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比特幣又火了。為什么要說又呢？因為比特幣在 2013 年已經火過一次了。這次與 2013 年相同的是，比特幣的價格一路飆升，讓人咂舌。與 2013 年不同的是，這次人們不僅僅關注比特幣的價格，也開始關注比特幣背后的技術——區塊鏈。
一夜之間，區塊鏈從舞臺背后站到了聚光燈下，成為了人們追捧的熱點。物流、醫藥、版權…好像哪都可以憑借區塊鏈脫胎換骨。那么，這么神奇的技術，到底是怎么回事？
本文就以最通俗的語言，不涉及任何高等數學和計算機知識，來介紹一下比特幣和區塊鏈系統。
說到區塊鏈就不得不說比特幣，比特幣是區塊鏈技術最好的載體，所以本文就以比特幣為例來介紹區塊鏈。
比特幣很牛，牛在兩個特點：去中心化、電子貨幣。
別小瞧這兩點，這兩點同時存在可不是一件容易事兒。
首先來說說去中心化，通常去中心化的貨幣一般都要追溯到很久以前了，遠古時代人們自發地使用貝殼、石子做為雛形貨幣進行交易，這時候的貨幣可以看作是去中心化的貨幣——無需中央銀行來組織發行、確認交易合法性。
但是使用這類貨幣的弊端也不必我多說，貨幣供給不穩定，取決于每年的貝類產量；貨幣質量不一，有的大有的小，有的是花蛤有的是文蛤；交易很繁瑣，大宗交易動不動就要好幾車的貝殼，這么多貨幣運來運去還容易被搶劫。
于是貨幣進化，信用貨幣時代到來，貨幣成了銀行賬戶里的數字，上面的問題都解決了，但是我們必須需要銀行來控制貨幣的發行、防偽，來進行交易結算，我們的財產權全掌握在了銀行的手中。銀行喜歡動不動搞點QE放點水，我們銀行卡里的錢越來越貶值。
這時候，我們就希望能有一種貨幣，既能像使用貝殼一樣無需銀行插手，又能符合當前信息時代對貨幣功能的需求。于是，集這兩種特點于一身的比特幣誕生了。
比特幣的基本原理
做為一種貨幣，通常就要滿足幾個特點：得有人發行它，得能持有它，人與人之間可以互相交換它。
持有
持有比特幣非常簡單，只要有一個收款地址，就可以持有比特幣并接受比特幣。所持有的比特幣數量只是這個地址下的一個數字。
有人會問，這不跟銀行賬戶一樣么，確實很像，但實質又很不一樣。銀行系統是一個中心化的系統，賬戶的余額是由銀行說了算的，哪天銀行系統出錯余額變成0，那你就真的從ATM機里取不出錢。
比特幣不使用這種權威的中心機構，又需要一個穩定的記賬系統，所以解決辦法是每一個“礦工”都把比特幣世界發生過的所有交易記錄存在自己的硬盤上。有了全部的交易記錄，推算每個人有多少余額也就很容易了。這個被保存在所有人電腦里的交易記錄，學名就是區塊鏈。黑客可以黑掉一些人保存的區塊鏈，但是他做不到黑掉全世界大部分人，只要有大部分仍保存著正確的區塊鏈，那么整個系統就可以通過糾錯重新恢復正常。
就像打麻將時，我們有時候用記賬方式來記錄每回合的應收應付，比特幣世界也通過記賬來交易，每發生一筆交易都會公之于眾，然后大家把這筆交易記錄在自己的小賬本上，這樣每家有多少錢，大家在自己的小賬本上都能查清楚。只不過當記賬由4個人變成全比特幣世界的村民時，這就需要一個稍微復雜點的系統了。發行
再來看看發行。我們先看紙幣是怎么發行的，很簡單，央行開動印刷機，一瞬間出現大把“毛爺爺”。而做為一種去中心化的電子貨幣，比特幣是沒有央行的，那怎么發行呢？
