点融大佬：区块链是比特币的灵魂，下一个风口
小线说
继1月20日央行会议后，表示将争取尽快发行数字货币，并透露早在2014年就成立了专门的研究团队，近期向央行行长汇报2月15日发表于财新周刊，中国的数字货币之路似乎逐渐定型。 当然，现在谈论数字货币最终以何种形式和技术手段在全球金融市场实现还为时过早。 科普文章。 看完之后，大家会对区块链技术有一个初步的了解。
1个场景描述
假设世界上有两家银行：银行A和银行B，有两个用户：用户C和用户D，用户C还使用第三方支付软件E。
A银行使用自己的信息系统为用户记录账户余额。 B银行还使用自己的信息系统为用户记录账户余额。 第三方支付E也使用了一个系统来记录用户C的账户余额。 这基本上就是今天金融世界的样子，如下图：
我们可以清楚地看到以下事实：
A 银行的系统记录了 B 银行欠自己 800 万美元的事实，B 银行的系统也记录了它欠 A 银行 800 万美元的事实，这意味着相同的信息在两家银行的不同系统中记录了两次。 第二次评价。 类似的信息也记录在银行B和第三方支付E中。
用户C在A银行透支15000元，在B银行存款68000元，在第三方支付E余额5000元，所以只需要通过两家银行的三个系统和一个第三方支付就可以计算出用户 C 确实拥有该财产。
我们可以看到，每家银行都要花费大量的时间和金钱来开发和维护记录信息的系统，更严重的是需要花费更多的时间和金钱来进行银行间的相互核对和对账。 行业的数据至少需要两个不同的系统来记录。 为了确保各方信息的正确性，需要一个代价高昂的对账过程。
我们改一下，只用一张表来记录上面例子中的所有数据，如下图所示：
上表记录了与前五张表相同的内容，唯一不同的是这张表多了一列。 有了这张表，银行和用户都不需要维护自己的系统，最重要的是，完全省去了银行之间对账的过程。 那么，为什么全世界不能有一个统一的账本呢？ 马上有人会说，有什么单一的系统能够维护这个账本呢？ 系统维护这个账本的成本是多少？ 如果这个系统崩溃了，会对整个世界造成多大的影响？ 如果中央系统在分类帐中作弊怎么办？
创建一个中央系统来维护一个统一的账本似乎是不可行的，那么我们是否可以创建一个共享网络，所有的银行和用户都在这个网络中，没有中央系统会维护账本，而是都在网络中 两者银行和用户拥有最新的账本内容，账本由全网所有参与者共同维护，防止了因中央系统故障导致账本丢失，参与者想作弊，其他人被骗不会同意的。 相当于每一个参与者都为保证账本的安全和稳定做出了贡献。
上述技术方案是否可行？ 可行的; 这个技术方案叫什么？ 区块链； 现在有成功案例吗？ 比特币。
2 区块链概念
区块链是网络上的去中心化分布式共享账本或数据库。 通过一定的技术，可以保证这个账本或数据库的一致性、安全性和可维护性。 比特币是区块链首次大规模应用于全球网络的案例。 区块链技术本身并不局限于比特币等数字货币。 它还可以应用于支付、证券交易、股票交易、物联网、身份认证、电子合同等众多领域。
3 比特币中的区块链
比特币概述
2008年，神秘人物中本聪发表了一篇论文，阐述了比特币的概念及相关技术。 这篇论文后来被称为“比特币白皮书”，或“中本聪白皮书”。 2009年，中本聪等人实现了相关技术，系统正式上线运行，标志着不受各国央行和任何金融机构控制的比特币正式诞生。 两年后，中本聪突然从互联网上消失了。 直到现在，还没有人知道这个在现实世界中相当于比特币世界创世先知的人物的真实身份。 目前他创造的比特币总价值已超过100亿美元，每天有数百万比特币在网络上交易。
比特币原理
