区块链和比特币（第 2 部分）

深入比特币原理

区块链技术

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到目前为止，我们对去中心化分类账的理想只实现了一半，但还没有完全实现。为什么？因为还有两个大问题没有解决。

第一个问题：账户同步问题。比特币网络中有很多笔记本。当然，在发送交易消息时，不可能所有笔记本都打开。其中一些必须离线。打开笔记本时，可能无法打开比特币客户端。一些笔记本没有立即收到此消息。这将导致不同笔记本上的记录不同步。谁的笔记本记录受制于？

第二个问题：如何避免同一个比特币被重复使用？如果有黑客，他只有一个比特币，但是​​他同时把这个比特币支付给A和B（虽然理论上不可能同时是真实的，但是间隔可以很短），所以会网上广播两条信息，一条是支付给A的信息，一条是支付给B的信息。由于网速的原因，有的笔记本必须先接收信息1，有的笔记本要先接收信息2，这样形成矛盾。 ，如何判断哪条信息有效？

为了解决以上两个困境，区块链技术应运而生。

中本聪的论文真正在世界掀起了一场大风暴，并不是​​因为上一节介绍的比特币的基本工作原理——数字指纹和非对称加密都是成熟的技术，真正让他一战成名的是区块链技术但请记住：比特币不是区块链，它只是区块链技术的具体应用。

究竟什么是区块链？它是如何巧妙解决账本同步、信息不重复的问题？

中本聪的总体思路如下：比特币网络中的所有笔记本都只识别一个且只识别一个账本。当任何笔记本连接到比特币网络时，它必须首先同步这本书。唯一的账本，任何笔记本想要在这本账本上写入新的信息，都必须完成一套复杂的“程序”，这套程序复杂到几乎不可能同时完成两次，甚至如果确实发生了。巧合的是，它同时做了两次甚至多次，而且还有一个规则来判断哪些信息是合法的，哪些应该被丢弃。

让我一步步为你揭开区块链技术的面纱。

为什么叫“区块链”？因为中本聪将这个账本设计成一条“信息包”首尾相连的长链，每个信息包被称为一个“区块”，而这些区块中的每一个都有一个唯一的编号——在比特币系统中，这些数字被称为高度，而这些数字是自然数1、2、3、4...一路向下，没有跳跃，也没有中断和重复。

块的具体规则解释如下。

第一个区块实际上是由区块链的发明者中本聪于北京时间 2009 年 1 月 4 日在芬兰赫尔辛基的一台大型服务器上创建的。一个区块诞生了，也被称为“创世区块”。在这个区块上，包含的主要信息是：

块高度：0

《泰晤士报》2009 年 1 月 3 日，财政大臣即将对银行进行第二次救助

（译文：《泰晤士报》，2009年1月3日，头版文章标题：财长面临第二个困境，为建行提供紧急救治）

“某账号”获得50比特币奖励

中间一段是中本聪刻在第一块的记忆。从第二个区块开始，每个后续区块都必须严格按照比特币系统的规则创建。 区块的规则是（至少包括以下信息）：

前一个区块的数字指纹

+

固定信息

+

收到的交易记录

+

一个随机数

区块链的一个奥秘在于尾部加了这个随机数（nonce），因为它真的很神秘，让我和其他普通人只能享受它，所以我之前称它为“奥林匹克号”来解释很方便。

中本聪规定这个新区块的数字指纹（一个256位二进制数）的前72位必须全为0。

回想一下我们在上面学到的关于数字指纹的知识。因为 SHA 计算的指纹是一组没有规则可循的数字，所以满足中本聪变态规则的唯一方法就是靠运气补奥运号码，从 0 开始不断尝试，直到满足要求。这是一个纯粹的机会问题。让我们计算一下满足这个要求的概率。

