子货币，没有中央银行，怎么发行呢？ 比特币规定人们可以回答一道难题，谁先回答就可以发行比特币，也就是我们所说的“挖矿”。 这是什么难题？ 这是哈希的问题。 哈希是一个函数 F，它对输入 X 执行一些操作以获得哈希值 Y。它是我们在高中时学习的 Y = F(X)。 比特币让你回答的问题是告诉你哈希值Y和F，求出X。这时候你会说，这不就是一个反函数吗？

抱歉，哈希函数是一个特殊的函数，我找不到合适的反函数。 求X的唯一方法就是一个一个的试，把每一个数放到F中，看结果是不是Y，如果正好对了，那么这道题就有答案了。 所以，所谓的货币发行和挖矿，其实就是一群人用最好的电脑来砸大运气的数字。 当一个矿工对X，即挖矿后，他有权在原区块链的末端创建一个新的交易区块。 在这个新创建的交易区块中，矿工可以作为付款人伴随着与比特币世界的交易，收款人可以是任何人。 就这样，他通过这笔交易创造并发行了一个比特币。 区块链由一系列交易区块组成。 让我们看一下交易块中包含的内容。 一个交易区块会显示谁是它的父区块，包括这个区块上的交易记录，以及这个区块的哈希值。 就这样，随着矿工们不断地挖矿，创造出新的交易区块，一个又一个的区块串成一串，成为名副其实的区块链！ 在比特币世界中，由于某些原因，区块链会分叉（为什么会分叉，下面会提到），所以比特币世界规定，唯一合法的区块链是目前最长的区块链。 区块链是比特币世界村落的账本。 谁挖了矿，谁就有权在这个账本上翻开新的一页，在新的一页上写下“X年X日，本村X挖矿获得一个比特币，并获得一定的手续费作为奖励。”

这本账本很特别。 不是村支书管的，村民都有一份。 任何人挖完矿后，他都可以自己翻页记账，让全村的人都用同样的方法，保证全村的所有账目都是一样的。 当全村的账本不一致时，规定谁的账本最长的就听谁的。 发行比特币的关键是交易。 对于一个去中心化的电子货币系统来说，交易是有很大风险的。 想象一下你和另一个人之间的电子货币交易，类似于借条，而这个借条没有第三方公证人。 如果一方突然反目，借据的有效性就难以保证。 由于无法使用类似于银行结算中心的第三方公证人（它是一个中心化系统），比特币干脆让全世界的人都成为公证人。 所有的比特币交易都不能秘密进行，所有的交易都需要通过互联网向全世界广播。 如果C要给B 0.5个比特币，它就会向全世界广播“C给了B 0.5个比特币！” 这时候，所有挖矿的矿工都会将这条交易记录添加到自己正在挖的区块交易中。 他们为什么要添加它？ 因为矿工挖矿时，除了规定要奖励的一个比特币外，每多一条交易记录，都会有一点额外的手续费。 蚊子肉也是肉，勤劳的矿工们也没什么不喜欢的。 在将交易记录添加到区块的过程中，矿工首先会验证交易是否合法，即查看村里的账本。 当C名下币种小于0.5时，这条交易记录将被删除。 拒绝加入区块。

添加到区块并不意味着交易已经成功。 只有当包含这条交易记录的区块的随机数X被矿工发现并创建一个新的交易区块链接到当前区块时，才可以认为是一笔交易。 对于合法交易，此交易记录成为经过验证的交易。 B可能会问，也就是说，C把钱的广播发给我后，我不能马上确认我有没有收到钱？ 没错，C的广播就相当于C站在村口大喊“我给B五十美分！” 到全村，只有当全村的人都听到了，记在自己的账本上 矿工翻开记着这件事的那一页后，B的账上多了50美分的事实才真正被B知道了整个村庄。 由于参与比特币挖矿的矿工众多，每笔交易所需的验证时间通常很短，不会给交易带来延迟感。 因此，比特币的发行和交易是首尾相连的。 交易以广播的形式进行比特币挖矿的意义何在，矿工听到广播后将交易写入交易区块； 矿工通过挖矿确认历史交易的完成，从而创建新的区块，扩展区块链，发行新的比特币。 区块链的分叉前面已经提到过。 为什么区块链会分叉？ 原因是去中心化。 没有中心，每个人维护自己的账本。 因此，由于网络延迟和沟通不畅，难免会出现分歧。 举两个例子，一个是挖矿过程中容易出现的问题：矿工B随机数取对，挖矿成功，区块链延期。 注意此时矿工B的扩展区块链只有他自己。 还没有人知道这件事。

