15分钟参透比特币和区块链

区块链就是比特币世界这个村子的账本，谁挖到矿，谁就有权在这个账本翻开新的一页，并在新的一页记下“X年X日，本村某某挖矿得到比特币一枚，并得到奖励的手续费若干”。

比特币又火了。为什么要说又呢？因为比特币在 2013 年已经火过一次了。这次与 2013 年相同的是，比特币的价格一路飙升，让人咂舌。与 2013 年不同的是，这次人们不仅仅关注比特币的价格，也开始关注比特币背后的技术——区块链。

一夜之间，区块链从舞台背后站到了聚光灯下，成为了人们追捧的热点。物流、医药、版权…好像哪都可以凭借区块链脱胎换骨。那么，这么神奇的技术，到底是怎么回事？

本文就以最通俗的语言，不涉及任何高等数学和计算机知识，来介绍一下比特币和区块链系统。

说到区块链就不得不说比特币，比特币是区块链技术最好的载体，所以本文就以比特币为例来介绍区块链。

比特币很牛，牛在两个特点：去中心化、电子货币。

别小瞧这两点，这两点同时存在可不是一件容易事儿。

首先来说说去中心化，通常去中心化的货币一般都要追溯到很久以前了，远古时代人们自发地使用贝壳、石子做为雏形货币进行交易，这时候的货币可以看作是去中心化的货币——无需中央银行来组织发行、确认交易合法性。

但是使用这类货币的弊端也不必我多说，货币供给不稳定，取决于每年的贝类产量；货币质量不一，有的大有的小，有的是花蛤有的是文蛤；交易很繁琐，大宗交易动不动就要好几车的贝壳，这么多货币运来运去还容易被抢劫。

于是货币进化，信用货币时代到来，货币成了银行账户里的数字，上面的问题都解决了，但是我们必须需要银行来控制货币的发行、防伪，来进行交易结算，我们的财产权全掌握在了银行的手中。银行喜欢动不动搞点QE放点水，我们银行卡里的钱越来越贬值。

这时候，我们就希望能有一种货币，既能像使用贝壳一样无需银行插手，又能符合当前信息时代对货币功能的需求。于是，集这两种特点于一身的比特币诞生了。

比特币的基本原理

做为一种货币，通常就要满足几个特点：得有人发行它，得能持有它，人与人之间可以互相交换它。

持有

持有比特币非常简单，只要有一个收款地址，就可以持有比特币并接受比特币。所持有的比特币数量只是这个地址下的一个数字。

有人会问，这不跟银行账户一样么，确实很像，但实质又很不一样。银行系统是一个中心化的系统，账户的余额是由银行说了算的，哪天银行系统出错余额变成0，那你就真的从ATM机里取不出钱。

比特币不使用这种权威的中心机构，又需要一个稳定的记账系统，所以解决办法是每一个“矿工”都把比特币世界发生过的所有交易记录存在自己的硬盘上。有了全部的交易记录，推算每个人有多少余额也就很容易了。这个被保存在所有人电脑里的交易记录，学名就是区块链。黑客可以黑掉一些人保存的区块链，但是他做不到黑掉全世界大部分人，只要有大部分仍保存着正确的区块链，那么整个系统就可以通过纠错重新恢复正常。

就像打麻将时，我们有时候用记账方式来记录每回合的应收应付，比特币世界也通过记账来交易，每发生一笔交易都会公之于众，然后大家把这笔交易记录在自己的小账本上，这样每家有多少钱，大家在自己的小账本上都能查清楚。只不过当记账由4个人变成全比特币世界的村民时，这就需要一个稍微复杂点的系统了。

发行

再来看看发行。我们先看纸币是怎么发行的，很简单，央行开动印刷机，一瞬间出现大把“毛爷爷”。而做为一种去中心化的电子货币，比特币是没有央行的，那怎么发行呢？

比特币规定，人们可以去解答一个困难的问题，谁最先答出来，谁就可以发行一块比特币，也就是我们所谓的“挖矿”。

这个困难的问题是什么呢？是哈希(hashing)的问题。哈希是一个函数F，对输入X进行一些运算来得到哈希值Y。就是咱们高中学过的Y = F(X)。比特币让你解答的问题就是，告诉你哈希值Y和F，求X。

这时候你会说了，这不就是个反函数的事么。抱歉，哈希函数这个函数比较特殊，找不到合适的反函数，要想求出X，唯一的方法就是一个一个数来试，把每一个数都代入到F里，看看结果是不是Y，如果恰好蒙对了，那也就把这个问题解答出来了。

所以说所谓的货币发行、挖矿，实际上就是一帮人在用最好的计算机来撞大运蒙这个数。当一名矿工蒙对X后，也就是挖到矿后，他就获得了在原有的区块链末端创造一个新的交易区块的权利，在这个新创建的交易区块上，这位矿工可以附带一个由比特币世界作为付款人，收款人是任何人交易，这样，他就通过这个交易，创造并发行了一枚比特币。

