区块链如何运作？ 大白话讲解区块链技术（二）

比特币技术自2009年比特币诞生以来，一直在不断演进和更新，如今已经百花齐放，无论是学术界还是企业界，最新的技术和成果不断涌现。 由于区块链的开源和分布式特性，所以...

比特币技术自2009年比特币诞生以来，一直在不断演进和更新，如今已经百花齐放，无论是学术界还是企业界，最新的技术和成果不断涌现。 由于区块链的开源和分布式特性，它从一开始就是一项世界性的技术。

由于语言和网络的限制，中文世界的读者很难接触和理解国外优质的英文区块链文章。 他们并不像看起来那么高大和不起眼。 有很多文章非常通俗易懂，不肤浅。 ，所以我觉得有必要把它们翻译成中国读者能看懂的文章。

本文原标题：区块链是如何运作的？ 副标题是用简单的语言解释区块链技术。 在最大程度还原原内容的前提下，以下内容做了一些改动，方便中国读者理解。 文末可查看英文原文。 由于原文太长，分两篇介绍，本文为第二篇。

区块链真的安全吗？ 为什么叫区块链？

任何人都可以通过互联网访问区块链网络，也可以通过账户地址查询相关交易记录。 如果有人一直使用同一个账户地址发送和接收交易，很容易将所有交易映射到同一个账户。 经过。 比特币网络允许你在钱包中生成任意数量的账户地址，即私钥和公钥对。 该系统允许您使用不同的账户发送和接收交易，没有人可以同时知道您所有的账户和私钥，除非您始终使用同一个私钥和地址发送交易。

一个比特币地址的可能性总数为 2¹⁶⁰ 或 1461501637330902918203684832716283019655932542976。这个天文数字确保了两个相同地址出现在比特币中的概率几乎为零。

比特币网络也可能存在安全漏洞，即已经用完的比特币被多次使用。 由于交易可能通过不同的节点发送到区块链网络，因此两个不同的交易到达同一节点的顺序可能不同。

攻击者发送一笔交易后，迅速发送一笔相反的交易，将接收地址指定为自己的账户地址之一。 由于网络延迟和节点分布广泛，部分节点可能先收到最后一笔交易请求，由于两笔交易使用同一个UTXO，节点会判断第一笔交易指的是使用过的UTXO，然后再考虑交易无效。

于是很多人想到了用交易时间的时间戳来标记交易的先后顺序。 这种方式其实很容易被攻击，毕竟时间戳很容易被篡改。 因此，我们很难确定这两笔交易的发送顺序，这就给了骗子和攻击者可乘之机。

如果上述情况频繁发生最早的比特币是免费挖矿的吗，网络节点之间就会产生分歧，无法达成有效共识。 因此，区块链被设计成使用特定的共识机制来防止欺诈者的攻击。

比特币网络通过将交易分组为区块来实现交易排序，每个区块包含有限数量的交易，以及来自前一个区块的识别信息。 每个区块会按照时间顺序排列，形成一条链，因此该系统也被称为区块链。

同一个区块中的交易被认为是同时发生的，而没有被包含在该区块中的交易则表示它们还没有被确认。 每个节点都有权将一定数量的交易打包成一个块，并将打包好的块广播到网络中。 在此过程中，获得其他节点的认可，成为链上的新区块。 那么这里就会出现一个问题，既然每个节点都可以打包交易，那么谁来打包区块呢？

要将自打包块添加到链中，每个块必须包含对由不可逆加密哈希函数构造的复杂数学问题的答案。 解决这个数学问题的唯一方法就是在前一个区块的信息基础上加入随机信息，然后不断计算哈希结果，直到满足系统给定的目标值。 对于普通计算机来说，这样的难度计算可能要消耗一年的时间。 正是通过目标值的调整和各节点硬件性能的不断提升，以争夺打包区块的权利，比特币系统才能平均维持10分钟出一个区块。

首先计算出正确答案的节点会将答案放入一个新的区块中并广播到网络中。 其他节点可以将答案带入数学拼图中，验证结果是否正确。 验证过程非常简单快捷。 就像不知道密码锁的密码时，需要不断尝试，非常耗时，但一旦知道答案，验证就很简单了。

如果两个节点同时找出答案并将自己打包的块广播到网络会怎样？ 在这种情况下，两个节点都会将自己打包好的区块放在区块链的末尾，其他节点也会先验证和批准第一个到达的区块。

比特币系统中有一个原则，就是每个节点永远只认可最长的链。 当网络中的其他节点收到前一个区块时，会立即投入到下一个区块的打包过程中。 如果打包成功，新区块会立即追加到链尾。 对于那些没有打包成功的节点，记得选择最长的那条链，这样即使系统出现短期分歧，最终还是只有一条主链。

同一个区块同时成功打包的概率很低，所以系统不可能频繁的同时处理多个区块，所以比特币系统可以在很短的时间内在同一条主链上达成共识时间。

特定时间块的分歧也很容易被攻击者利用。 如果一笔交易所在的区块是在一条比较短的链上，一旦下一个区块被确认，也就是最长的链被确认后，那么这笔交易就会立即变成未确认交易。 在比特币系统中，交易的安全性由加密算法机制保障，任何攻击几乎都是针对全网算力的。

