区块链是什么,如何简单易懂地介绍区块链?(二)

上一篇提到了,在一个完全不信任的P2P网络节点中,该如何保证数据的一致性和安全性呢?他们如何做到相互监督?本篇就从这一点出发,来看看区块链到底是如何一步步形成的。

作者:盗盗

链接:https://www.zhihu.com/question/37290469/answer/293890531

来源:知乎

“交易数据这么重要的东西,在一个完全不信任的P2P网络节点中以一种错综复杂的方式传递,数据的一致性和安全性谁来保证,如果说互相监督,他们到底怎么做到?”

好了,不卖关子了,下面让我们围绕这个最最最最直接的问题开始进入到真正区块链的世界,抽丝剥茧看看它到底是如何一步一步形成的,又是如何一步一步稳定运转。

# 从全球节点到交易数据

这张图的制作的意义为的是帮助你在宏观上先快速理解区块链中所涉及到的相关名词以及他们的层级关系。同时,文章的知识结构和设计思路也大抵上也会按照:

首先,将区块作为最小单位体,讲述极简区块链系统是如何运转的;

接着,进入到比区块更小单位体——交易记录,理解区块链是如何处理数据的;

最后,将所有知识点柔和在一起,重回到区块和区块链,完整讲述整个工作流程。

希望你在这个引导和结构下有一个比较好的阅读体验。Let's go~

# 区块,混沌世界的起源

既然已经达成共识,所以,我们事先构建好了一个去中心化的P2P网络;同时,为了让读者朋友们听起来更轻松,我先粗暴的规定在这个极简的区块链系统里,每十分钟有且仅产生一笔交易。

故事继续,在节点的视野里,大概每十分钟会凭空产生一个建立在自己平行宇宙世界的神奇区块(你可以将区块想象为一个盒子),这个区块里放着一些数字货币以及一张小纸条,小纸条上记录了这十分钟内产生的那唯一一笔交易信息,比如说——“小A转账给了小B100元”;当然,这段信息肯定是被加密处理过的,为的就是保证只有小A和小B(通过他们手上的钥匙)才有能力解读里面真正的内容。

这个神奇的区块被创造出来之后,很快被埋在了地底下,至于埋在哪里?没有一个人不知道,需要所有计算机节点一起参与进来掘地三尺后才有可能找到(找到一个有效的工作量证明)。显然,这是一件工作量巨大、成果随机的事件。但是呢,对于计算机节点来说,一旦从地底下挖出这个区块,他将获得区块内价值不菲的数字货币,以及“小A转账给了小B100元”过程中小A所支付的小费。同时,对于这个节点来说,也只有他才有权利真正记录小纸条里的内容,这是一份荣耀,而其他节点相当于只能使用它的复制品,一个已经没有数字货币加持的副本。当然这个神奇的区块还有一些其他很特别的地方,后面我们会再细细聊。

为了更好的描述,我们将计算机节点从地底下挖出区块的过程叫做「挖矿」,刚才说了,这是一件工作量巨大、运气成分较多、但收益丰厚的事儿。

过了一会儿,来自中国上海浦东新区张衡路上的一个节点突然跳出来很兴奋的说:“ 我挖到区块了!里面的小纸条都是有效的!奖励归我!” 。虽然此刻张衡路节点已经拿到了数字货币,但对于其他计算机节点来说,因为这里面还涉及到其他一些利益瓜葛,他们不会选择默认相信张衡路节点所说的话;基于陌生节点彼此不信任的原则,他们拿过张衡路节点所谓挖到的区块(副本),开始校验区块内的小纸条信息是否真实有效等等。在区块链世界里,节点们正是通过校验小纸条信息的准确性,或间接或直接判断成功挖出区块的节点是否撒谎。(如何定义小纸条信息真实有效,后面会讲解,这里暂不做赘述)。

在校验过程中,各个节点们会直接通过下面两个行为表达自己对张衡路节点的认同(准确无误)和态度:

停止已经进行了一半甚至99.99%的挖矿进程;

将张衡路节点成功挖出的区块(副本)追加到自己区块链的末尾。

你可以稍微有点困惑:停止可能已经执行了99.99%的挖矿行为,那之前99.99%的工作不是就白做了嘛?!然后,区块链的末尾又是个什么鬼东西?

