一文理解：区块链与比特币

1.区块链和比特币是一个东西么?

区块链是比特币的底层技术，比特币是区块链技术第一个也是目前最成功的应用。 所以说，区块链是区块链，比特币是比特币，是不同性质的两个东西。

2.比特币：一种数字货币

比特币是一种数字、电子货币，使用密码学的设计来确保货币流通各个环节安全性。在2008年11月1日由中本聪发表比特币白皮书，文中提出了一种去中心化的分布式电子记账系统。
我们平常使用的支付宝、微信、信用卡等，每进行一笔交易，不管是进还是出，都是依靠国家银行在背后进行记账，而银行背后是国家的信用，所以我们很放心。
而中本聪提出的去中心化的电子记账系统，每个人的账本都是公开的。交易双方不需经过如银行、电子支付平台等第三方机构，从而避免了高手续费、繁琐流程以及受监管性的问题。全世界所有矿工都在为你记账，而且信息更新受到密码算法的保护，所以你不必担心风险问题。

3.问题的引入

假设现有4个人分别称之为A、B、C、D，他们之间发起了3个交易，A转给B10个比特币，B转给C5个比特币，C转给D2个比特币。如果是传统的记账方式，这些交易会记录在银行的系统中，这些信息由银行来记录，我们相信银行不会随意添加、删除或修改一条交易记录。

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而比特币系统是这样做的，每当有人发起一笔交易，他就要将一笔交易广播至全网，由全网中的某一个人，把一段时间内的交易打包好记录到一个区块上，再按照顺序把这些区块，一个一个的链接在一起，进而形成了一个链条，这就是所谓的区块链。
按照这个系统，就会有以下几个问题：

以谁的记录为准呢？比如上面的账单顺序，A用户可能是先记录A把10个BTC给B，后记录B把5个BTC给C这件事。因为网络延迟，D可能先记录B把5个BTC给C这件事，再记录A把10个BTC给B。甚至可能D根本就没有接收到A给B转账的这个消息。
为何要记账？无利不起早，凭什么你广播给我消息，我就要收着呢？凭什么我要用自己的计算机资源记录一个和我无关的账目呢？
如何防伪？B广播一个记录，说B给A10个BTC，但实际上并没有给，这是一个伪造的记录，我们如何防伪，如何防止记录被篡改呢？还有很多其他问题，比如说双重支付问题，B只有10比特币，他同时向C和D转10个比特币。比如说如何进行个人信息保密问题等等一系列问题。

4.为何要记账？

因为记账有奖励啊。奖励一是手续费的收益，A付BTC给B时，要多付那么一丢丢，作为手续费。奖励二是打包奖励，（我们常说的挖矿就是想得到这个奖励），谁打包就奖励给谁，但只能是一个人打包。中本聪设计的奖励方案是，每十分钟生成一个区块，每打包一个区块会奖励一定数量的比特币。最开始每打包一个区块是50个BTC，过4年会奖励25个BTC，再过4年再减少一半，以此类推。这样比特币的产生会越来越少。越来越趋近于一个最值，计算公式：50×6×24×365×4×（1+1/2+1/4+1/8+…）≈2100万，其中最初奖励50个比特币，每小时有6个区块，每天24小时，每年365天，前四年是如此，之后每四年减半。也就是说，流通的比特币最多只有2100万个，通过打包奖励将其扩散出去，比特币不是无限的。

5.以谁为准？

正因为打包有不少的奖励，所以大家都争着去打包记录。但是，最终只能有一个人打包成功，那么以谁为准呢？
每个人通过工作量证明机制来争夺记账权，他们将会计算一个很复杂的数学题，第一个计算出正确结果的人获得打包的权力。这个数学题很难很难，难到没有任何一个人能直接用脑袋算出来。必须一个一个去尝试，类似于暴力破解（就是用计算机去暴力搜索），破解的过程就叫挖矿。

5.1哈希函数（Hash）

又称散列函数，散列算法。基本原理就是把任意长度的输入，通过Hash算法变成固定长度的输出。这个映射的规则就是对应的Hash算法，而原始数据映射后的二进制串就是哈希值。最常使用的MD5和SHA都是历史悠久的Hash算法。（文末有sha256算法代码）
简单来说，什么是哈希算法呢？例如比特币中用到的哈希算法SHA256。对于任意长度的消息，执行SHA256算法都会产生一个256bit长的哈希值，称作消息摘要。例如：SHA256(“任何东西”)=01011101010…,一共256个0和1。比如说一张图片，又或者是一段视频，只要执行SHA256算法，就会输出一个256bit的字符串，这个字符串就叫做摘要。
SHA256算法有几个重要特点