因为二进制数，每个位只有两种可能，0或1，所以组成一个奥数的概率是2的1/72次方，即：

1/4722366482869645213696

这个数字已经太长了，看不出来，大概是4.万亿分之七。也就是说，平均需要 4.7 万亿次 SHA 估计才能得到一个奥数，可见每个奥数的珍贵。

最巧妙的是，奥数不是某个多项式的解。解是一比一，因为每个积木的字符串都不一样，所以每次找奥数都需要从0开始，任何数字都有可能成为新的奥数，绝对没有规则跟随。

一旦成功查到奥数，即获得记账权，可在账簿中添加新区块。那么，为什么要花时间寻找奥林匹克运动会并保存书籍呢？因为它非常有用。

比特币系统规定，每成功下一个区块，这个记账本（实际上是一个账户）将奖励12.5个比特币（以撰写本文时的奖金金额为准） ，以及此区块中所有交易的费用，具体取决于交易频率（平均约为 2 BTC）。这样，每找到一个奥林匹亚选手，就相当于获得14.5比特币奖励，按照撰写本文时的比特币市场价格，相当于120,000美元。如此丰厚的奖励，自然会引来大量笔记本抢占会计权。

找奥赛就是抢账权，抢账权就是挖比特币。

因此，寻找奥赛也形象地称为“挖矿”。一台挖矿笔记本被称为“矿机”，而装满矿机的卧室其实可以称为“矿机”。矿主就是“矿工”，他们是比特币领域的引领者。

但是，我需要向你解释一下挖矿的难度，让你摆脱挖矿的冲动。个人电脑的计算速度约为每秒 600,000 次 SHA 计算，这意味着个人笔记本平均需要 1000 万年才能算出一个奥术数字。当然，这是一个概率估计，我从理论上不能排除某人的人格超新星爆炸，以及赢得 4. 7 万亿美元奖金的几率只是一场奥赛。但我还是要劝你不要相信自己有那样的命运。

向您展示专业矿山是什么样的：

一个小型比特币矿场。

大型矿场听说有几万甚至几十万台矿机同时运行。 2017年6月17日，记者在《看新闻》的一篇新闻文章中看到，记者采访了位于中国重庆的一家矿场。据介绍，这个矿场有5000多台矿机，规模不大，平均每晚用电量超过20万度，当地水价30分钱一度，单是水费就多了一天6万元以上。平均每晚能挖出50个左右的比特币，一年左右就可以还清，以后还可以做。大约 20% 的收益。

但是我觉得这个报告的数据不一致，所以查了一下。当时比特币的市场价格约为每人2500美元，美元兑人民币汇率约为6.8。因此，日收入约85万元，年收入约3.1亿元，一台矿机的单位成本为1万至2万元，矿场的矿机总成本为5000万元到1亿元，就算包括水费等，一年也至少有2亿元的收入。

在充分的市场竞争中，获得这些巨额利润的可能性太低了。因此，要么是记者搞错了，要么是被采访者吹嘘自己不做草稿。由于比特币价格和全网算力波动较大，很难对投资比特币矿场做出常年预测，不确定的激励因素太多。

根据我们上面掌握的比特币知识，50个比特币相当于找了4个奥数，抢了4个记账权。目前，整个比特币网络中的所有矿工，加上最终能达到的等级，平均每10分钟左右可以找到一个奥林匹亚人，也就是说平均每10分钟就会产生一个新的区块。当然，这 10 分钟是一个平均数字。快的话三四分钟就会出块，慢的话大概15分钟左右。

因为奥赛太难找了，平均每个区块生成一个需要10分钟，所以基本可以解决本节开头提出的第一个问题“如何同步账本”，如只要有三四分钟的时间，就足以将所有在线笔记本同步到这个区块。那些没有上线的notebook或者第一次运行客户端的notebook，上线后必须做一件事，就是从相邻节点获取最新的更新。的账簿。

