区块链入门笔记

最近了解了一些区块链的东西，动了一些深入了解的心思。

了解的过程中会不断补充和完善这篇文章，理解的不一定对，随意看看得了，每篇文章都会把阅读过的资料列出来，也方便大家去源头看看。

区块链（blockchain）

区块链是什么？

一句话，它是一种特殊的分布式数据库

这句定义中有两个关键词分布式和数据库.

首先，我们可以把区块链看成是数据库，但是这个数据库并没有管理员，也没有中心，每个应用链的人，都具有平等的权利。

区块

区块链是由一个个的区块(block)组成的, 每个区块可以看做是一个存储数据的单元，每写入一次数据，就会新建一个区块，一个一个区块连接起来，就成了链状。

每个区块分成两个部分：

• 区块头(Block Head)

  包含了当前区块的基本信息，包括 生成时间, 区块体的 hash 值, 上一个区块的 hash 等信息。

  区块的 hash 就是根据区块头的内容来生成的。

• 区块体(Block Body)

  区块体就是所含数据的真实内容

hash

区块的根本是源于 hash, 如果把区块链想象成一个真实的链状结构的话，那么 hash 就是每个元素之间的连接点。

hash 的特征

关于 hash 的详尽定义，可以在 wikipedia中查看，这里简单总结一下 hash 的特征：

1. 如果两个 hash 是不相同的（根据同一函数），那么这两个 hash 的原始输入也是不相同的
2. hash 的输入和输出不是唯一对应关系的，如果两个 hash 值相同，两个输入值很可能是相同的，但也可能不同，这是由具体的 hash 计算方法决定的

hash 在区块链中的应用

区块的内容与 hash 是一一对应的，每个区块的 hash 值都是不同的。同时，每一个区块又都保存着上一个区块的 hash 值。

按照这个逻辑，如果一个区块的 hash 值变了的话，那么它之后的每一个区块的 hash 值都需要进行更新。

进而延伸一下，如果有人想更新某一区块上的内容，那么他必须有能力依次更新这个区块后面所有区块的 hash 值才行，否则的话，被更新的区块就会脱离整个链了。由于更新区块 hash 的计算很复杂且耗时，所以除非掌握了全网 50% 以上的运算能力，否则更新某一区块的行为根本不可能成功。

正是通过这种环环相扣的机制，区块链才可以保证自身数据的不可修改的特性。

区块链是如何运行的

挖矿

由于区块链是一条单一的链，每个区块都依赖于上一个区块，所以同一时间，只能向链上添加一个区块。

又由于必须保证各个节点间的同步，所以添加完一个区块，各个节点又必须进行同步。

也就是说，假设节点 A 正忙着生成新的区块，突然收到消息:“B 已经在链上添加了一个区块！”。这个时候 A 之前做的计算就都白做了，又得基于 B 新添加的节点，重新刚才的计算。并且计算的过程中，还会有类似的事情发生。

上面我们说过，在区块链的运行机制中，通过区块自身的 hash 来判断当前区块是否可以被加入到链上。

同时，为了使区块的添加速率趋于平均（比特币的设计是大约10分钟生成一个新的区块），并不是随便一个新建的区块都可以被添加到链上。

通常会设置一个准入条件，只有符合该条件的区块，才可以被添加到链上，设计者通过设置海量的计算，来使计算满足加入条件的区块 hash 值变得非常困难，这个过程就叫做挖矿，也叫（mining）, 继续挖矿计算的机器, 我们就叫做矿机, 操作机器的人(其实是程序), 我们就叫做矿工。

用 js 代码运行一下简单的挖矿机制

首先，每一个区块，我们可以看成是由这几部分组成：

这是我们这个链上的第一个区块，这个区块包括了这样几个信息

• index: 区块的 index 值, 这里应该是 0
• previous hash: 前一个区块的 hash
• timestamp: 区块创建时的时间戳
• data: 区块包含的数据内容
• hash: 区块本身的 hash
• nonce: 计算区块 hash 的难度系数

我们先假定这个区块的名字是 A, 接下来,我们在它后面再添加个区块 B.

那么我的这个 B 将包含以下这些信息：

• index: 1
• previous hash: 也就是 A 的 hash
• timestamp
• data: I love Blockchain
• hash: ?
• nonce: ?

如果要将 B 添加到链上，那么我们接下来的工作就是计算出 hash 和 nonce 的值，

那么就假设我们计算 hash 的算法是这样的：

CryptoJS.SHA256(index + previousHash + timestamp + data + nonce)

接下来我们来计算这个 hash 值是否是一个准入的 hash, 代码如下：

function isValidHashDifficulty(hash, difficulty) {
  for (var i = 0, b = hash.length; i < b; i ++) {
      if (hash[i] !== '0') {
          break;
      }
  }
  return i >= difficulty;
}

我们这里的准入条件为 hash 中连续不为 0 的值必须不小于 difficulty.

参数中的 difficulty, 也可以称为难度系数, 通过这个系数的动态调整，可以维持新增区块的平均速率。

另外，我们上面计算 hash 的算法中 index, previousHash, timestamp 和 data 都是固定的，所以重复计算出来的 hash 值也应该是一样的，为了使每次计算出的 hash 不同, nonce被设计成了一个变化的值, 通过 nonce值的变化, 计算出不同的 hash, 从而判断 hash 值是否符合准入条件, 用代码表示的话. 就是这样：

let nonce = 0;
let hash;
let input;
while(!isValidHashDifficulty(hash, difficulty)) {     
  nonce = nonce + 1;
  input = index + previousHash + timestamp + data + nonce;
  hash = CryptoJS.SHA256(input)
}

看到这里, 我们可以发现, 其实矿工的工作就是去猜nonce的值, 因为这个值很大, 所以计算难道也就比较大, 挖矿也就成了一件费时费力的事情。

相应的, 既然挖矿是如此费时费力的一件事, 那么矿工也不会是义务劳动的, 矿工获得的相应收益, 会在下一部分 比特币 中, 以比特币的运行规则来描述一下。

Reference

• 区块链入门教程
• How does blockchain really work? I built an app to show you
• Ethereum for web developers