区块链:一篇文章带你了解区块链的工作原理与流程

区块链这段时间相当热门，新闻媒体大量的报道，宣称它将创造未来，但啥是区块链？它是如何工作，有何特别之处，能解决什么问题，又如何使用呢？今天我们就来尝试，做一个最好懂的区块链教程，希望你看完这篇文章，不仅可以理解区块链，还会明白什么是挖矿，为什么挖矿会越来越难的问题。

区块链是什么，正如其名字所示，区块链是一串包含着信息的数据块，它是一种特殊的分布式数据库，这项技术最早由一组研究人员于1991年提出，用来给数字文档打上时间戳记，以确保人们不能回溯或篡改时间，就像一个公证人。首先区块链主要是用来存储信息，就像存储你的聊天记录一样，任何需要保存的信息，都可以写入区块链，也可以从里面读取，所以它是数据库，其次，任何人都可以架设服务器，加入区块链的网络，成为一个节点，区块链的世界里面没有中心节点，每个节点都是平等的，都保存着整个数据库，你可以向任何一个节点写入或者读取数据，因为所有的节点最终都会同步，保证区块链的一致性。

举个栗子，我们常用的某信就是中心化的服务器，某讯的主机就是中心节点，大家所有的聊天内容，都是通过他们的节点在发送给你想发送的人，然后聊天记录会保存在他们的服务器上，如果使用区块链，你的信息可能发送给任何一个节点，然后进行全网节点同步，这样所有的机电就都是一个数据库，其次你的电脑也可以安装程序成为一个节点，通过加密后，保存所有人的聊天记录，和某讯的服务器，拥有一样的权限和级别。

数据：Base链上TVL突破10万枚ETH:金色财经报道，据L2BEAT最新数据显示，Coinbase推出的L2区块链Base链上TVL已突破10万枚ETH，本文撰写时达到107,146.34 ETH（按照当前价格计算约合1.98亿美元）,位列当前以太坊Layer 2区块链锁仓量第五位，前四位分别为：Arbitrum One（59.4亿美元，7日涨幅0.23%）；OP Mainnet（28.2亿美元，7日降幅5.21%）；zkSync Era（4.33亿美元，7日降幅7.10%）；dYdX（3.32亿美元，7日降幅1.24%）。[2023/8/13 16:23:43]

其实，分布式数据库并非新的发明，市场上早有此类产品，但是区块链有一个革命性的特点，区块链没有管理员，它是彻底的无中心的，其它的数据库都有管理员，但是区块链没有，如果有人想对区块链添加审核，也是实现不了的，因为它的设计目标就是为了防止出现居于中心地位的管理当局，正是因为无法管理，区块链才能做到无法被控制，否则，一旦被大公司大集团掌控了管理权，他们就会控制整个平台，其他使用者就必须听命于他们，但是，没有理管理员，人人都可以往里面写入数据，怎样才能保证数据是可信的呢，被坏人改了怎么办呢，区块链有一个区块组，区块很像数据库的记载，每次写入数据就是创建一个区块，每个区块包含了两个部分，区块头和区块体，区块头记录当前区块的特征值，区块提记录当前的实际数据，区块头包含了当前区块的多项特征值，生成时间、实际数据的哈希、上一个区块的哈希等等。

美股三大指数集体收跌，标普500指数跌0.16%:金色财经报道，美股三大指数集体收跌，道指跌0.12%，纳指跌0.45%，标普500指数跌0.16%。热门科技股多数下跌。[2023/3/29 13:32:14]

你需要理解什么是哈希，就是理解区块链所必须的，所谓哈希就是计算机可以对任意内容，计算出一个长度相同的特征值。区块链的哈希长度是256位，就是说不管原始内容是什么，最后都会计算出一个256位的二进制数字，它可以是一个笑脸、一个语音、一段话或者一个视频。而且可以保证，只要原始内容不同，对应的哈希一定是不同的，举例来说，字符串123的哈希是这个，转换成二进制就是256位，而且只有123能够得到这个哈希，理论上其它字符创也有可能得到这个哈希，但是概率是极低的，可以近似认为是不可能发生，因此就有了两个重要推论，1.每个区块的哈希都是不一样的，可以通过哈希识别区块，2.如果区块的内容改变了，它的哈希一定会改变，区块以哈希是一一对应的，每个区块的哈希都是针对区块头计算的，也就是说，把区块头的各项特征值按照顺序连接在一起，组成一个很长的字符串，再对这个字符串计算哈希，Hash=SHA256（区块头）这个就是区块哈希的计算公式。SHA256区块链的哈希算法，注意这个公式里面只包含了区块头，不包含区块体，也就是说，哈希是由区块头唯一决定的。