[1 ] 只要输入的东西不同（哪怕一个小数点，一个空格），输出的摘要一定不一样，而且差距还挺大。
[2 ] 执行SHA256算法很快，不管你输入的东西是什么，有多大，SHA256算法都会在很短的时间给你算出结果。但是，如果给你一个摘要，让你找出输入是什么，这几乎不可能做到。其实所有的Hash算法原理都是这样，正向算比较简单，反着算就很难。

5.2挖矿原理

区块链实际上是一大堆的交易信息，比如说下面的一个区块链，一个区快里面不仅有交易信息，还有一个头部（head）。
这里有详细的区块链数据结构介绍，读者如有兴趣，可以点击查看。有利于大家理解区块链
在这里插入图片描述
每个人都想打包交易信息，然后接到上边的链上，因为这样可以获得奖励。每个人都有自己的个人区块和主链，个人区块里面记录他刚刚接收到的交易信息。
每个区块的数据结构大致如下

每个人都会有属于自己的一个字符串，包括：前块的头部、自己收到记录（也就是账单）、时间戳、随机数等。
每个人都将自己的这个字符串作两次哈希运算，得到自己哈希值。Hash=SHA256（SHA256（字符串））= 一个256bit的字符串
系统要求，Hash值的前n位为0的人（这就是前面说到的数学题），即为获胜者，将获得打包的权力，将自己的Hash值放到区块头部里面，再链接到主链上，然后拿到奖励，挖矿成功！
那如何才能使前n位为0呢？通过不断的改变随机数的值，来一个一个尝试，直到找到符合要求的随机数。谁先找到，谁就挖矿成功。这里要注意一下，每个人的计算难度是不同的，因为每个人所记录的信息、时间戳等都不同，所以每个人的正确答案也不一样。有的人可能运气好，算一次，就可以找到正确答案，有的人算几万次都算不出来，这也是有可能的。但平均来看，谁的CPU在单位时间内计算的次数越多，谁就能更快的找到答案。这也是大家为什么拼命的去买高性能矿机的原因。
上边的这个n，是如何确定的呢？很显然可以看出，n越大，题目就越难。平均每十分钟产生一个区块，总体上来看，挖矿成功的概率为1/2ⁿ。现假设世界上有1W台矿机，每台矿机的算力是14T次/s = 1.4×10¹³ 次/s，即一秒可以计算这么多次。10分钟是600s，所以10分钟可以做1.4×10¹³× 600×10⁴=8×10¹⁹次哈希运算，从概率角度看，想要挖矿成功需要做2ⁿ次运算，列出等式2ⁿ = 8×10^19，可以解出n约为66。这时，n就被设置成66，第一个算出前66位为0的人将获得打包的权力。n的值是动态的，随着矿机的增加、计算能力的增加，难度也会随之增加。所以，挖矿没有捷径，只能买更多、更高性能的矿机来增加单位时间内计算的次数。

6.如何防伪、防篡改、防双重支付

这部分简要介绍几个比较重要的方面，有助于了解比特币，还有更多的方面在这里不再赘述。

6.1 身份认证—电子签名（非对称加密技术）

当你注册成为比特币用户时，系统会根据随机数为你生成一个私钥（唯一），私钥又会生成一个公钥（唯一），公钥又会生成一个地址（唯一）。其中私钥必须保密，可以保存到硬盘里或者记到脑子里，一旦丢失，你的所有的比特币将无法使用。而公钥和地址是公开的，别人给你BTC的话，你要把你的地址告诉他。同样，你要给别人BTC的话，你要把你的公钥和地址一块发过去。
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了解了公钥、私钥、地址的概念后，防伪验证的过程就很容易理解，当A发起一笔交易后，对消息进行哈希，生成数字摘要，对数字摘要，通过私钥加密，生成一个密码。之后A会广播这条交易消息、公钥以及密码。收到消息的人首先对交易信息进行哈希生成摘要1，再通过公钥对密码进行解密，生成摘要2，这样，如果两个摘要相同，说明这个消息确实是A发出的。所谓的签名，就是密文。
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6.2双重支付问题