区块链就是由一串交易区块组成的。我们来看看交易区块上包含什么。

一个交易区块会显示谁是它的父区块，包含本区块上的交易记录，以及本区块的哈希值。

这样，随着矿工们不断挖矿创建新的交易区块，一个接一个的区块就串成了一串，成为了名副其实的区块链！在比特币世界中，由于某些原因，区块链会发生分叉（为什么会分叉下文会提到），因而比特币世界规定：唯一合法的区块链是当前最长的区块链。

区块链就是比特币世界这个村子的账本，谁挖到矿，谁就有权在这个账本翻开新的一页，并在新的一页记下“X年X日，本村某某挖矿得到比特币一枚，并得到奖励的手续费若干”。这个账本很特殊，并不是由村支书管理，而是所有的村民人手一本，谁挖到矿以后，都可以自己翻页记账，并让全村人按照同样的方式做，以保证全村所有人的账本一致。当全村人的账本出现不一致时，规定谁家的账本最长就听谁的。

发行

比特币的关键点在于交易。对于一个去中心化的电子货币系统，交易是很有风险的。想象一下，你和另一个人的电子货币交易就类似于打欠条，而且这个欠条没有第三方公证人。如果其中一方突然翻脸，欠条的有效性是很难保障的。

由于不能使用类似银行结算中心的第三方公证人（使用了就是中心化系统了），所以比特币干脆就让全世界人做为公证人。

所有比特币的交易都不能偷偷摸摸进行，都需要将这笔交易通过互联网广播到全世界。如果C想给B 0.5个比特币，会向全世界广播“C给了B 0.5个比特币！”，这时所有挖矿的矿工们，会把这条交易记录加到他们正在挖的这个交易区块中。

他们为什么要加呢？因为当矿工挖出矿时，除了规定奖励的一枚比特币外，每加多一条交易记录，还会额外再多给一点点手续费。蚊子肉也是肉，辛勤的矿工们没有不喜欢的。

在把交易记录加到区块的过程中，矿工们首先会验证一下这笔交易合不合法，也就是查查村里的账本，当C名下货币不足0.5个时，这条交易记录就会被拒绝加入到区块中。

加入到区块中并不代表交易已经成功，只有当包含这个交易记录的区块的随机数X被某位矿工发现，并创造了新的交易区块链接在当前区块后，才能被认为是合法交易，这条交易记录也就成为被验证的交易。

B可能会问了，那也就是说C发了给我钱的广播后，我还不能马上确定我是不是收到钱了啊？

没错，C发广播，只相当于C站在村口朝全村人喊了一句 “我给B 五毛钱！”，只有当全村的人都听见，把这件事都记在了个自账本上，并且记下这件事的那页被矿工翻过去以后，B的户头上多了五毛钱这件事才真正得到了全村村民的认可。由于参与比特币挖矿的矿工众多，通常每笔交易所需的验证时间是非常短的，不会给交易带来延迟感。

由此比特币的发行和交易首尾相连扣在了一起。交易通过发布广播的形式进行，矿工们听到广播后把交易写在交易区块中；矿工们通过挖矿来确认历史交易的完成，并由此创建新的区块，延长区块链，发行新的比特币。

区块链的分叉

之前提到了区块链的分叉。为什么区块链会发生分叉呢？原因就在于去中心化。

没有中心，大家都各自维护账本，因此受困于网络的延时、交流的不充分，难免有出现分歧的时候。

举两个例子，一个是在挖矿时容易出现的问题：矿工B蒙对了随机数，挖矿成功，延长了区块链，注意，此时矿工B延长的区块链仅仅是自己的，其他人还都不知道这件事。当然，矿工B马上向全世界发布挖矿成功的消息，让大家按照他的方式延长区块链。

但是这时，另一位矿工C也蒙对了随机数，他或者因为网速延迟还没听到B的广播，或者听到广播但不甘心，存心想破坏规则，于是他也把自己的区块链延长了，并开始向全世界发广播。

因为网速的延迟，并不是所有人都先听到B的广播，此时就会出现一部分人按照B的指示更新区块链，一部分人按照C的指示更新区块链，而且因为网速的延迟，大家没办法确定到底是B还是C先发布的广播，从而引起区块链分叉。

就好比村里两位矿工B和C分别住在村东和村西，B和C差不多在同一时间挖矿成功，把自家账本翻页，在新的一页写下属于自己的宣言“X年X月，本村B(C)挖矿得到比特币一枚”，并开始向全村大喊让全村人翻页并写下这句话。由于他们分别住在村子的两头，结果村东头的人先听到B大喊于是按找B的话记账，村西头的人先听到C大喊于是按照C的话记账，导致全村的账本此时出现了两个版本。