当然，矿工B会第一时间向全世界公布挖矿成功的消息，让大家可以按照自己的方式来扩展区块链。 而此时，另一位矿工C也拿到了正确的随机数。 他要么因为网速延迟没有听到B的广播，要么他听到了广播但心有不甘，想要破坏规则。 扩展区块链并开始向世界广播。 因为网速的延迟，并不是所有人都先听到B的广播。 这时候，有人会按照B的指令更新区块链，有人会按照C的指令更新区块链。 延迟，大家没有办法判断是B先广播还是C先广播，导致区块链分叉。 就好像村里的两个矿工B和C分别住在村东和村西。 B和C几乎同时挖矿成功。 他们翻了自己的账本，在新的一页上写下了自己的宣言“X年X月，本村B(C)挖一枚比特币”，开始号召全村人翻页写下这句话.因为住在村子的两端，村子东头的人先听到了B的喊叫，就按照B的话记账。此时的账本有两个版本。第二个案例是双重交易.B与C进行一笔交易，并广播向C支付比特币，但B同时也与D挂钩，几乎同时广播向D支付比特币。是的，B宣布他支付了同样的费用如第一种情况，由于网速问题，部分矿工先听到了B和C之间的交易广播，并将这条交易记录包含在当前交易块中，然后再听到B和D之间的交易，并且判断为非法，拒绝加入交易区块。

相反，另一部分矿工只是将B和D的交易添加到交易区块中。 这两种情况并不少见，因为世界各地的人都在参与比特币世界，有的地区使用100M光纤宽带，有的地方使用56K拨号上网，网速差异很大，而且有很多人用心怀恶意，区块链分叉几乎无时无刻不在发生。 此时，比特币世界的最高原则就发挥作用了：唯一合法的区块链是当前最长的区块链。 但是从上面的两次分叉来看，此时分叉出来的两条区块链是一样长的吗？ 没关系，这两个都是合法的，不合法的。 让我们搁置争议，继续挖，看谁挖得更快，谁先拿到新的X，让自己的区块链走得更远，谁的区块链成为最长的唯一合法的。 听了这话，为什么我觉得这个区块链系统这么随意，不靠谱？ 如果每个人都不遵守规则，随意分叉，世界就会大乱。 别着急，我们通过分析会发现，区块链最终一定会回归稳定。 我们回到第一种情况，矿工B和矿工C出现分歧。 假设B的链更进一步，成为最长的链，则这条链将成为比特币世界公认的合法链。 这时，C有两个选择。 一种是放弃努力，乖乖扔掉自己的区块链，用B的。 另一种选择是不甘心失败，坚守自己的区块链，希望自己能继续赶上B，早日反超。 大家都乐于选择前者，比特币世界的区块链从此一统天下，而选择后者实际上继续让区块链处于分叉状态。

那么从理性的角度来看，C应该怎么办呢？ 其实C此时应该果断放弃自己的链。 我们可以分析，当B和C的链分叉时，此时比特币世界中有4种矿工和两种力量，B和支持B的矿工，C和支持C的矿工。此时，B和C的势力大致相等，所以大家自己挖。 当力 B 先延伸 B 的链时，力 C 将分裂。 大部分支持C的吃瓜群众一听到B链延期的消息就会转投B链，因为此时B链更长，继续在B链上挖矿显然更有前景更长的链条。 权力立马反转，C会尴尬地发现全世界都在和他作对（哭）。 于是C只好作罢。 当然，假设C的力量先延伸了区块链，那么情况正好相反，全世界的矿工都会立刻投入C的怀抱。虽然可能确实是B先挖的矿，但是这时B也不得不选择放弃他无人问津的区块链。 根据这个理性假设，世界上大多数矿工都会选择自己在最长的链上工作，所以偶尔的分叉没什么大不了的。 当然，还有一种极端情况，即B或C的算力超过全球算力的50%。 这个时候，他们可能会自己超车。 但实际上，由于全世界的参与，很难有人或组织拥有如此强大的计算能力。 其次，就算C有这么强的算力，老老实实在最长的链上挖也没什么问题。 要把整个世界都强起来，硬要称霸，只会让整个世界都不再跟他玩了。 最后，比特币失去了价值，C 失去的更多。

上面提到的第二种分叉情况的解决方法与第一种情况相同。 “唯一合法的区块链是目前最长的区块链”的原则依然坚定不移，最终合法的区块链只能是B和C或者B和D之间的交易之一才会被记录。 具体原因请读者自行思考。 说了这么多，你会发现，通过区块链的巧妙设计，比特币在非常稳定的状态下进行交易和发行，而维持稳定的核心力量是什么？ 是无数矿工提供的算力。 只要矿工足够多，算力足够大，验证速度足够快，就可以快速验证比特币交易，也可以快速结束区块链意外分叉的状态，保证比特币的稳定运行。整个系统。 所以挖矿不仅仅是浪费电，电实际上是转化为能量来维持整个系统的稳定！ 这也告诉我们为什么比特币可以值几万个币，而一些新发行的币却一文不值，因为比特币作为历史最悠久、受众最广的电子货币，也拥有数量最多、分布最广的矿工和算力，它是最稳定的电子货币。 但是，新发行的矿工数量很少，参与算力低，根本无法稳定整个系统。 低计算能力也意味着每笔交易的验证时间会更长，从而降低货币的可用性，因此这种新兴货币一文不值。 好了，比特币和比特币系统中使用的区块链技术的介绍到此结束。 如有朋友对文章内容有异议，欢迎讨论！ 参考：中本聪《比特币：一种点对点电子现金系统》 作者简介：陈俊轩/CC，17年上海交通大学硕士毕业，目前做计算机视觉/智能医学影像相关算法阿里达摩学院开发，喜欢Python。

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