区块链与比特币
摘要：摘录了阮一峰写的关于区块链和比特币的一些知识。
区块链
一、本质
分布式数据库。主要作用是存储信息，且任何一个节点都保存这数据库的全部信息。可以向任何一个节点写入、读取数据，最终这个区块链上的所有节点都会同步保持一致。
二、特点
去中心化。没有管理员节点，所有节点都是平等的。
三、构成
区块链由一个个区块组成。每个区块包含两个部分：区块头（记录当前区块特征值）、区块体（实际数据）。
区块头的特征值包括：生成时间、区块体的hash、上一个区块的hash……
使用hash，保证了数据的可靠性。如果有人修改了一个区块，该区块的hash值就会改变，为了使这个被修改的区块能被下一个区块链接到（因为下一个区块包含上一个区块的哈希），必须修改这个区块之后的所有区块，这个几乎是不可能发生。
由于每个区块都连着上一个区块，因此才被称作区块链。
四、采矿
为了保证各个节点之间的同步，新区快的添加不能太快。不然可能你刚想添加一个区块，却被通知其他人已经添加了新的区块，你只能重新生成一个，如此循环往复。
所以，区块链发明者“中本聪”（化名，其真实身份至今无人知晓）故意让添加新区块，变得很困难。他的设计是：平均每10分钟，全网才能生成一个新区块，一小时也就六个。
这个速度的控制并不是通过命令达成，而是故意设计海量计算。也就是说，只有通过极其大量的计算，才能得到当前区块的有效哈希，从而把新区块添加到区块链。由于计算量太大，所以快不起来。
这个过程就叫做采矿（mining），因为计算有效哈希的难度，好比在全世界的沙子里面，找到一粒符合条件的沙子。计算哈希的机器就叫做矿机，操作矿机的人就叫做矿工。
五、难度系数
为了保证计算的困难性，区块头里设置了难度系数(difficulty)。这个值决定了计算哈希的难度。举例来说，第100000个区块的难度系数是 14484.16236122。
区块链协议规定，使用一个常量除以难度系数，可以得到目标值（target）。显然，难度系数越大，目标值就越小。
target = targetmax/difficulty
只有小于目标值的hash才是有效的。由于目标值非常小，哈希小于该值的机会极其渺茫，可能计算10亿次，才算中一次。这就是采矿如此之慢的根本原因。
如果要对同一个区块反复计算哈希，就意味着，区块头必须不停地变化，否则不可能算出不一样的哈希。区块头里面所有的特征值都是固定的，为了让区块头产生变化，中本聪故意增加了一个随机项，叫做 Nonce。
Nonce 是一个随机值，矿工的作用其实就是猜出 Nonce 的值，使得区块头的哈希可以小于目标值，从而能够写入区块链。Nonce 是非常难猜的，目前只能通过穷举法一个个试错。根据协议，Nonce 是一个32位的二进制值，即最大可以到21.47亿。第 100000 个区块的 Nonce 值是
274148111，可以理解成，矿工从0开始，一直计算了 2.74 亿次，才得到了一个有效的 Nonce 值，使得算出的哈希能够满足条件。运气好的话，也许一会就找到了 Nonce。运气不好的话，可能算完了21.47亿次，都没有发现 Nonce，即当前区块体不可能算出满足条件的哈希。这时，协议允许矿工改变区块体，开始新的计算。
采矿具有随机性，没法保证正好十分钟产出一个区块，有时一分钟就算出来了，有时几个小时可能也没结果。总体来看，随着硬件设备的提升，以及矿机的数量增长，计算速度一定会越来越快。
为了将产出速率恒定在十分钟，中本聪还设计了难度系数的动态调节机制。他规定，难度系数每两周（2016个区块）调整一次。如果这两周里面，区块的平均生成速度是9分钟，就意味着比法定速度快了10%，因此接下来的难度系数就要调高10%；如果平均生成速度是11分钟，就意味着比法定速度慢了10%，因此接下来的难度系数就要调低10%。
难度系数越调越高（目标值越来越小），导致了采矿越来越难。
六、区块链分叉
如果两个人同时往区块链添加了新节点怎么办？现在的规则是：新节点