第二种情况是双重交易，B与C进行交易，发布广播宣布付给C一枚比特币，但是B同时还跟D勾搭，几乎同时又发布广播宣布付给D一枚比特币，更糟糕的是，B宣布付出的是同一枚。

跟第一种情况一样，由于网速问题，一部分矿工先听到B与C交易的广播，并将这条交易记录计入到当前交易区块中，后听到B与D的交易，并判定不合法，拒不添加到交易区块。而另一部分矿工正相反，只把B与D的交易添加到交易区块中。

这两种情况并不是罕见的，由于比特币世界由全世界各地的人参与，有的地区用的是100M光宽带，有的地方用的是56K拨号上网，网速千差万别，而且又有很多人心怀不轨，存心作恶，因此区块链分叉几乎时时刻刻都在发生。此时，比特币世界的最高原则就起作用了：唯一合法的区块链是当前最长的区块链。

可是就上面两种分叉的情况来看，此时分叉的两个区块链一样长啊？没关系，这两条都合法，也都不合法，咱们搁置争议，继续开挖，看谁挖得快，谁先再蒙对新的X，让自己的区块链再进一步，谁的区块链就变成最长，也就成了唯一合法的了。这么一听，怎么感觉这个区块链系统这么随意，有些不靠谱的样子啊，如果大家都不守规则，随意分叉，世界岂不乱套。

别急，接下来咱们通过分析会发现，最终区块链肯定会恢复成稳定的一条。

让我们回到第一个情况矿工B和矿工C分歧问题中，假设B的链条再进一步，成为了最长链条，这条链条也就成为比特币世界认定的合法链条。此时C有两个选择，一是放弃努力，乖乖的扔掉自己的区块链，使用B的。另一种选择是不甘心失败，扔坚持自己的区块链，希望自己能很快继续追平B并反超。

选择前者是大家都开心的，比特币世界的区块链从此统一，选择后者实际上继续让区块链保持分叉状态。那么从理性角度，C应该如何做呢？实际上C此时应该果断放弃自己的链条。

我们可以分析一下，当B和C的链条分叉时，此时比特币世界存在4种矿工、两种势力，B和拥护B的吃瓜矿工，C和拥护C的吃瓜矿工。此时B势力与C势力大体相当，所以大家各挖各的。

当B势力先一步延长了B的链条后，此时C势力就会发生分化，绝大部分拥护C的吃瓜群众只要听到B链条延长的消息，马上会转投到B链条上，因为此时B链条更长，在更长的链条上继续挖矿显然更有前途。势力马上发生逆转，C会尴尬地发现，全世界都在与他为敌（哭）。所以C不得不放弃。

当然，假设是C的势力先延长了区块链，那么情形正好相反，全世界的矿工都会马上投入C的怀抱。尽管可能确实是B先挖到的矿，但此时B也不得不选择放弃自己的那条已经无人问津的区块链。按照这种理性的假设，全世界大部分矿工都会安分守己的选择在最长的链条上工作，所以偶尔的分叉也不是什么大不了的事。

当然仍存在一种极端情况，即B或C一个人的算力超过全世界算力的50%，这时候他们凭借一己之力就有可能反超。但是事实上，由于全世界都在参与，很难有人或组织有这么强的算力，其次即使C有这么强的算力，他老老实实地在最长链条上挖矿就好了，也没必要硬刚全世界，非要显示霸权只会让全世界都不陪他玩了，最后比特币失去价值，C损失更大。

上面所说的第二种分叉情况的解决办法与第一种情况同理，坚持“唯一合法的区块链是当前最长的区块链”原则不动摇，最终合法的一条区块链只会记录B与C交易或B与D交易的其中一个，具体原因读者可以自己想一想。

讲了这么多，大家可以发现，比特币凭借区块链的巧妙设计，使得交易与发行以一种非常稳定的状态进行，而保持稳定的核心力量是什么呢？就是无数矿工提供的算力。

只要矿工够多，算力够大，验证速度够快，比特币的交易就可以快速地被验证，不小心出现的区块链分叉状态可以很快结束，保证整个系统稳定运行。所以挖矿可不光只是费电，这些电能实际上转化成为维持整个系统稳定的能量！

这也告诉我们为什么比特币可以一个币价值数万，而有些新发行的各种币一文不值，因为比特币做为历史最长、受众最广的电子货币，也拥有数量最多、分布最广泛的矿工和算力，是最稳定的电子货币。

而新发行的货币矿工数量很少，参与的算力低，根本起不到稳定整个系统的作用，算力低也意味着每笔交易的验证时间会变长，从而降低货币的可用性，所以这样的新兴货币一文不值。

好了，关于比特币以及比特币系统所用到的区块链技术就介绍到这里，如有大牛对文中内容有异议，欢迎拍砖探讨！

参考文献：

Satoshi《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》

关于作者：

ChenJunXuan / CC，17 年硕士毕业于上海交大，目前在阿里达摩院做计算机视觉方向/智能医学影像相关的算法开发，喜欢 Python。