區塊鏈:科普 | 一文透徹了解比特幣網絡背后的運行邏輯

本文出自萬向區塊鏈小課堂。

很多人認識區塊鏈的入門通道、區塊鏈應用鼻祖——比特幣網絡，相信很多小伙伴對它都不陌生。但你真的了解比特幣網絡背后的工作原理嗎？比特幣系統不屬于任何一個人或任何一家公司/組織，也沒有員工、老板和股東來維持它的運轉。換言之，比特幣系統不受任何人的控制。那全世界這么多的節點和參與者憑什么信任它呢？又如何避免比特幣被非法復制呢？

本次萬向區塊鏈小課堂將系統性地介紹比特幣的工作原理，以及比特幣的底層技術——區塊鏈在數字貨幣以外的商業應用潛力，保證“說人話”、言簡意賅、通俗易懂，誠邀大家細品~

缺少銀行這類管理中心的交易系統通常會面臨以下3大挑戰：

·資產確權

·防止交易信息造假

·確定交易記錄的可靠性和權威性

然而比特幣在沒有金融機構這樣的第三方管理中介下，卻能應對這三大挑戰。看懂比特幣如何應對這3大挑戰，自然就能理解比特幣的工作原理了。下面我們就來詳細看看比特幣是如何攻克這3大難關的。

挑戰一：資產確權

當有人向比特幣區塊鏈公布一筆交易記錄時，如何確定這筆交易確實是由比特幣的所有者發起的而不是騙子在意圖造假呢？這就要用到計算機加密技術。

非對稱加密

比特幣采用的是非對稱加密技術，需要用到一對密鑰。經過其中一個密鑰加密的數據可以用另一個密鑰解密。使用過程中，公開一個密鑰，即公鑰，另一個非公開的密鑰就對應地成為私鑰。

國務院：推進科普與區塊鏈技術深度融合:為貫徹落實黨中央、國務院關于科普和科學素質建設的重要部署，依據《中華人民共和國科學技術進步法》、《中華人民共和國科學技術普及法》制定《全民科學素質行動規劃綱要（2021－2035年）》，其中要求實施智慧科普建設工程。推進科普與區塊鏈等技術深度融合，強化需求感知、用戶分層、情景應用理念，推動傳播方式、組織動員、運營服務等創新升級，加強“科普中國”建設，強化科普信息落地應用，與智慧教育、智慧城市、智慧社區等深度融合。（新華社）[2021/7/10 0:40:52]

如何用這對密鑰來發送信息呢？假設《銀河護衛隊》里的星爵想給格魯特發送一條消息說：“哈嘍，格魯特”，但又要確保超級大反派滅霸不能讀取這條消息，該怎么辦呢？我們可以讓格魯特創建一對密鑰，把公鑰交給星爵，自己保管私鑰。星爵可以用公鑰加密信息，經過加密的信息看上去就像在胡言亂語，只有格魯特用私鑰解密之后才能知道星爵到底說了什么。

數字簽名

比特幣還會反向運用這對密鑰來驗證數據創建者的身份，即把密鑰看作用戶的數字簽名。我們還是請銀河護衛隊來幫演繹這個情景。假設格魯特想向星爵發送一條消息說“我是格魯特”，但星爵如何確定這條信息真的來自格魯特，而不是其他人冒充格魯特發的呢？格魯特可以用私鑰加密這條信息，星爵收到信息后用對應的公鑰解密信息，就可以讀取“我是格魯特”這條信息了。而且由于公私密鑰的對應關系存在唯一性，星爵用公鑰成功解密信息就能證明信息確實是由私鑰持有者格魯特發出的，否則星爵是不可能解開這條信息的。

現場 | 火幣中國推出數字經濟及區塊鏈產業科普新書:金色財經現場報道，12月6日，由海南省工業和信息化廳主辦，南南合作金融中心協辦，海南生態軟件園、火幣中國承辦的“海南自貿港數字經濟和區塊鏈國際合作論壇”在海口舉行，這是全球首次區塊鏈部長級論壇。

在本次論壇上，火幣中國舉行了“數字經濟及區塊鏈產業科普系列新書發布”儀式，希望通過教材、專業教育、培訓等多種方式，幫助從業者、高校、研究機構深入了解區塊鏈，從而建立起區塊鏈全局性知識模型，真正推動區塊鏈應用落地。火幣中國CEO袁煜明介紹，將聯合機械工業出版社面向普通高等教育推出《區塊鏈導論》、《區塊鏈系統設計與應用》和《區塊鏈新商業模式分析》系列教材，這是國內最早推動的區塊鏈教材之一；火幣中國還積極參與數字經濟的研究，由中信出版社出版的新書《讀懂Libra》已經上市；由火幣中國負責編寫的區塊鏈技術科普讀物《區塊鏈技術進階指南》將于12月面世；首本行業內最全的區塊鏈應用案例集《區塊鏈產業應用100例》在本次論壇進行了首次刊印。[2019/12/6]

