区块链基础知识入门

一： 什么是区块链

区块链是什么？一句话概括，它是一种特殊的分布式数据库。

有两个功能：

• 存储信息，任何需要保存的信息，都可以写入区块链。
• 任何人都可以架设服务器，加入区块链网络，成为一个节点。区块链的世界里面，没有中心节点，每个节点都是平等的，都保存着整个数据库。你可以向任何一个节点，写入/读取数据，因为所有节点最后都会同步，保证区块链一致。

分布式数据库不是新产品，但是区块链有个革命性的特点就是去中心化，其他数据库都有管理员，但是区块链没有。如果有人想对区块链添加审核，是实现不了，因为它的设计目标就是防止出现居于中心地位的管理当局。因为无法管理，所以区块链无法被控制。

 

二：区块链组成

区块链是由一个个区块（block）组成。区块很像数据库的记录，每次写入数据，就是创建区块。

每个区块包含两个内容：

• 区块头（Head）：记录当前区块的特征值
• 区块体（Body）：实际数据

区块的结构图如上图所示。详情如下：

1）版本号（Version）

用来标识交易版本和所参照的规则。

2）前一区块哈希值

也称“父区块哈希值”，这个哈希值通过对前一个区块的区块头数据进行哈希计算（SHA256算法）得出，它的意义在于：每个新挖出的区块都按秩序接在前一个区块的后面。

3）默克尔根（Merkle Root）

在区块主体中，所有交易信息先进行两个一组的哈希计算，这种结构叫做Merkle树（Merkle Tree），而且是一棵倒挂的树。

如果一个区块里只有4笔交易，则默克尔树生成过程

最后的hash值就是区块头的Merkle根。Merkle树能够快速检验交易数据的完整性，即数据是否被篡改过。因为某笔中交易中的一个数据被篡改，都会改变最终的hash。

4）时间戳（Time）

记录这个区块生成的时间，精确到秒。每诞生一个新的区块，就会被盖上相应的时间戳，这样就能保证整条链上的区块都按照时间顺序进行排列。

5）难度值（Target_bits）

挖出该区块的难度目标。每产生2016个区块，数据区块运算难度会调整一次。比如，比特币区块链网络能够自动调整挖矿的难度，让矿工每10分钟才挖出一个区块。原本需要14天才能挖完2016块区块，但不知哪个天杀的突然弄来几台算力爆表的矿机，7天就搞定了，这就意味着到预定调整期的时候，挖矿难度会增加一倍。

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。目标值越小，挖矿就难挖，就是新区块的hash值要小于这个目标值（案例中的14484.162361）。一个hash 32bit的话，可以知道这个hash前面部分很多位数必须是0，即要找出类似 00000000000000000000000000000001 的hash。

6）随机数（Nonce）

前面说过，当前区块的哈希由区块头唯一决定。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，区块头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。

 

三：难度系数动态调整

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。

 

四：区块链分叉

即使区块链是可靠的，现在还有一个问题没有解决：如果两个人同时向区块链写入数据，也就是说，同时有两个区块加入，因为它们都连着前一个区块，就形成了分叉。这时应该采纳哪一个区块呢？

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。

 

总结：

1）区块是区块链的基本组成单元。

2）每个区块由区块头和区块主体组成，头小身大。

为了保证数据的可靠性，区块链也有自己的代价。一是效率，数据写入区块链，最少要等待十分钟，所有节点都同步数据，则需要更多的时间；二是能耗，区块的生成需要矿工进行无数无意义的计算，这是非常耗费能源的。

 

参考资料：

http://www.ruanyifeng.com/blog/2017/12/blockchain-tutorial.html

https://www.idcbest.com/idcnews/11001977.html