请注意，我使用了“基本解决”这个词，意思是“账本同步”问题并没有完全解决。这是因为两个矿工同时找到奥林匹亚号（只要网络上所有在线节点都没有完成区块链同步）找到奥林匹亚号的几率总是很小，这意味着他们有同时抢占了会计权。 因为矿机太多，这样的小概率风暴往往会发生一次，同时抢占记账权的矿机可以将自己产生的新区块广播到比特币网络。

比特币系统如何处理这些情况？

在这种情况下，相当于网络上的其他节点接收到两个合法的新区块，因为网络节点的地理分布不同，所以不同的节点接收到这两个新区块。顺序会有所不同。此时，所有节点都会临时预留两个新区块，并对区块链进行临时分叉，如下图所示：

接下来，比特币网络中的一个节点（矿工）必然会抢占记账权。此时，节点会将最新生成的区块连接到其中一个分支，即新区域。区块 1，还是新的区块 2？系统规则是：本节点先接收到那个块，再接收到那个块，同时丢弃另一个块，然后向全网广播，如下图所示：

比特币网络上的所有节点在收到最新的区块链后，一旦发现一个分支比另一个长两个块，就会立即丢弃短分支。简而言之，比特币网络将永远只识别较长的分支。

你可能会想，如果小概率风暴再次发生，在区块链第一次分叉后，同时形成两个新区块，同时形成两个新区块。在不同的分支上，此时其他节点收到的区块链仍然是两条长度相同的分支，怎么办？这很容易处理。这是相同的规则。只要分支长度相同，就暂时保留。当两个分支的长度不同时，短于两个块的将被丢弃，而较长的则被保留。该废弃分支中的所有交易和比特币奖励都将失效。

由于这个临时分叉规则，比特币玩家完成一笔交易后，并不能立即感觉到交易成功，可能会被取消。新区块生成后，如果交易仍未取消，则可以确定交易成功。那么要等多少新区块才能放心呢？

按照概率，小交易形成三个新区块就够了，但是对于大交易，为了更安全，我一般觉得等到六个新区块形成就够了。前面说过，每个区块形成的平均时间是10分钟，也就是说大笔交易确认交易成功大约需要一个小时。

但小额交易通常需要更长的时间才能确认比特币与矿机是啥关系，甚至需要几天时间。听到这里你可能会有些疑惑，你刚才不是说小额交易通常只需要三个新区块就可以形成吗？如何确认时间会更长？在比特币网络的最初几年，这样的奇迹并没有发生，但随着近年来交易量的激增，这些奇迹将会出现。为什么？先回忆一下各个区块的规则：

前一个区块的数字指纹

+

固定信息

+

收到的交易记录

+

奥运会

你的交易记录要上链有一个先决条件：矿工将你的交易记录打包到这个区块中。您可能想知道：为什么不打包呢？系统规则还允许不打包吗？如果包成功了，那你不是还要给矿工收税吗？矿工们终于抢到了订书权，不挣钱怎么可能有钱？

是的，允许拆包。原因不是矿工不想赚钱，而是“不可抗力”。关键问题是每个块中允许存储的数据量是有限的。中本聪曾在设计比特币系统时规定，每个区块最多只能有1MB，一个交易记录大约0.25KB，那么一个区块最多可以存储4000多条交易记录。在新区块形成期间，如果有超过 4000 个交易请求，它肯定不会存活。

我们可以计算一下，这个数量是关于交易频率的，每个区块的平均形成时间是 10 分钟，也就是说如果每秒平均交易量超过 7 ，那么肯定会有交易记录排队打包。此交易的频率太低。要知道，支付宝每秒可以处理数万笔交易。这一秒的七笔交易对世界来说真的不够。

一般情况下，大额交易先打包，小额交易中手续费较高的交易先打包。矿工在打包规则上有一定的自主权。比特币交易费用的规则更为复杂。不同的矿工收取不同的费用。这不是几句话就能解释的，但有一件事可能会让你感到更欣慰。交易量越大，费用越低，甚至免费。交易金额越小，手续费越高。这是因为交易费不仅可以鼓励矿工挖矿，还有一个很重要的作用，就是防止有人恶意发布大量小额交易，造成交通堵塞。