比如说A有10个BTC，他却同时发了两条消息，一条消息是给B10个，另一条消息给了C10个，这该如何鉴别？
这里要首先说一下余额检查。区块链是把好多交易信息一个块一个块进行打包，然后链接起来的。每一个矿工（参加记账的人），都会把把从创始区块开始的所有区块下载下来（主链）。这样，他就可以知道别人的余额。例如：A广播了一条消息，说A给了B10个BTC，那么收到消息的人，就会在区块链上查询、计算，看看A的比特币最初是从哪来（挖矿获得、或者是别人给他）、A自己用了多少、还剩多少。若A剩余BTC大于等于10个，则这个消息被网络认可，可以作为一条记录被打包放到区块链上，否则网络不接受这个消息。这一过程称之为追溯。
这里要重申一点，很重要！只有交易记录被打包放到区块链上，才叫真正的交易成功，否则，交易失败。
利用余额检查，就可以解决双重支付的问题。接着上边所说的问题，若D先收到消息1（D查询知道，此时A余额已经为0），那么他就会拒绝接收消息2。与此同时，若E先收到消息2（E查询知道，此时A余额已经为0），那么他就会拒绝接收消息1。至于说，D和E谁接受到的消息是对的，就看D和E谁先算出那个数学题，谁先把自己的消息记录打包到主链上。
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所以说，当我们要接收别人的付款时或者付款给别人时，我们不能就认为钱已经到账了，我们要等着，只有那条付款记录被打包放到主链上才叫真正到账成功。

6.3如何防止篡改

假设A转给B10个比特币，但是他想把这个信息从区块链上删除，这样大家就都不知道这个事情存在，就可以赖账。
首先说一下比特币里面的最长链原则，假设某一个区块后面有两个矿工同时挖到了矿，或者由于网络延迟等原因产生了分歧，这时，各个节点先根据自己认为对的区块链分支，接着挖矿直到下一个区块产生，这时会有两条链，但是有一条是长的，比特币规定，以最长的链为准。如果某个节点仍然的固执的以较短的链为准，他就是在和大多数算力作对，这样做的结果是，他挖的块不被大家认可，会浪费时间和算力。在这里插入图片描述
如果有一个人想要篡改信息（假设他想篡改的信息在区块三），那么他就必须这样做，如下，他要在原有的区块链上，计算数学题，重新打包一个不含A给B10个BTC这个消息的包，链接到区块二上，形成B链。但是B链太短，别人不承认怎么办?他必须以一己之力，对抗全世界所有矿机，他要把所有数学题都最先算出来，他才有一直打包权力，直到他把B链长度变得比A链的长，那么他就篡改成功了。
但是，理论上虽然可以，但现实操作却几乎不可能，全世界的矿机都在链接A链，而你却要链接B链，每十分钟才能出来一个区块，而且必须你一直都能是第一个算出数学题的人，这可能么？基本没可能。防篡改就是这么来的。在这里插入图片描述

7.总结

比特币，具有匿名性、交易费低廉、速度快、不可逆性（一旦消息被记录在区块链上，就不可能再被修改）、全球通用性等特点。由于比特币的匿名性、全球性，他已经成了黑客敲诈勒索的工具。但比特币的优势也很明显。世界上已经有国家将比特币合法化，像美国、法国、德国等。
区块链是一种技术，不仅仅可以应用在比特币上。笔者认为，这样一种技术，虽然有自身的瓶颈，但还是一种值得研究的方向。完全的去中心化，完全的中心化都不是最好的选择，未来应该是在去中心化和中心化之间取得一个平衡点。
文章大致分析了区块链和比特币的原理，但写的很糙。有兴趣的可以去看看李永乐老师的视频，很经典。本文是根据李永乐老师的视频所写，加上自己的一些不成熟想法。如有不当之处，还请前辈们不吝赐教！
后续有时间，我会再详细写写区块链里面的一些具体技术，区块链的发展等。本文只用作新手去了解区块链和比特币。

大家如对文章哪些点有疑问，可以讨论区交流！蟹蟹~~

Python 实现sha256算法

import hashlib      #导入库
m=hashlib.sha256()
#b后面放的就是你想输入的内容
m.update(b"Noboday inspect the spammish repetition.") 
m.digest()         #输出摘要
m.digest_size      #输出摘要大小（以字节为单位）