对于第一个困惑。我想说,你说的一点没错,但是没办法,现实就是这么残酷,即便工作做了99.99%,那也得放弃,这99.99%的工作劳苦几乎可以视为无用功,绝对的伤财劳众。第二个困惑,区块链和区块链的末尾是什么鬼?这里因为事先并没有讲清楚,但是你可以简单想象一下:区块是周期性不断的产生和不断的被挖出来,一个计算机节点可能事先已经执行了N次“从别人手上拿过区块 -> 校验小纸条有效性”的流程,肯定在自己的节点上早已经存放了N个区块,这些区块会按照时间顺序整齐的一字排列成为一个链状。没错,这个链条,就是你一直以来认为的那个区块链。如果你还是不能够理解,没关系,文章后面还会有很多次机会深入研究。

# 走进区块内,探索消息的本质

上面我们构建了一个最简单的区块链世界的模型,相信大多数同学都已经轻松掌握了。但是别骄傲也别着急,这还只是一些皮毛中的皮毛,坐好,下面我们准备开车了。

前面我们说到“大概每十分钟会凭空产生一个神奇的区块,这个区块里放了一张小纸条,上面记录了这十分钟内产生的这唯一一笔交易信息”。显然,十分钟内产生的交易肯定远不止一条,可能是上万条,这上万条数据在区块链世界是如何组织和处理的呢?另外,为什么在纸条上记录的只是某一次的交易信息,而不是某一个人的余额?余额好像更符合我们现实世界的理解才对。

既然存在这样那样的疑问。现在我们就把视线暂时从“区块”、“区块链”这些看起来似乎较大实体的物质中移开,进入到区块内更微观的世界里一探究竟,看看小纸条到底是怎么一回事,它的产生以及它终其一生的使命:

发起交易的时候,发起人会收到一张小纸条,他需要将交易记录比如说“盗盗转账给张三40元”写在纸上。说来也神奇,当写完的那一刹那,在小纸条的背面会自动将这段交易记录格式化成至少包含了“输入值”和“输出值”这两个重要字段;“输入值”用于记录数字货币的有效来源,“输出值”记录着数字货币发往的对象。

刚刚创建的小纸条立马被标记成为“未确认”的小纸条。从地下成功挖出区块并最终连接到区块链里的小纸条一开始会被标记为“有效”。若这条有效的小纸条作为其他交易的输入值被使用,那么,这个有效的小纸条很快会被标记为“无效”。因为各种原因,区块从链上断开、丢弃,曾经这个区块内被标记为“有效”的小纸条会被重新标记为“未确认”。

区块链里面没有账户余额的概念,你真正拥有的数字资产实际上是一段交易信息;通过简单的加减法运算获知你数字钱包里的余额。

上面的1、2、3仅仅作为结论一开始强行灌输给你的知识点,其中有几个描述可能会有点绕,让你觉得云里雾里,没有关系,因为我们立刻、马上就开始会细说里面的细枝末节。

上图,是区块内,盗盗在一张小纸条上记录下的交易信息,后被格式化的呈现

上图就是从无数打包进区块内的小纸条中,抽取出来的一张,以及它最终被格式化后的缩影。单看右侧的图可能很容易产生误会,虽然看起来有多行,但实际上就是“盗盗转账给张三40个比特币”这一条交易数据另外的一种呈现形态。因为区块链世界里面这么规定,每一条交易记录,必须有能力追溯到交易发起者 发起这笔交易、其中所涉及金额的上一笔全部交易信息;即这笔钱从何而来的问题。这其实很容易理解,在去中心化的网络中,通过建立交易链、和通过交易链上的可溯源性间接保证数据安全和有效。

我们继续看,在区块链世界里,我们是如何仅通过“盗盗转账给张三40个比特币” 这条交易信息完成转账流程的。其实跟现实中你在路边买一个包子的流程大抵上相同。

第一步:判断是否有足够的余额完成交易

这里我们再一次重申,在比特币的区块链世界里是没有余额的概念(以太坊的底层区块链有余额概念),余额是通过简单数字的加减最终获得,你拥有所谓的数字货币实际上是因为你拥一条交易记录,即 “盗盗转账给张三40个比特币”!这里,我们还是拿这条记录说事:

追溯“输出值”是“盗盗”相关的全部有效交易记录作为,对有效交易中的数字进行简单求和,判断是否大于等于40,如果确实大于等于,则将这些有效的交易记录合并形成一条新的交易记录(如下图)。如果小于40,其实可以不需要再继续往下探讨。

就上图的例子,我们追溯到曾经转账给盗盗的有效交易记录有“小A转账给盗盗10 btc”、“小B转账给盗盗20 btc”、“小C转账给盗盗 25 btc”,我们需要将这三条交易记录合并成一条更复杂描述的交易记录,即 “( 小A转账给盗盗10 btc + 小B转账给盗盗20 btc + 小C转账给盗盗 25 btc ) 转账给张三40 btc ”