Web3数据智能公司Forkast Labs推出NFT数字资产指数系列:3月7日消息，Web3数据智能公司ForkastLabs推出数字资产指数系列，包括Forkast 500 NFT、Forkast SOL NFT Composite和Forkast ETH NFT Composite，该指数将提供对数字资产代币化经济表现的实时洞察。据悉，Forkast Labs是一家全球数据、媒体和Web3基础设施公司，由多链NFT数据服务商CryptoSlam和Forkast.News于2023年1月合并而成，由前彭博电视主播AngieLau共同创立。[2023/3/7 12:46:48]

前面说过区块头包含了很多内容，其中有当前区块的哈希，还有上一个区块的哈希，这个意味着如果当前区块体的内容变了，或者上一个区块的哈希变了，一定会引起当前区块的哈希改变，这一点对区块链有重大的意义，如果有人修改了一个区块，该区块的哈希就变了，为了让后面的区块还能还能连接到它，就必须依次修改后面所有的区块，否则被改掉的区块就脱离了区块链，由于后面要提到的原因，哈希的计算很耗时，短时间内修改多个区块，几乎是不可能发生的，除非有人掌握了全网51%以上的算力，正式通过这种联动机制区块链保证了自身的可靠性。数据一旦写入，就无法被篡改，就像历史一样，发生了就是发生了，从此再也无法改变，每个区块链都连接着上一个区块，这是区块链这个名字的由来，由于必须保证节点之间的同步，所以新区块的添加速度不能太快。

Binance.US 将取消以太坊交易手续费:金色财经报道，加密货币交易所 Binance.US 宣布取消以太坊交易手续费，包括 ETH/USD、ETH/USDT、ETH/USDC 和 ETH/BUSD 交易对。此外 Binance.US 还将为使用 BNB 支付交易费用的用户提供额外的交易费用折扣。（coindesk）[2022/12/7 21:29:04]

试想一下，你刚同步了一个区块，准备基于它生成下一个区块，但这个时候别的节点又有了新的区块产生，你不得不放弃做了一半的计算再次去同步，因为每个区块的后面只能跟着一个区块，你永远只能在最新区块的后面生成下一个区块，所以你别无选择，一听到信号就必须立刻同步，所以区块链的发明者中本聪故意让添加新区块化变得困难，它的设计是平均每十分钟全网才能产生一个新的区块，一小时也只产生六个而已，这种产出速度不是通过命令达成的，而是故意设置了海量的计算。也就是说只有通过这些大量的计算，才能得到当前区块的有效哈希，从而把新区快添加到区块链，由于计算量太大，所以快不起来，这个过程叫做采矿，也叫做挖矿。

以太坊官网：合并不会降低gas费用，质押提款将在上海升级后启用:8月17日消息，以太坊基金会推出的以太坊官网ethereum.org在以太坊升级指南中阐明关于合并的误解，内容包括：1.“运行一个节点需要32枚ETH”的说法是错误的，任何人都可以自由地同步自己的以太坊的自验证副本(即运行一个节点)，不需要使用ETH，无论合并前后。2.合并是共识机制的改变，不是网络容量的扩大，也不会降低gas费用。3.“合并后交易会明显加快”的说法是错误的，尽管存在一些细微的变化，但L1的交易速度将基本保持不变。4.合并后并不会立刻启用质押提款，之后的上海升级将启用质押提款。5.上海升级后，费用奖励将记入验证者控制的主网账户并立即可用。6.启用提款后，出于安全原因，验证者/质押者退出的速率会受到限制。7.更多最新的估计预测，合并后质押APR接近50%，而不是200%。 8.合并升级旨在以零停机的状态过渡到权益证明。[2022/8/17 12:31:25]