比特币运行在基于互联网的 P2P 网络上。 P2P是运行在TCP协议之上的应用层协议。 在P2P网络中，每一个接入网络的设备都是平等的，网络中没有中心节点。 每个节点随机连接到许多其他节点，为这些节点提供服务，同时从这些节点获取服务。 因此，P2P 网络具有去中心化、可靠性和开放性的特点。 近年来，最成功的P2P网络应用都发生在文件共享领域，如国外的BitTorrent和中国的迅雷，都是通过P2P网络下载文件。
在比特币P2P网络中，每笔交易信息都会以一对一或十对百的方式通知网络中的所有节点进行验证。 只有当网络上的大多数节点通过验证时，交易才会被记录在区块链的当前区块中。 平均而言，比特币网络每 10 分钟产生一个区块。 前10分钟网络上的所有交易都记录在区块中，每个节点都有一个生成的区块只要该节点能够在这10分钟内计算出特定数学问题的解，其他节点就会识别该区块并添加块到自己的区块链，得到解决方案的节点将获得一定数量的比特币作为奖励。 在比特币网络中，尝试产生区块并获得奖励的节点通常被称为矿工，产生区块的过程称为挖矿。 自 2009 年以来，动态调整数学题的难度使得比特币网络平均每 10 分钟就会产生一个区块（一个矿工找到数学题的解）。 每产生一个区块，都会产生一定数量的比特币作为奖励，支付给矿工。 一开始，每个区块产生的比特币奖励是 50 个，这个数字每四年减半。 2140年后，比特币数量固定为2100万枚，届时不再产生新的比特币。
任何机器都可以运行一个完整的比特币节点，一个完整的比特币节点包括以下功能： 比特币钱包，允许用户在比特币网络上进行交易； 完整的区块链，记录了比特币历史上的所有交易，通过特殊的结构保证历史交易的安全性，并验证新交易的合法性； 矿工，通过记录交易和解密数学问题来生成新的区块，如果成功则获得奖励； 路由功能，将其他节点传入的交易数据等信息发送给更多的节点。 比特币网络中的节点，除了路由功能外，其他功能都不需要，有的节点只有钱包功能，有的节点只负责挖矿。
区块链数据结构
交易信息记录在比特币区块链中，每个全节点在本地都有一个完整的区块链，每个完整的区块链记录了自2009年比特币诞生以来发生的交易。每产生一个新的交易申请，节点可以验证通过完整的区块链验证新交易的正确性，经过验证的交易将记录在下一个要生成的新区块中。 每个区块由包含元数据的区块头和包含之前一段时间交易信息的区块体组成。 区块头的大小为 80 字节，而区块体通常非常大。 如果一个平均区块包含 400 笔交易的情况下，区块体通常比区块头大 1000 倍以上。 因此，区块体只负责记录交易信息，区块链的大部分功能都是由区块头实现的。
区块头主要包括以下信息：
每个区块的区块头记录了它所引用的父块的哈希值，该哈希值是通过SHA256算法对父块的块头进行二次哈希计算得到的。 一条区块链的部分区块信息如下：
区块链建设过程
生成新区块并将其添加到区块链的过程在比特币网络中称为挖矿。 通过挖矿，可以将交易信息记录在区块链中，正是由于工作量证明机制（解数学题），保证了区块链中交易信息的一致性和安全性； 对于比特币来说，挖矿成功后的奖励机制使得新的比特币能够进入比特币网络并流通。 在比特币网络中，一些节点被称为矿工节点。 这个矿工节点可以是用户的普通PC机，也可以是企业机房数百台机器组成的计算集群，也可以是多个矿工组成的矿池，比特币对矿工的机器没有限制节点，但计算性能更高的矿工节点将比其他节点更容易获得数学问题的解决方案，从而获得记账权和比特币奖励。