比特幣規定，人們可以去解答一個困難的問題，誰最先答出來，誰就可以發行一塊比特幣，也就是我們所謂的“挖礦”。
這個困難的問題是什么呢？是哈希(hashing)的問題。哈希是一個函數F，對輸入X進行一些運算來得到哈希值Y。就是咱們高中學過的Y = F(X)。比特幣讓你解答的問題就是，告訴你哈希值Y和F，求X。
這時候你會說了，這不就是個反函數的事么。抱歉，哈希函數這個函數比較特殊，找不到合適的反函數，要想求出X，唯一的方法就是一個一個數來試，把每一個數都代入到F里，看看結果是不是Y，如果恰好蒙對了，那也就把這個問題解答出來了。
所以說所謂的貨幣發行、挖礦，實際上就是一幫人在用最好的計算機來撞大運蒙這個數。當一名礦工蒙對X后，也就是挖到礦后，他就獲得了在原有的區塊鏈末端創造一個新的交易區塊的權利，在這個新創建的交易區塊上，這位礦工可以附帶一個由比特幣世界作為付款人，收款人是任何人交易，這樣，他就通過這個交易，創造并發行了一枚比特幣。
區塊鏈就是由一串交易區塊組成的。我們來看看交易區塊上包含什么。
一個交易區塊會顯示誰是它的父區塊，包含本區塊上的交易記錄，以及本區塊的哈希值。
這樣，隨著礦工們不斷挖礦創建新的交易區塊，一個接一個的區塊就串成了一串，成為了名副其實的區塊鏈！在比特幣世界中，由于某些原因，區塊鏈會發生分叉（為什么會分叉下文會提到），因而比特幣世界規定：唯一合法的區塊鏈是當前最長的區塊鏈。
區塊鏈就是比特幣世界這個村子的賬本，誰挖到礦，誰就有權在這個賬本翻開新的一頁，并在新的一頁記下“X年X日，本村某某挖礦得到比特幣一枚，并得到獎勵的手續費若干”。這個賬本很特殊，并不是由村支書管理，而是所有的村民人手一本，誰挖到礦以后，都可以自己翻頁記賬，并讓全村人按照同樣的方式做，以保證全村所有人的賬本一致。當全村人的賬本出現不一致時，規定誰家的賬本最長就聽誰的。發行
比特幣的關鍵點在于交易。對于一個去中心化的電子貨幣系統，交易是很有風險的。想象一下，你和另一個人的電子貨幣交易就類似于打欠條，而且這個欠條沒有第三方公證人。如果其中一方突然翻臉，欠條的有效性是很難保障的。
由于不能使用類似銀行結算中心的第三方公證人（使用了就是中心化系統了），所以比特幣干脆就讓全世界人做為公證人。
所有比特幣的交易都不能偷偷摸摸進行，都需要將這筆交易通過互聯網廣播到全世界。如果C想給B 0.5個比特幣，會向全世界廣播“C給了B 0.5個比特幣！”，這時所有挖礦的礦工們，會把這條交易記錄加到他們正在挖的這個交易區塊中。
他們為什么要加呢？因為當礦工挖出礦時，除了規定獎勵的一枚比特幣外，每加多一條交易記錄，還會額外再多給一點點手續費。蚊子肉也是肉，辛勤的礦工們沒有不喜歡的。
在把交易記錄加到區塊的過程中，礦工們首先會驗證一下這筆交易合不合法，也就是查查村里的賬本，當C名下貨幣不足0.5個時，這條交易記錄就會被拒絕加入到區塊中。
加入到區塊中并不代表交易已經成功，只有當包含這個交易記錄的區塊的隨機數X被某位礦工發現，并創造了新的交易區塊鏈接在當前區塊后，才能被認為是合法交易，這條交易記錄也就成為被驗證的交易。
B可能會問了，那也就是說C發了給我錢的廣播后，我還不能馬上確定我是不是收到錢了啊？
