什么是比特币?(下)

Hi,大家好,我是王可乐,在上次视频中我们了解了在比特币系统中,交易记录是保存在所有网络节点上的。并且我们也了解了如何利用数字签名技术制作一份合法交易记录,接下来我们就可以把交易广播给网络中的所有参与者了。

同时,在上次视频的结尾我们留了一个问题,如果我们用一笔钱创建一个买房的交易,发给网络一部分节点,而又用同一笔钱创建另一笔交易买豪车,发给网络中另一部分节点,那会产生什么样的结果呢?

首先,有一部分节点先收到了你的第一笔交易,他们会记录下来,传播出去;另一部分节点收到了你的第二版交易,他们也会记录下来,传播出去。随着时间的推移,有一些节点先后收到了你的两笔交易。怎么办呢?很简单,他们把先收到的交易记录下来,然后认为后一笔收到的交易是不合法的,直接丢掉。

这时,网络中的节点出现了不一致:一部分节点认可你的第一笔交易,另一部分节点认可你的第二笔交易。作为一个货币系统,比特币当然只会承认其中一笔。具体怎么做呢?比特币系统引入了一个竞赛,让节点们互相竞争,最终达成一致。

说到这里,可乐有必要为大家介绍一下比特币的底层技术--区块链,是如何工作的。

在比特币系统中,节点是这么组织交易的:发生时间相近的交易会被放在一起,形成一个"区块",然后每个区块按照时间顺序首尾相接,后一个区块里会写着前一个区块的编号,所有区块组成一个链条的形状。这个链条从第一个区块(也就是创始块)开始,到最新的一个区块为止,记录了比特币历史上所有已经确认的交易记录。

回到刚才的问题。网络中一部分节点认可了你的第一笔交易,把它放在了新生成的区块里;另一部分节点认可了你的第二笔交易,也把它放在了他们新生成的区块里。那么,谁说了算呢?

画外音:人多的说了算呗?

嗯,一定程度上是对的,不过比特币系统还要更复杂一点。实际上,把一个区块打包加入到区块链里,也被设计成了一件非常困难的事情。

当一个节点收集到一批交易信息,制作出来一个区块,它还需要先把这个区块合法化,才能把它加入到区块链里,被整个网络认可。中本聪在设计比特币系统时,要求一个区块必须满足一个非常苛刻的条件,才能被认为是区块链里的一个合法区块。

简单地说,所有新产生的区块,除了交易记录、上一个区块的地址等数据之外,还必须添加一个(称作 nonce 的)小块数据,使得整个区块经过一个(称作哈希计算的)数学运算之后,得到的结果满足指定的条件。而找到满足这样条件的小块数字(nonce),至少对于现在计算机的计算能力来说,是一件非常困难的事情。

这里,比特币对区块做的数学运算称作哈希计算。在计算机科学里,哈希计算是一系列计算的统称,这类计算能够将一块数据,映射成一小串固定长度的数字,我们称作哈希值。

哈希计算有几个特点:

一是,给定输入数据,可以很快计算出来它的哈希值;反之只给出哈希值,则几乎不可能算出原始数据;

二是,输入的数据哪怕只是改变一点点,算出来的哈希值也会发生翻天覆地的变化。

也就是说,通过哈希计算,我们的区块(包含交易记录、上一个区块的地址以及额外的 一小块数据),会算出一个固定长度的哈希值来。比特币系统要求合法的区块计算出来的哈希值小于某一个阈值,因此,比特币中的计算节点们就需要不停尝试不同的数字,使得整个区块的哈希值满足条件。

由于计算产生新区块是一件非常困难的事情,为了鼓励网络中参与区块链建设的节点,比特币系统协议允许生成合法新区块的节点得到两种收益。

一种收益是交易手续费,还记得你的买房交易里有一笔 0.001 比特币的手续费吗?这个手续费就是奖励给把你的交易打包进区块链的节点的。这个手续费是可选的,不过包含适量的手续费可以使得你的交易更快的被打包进区块链。