矿工在努力出块的同时，也会将新的交易信息保存在本地内存中，以便放入下一个区块。 当当前区块被自己或其他矿工生成并验证后，所有矿工将立即开始下载一个区块的生成，本地内存中的交易信息将被记录在区块体中，同时，Merkle区块中所有交易信息的树都会在区块体中生成，默克尔树根的值会保存在区块头中。 Merkle树是一种哈希二叉树，可以快速验证大规模数据的完整性。 在比特币网络中，默克尔树用于汇总一个区块内的所有交易信息，最终生成一个区块内所有交易信息的统一哈希值。 区块中交易信息的任何变化都会使 Merkle 树发生变化。 假设一个区块中有四笔交易，分别是A、B、C、D。首先，交易数据经过两次SHA256算法，生成一个32字节的哈希值，作为叶子节点存储在Merkle树，然后将相邻叶子节点的两个32字节的哈希值拼接成一个64字节的字符串，然后在这个字符串上通过SHA256算法两次生成一个32字节的哈希值作为两个的父节点叶子节点存储在Merkle树中，依此类推，最终生成区块中所有交易信息的统一哈希值。 这个哈希值是 Merkle 树的根节点，这是存储在区块头中的内容。 跟随节点哈希值，如下图所示：
Merkle根填入区块头后，系统会使用SHA256算法，将刚刚生成的上一个区块的区块头数据生成一个32位的哈希值，填充到当前区块的父哈希值中。 然后在时间戳字段中保存当前的Unix时间，难度值字段也会根据前期区块的平均生成时间进行调整，以应对整个比特币网络不断变化的整体计算量。 如果总计算量增加，那么系统会增加数学题的难度值，使得完成下一个区块的预计时间仍然在十分钟左右。 区块头最后一个字段是Nonce，初始值为0。
区块头和区块体构造完成后，挖矿就可以从解决数学问题开始了。 挖矿的目标是不断改变区块头中的Nonce值，使得区块头使用SHA256算法得到的哈希值满足难度值的要求。 SHA256算法是一种加密哈希算法。 该算法的特点是不同的输入会产生完全不同的哈希值。 没有规律可循，不管输入的大小是多少，SHA256算法输出的长度始终是256bit。 32 位。 比特币挖矿的目标是找到一个Nonce值，使得该值下区块头的SHA256哈希值的输出必须小于难度值中设定的值。 这个难度值通常以多个0开头。 最新的难度要求是256位哈希值的前68位必须为0，这需要整个比特币网络每秒进行大约6x1020次哈希计算，这样矿工才能在10分钟左右的时间内找到。 符合要求的nonce值。 在挖矿过程中，由于每个矿工创建的新区块头中的时间戳可能不同，并且由于每个矿工选择进入该区块的交易集不同，因此区块头中默克尔根的值也不同不同，所以即使很多矿工从Nonce等于0开始累加，寻找符合条件的hash值，他们仍然在不同的位置寻找。 挖矿过程是将整个比特币网络中所有矿工节点的算力相加，求答案的过程中，每个矿工都有机会找到正确答案，但算力越高的矿工找到的概率越高答案。
当矿工成功找到使区块头的哈希值小于目标难度的 Nonce 值时，他会立即将区块广播到比特币网络。 几秒钟后，网络中的所有矿工都会收到该区块，当他们验证成功后，会立即停止当前区块的生成工作，将矿工找到的区块添加到区块链中，并立即开始生成过程下一个街区。 通过这种方式，一个块被添加到完整的区块链中。
区块链一致性和安全性
上面说了区块链的数据结构和构建过程，但是还有两个最关键的问题需要说明：
整个区块链如何在分布式网络中的所有节点之间保持一致性。
如何保证没有节点恶意篡改区块链中的信息（比特币中的交易信息），也就是说如何让我们相信区块链中的信息是真实的信息。
至于一致性问题，在上面区块链构建过程的最后已经说明了。 网络中的所有节点将通过解决数学问题来争取获得创建当前区块的权利。 当一个节点成功解决问题后，它会将问题的答案和构建的区块通过比特币网络发送给其他节点。 其他节点只要通过对答案的验证，就会立即停止创建当前区块，将通过的区块添加到本地区块中，然后根据hash值将信息填充到下一个区块的区块头中该区块的区块头，并立即开始下一个区块的构建。 这样，区块链中一个新区块的构建过程就在网络中完成了。
