比特币、挖矿、区块链

比特币、挖矿、区块链

1. 原理概述

比特币是第一个加密货币。类似比特币等加密货币，它们的支柱是一个去中心化的、无需信任的验证系统，它依赖数学和密码学。

加密货币的交易实体是一个账本（上的记录），货币的实体就是交易的历史（通过交易历史计算某个人的余额）。

对于账本上的一条记录，例如 A pays B 10$（A 支付给 B 10 美元），如何确保这条记录的可靠性？非对称加密，A 通过私钥加密记录信息，任何拥有 A 公钥的人都可以解密并验证该信息。并且为了防止他人复制该信息（例如 C 复制了多次 A 通过私钥加密后的消息，这样 C 虽然不知道 A 的私钥，但依然可以伪造 A 的消息），每条消息还会加上一个时间戳，确保相同记录间的唯一性。

另外，如果将账本保存在一个实体手中，那就不符合去中心化的要求，因为由单一实体保管账本，是不可信的，因此，在加密货币中，任何人都可以保管账本。对于一条消息是否可信，由大多数人决定（>50%）。

但是，对于保管账本的这些人，它们不会白白给我们保管账本，需要给他们一定的奖励。在这里，通过 “工作量证明” 来进行奖励。

工作量证明的原理是，对于用户 Alice 保管的账本，他需要进行计算，使得账本经过单项哈希计算后的二进制串的前 k 位为 0（例如 k=60），由于哈希计算是单向的。具体的，为了使得账本的哈希值前 60 位为 0，Alice 需要在账本添加一条记录（一个随机数），使得账本在添加随机数之后，哈希计算所得二进制串前 30bit 为 0。

在这里，Alice 只能暴力枚举这个随机数，对于 k=60 的情况，需要 \(2^{60}=1e18\) 次计算，这个计算量是很大的了。如果 Alice 成功计算出了这个随机数，我们就给与 Alice 一定的奖励：Alice 可以在帐本中添加一个记录（Block creator 1 gets 10 比特币），第一个发现新区块的人，也即该随机数的 1 号发现者获得 10 比特币。

获得该奖励记录的过程就是“挖矿”。所谓的“矿工”，就是接收交易信息，计算随机数获得区块（下文所提到的链表中的节点），把区块广播出去，

对于账本的历史记录，就通过这个随机数作为 ID 连接起来，每个账本需要记录 pre hash（pre 指针） 和 cur hash，就是一个链表，链表中的节点就是账本。在这里，链表节点就称为 block，这个链表就是 block-chain（区块链）。

对于使用这个加密货币系统的用户，它们不需要接受交易记录信息，只需要接受矿工们广播出来的区块（账本），然后更新到自己保存的区块链中即可。

如果此时接受的多个账本发生了冲突，就选择长度更长（链表节点更多）的区块，如果一样长，就都不接受，等待新的更长的区块。

问题是，信任最长的区块链是否可靠？

在这里，我们思考以下，在“信任最长的区块链”的标准下，如果我们想完成欺骗，要怎么做。在这里，我们假设 Alice 欺骗了 Bob：

• Alice 在最新的区块中添加一条欺骗信息：Alice pays Bob 100 比特币。但是 Alice 只将该区块发送给 Bob 而没有发送给其他人，这样其它矿工就无法得知该记录，也就是其他人不知道 Alice 花了 100 比特币。
• 此时，Bob 除了接受 Alice 发来的区块之外，依然会接受其它矿工发来的区块，根据 “信任最长的区块链” 原则，Alice 只有总是比其它矿工先计算出使得该区块的哈希值前 k 位为 0 的随机值才行。
  • Alice 广播的的区块链：... -> 最新区块 -> Alice添加了欺骗消息的区块
  • 其它矿工广播的区块链：... -> 最新区块
• 这样 Alice 的区块链才比其它矿工的区块链要长。
• 最核心的问题是，对于之后 Alice 广播给 Bob 的每个区块，它都要添加该欺骗消息并计算新的区块，一次两次还可能说碰运气（虽然也不可能），时间长了 Alice 肯定会露馅，因为要保证 Alice 的区块链总是比其它矿工的区块链要长，就要保证 Alice 计算出新区块的速度更快。否则， Alice 迟早会露馅。这就要求 Alice 的算力至少是该加密货币系统中总算力的 50%（不考虑小数），这显然是不可能的。

这也给我们一个启示，当我们接收到一个新区块时，它的可信度并不高，就如我们上面提到的，但如果后续我们由接收到了很多新区块，那么之前接收到的那个区块的可信度就比较高了，因为不会有人做到算力达到总算力的 50%。

不过，为了加速新区快的发现时间，加密货币系统会动态控制 k，使得新区快的平均发现时间在 10 分钟左右，这意味着，每 10 分钟只会有一个人获得奖励，当然，不同加密货币对数值的规定不同，这里讨论的是比特币。因此，随着挖矿的人越来越多，率先发现新区块的竞争压力也就越大，并且为了避免比特币贬值，随着发现的新区块的个数的增加，奖励也会减少。

在比特币中，每隔 4 年，也就是大约新发现 21w 个区块之后，奖励会减半，最初是 50 比特币，目前，每个区块的奖励是 12.5 比特币。根据上面提到的，210000(50+25+12.5+...)=21,000,000，也就是比特币的总数在 2100w。当然，这并不意味着，在比特币接近 2100w 时矿工们没有收入了。除了发现新区块的区块收入，矿工们也能获得手续费，具体而言，就是对于每一条用户添加的交易，需要支付一定的手续费，这份手续费属于第一个发现该区块的矿工。

2. 核心概念

Digital Signatures

The ledger is the currency：公共账本就是货币

Decentralize

Proof of work

Block chain

3. 参考

3Blue1Brown