总是采用最长的那条区块链如果区块链有分叉，将看哪个分支在分叉点后面，先达到6个新区块（称为"六次确认"）。按照10分钟一个区块计算，一小时就可以确认。
由于新区块的生成速度由计算能力决定，所以这条规则就是说，拥有大多数计算能力的那条分支，就是正宗的区块链。另一个含义是大多数人相信的那条分支，就是正确分支。
七、局限
- 写入数据的速度太慢
- 写入数据不能实时同步
- 进行大量计算，非常浪费电力
八、比特币
背景
2008年，一个署名为中本聪的人，提出了革命性的构想：让我们创造一种不受政府或其他任何人控制的货币！这个想法堪称疯狂：一串数字，背后没有任何资产支持，也没有任何人负责，你把它当作钱付给对方，怎么会有人愿意接受？
但是，狂想居然变成了现实。2017年比特币开始狂涨。2024年7月15日，一个比特币价值61335.20美元！
原理
比特币依靠的是非对称加密。公钥公开，私钥自己保存。
他人使用你的公钥加密信息，然后发送给你，你用私钥解密，取出信息。反过来，你也可以用私钥加密信息，别人用你的公钥解开，从而证明这个信息确实是你发出的，且未被篡改，这叫做数字签名。
其他人用公钥加密了一笔钱发送给你，只有你才能用私钥取出。这样也就实现了匿名，因为没人知道这个公钥对应的私钥是属于谁。（事实上，真实的交易流程稍有不同，私钥保证的不是取出支付给你的钱，而是保证只有你能把这些属于你的钱支付出去，详见后文。）
比特币钱包
比特币交易的第一件事，就是你必须拥有自己的公钥和私钥。你去网上那些比特币交易所开户，它们会让你首先生成一个比特币钱包（wallet）。这个钱包不是用来存放比特币，而是存放你的公钥和私钥。软件会帮你生成这两把钥匙，然后放在钱包里面。
根据协议，公钥的长度是512位。这个长度不太方便传播，因此协议又规定，要为公钥生成一个160位的指纹。所谓指纹，就是一个比较短的、易于传播的哈希值。160位是二进制，写成十六进制，大约是26到35个字符，比如 1BvBMSEYstWetqTFn5Au4m4GFg7xJaNVN2。这个字符串就叫做钱包的地址，它是唯一的，即每个钱包的地址肯定都是不一样的。
你向别人收钱时，只要告诉对方你的钱包地址即可，对方向这个地址付款。由于你是这个地址的拥有者，所以你会收到这笔钱。
交易过程
一笔交易就是一个地址的比特币转移到另一个地址。由于比特币的交易记录全部都是公开的，哪个地址拥有多少比特币，都是可以查到的。因此，支付方是否拥有足够的比特币，完成这笔交易，这是可以轻易验证的。
如果某个人申报了一笔交易：A向B支付多少比特币。为了保证这个交易是A发起的，比特币协议规定：申报交易的时候，除了交易金额，转出比特币的一方还必须提供以下数据。
- 上一笔交易的 Hash（你从哪里得到这些比特币）
- 本次交易双方的地址
- 支付方的公钥
- 支付方的私钥生成的数字签名
验证这笔交易时是否属实，需要三步。
第一步，找到上一笔交易，确认支付方的比特币来源。
第二步，算出支付方公钥的指纹，确认与支付方的地址一致，从而保证公钥属实。
第三步，使用公钥去解开数字签名，保证私钥属实。
经过上面三步，就可以认定这笔交易是真实的。
交易确认与区块链
确认交易的真实性以后，交易还不算完成。交易数据必须写入数据库，才算成立，对方才能真正收到钱。
当你发生了一笔支付，你所在的节点就会把这笔交易告诉另一个节点，直至传遍整个网络。矿工从网上收集各种新发生的交易，将它们打包写入区块链。一旦写入成功， 矿工所在节点的区块链，就成为最新版本，其他节点都会来复制新增的区块，保证全网的区块链都是一致的。
最后，你所在的节点也拿到了最新的区块链，从而得知你早先的那笔交易，已经写在里面了，至此交易确认成功。
所有的交易数据都会传送到矿工那里。矿工负责把这些交易写入区块链。
根据比特币协议，一个区块的大小最大是 1MB，而一笔交易大概是500字节左右，因此一个区块最多可以包含2000多笔交易。矿工负责把这2000多笔交易打包在一起，组成一个区块，然后计算这个区块的哈希。