第二步:判断是否需要找零

对追溯到的有效交易数字求和,如果发现大于需要支付的金额,需要将多出的数字重新支付给自己,相当于找零。对应生成了一条全新的交易记录(如下图)。

就上图例子来说,我们最后合并成的交易记录 “( 小A转账给盗盗10 btc + 小B转账给盗盗20 btc + 小C转账给盗盗 25 btc + 盗盗转账给盗盗15 btc ) 转账给张三40 btc ” 事实上等同于“盗盗转账给张三40 btc”。其中“盗盗转账给盗盗15 btc”就可以理解找零。

第三步:发出去,让全球节点认同和备份小纸条

这条内部重新处理过的复杂交易记录被塞进区块,埋到地下,等待节点挖出来,一旦区块被挖矿成功,并且该区块最终被连在了区块链的主链上。张三将最终拥有了这条交易记录,而先前的“小A转账给盗盗10 btc” 、“小B转账给盗盗20 btc” 、“小C转账给盗盗25 btc”都将被视为已经使用过的交易记录——从此被贴上“无效”的标签,意味着这些交易记录将永远不会再被追溯到。

我们最后一次重申,只是希望让你加深印象:拥有数字货币=拥有交易记录!

通过设计巧妙的精巧密码学保证数据安全

记录着交易信息的小纸条借助区块这个载体,在分布式的网络中以不同的轨迹错综复杂的传递,我们前面说了,你真正拥有的数字资产实际上是一段交易信息,而不是你常规意义上理解的货币。所以这个过程就需要重点解决两个问题:

接受到的这条交易记录在传输过程没有被其他人所篡改

接受到的这条交易记录确实是由发起交易的人所创造

在这里,我们需要事先引入两个知识点,可能稍微有点难消化,但都是计算机领域较为成熟的和基础的概念。

第一个知识点:SHA256()函数。你只需要知道,任意长度的字符串、甚至文件体本身经过SHA256函数工厂的加工,都会输出一个固定长度的字符串;同时,输入的字符串或者文件稍微做一丢丢的改动,SHA256() 函数给出的输出结果都将发生翻天覆地的改变。注意,SHA256()函数是公开的,任何人都能使用。

上图,仅仅一个小数点的变化,输出的结果已经翻天覆地

第二个知识点:非对称加密。你也只需要了解,任何人手里都有两把钥匙,其中一把只有自己知道,叫做“私钥”,以及一把可以公布于众,叫做“公钥”;通过私钥加密的信息,必须通过公钥才能解密,连自己的私钥也无解。公钥可以通过私钥生成多把。

有了这些知识点的加持,上面两个问题开始变得有解。下面我们来看下内部是如何扭转和工作的吧,这里拿“小A 转账给了小B 100元钱” 举例:

第一步:小A会先用SHA256函数对自己的小纸条进行处理,得到一个固定长度的字符串,这个字符串就等价于这张小纸条。

第二步:小A使用只有自己知道的那一把私钥,对上面固定长度的字符串进行再加密,生成一份名叫数字签名的字符串,这份数字签名能够充分证明是基于这张小纸条的。你可以这么理解,在现实中,你需要对某一份合同的签署,万一有人拿你曾经在其他地方留下的签名复制粘贴过来怎么办?!最好的办法,就是在你每一次签名的时候,故意在字迹当中留下一些同这份合同存在某种信息关联的小细节,通过对小细节的观察可以知道这个签名有没有被移花接木。步骤一和步骤二的结合就是为了生成这样一份有且仅针对这条小纸条有效的签名。

第三步:小A将「明文的小纸条」、刚刚加密成功的「数字签名」,以及自己那把可以公布于众的「公钥」打包一起发给小B。

第四步:当小B收这三样东西,首先会将明文的小纸条进行SHA256()处理,得到一个字符串,我们将其命名为“字符串2”。然后,小B使用小A公布的公钥,对发过来的数字签名进行解密,得到另外一个“字符串1”。通过比对“字符串1”和“字符串2”的一致性,便可充分证明:小B接受到的小纸条就是小A发出来的小纸条,这张小纸条在中途没有被其他人所篡改;且这张小纸条确实是由小A所编辑。

可以看得出来,加解密的过程几乎是一环套一环,中途任何环节被篡改,结果都是大相径庭。借助这一连串的机制,其实已经能够很好的在公开、匿名、彼此不信任的分布式网络环境中解决数字交易过程中可能遇到的很多问题。这个环节可能确实有点难理解,现在,我需要你停下来,静下心,花上几分钟闭目慢慢回味其中设计精湛的地方。

掌握了这部分知识以后,我们在这里回答一下前面没有解释清楚的问题,「节点对区块的检验」检验的到底是什么?实际上就是:

检验区块内的交易记录签名是否准确(是否被篡改)

检验区块内的交易记录输入值是否“有效”(是否使用过)

检验区块内的交易记录输入值的数字之和是否大于等于输出值的数字

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