沒錯，C發廣播，只相當于C站在村口朝全村人喊了一句 “我給B 五毛錢！”，只有當全村的人都聽見，把這件事都記在了個自賬本上，并且記下這件事的那頁被礦工翻過去以后，B的戶頭上多了五毛錢這件事才真正得到了全村村民的認可。由于參與比特幣挖礦的礦工眾多，通常每筆交易所需的驗證時間是非常短的，不會給交易帶來延遲感。由此比特幣的發行和交易首尾相連扣在了一起。交易通過發布廣播的形式進行，礦工們聽到廣播后把交易寫在交易區塊中；礦工們通過挖礦來確認歷史交易的完成，并由此創建新的區塊，延長區塊鏈，發行新的比特幣。
區塊鏈的分叉
之前提到了區塊鏈的分叉。為什么區塊鏈會發生分叉呢？原因就在于去中心化。
沒有中心，大家都各自維護賬本，因此受困于網絡的延時、交流的不充分，難免有出現分歧的時候。
舉兩個例子，一個是在挖礦時容易出現的問題：礦工B蒙對了隨機數，挖礦成功，延長了區塊鏈，注意，此時礦工B延長的區塊鏈僅僅是自己的，其他人還都不知道這件事。當然，礦工B馬上向全世界發布挖礦成功的消息，讓大家按照他的方式延長區塊鏈。
但是這時，另一位礦工C也蒙對了隨機數，他或者因為網速延遲還沒聽到B的廣播，或者聽到廣播但不甘心，存心想破壞規則，于是他也把自己的區塊鏈延長了，并開始向全世界發廣播。
因為網速的延遲，并不是所有人都先聽到B的廣播，此時就會出現一部分人按照B的指示更新區塊鏈，一部分人按照C的指示更新區塊鏈，而且因為網速的延遲，大家沒辦法確定到底是B還是C先發布的廣播，從而引起區塊鏈分叉。
就好比村里兩位礦工B和C分別住在村東和村西，B和C差不多在同一時間挖礦成功，把自家賬本翻頁，在新的一頁寫下屬于自己的宣言“X年X月，本村B(C)挖礦得到比特幣一枚”，并開始向全村大喊讓全村人翻頁并寫下這句話。由于他們分別住在村子的兩頭，結果村東頭的人先聽到B大喊于是按找B的話記賬，村西頭的人先聽到C大喊于是按照C的話記賬，導致全村的賬本此時出現了兩個版本。第二種情況是雙重交易，B與C進行交易，發布廣播宣布付給C一枚比特幣，但是B同時還跟D勾搭，幾乎同時又發布廣播宣布付給D一枚比特幣，更糟糕的是，B宣布付出的是同一枚。
跟第一種情況一樣，由于網速問題，一部分礦工先聽到B與C交易的廣播，并將這條交易記錄計入到當前交易區塊中，后聽到B與D的交易，并判定不合法，拒不添加到交易區塊。而另一部分礦工正相反，只把B與D的交易添加到交易區塊中。
這兩種情況并不是罕見的，由于比特幣世界由全世界各地的人參與，有的地區用的是100M光寬帶，有的地方用的是56K撥號上網，網速千差萬別，而且又有很多人心懷不軌，存心作惡，因此區塊鏈分叉幾乎時時刻刻都在發生。此時，比特幣世界的最高原則就起作用了：唯一合法的區塊鏈是當前最長的區塊鏈。
可是就上面兩種分叉的情況來看，此時分叉的兩個區塊鏈一樣長啊？沒關系，這兩條都合法，也都不合法，咱們擱置爭議，繼續開挖，看誰挖得快，誰先再蒙對新的X，讓自己的區塊鏈再進一步，誰的區塊鏈就變成最長，也就成了唯一合法的了。這么一聽，怎么感覺這個區塊鏈系統這么隨意，有些不靠譜的樣子啊，如果大家都不守規則，隨意分叉，世界豈不亂套。
別急，接下來咱們通過分析會發現，最終區塊鏈肯定會恢復成穩定的一條。
讓我們回到第一個情況礦工B和礦工C分歧問題中，假設B的鏈條再進一步，成為了最長鏈條，這條鏈條也就成為比特幣世界認定的合法鏈條。此時C有兩個選擇，一是放棄努力，乖乖的扔掉自己的區塊鏈，使用B的。另一種選擇是不甘心失敗，扔堅持自己的區塊鏈，希望自己能很快繼續追平B并反超。