挑戰二：防止交易信息造假

如果有人一個月前進行了一筆比特幣交易，現在又反悔了，想悄悄撤回交易，比特幣這一去中心化系統里又缺少權威的管理者，怎么才能讓這種信息造假的陰謀無法得逞呢？這就要用到哈希算法。

動態 | 區塊鏈技術入選科普雜志《科學美國人》2019十大突破性技術榜單:據新浪網今日新聞報道，美國科普雜志《科學美國人》公布 2019 十大突破性技術榜單。區塊鏈技術因在保障食品安全中的作用而上榜。 入選榜單具體原因：區塊鏈技術的發展應用將顯著改善食品污染源數據追蹤的困境。利用區塊鏈云端系統，食品制造商可以依次在計算機儲存各類過程的信息。[2019/9/29]

哈希算法

哈希算法可以用于驗證數據的真實完整性。任何信息可以通過哈希函數運算得到一個哈希值，但是原始信息發生絲毫改變都會讓得到的哈希值變得完全不一樣。

假設星爵想將“12345”這串數字傳給格魯特，又擔心被滅霸中途截獲，篡改信息。他可以算出這串數字哈希值：FE100DDA6D28B2280B34FC228ADAB42E，然后將這串數字和他的哈希值同時傳給格魯特。格魯特在得到這串數字后同樣進行哈希運算，看看得到的哈希值跟星爵告訴他的是否一致。如果一致，說明格魯特和星爵擁有的原數字是一樣的，這串數字在傳輸過程中沒有遭到篡改或發生損壞。如果滅霸悄悄干預了數字傳輸過程，把原數字串改成了“12346”，再把錯誤數字傳給格魯特，格魯特算出的哈希值就會是：1761420899A8F0B731A2EE56A6F71567，與星爵給他的截然不同，自然就會發現數據被篡改了。

動態 | 央行官微舊文重發“再科普”：范一飛詳解數字貨幣:據中國經濟網消息，今日，央行官微公眾號頭條重新發布央行副行長范一飛在2018年1月25日題為《關于央行數字貨幣的幾點考慮》的文章，對央行數字貨幣再次進行科普。同時，微信公眾號第二條發布支付司副司長穆長春8月10日在第三屆中國金融四十人伊春論壇上的演講。近年來，各主要國家和地區央行及貨幣當局均在對發行央行數字貨幣開展研究，新加坡央行和瑞典央行等已經開始進行相關試驗，人民銀行也在組織進行積極探索和研究。[2019/8/21]

區塊鏈環環相扣

比特幣中，固定時間段內的交易會被打包成一個區塊。每個區塊里都儲存著前一個區塊的哈希值。這些區塊通過哈希值前后相連，形成鏈條狀結構，也就是常說的區塊鏈。

下圖中3個區塊記錄了交易1到交易9的信息。

如果刪除掉第一個區塊中的交易3，那第2個區塊中的哈希值就會發生變化，證明第1個區塊中的交易信息被篡改了。

那可不可以嘗試修改第2個區塊，讓它儲存的哈希值呼應被篡改后的第1個區塊中的信息呢？這也行不通。因為修改第2個區塊中的信息后，第3個區塊中的哈希值又無法與第2個區塊的信息對應了，讓人一眼就能知道第2個區塊被篡改了。

中科院自動化研究所將面向大中小學生開展區塊鏈等主題的科普講座:5月21日，新華網訊，今年，中國科學院自動化研究所將舉辦第十四屆“自動化之光”公眾科學開放日活動。屆時，自動化所將面向大中小學生分別開展《腦與智能》、《區塊鏈技術與平行智能》、《大數據時代的視覺智能》、《動畫真奇妙》等4個主題報告，用實例和生動的演示深入淺出地為大家揭示智能技術的原理和奧妙。[2018/5/21]

由此可見，區塊鏈上的信息是不可篡改的。隨便改動一個區塊中的信息，就會使其與后一個區塊中的哈希值產生矛盾。只有逐個修改之后每個區塊中的信息才能掩護最初這個信息篡改動作，這樣一來原區塊鏈的信息就會被徹底改變，相當于產生了一條新鏈。

挑戰三：確定交易記錄的可靠性和權威性

假設真有人篡改了每個區塊中的信息，創建了一條新鏈，我們應該選擇相信新鏈還是舊鏈呢？如何才能確定兩者的可靠性和權威性呢？

工作量證明

這就要用到工作量證明。電腦會將前面講過的哈希值轉換成一串由“0”和“1”構成的數字：

0010111011110100000001000001101010010010001011101111100001001010

我們可以規定只有哈希值以0開頭的區塊才能上鏈，這樣就有50%的概率得到一個符合要求的區塊。

0XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

同理，我們若規定只有哈希值以“00”開頭的區塊才能上鏈，概率就是25%。

00XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

如規定哈希值必須以32個“0”開頭的區塊才能上鏈，那概率大概就只有40億分之一了。

00000000000000000000000000000000XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