接下来，我们不妨举个例子，看看Mary是如何利用短期区块分歧来进行双花攻击的。 Mary 支付 John 比特币换取 John 的产品，因为比特币网络节点总是使用最长的链作为最终的主链，如果 Mary 可以依靠自己的计算能力生成一个比较长的链，那么一个相反的交易如果包含在它，那么约翰将失去他本应收到的比特币和他自己的产品。

那么系统是如何防止此类攻击的呢？ 事实上，每一次新的区块加入链中，都不是玛丽说了算。 她需要和别人一起计算复杂的数学题，以获得打包方块的能力。 如果她有强大的计算能力最早的比特币是免费挖矿的吗，她可以保证每次都能打包。 如果成功了，那么她确实可以轻松发动攻击，因为她可以把对自己有利的交易放到她自己创建的最长链中。

但是比特币网络中的很多节点都想拥有打包区块的权力，每个人都会和玛丽竞争。 换句话说，如果玛丽想要实现她的攻击，就意味着要对抗全网的算力。 能量消耗会很高，高到她需要权衡这次攻击是否还有利可图。

退一步说，Mary并不期望每次都能获得打包权，而只需要保证自己想要的交易落在最长的链上即可。 那么也就意味着，玛丽所掌握的计算能力，必须保证她能够在合适的时间内，赢得后续的几场分块打包比赛。 这个算力成本也很高，道理也差不多。 你或许能够在某一次区块打包比赛中获胜，但要保证在接下来的连续几次打包中都能拿到打包权，仍然面临着与全网算力对抗的压力。

总之，Mary需要拥有全网50%以上的算力才能达到她的攻击目标。 就算她能做到，也只有25%的几率获得一条链上连续两个区块的打包权。 她要在同一条链上打包的区块越多，成功的机会就越低。 因此，比特币网络中的交易依靠系统的数学竞赛来保证其安全性。 在这场竞争中，攻击者承受着与全网算力对抗的压力。

因此，交易会随着后续区块的增加而变得更加安全，因为每个区块都会保存前一个区块的唯一标识信息，下一个区块也会保存当前块的唯一标识信息，一旦该块如果块数据有任何变化，后续块中存储的标识信息也必须相应变化。 如果其中一个区块发生变化，想要被其他节点识别，攻击者必须同时重新计算该区块后面所有区块的数据，以确保彼此之间保留的识别信息是正确的。 任何篡改都意味着与他人争夺封装权，对算力的要求也非常高。

在比特币网络中，每个区块之间的平均时间间隔为 10 分钟。 一笔交易通常被认为是1小时，即直到打包6个区块才确认，因为同时破解了6个区块。 对计算能力的要求非常高。

比特币挖矿

用户为了发送比特币，需要参考钱包中已有的UTXO，即未使用的交易输入，将交易发送到全网进行广播，那么第一笔比特币从何而来呢？ 或者第一个 UTXO 是从哪里来的？

为了平衡因网络异常或钱包私钥丢失导致的全网经济通缩，系统将通过计算一道数学题奖励每个获得打包权的人。 这种行为被称为“挖矿”，这种行为很像现实生活中的挖金。

比特币奖励已经成为很多人运行节点的动力，他们愿意付出一定的算力来保证交易能够得到处理，维护整个比特币网络的稳定。

因为用普通计算机计算和打包数学问题至少需要很长时间，所以很多节点会联合起来解决计算问题，这样他们解决问题的机会就会高很多，然后根据他们的分配各自的算力奖励，这个联合包装组织也被称为“矿池”。

一些矿池的算力非常大，其算力已经超过全网算力的20%。 就像上面提到的双花攻击一样，它们已经成为整个比特币网络安全的隐患，但即使他们未来矿池拥有超过50%的算力，只要有足够的算力累积区块，历史交易还是足够安全的。 当然，很多矿池也在限制算力的继续增加，以保证整个比特币网络的安全。

随着计算机硬件性能的提升，比特币网络中节点的算力会越来越高，但系统会根据全网算力自动调整数学题的计算难度，以保证平均出块时间大约 10 分钟。 这样也可以保证整个网络的稳定性和安全性。

此外，比特币挖矿奖励每四年减半，比特币挖矿将逐渐失去吸引力。 为了鼓励节点继续维护比特币网络，每笔交易都会包含一笔小额交易费，以奖励打包区块的矿工。 因此，成功挖矿的矿工，将同时获得区块内所有交易的手续费和系统奖励的新币。

手续费的意义在于，矿工会优先考虑那些愿意支付更高手续费的交易，并通过市场调节使交易手续费在合理范围内。 比特币现有的交易手续费远低于传统银行，而且手续费与交易金额无关。

区块链的好处和挑战

现在您已经对区块链的工作原理有了扎实的基本了解，让我们快速了解一下它为何如此有趣。

使用区块链技术具有以下显着优势：

然而，区块链技术仍然存在一些挑战：

总之，区块链技术在未来重构其他行业的潜力巨大，从传统广告到能源供应。 它最大的优势在于可以形成去中心化的生态，降低交易和信任成本。

新技术每天都在发生和迭代。 例如，2015 年出现了可以提供去中心化应用的智能合约平台以太坊。但请记住，区块链技术仍处于早期试验阶段，各种改善和增强区块链安全性的技术和工具层出不穷。 未来，区块链会在更多的产品、工具和服务中体现其价值，让我们拭目以待。