因为计算有效哈希的难度，好比在全世界的沙子里面找到一粒符合条件的沙子，计算哈希的机器叫做矿机，操作矿机的人叫做矿工，读到这里你可能还会有一个疑问，人们都说采矿好困难，可是采矿不就是用计算机，来计算出一个个哈希吗，这正是计算机的强项啊，怎么会变得困难呢。迟迟算不出开，原来不是任意一个哈希都可以，只有满足条件的哈希才会被区块链所接纳，这个条件特别的苛刻，使得绝大部分哈希都不能够满足要求，必须重算。

原来，哈希头包含一个难度系数，这个值决定了计算哈希的难度，举例来说，第十万个区块的难度系数是14000，区块链协议规定，使用一个常量除以难度系数，可以得到目标值。显然，难度系数越大，目标值越小，哈希的有效性跟目标值密切相关，只有小于目标值的哈希才是有效的，否则哈希无效，必须重算，由于目标值非常小，哈希小于该值的机会极其渺茫，可能计算十亿次才能中一次，这就是采矿如此之慢的原因。

刚才说过，当前区块的哈希由区块头，唯一决定，如果要对同一个区块反复计算哈希，就意味着区块头必须不停的变化，否则不可能算出不一样的哈希，区块头里面所有的特征值都是固定的，为了让区块头产生变化，中本聪故意增加了一个随机项，叫做“Nonce” Nonce 是一个随机值，矿工的作用其实就是猜出 Nonce 的值，使得区块头的哈希可以小于目标值，从而能够写入区块链， Nonce 是非常难猜的，目前只能通过穷举的方法一个一个试错。

根据协议， Nonce 是一个32位的二进制，最大可以到2147亿，第十万个区块的 Nonce 是2.74亿，可以理解成矿工从零开始一直计算了274亿次，才得到了一个有效的 Nonce 值，使得算出的哈希能够满足条件，运气好的话也许一会就找到了 Nonce ，运气不好的话，可能算完了2147亿都没有办法发现 Nonce ，及当前趋话题不可能算出满足条件的哈希，这时协议允许矿工改变区块体，开始新的计算。

正如刚才所说，采矿具有随机性没法保证正好十分钟产出一个区块，有时一分钟就算出来，有时几个小时也没有结果。总体来说，随着硬件设备的提升，以及矿机量增长，计算速度一定会越来越快，为了将产出速率恒定在十分钟，中本聪还设计了难度系数以及动态调整机制，它规定难度系数每两周调整一次，如果这两周里面区块的平均生成速度是九分钟，就意味着这比预定速度快了10%，因此，接下来的难度系数就要调高10%，如果平均速度升成是11分钟，就意味着与预定速度慢了10%，因此，接下来难度系数就要降低10%，难度系数越调越高，目标值越来越小，导致了采矿越来越困难，即使区块链是可靠的。

现在还有一个问题没有解决，如果两个人同时向区块链写入数据，也就是说同时有两个区块加入，因为他们都连接着前一个区块，就形成了分叉，这时应该采用哪一个区块呢，现在的规则是新节点总是采用最长的那条链，如果区块链有分叉，将看哪一个分支，在分叉点后面先打到六个区块，称之为六次确认，按照十分钟一个区块计算，一小时就可以完成。

由于新区快的生成速度由计算能力决定，所以这条规则就是说拥有大多数计算能力的那条分支，就是正宗的区块链，区块链作为无人管理的分布式数据库。从2009年已经运行了11年，没有出现过大的问题，这证明它是可行的，但是，为了保证数据的可靠性，区块链也有自己的代价，1.效率问题，数据写入区块链最少要等待十分钟，所有节点都同步数据则需要更多的时间，2.耗能问题，区块的生成需要矿工进行无数无意义的计算，这是非常浪费能源的，因此，区块链的适用场景其实有限，不存在所有成员都信任管理的当局，写入的数据不需要实时使用，挖矿的收益能够弥补本身的成本，如果无法满足上述的两个条件，那么传统的数据库将是更好的解决方案。

目前区块链最大的应用场景就是以比特币为代表的加密货币，去中心化金融和通信等行业也在快速的发展。

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