比特幣區塊鏈也設置了這樣的規定。但是鏈上每個區塊的哈希值都是恒定不變的，如何確保在輸入固定信息的情況下能得到一個符合規定的哈希值呢？這就需要在每個區塊中隨機加入任意一個數值，也稱為“隨機數”。

進行哈希運算的時候要將隨機數與區塊中的數據相結合。比特幣區塊鏈中遍布全世界的計算機要從大量的隨機數中找到那個與現有區塊結合后能算出以特定數量“0”開頭的哈希值的隨機數，才能讓這個區塊上鏈。這個尋找隨機數的過程就是工作量證明。

這個過程會消耗大量算力，完成時間也難以估量。在比特幣區塊鏈中，平均10分鐘會產生一個新區塊。但由于該區塊鏈中的整體算力水平一直在不斷提高，為了增加找到隨機數的難度，比特幣區塊鏈也在不斷增加規定哈希值開頭部分“0”的個數。

最長鏈原則

工作量證明這一規則有效限制了新區塊產生的速率，那區塊數量越多、長度越長的鏈存在的時間也就越久。因此，個人是不可能制造比官方比特幣區塊鏈更長的鏈的，除非這個人擁有的算力超過該系統中其他所有人算力的總和。

基于以上原因，當系統中出現多條鏈時，比特幣用戶只認可區塊數量最多，存在時間最長的這條鏈，并相信這條鏈上的信息是權威可靠的。

區塊鏈潛在的應用場景

除了比特幣，區塊鏈還有哪些應用前景？

我們在上文中從3方面簡要解釋了比特幣區塊鏈的工作原理：

·用數字簽名確權比特幣

·用哈希驗證鏈上交易的真實完整性

·用工作量證明避免虛假區塊上鏈

由此可見，比特幣就是一個人人都可以信任的去中心化賬本。但是這個賬本除了記錄貨幣交易信息之外，還可以記錄其他多種信息，讓其他機構也能實現去中心化的信息分享。目前已在以下領域獲得應用。

防止產品造假：生產商可以給每件產品貼上二維碼，并把二維碼編號記錄到區塊鏈中，該區塊鏈就可以記錄產品的流通信息，幫助消費者追蹤產品是否來自可靠的生產商，是否是真品。目前藥品生產行業造假情況日益嚴峻，危及病人健康，亟需這樣的區塊鏈解決方案。

防止物流信息造假：許多供應鏈龐大復雜的公司同樣面臨信息造假的困擾。他們可以通過打造私有鏈來追蹤供應商的物流信息。私有鏈所有者有權決定區塊鏈的參與方，供應鏈中的中心企業可以在私有鏈中給各個供應商設置不同權限。對于貨物從小型供應商流轉到中型供應商再流轉到大型供應商最終進入生產商手中的多層級供應鏈來說，區塊鏈有助于優化整個流程的管理。在這種多層級供應鏈中，小型供應商端稍有差錯就會給生產商造成損失，但區塊鏈技術可以使整個流程中的信息變得公開透明，方便所有參與方及時發現問題解決問題。萬向區塊鏈的供應鏈金融服務平臺就是一個典型的應用案例。

促進協同合作：汽車保險理賠通常需要多家保險公司共享數據、協作解決。運用區塊鏈管理相關信息和數據可以讓這些保險公司放心地信任鏈上數據和信息的真實性，不需要再耗費人力檢查驗證數據和信息，從而為保險公司降低人力成本，同時提高理賠辦理效率，提升車主滿意度。

區塊鏈商業挑戰和機遇

近年來，區塊鏈的概念被炒得很熱，其中有很多夸大的成分。對于企業來說最關鍵的是要考慮是否有能力用好區塊鏈。

另外，誰來為投資區塊鏈買單也是一個問題。企業肯定會有這樣的顧慮：憑什么要我花錢來打造一個區塊鏈，方便行業里其他公司合作共贏？花錢的是我，結果好處卻被大家瓜分了。這就體現了私有鏈和聯盟鏈的優勢，花錢打造私有鏈或聯盟鏈的一方有權管理這個區塊鏈，確保自身收益最大化。

盡管困難重重，但區塊鏈蘊含的商業價值還是十分可觀的。區塊鏈的特性就是讓互不信任甚至互為競爭對手的人或是企業能夠放心地交換信息。所以要找到商業中信息交換不暢引發的問題，對癥下藥，運用區塊鏈加以解決，就能讓參與方各取所需，實現多方利益的最大化。

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