带你探索区块链的原理

来自:一个不甘平凡的码农(微信号:Web_Coding),作者:不甘平凡的码农



写在前边


之前经常听别人说,挖矿、比特币、区块链之类的东西,听起来好高大上呀,后来在网上了解相关知识,但是网上大部分都是转载,没一个能讲明白的,后来不知不觉接触到了一些易懂的点,所以今天整合一下,让大家彻彻底底的明白到底什么是区块链、什么是挖矿、什么是比特币。


从头到尾都是小鹿三个小时的手动敲打,因为最近准备面试,写作的时间越来越少,但是我还是喜欢抽时间分享出来给各位读者们,如果你明白了今天的内容,不要忘记转发给你们的朋友哦,我相信他们会感激你能够给他带来那么清晰易懂的文章。


什么叫比特币?


比特币其实是一种虚拟的电子货币,它是基于密码学的。


虚拟?电子货币?密码学?还是有点懵懂,好吧,再详细点,比特币与所有的货币不同,它不依靠特定的货币机构发行,而是基于特定的算法产生的,这一点我们接下来会讲到。


比特币的概念是在 2008 年 11 月 1 日有个自称中本聪的人提出的,到现在他的身份还是未知的。它在《白皮书》中提到,这是一种去中心化的电子记账系统。


什么是去中心化?我们现在每个人都有银行卡和支付宝,我们的钱都是由银行和支付宝保存的,因为我们对国家的信任,银行就是相当于中心,我们每个人的存入支出记录都是银行或支付宝给我们记录的。


那么这个中本聪提出的电子记账系统去中心化呢,就是说,我们每个人不需要银行和支付宝的记录,而是公开自己的消费记录,让别人给我们记录,就相当于公开了我们的账本,我们的余额、消费都会被他人所知道。


假如有 A、B、C、D 四个人,A 向 B 支付了 10 个比特币,那么 C 和 D 就会记录 A 向 B 支付了 10 个比特币。然后 B 向 C 支付了  20 个比特币,那么 A 和 D 将会记录到自己的账单,B 向  C 支付了 20 BTC。同样的 C 向 D 支付了 5 个 BTC ,A 和 B 也会记录这个交易。


什么是区块链?


然后我们将记录的账单打包成一个包,这个包叫就叫做「区块」。每个区块大约记录 4000 条数据左右(1兆左右),我们将此区块接到上一个区块上,就形成了一条链,叫做「区块链」。



那么你可能遇到几个问题,第一个问题,每个人都记账,假如 A 支付 给B 的 10 个BTC,然后 B 支付给 C 20 个BTC ,另外记账的人出现网络延迟,一个人记录的是 A 先支付的 B ,而 另外一个人先记录的 B 支付给了 C ,那我们以谁的账单为准呢?


第二个问题,为何记账?假如张三给李四付款,那小鹿凭什么给他记账呢?不但浪费我宝贵的时间,还浪费了我的电脑资源。


第三个问题,假如小鹿给他记账,我背后偷偷的伪造了一条数据,也叫伪造记录,那怎么防止这种问题发生呢?


这里时间有限,只分享前两个问题的解决方案。


我们每个人在记账系统中记账都会有手续费提成的,我帮你记账,支付的人会拿出一小部分作为手续费给记账的人,那么话说回来了,银行存钱取钱还有手续费呢,但是我们的电子记账系统的手续费是非常低的。而且谁最后打包了账本形成区块,还会有打包费用,还有这样的好事,那就可以给他打包赚钱啦。


给你的费用就是比特币,那么给你多少比特币呢?中本聪是这么设计的,每 10 分钟就会打一个包,每四年打包费就会减半。也就是说这个系统刚刚运作的时候,打包费用为 50 个比特币,每过四年,就会减少一半,也就是 25 个, 12.5 个......


那我们来算算一共产生多少比特币,每个小时有 6 个十分钟,一天 24 小时,一年 365 天,前四年是 50 个,每过四年减少一半,通过数学计算:50 x 6 x 24 x 365 x 4 x(1 + 1/2 + (1/2)² + ...)  ,我们可以算出,世界上一共有 2100 万个比特币。


问题来了,打包既有手续费也有打包费,每个人都想干这件事,那么每个人都抢着干,以谁为准呢?


什么是挖矿?


既然都想做,那么我们来设计一到数学题吧,谁先做出来谁就可以打包赚取比特币。如果你说,我数学非常好,拿过奥林匹克竞赛一等奖等等,不好意思,就算著名的数据家高斯也是无法手动解出来的。这道数学题人脑根本是无法算出来的,那么这道数学题难到什么程度呢?


所有的是哈希算法,学过数据结构的都知道,哈希算法正向算是非常容易的,反向算是及其困难的,简直无法想象的难,只能通过 CPU 的运算才能算出来。


这倒数学题正是所用的 SHA256 算法,MD5 加密听说过吧,想必 SHA256 也不陌生。将一个字符串生成 256 位 的二进制。无论大小,都会有 256 位,给你一个 20 G 的视频,也会生成一个 256 位的二进制。所谓的难题就是这个 256 位的二进制对应的字符串是什么?



我们就将解决这道数学题的过程叫做「挖矿」。


那么这个字符串是怎么生成的呢?这字符串的信息是由前区块头的信息+当前账单的信息+账单的时间等各种信息,前边这些是固定的,但是最后一个还要加一个随机数,这是设计的一个难点。


对于这个字符串,进行两次哈希(SHA256)运算,HASH = sha256(sha256(字符串)) ,求出来就是一个256 位的二进制数,我们要求前 n 位是零。加入前几位要求的是 6 个零,如果你算出来是 6 个人零,那么你就算对了。算对了就可以进行打包,将你算出来的哈希值作为新块的头部接入上一个区块中,然后你就获得了想要的奖励。



有小伙伴就要问了,怎么求出规定的前几位是 0 呢?那么我们要改变一个数,那就是字符串中的随机数,因为其他的内容是固定不变的,如果我们想通过 HASH 求出这个哈希值,只能一个一个的数去试,将 1 带入看哈希值是否满足条件,如果不满足,然后依次将 2 、3、4、5...... 直到有人试出来为止,将此区块打包,求出来的字符串作为此区块的头部,接入上一个区块。



每个人对应的随机数是不一样的,所以说要想挖到矿,一个是看你的运气,另一个是看你的 CPU 每秒计算的速度。有人运气好,虽然计算能力不够,第一个数就试出来了,有人运气不好,CPU 计算能力再强,也白搭。平均来讲,还是看 CPU 的计算能力,算出来的希望就会大一些。所以很多人都去拼命的买矿机,来进行 24 小时挖矿。

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