这个过程看似没有问题，但考虑以下情况：同时（1秒内），两个或多个不同的节点可能找到了答案，它们立即将答案和区块发送给与其连接的节点在节点中，这些节点在验证通过后会立即开始基于这个区块构建下一个区块。 由于每个节点产生的区块不同（数学题有多种解法），每个区块的每个区块的哈希值也不同，后续区块的哈希值也会发生变化。 这样整个网络就形成了多个区块链分叉，不同的节点在不同的分叉上构建新的区块。 片。
如何解决分叉问题，答案是等到下一个区块或下一个下一个区块。 当前区块中的多个节点同时求解出答案，但下一个区块很可能先分裂，先求解出答案。 下一个区块的分叉得到全网认可后，错误分叉上的节点将替换分叉前的错误区块，从而使全网重新统一。 这也是为什么比特币会把每个区块的解题时间控制在10分钟左右。 越难的题和越长的解题时间，使得同时解出答案的概率越低。 在比特币的历史上，很少有两个区块同时被分叉的案例。 因此，区块链中最新产生的区块确实可能存在一致性问题，但6个区块之前的所有区块必须是一致的。
关于安全和信任问题，主要体现在两个便利性上。 一种是节点试图改变前一个区块上的交易信息，另一种是节点试图控制新区块的生成。 解决这两个问题的关键在于问题背后所代表的巨大计算能力的数学保证。 如果一个节点想要改变前一个区块的交易信息，只要改变交易信息，这个信息的哈希值就会改变比特币钱包是什么样的，最终会导致代表区块中所有交易信息的默克尔树根值改变。块头。 区块头的哈希值也发生了变化。 之前的Nonce值不再是更改区块头的解决方案。 这块数学题需要重新计算。 更严重的是，这个区块的下一个区块所引用的父哈希值也发生了变化，所以下一个区块也需要重新计算，以此类推，后续的所有区块都需要重新计算才能生成。 也就是说，只有重新计算变更区块的所有后续区块并追上网络中合法区块链的进度，将这个长链分叉提交给网络中的其他节点，才能被接受。 识别，仅重新生成被恶意篡改的区块并提交，不会被网络上的诚实节点识别。 在当前全网巨大算力的背景下，恶意节点很难重新计算多个区块并赶上全网。 一般认为，第六块之前的所有块都不能更改。 那么如果你试图控制新区块的产生呢，也就是说，每一个新区块都先经过恶意节点的认可，才能得到数学题的解比特币钱包是什么样的，所以由于区块中包含的交易都是自由决定的节点，恶意节点 这样，交易永远无法被批准包含在区块链中。 理论上，这种方法是可行的。 如果恶意节点的算力高于网络中所有其他节点的算力总和，即恶意节点占据全网算力的51%，他就可以控制新区块。 生成后，这种攻击称为 51% 攻击。 当然，在现实中，一个节点的算力很难超过所有其他节点的算力总和。 限于篇幅，还有很多安全问题，比如DoS攻击的解决方案，这里不再赘述。
4 总结
现代互联网的基础是 TCP/IP 技术。 基于这项技术，网络上的所有节点都可以公平自由地与任何其他节点进行通信。 但是，这种技术只是解决了去中心化通信的问题，并没有解决去中心化信用的问题。 问题。 区块链技术的出现让我们看到了解决这个问题的希望，它在比特币上的大规模应用也让我们看到了它的技术可行性。 本文介绍了基于比特币的区块链相关技术，但区块链技术的应用并不局限于数字货币领域，其在各个行业的尝试早已开始。 让我们紧跟最新的技术，提供最后成熟的本分。
本文作者：罗宇翔，做过Web，做过大数据，略懂一点数据挖掘，做过推荐系统，喜欢探索新的技术领域，注重理论与实践的结合. 现就职于点融北京团队。
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