如今，比特币交易卡顿的现象非常普遍，很多小额交易几天后都无法确认。因此，很多人不惜加高交易费用让矿工早日更换。他们打包。

到此，区块链的核心原理就讲完了。关键要记住，借助区块链技术，中本聪巧妙地解决了账本同步和信息不重复的问题。最终实现了去中心化账本的理想。

我认为学习知识的最佳方式是通过提问来学习。在学习的过程中，先掌握知识的主干，如果还有兴趣，再去了解一下这些分支和分支。以上三个部分，第一部分是给大家提问题，第三部分二、是比特币和区块链知识的骨干。如果你已经消化了，可以继续阅读下一节了解一些分支。

比特币知识点

·如何保证比特币的产出率大致恒定？

比特币的产出率本质上就是找到奥数的速度。当前的奥运号码要求所有前 72 位数字为零。如果把72改成73，那么奥数的查找难度立马翻倍。 ，同理，如果从72降低到71，难度会减半。因此，系统只需要根据全网平均算力来调整奥赛的规则，就可以做到非常简单。目前的规则是，每2016个新区块形成后，根据新区块的平均算力调整难度。我们也注意到这个调整是粗略的，只能加倍或减半。

·为什么比特币的总数上限是2100万？

这个总限制是人为的。中本聪设计的规则如下：每210000个区块后，币奖励减半比特币与矿机是啥关系，奖励初始值为50比特币，于是北京时间2009年1月4日，中本聪本人创造了第一个创世区块，他奖励了自己 50 个比特币。按照10分钟平均出块速度，每四个晚上减半。

第一次减半发生在上海时间2012年11月29日7点24分，第21万个区块诞生，比特币奖励减少到25个。北京时间2016年7月10日0点46分，第 420,000 个区块诞生。这一次，间隔大约是两年零七个月。比特币奖励再次减半，变为现在的 12.@ >5。

知道了这个规则，我们就可以很容易地根据当前区块高度估计已经挖出的比特币总数。在撰写本文时，比特币的总数约为 1687 万。按照这样的半衰期，2140左右，比特币的产值会趋于零，上限是2100万，实际上不可能达到2100万。比特币允许交易的最小单位是0.00000001 (10^(-8)) 个比特币，这个最小值也称为“one satoshi”，是脚本支持的最小数值精度因此，比特币的总上限为 2100 万亿聪。

为什么中本聪人为地设置了总上限？因为他的理想是创造一种不能被滥用的货币，因此理论上可以完全阻止恶性通货膨胀。这些理想能否因为上限而实现，是经济学的问题。我没有能力谈论它。我只知道在经济学里，通货膨胀和通货紧缩同样可怕。是的。

你可能马上会想到另一个问题：如果比特币不再获得奖励，谁来挖矿？别忘了，还有交易费奖励，虽然比特币奖励不断，但是交易费的奖励在不断减少，还是会有人愿意挖的。而且挖矿难度也可以动态调整，总能调整到一个相对平衡的状态。

区块链技术的未来前景

比特币的未来前景不是我想讨论的。我在上一篇文章中反复指出，比特币只是区块链“去中心化概念”的具体应用。有一些先天缺陷。只能说是优秀的应用，不是成功的应用。很难说它最终会成功。

从宏观上看，目前主要是投资性房产，承认货币性房产的国家只有英国和爱尔兰。

但区块链的未来无疑是光明的，这是下一个互联网概念。创新。区块链技术在日常生活中还能应用到哪些场景？让我们想象一下，例如，手动驾驶+区块链可以成为滴滴的梦想。

基于区块链技术，开发了“智能合约”，这也是区块链技术未来最大的应用前景之一。所谓智能合约，就是保证合约可以手动完成，不需要中介，不用担心违约。合约的支付方式是数字货币，合约的条件和执行都是智能的。