计算哈希的过程叫做采矿，这需要大量的计算。矿工之间也在竞争，谁先算出哈希，谁就能第一个添加新区块进入区块链，从而享受这个区块的全部收益，而其他矿工将一无所获。
这里需要建立一个观念：比特币不存放在钱包或其他别的地方，而是只存在于区块链上面。区块链记载了你参与的每一笔交易，你得到过多少比特币，你又支付了多少比特币，因此可以算出来你拥有多少资产。
矿工的收益
比特币协议规定，挖到新区块的矿工将获得奖励，一开始（2008年）是50个比特币，然后每4年减半，目前（2018年）是12.5个比特币。这也是比特币的供给增加机制，流通中新增的比特币都是这样诞生的。
你可能看出来了，每4年奖励减半，由于比特币可以分割到小数点后八位，那么到了2140年，矿工将得不到任何奖励，比特币的数量也将停止增加。这时，矿工的收益就完全依靠交易手续费了。
所谓交易手续费，就是矿工可以从每笔交易抽成，具体的金额由支付方自愿决定(支付金额减去收款金额就是给矿工的手续费)。你完全可以一毛不拔，一分钱也不给矿工，但是那样的话，你的交易就会没人处理，迟迟无法写入区块链，得到确认。矿工们总是优先处理手续费最高的交易。
目前由于交易数量猛增，手续费已经水涨船高，一个区块2000多笔交易的手续费总额可以达到3～10个比特币。如果你的手续费给低了，很可能过了一个星期，交易还没确认。
一个区块的奖励金6.25个比特币（2024年），再加上手续费，收益是相当可观的。按照目前的价格，可以达到278万多的人民币。运气好的话，几分钟就能挖到一个区块，拿到这样一大笔钱，怪不得人们对挖矿趋之若鹜。
区块的扩容
比特币网络每10分钟，最多只能处理2000多笔交易，换算一下，就是处理速度为3～5笔/秒。全世界的比特币交易这么多，这个速度很难满足需求。
这件事在2017年8月有了一点眉目，当时区块链发生了一次分叉，诞生了一个新协议，称为 Bitcoin Cash（简称 BCH）。这种新货币其他方面都与比特币一致，就是每个区块的大小从 1MB 增加到了 8MB，因此处理速度提升了8倍，手续费也低得多。该协议是对原有区块链的分叉，因此当时持有比特币的人，等于一人获赠了一份同样数量的 BCH。
BCH 等于创造了一种新货币。
九、加密货币本质
现在，各种加密货币（cryptocurrency）不计其数。
之所以虚拟的货币能被人接受，因为人们普遍相信它的价值。就像黄金和美元，几乎可以在世界上任何一个国家使用。
所以加密货币的本质，就是可信性。
加密货币依靠密码学，一旦加密方式被破解，它就不能称为货币。
比特币的三个特点，保证了它的可信性：
- 它不会被（轻易）偷走。因为必须要有你的私钥，才能取出你的钱。正常情况下，别人拿不到你的私钥。
- 它无法伪造。每一个比特币都能追溯来源，而所有比特币都来源于矿工获得的奖励。矿工只有新建区块，才能获得奖励，这是很难的事情，所以无法伪造比特币。
- 它无法大批生成。原因跟上一条一样，比特币的发行速度是稳定的，现在每10分钟新增12.5个，然后每四年减半，最终停止增长。因此不会像纸币那样，政府滥发导致通货膨胀。
十、区块链在加密货币中的作用
区块链就是一个数据库，记载了所有的交易，用作中央记账系统，分布在无数个节点之上。
每笔交易的核心，就是一句话，比如"张三向李四转移了1个比特币"。为了证明这句话可信，张三为它加上了数字签名。任何人都可以用张三的公钥，证明这确实是张三本人的行为。另一方面，其他人无法伪造张三的数字签名，所以不可能伪造这笔交易。
矿工们收到这句话，首先验证数字签名的可信性，然后验证张三确实拥有这些比特币（每一笔交易都有上一笔交易的编号，用来查询比特币的来源）。验证通过以后，就着手把这句话写入区块链了。一旦写入区块链，所有人就都可以查询到，因此这笔比特币就被认为，从张三转移到了李四。
数字货币的本质，就是一条可信的数据库记录。数据库记录了你拥有了多少钱，由于这个记录可信，你就真的因此拥有了这笔购买力。