選擇前者是大家都開心的，比特幣世界的區塊鏈從此統一，選擇后者實際上繼續讓區塊鏈保持分叉狀態。那么從理性角度，C應該如何做呢？實際上C此時應該果斷放棄自己的鏈條。
我們可以分析一下，當B和C的鏈條分叉時，此時比特幣世界存在4種礦工、兩種勢力，B和擁護B的吃瓜礦工，C和擁護C的吃瓜礦工。此時B勢力與C勢力大體相當，所以大家各挖各的。
當B勢力先一步延長了B的鏈條后，此時C勢力就會發生分化，絕大部分擁護C的吃瓜群眾只要聽到B鏈條延長的消息，馬上會轉投到B鏈條上，因為此時B鏈條更長，在更長的鏈條上繼續挖礦顯然更有前途。勢力馬上發生逆轉，C會尷尬地發現，全世界都在與他為敵（哭）。所以C不得不放棄。
當然，假設是C的勢力先延長了區塊鏈，那么情形正好相反，全世界的礦工都會馬上投入C的懷抱。盡管可能確實是B先挖到的礦，但此時B也不得不選擇放棄自己的那條已經無人問津的區塊鏈。按照這種理性的假設，全世界大部分礦工都會安分守己的選擇在最長的鏈條上工作，所以偶爾的分叉也不是什么大不了的事。
當然仍存在一種極端情況，即B或C一個人的算力超過全世界算力的50%，這時候他們憑借一己之力就有可能反超。但是事實上，由于全世界都在參與，很難有人或組織有這么強的算力，其次即使C有這么強的算力，他老老實實地在最長鏈條上挖礦就好了，也沒必要硬剛全世界，非要顯示霸權只會讓全世界都不陪他玩了，最后比特幣失去價值，C損失更大。
上面所說的第二種分叉情況的解決辦法與第一種情況同理，堅持“唯一合法的區塊鏈是當前最長的區塊鏈”原則不動搖，最終合法的一條區塊鏈只會記錄B與C交易或B與D交易的其中一個，具體原因讀者可以自己想一想。
講了這么多，大家可以發現，比特幣憑借區塊鏈的巧妙設計，使得交易與發行以一種非常穩定的狀態進行，而保持穩定的核心力量是什么呢？就是無數礦工提供的算力。
只要礦工夠多，算力夠大，驗證速度夠快，比特幣的交易就可以快速地被驗證，不小心出現的區塊鏈分叉狀態可以很快結束，保證整個系統穩定運行。所以挖礦可不光只是費電，這些電能實際上轉化成為維持整個系統穩定的能量！
這也告訴我們為什么比特幣可以一個幣價值數萬，而有些新發行的各種幣一文不值，因為比特幣做為歷史最長、受眾最廣的電子貨幣，也擁有數量最多、分布最廣泛的礦工和算力，是最穩定的電子貨幣。
而新發行的貨幣礦工數量很少，參與的算力低，根本起不到穩定整個系統的作用，算力低也意味著每筆交易的驗證時間會變長，從而降低貨幣的可用性，所以這樣的新興貨幣一文不值。
好了，關于比特幣以及比特幣系統所用到的區塊鏈技術就介紹到這里，如有大牛對文中內容有異議，歡迎拍磚探討！
參考文獻：
Satoshi《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》
關于作者：
ChenJunXuan / CC，17 年碩士畢業于上海交大，目前在阿里達摩院做計算機視覺方向/智能醫學影像相關的算法開發，喜歡 Python。
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工商網監
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