例如，如果我买了一辆车，这辆车是手动从鞋厂开到我家的。我用指纹或者人脸开车，合约是手动执行，数字货币支付给车厂，这才是真正的“没有中间人赚差价”。有了手动驾驶和智能合约，你还需要滴滴打车吗？不需要，汽车和客户完全可以通过基于区块链技术的软件手动匹配。

未来，区块链技术很可能在人类社会的各个领域发挥举足轻重的作用。以下是全球科学2018年2月刊中提到的应用场景：

金融机构：建行和世界各地的投资机构都在研究和推广区块链项目。自2012年成立以来，处理建行e)之间国际交易的区块链系统瑞普尔（Rippl）发展良好。 Bloom 等初创公司正准备使用区块链进行信用报告，希望避免像 Equifax（美国信用局）黑客攻击那样的数据泄露。

政府：美国特拉华州和伊利诺伊州使用分布式分类账来收集出生证明，而佛蒙特州的一项法律允许使用区块链技术来验证法律文件的真实性。迪拜将区块链整合到多项行政服务中，例如获得许可。 2016年，突尼斯开始通过区块链发行一种名为eDinar的电子法定货币。

Technology Entrepreneur：以太坊网络就像是区块链初创公司的应用商店，其目的是支持新的应用程序，不像比特币，它只是一个电子现金生态系统。现在，有数百个项目和企业在这个网络上运行。一个著名的项目名为 WePower，旨在使房主能够直接相互买卖可再生能源（例如屋顶太阳能电池板的电力）。

版权和知识产权所有者：英国音乐家 Imogen Heap 创立了 Mycelia 技术孵化器，用于跟踪有关创意作品的元数据，无需 iTunes 中间商。

非营利和援助组织：BitGive 基金会正在使用区块链技术来加强对慈善销售的问责。联合国世界粮食计划署正在使用区块链技术来简化对伊朗和叙利亚难民的跟踪和提供援助。

学术机构：忘掉纸质文凭吧，blockcert项目希望提高各种学位证书和专业证书的可信度和共享性。

资产管理公司：总部位于多伦多的区块链公司 Everledger 瞄准砌体行业，使用区块链记录每个砌体的属性和出处。葡萄酒和艺术品也可以被追踪。

记者：为了打击虚假新闻，Civil（分散式新闻市场）为记者提供了一个平台，可以创建不受外部利益（如日本、Facebook）影响的无广告、不可修改的新闻，并得到读者的大力支持.

普通人群：对于寄钱回家的移民工人来说，使用比特币转账比使用西联汇款更便宜。正是由于这个原因，现在美国和加拿大之间大约 20% 的国际转账都依赖于比特币。

根据普华永道预测，到 2020 年，全球 77% 的金融服务行业将采用区块链作为生产系统或流程的一部分。

根据世界经济论坛 2015 年的一份调查报告，预计到 2025 年，全球 10% 的 GDP 将存储在基于区块链的技术中。

结论

1973 年，最初隶属于日本军方的计算机网络 Arpanet 向世界开放。从此，互联网诞生了。今天，它是人类社会的血管。

1991 年，第一个网页在 CERN 诞生。这是创造互联网生活的时刻。如今，很难找到不受其影响的个人和组织。

2008年11月1日，中本聪发表论文《比特币：一种点对点的电子现金系统》（Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System），区块链技术（idea）诞生了。 2008年党是否会像1973年和1991年一样在人类历史上变得重要，目前还很难确定，但很有可能。

没有人能准确预测未来。希望这篇文章能给明天的战略家、企业家和学生提供一点参考和启发。

（感谢冯大辉先生审阅本文。）

（作者王杰为科普诗人，本文原期为《独库1802》，首发于微信公众号“独库”（ID：dukubook），本文经授权重新发布。）