另一种收益来自一种称作 coinbase 的交易,这是比特币系统中一个特殊的交易,也是唯一一种无需包含输入,而只有输出的交易。比特币系统中的所有节点都认可这个规则,计算出合法区块的节点,可以在区块中包含一笔这样的交易,写上自己的钱包地址,奖励给自己一些比特币。最初这个奖励的金额是 50 比特币,大约每四年这个奖励金额就会减半,按照系统设计,2140年这个奖励就消失了,目前这个奖励大约是 12.5 比特币。

由于 coinbase 交易"凭空"创造出了比特币,它也是比特币发行的唯一方式。

参与比特币记账的节点要通过复杂而费力的计算工作来添加新区块,从而得到交易手续费和系统奖励,因此这种工作也被人们形象的称为"挖矿",参与挖矿的计算机节点被称作"矿机",控制矿机的人们则自称“矿工”

在比特币系统中,并非所有参与者都会选择成为矿工。事实上,大多数参与比特币交易的普通人,只需要读取数据或者发起交易。

有了经济上的利益诱惑,所有参与记账的矿工节点,在组成一个新区块之后,就开始不停的计算,寻找这个能使整个区块合法的数字。所有的节点都参与竞争,每当有一个节点率先算出来了合法的区块,它就会兴奋地通知周围的节点,把这个新的区块广播给大家。

而当一个节点收到了别人传来的合法区块,它就会先去校验这个区块是否满足合法条件。如果校验通过,也就意味着自己在刚才这场竞争中失败了,于是它就放弃自己正在进行的计算,把别人传来的区块加入到自己的区块链中 ,然后重整旗鼓,参与下一个区块的计算。

再回到前面的情况,当你把用同一笔钱 买房的交易和买车的交易都发送到网络上之后:一部分节点可能先收到了买房这笔交易,于是尝试把这笔交易加入到它们的下一个区块里,而 这些节点稍后再收到买车这笔交易时,就简单地忽略掉它;而另一部分节点则可能刚好相反,它们尝试把买车这笔交易加入到它们下一个区块里。在绝大多数情况下,只有一方能够先胜出。假设买房的交易先胜出,那么当包含这笔交易的区块迅速被网络上所有节点都认可之后,买车这笔交易就再也没有机会被人接受了。

此外,由于在产生新区块非常困难,想篡改区块链中的交易记录(造分叉)也成了一件很困难的事情。假设你付给房主小 D 房款之后,你的交易被打包到了一个最新的区块 X 里,而 X 的上一个区块是 W。如果你想赖账,抹掉这笔交易,那么你需要把区块 X 里的交易拿出来,去掉你的交易,重新计算一个新的区块 X_1。如果你成功了,那就意味着你在w之后制造了一个区块链的分叉。

这时比特币系统有一个简单的策略来弥合分叉这种不一致的情况。那就是:所有比特币网络中的节点,都只在当前最长的区块链分叉上计算新块,而忽略较短的分叉。

此时网络中所有其他的节点都在尝试往 X 之后构建新的区块 Y,你必须赶在他们之前构造出区块X_1,然后在其他人算出 Y 之前,计算出X_1 后的新区块 Y_1,这样才能说服所有人放弃 X,切换到 X_1 和 Y_1 这个分支上来。除非你的计算能力爆棚,超过了全网计算能力的 50%,否则这已经是一件几乎不可能完成的任务了。

那如果你想篡改的交易 X 之后,已经被计算出来若干个新区块了呢?你必须从 X 开始逐一重新计算,试图制作出来一条更长的区块链分支来说服大家。这不仅是几乎不可能的事情,而且会让尝试做这样事情的人损失巨大的能源、计算机节点资源。有这个能力,你完全可以做个正常的矿工,赚取每个区块产生的收益。因此,你的交易在区块链里时间越久,前面产生的新区块越多,你的交易也就越安全。

虽然由伪造导致的分叉在实际情况中不常发生,但因为不同节点收到交易的先后顺序不同、选择策略不同,而网络则又不总是可靠,比特币偶尔也会出现分叉。

产生区块的过程称为工作量证明方法,这种方法使得篡改、伪造区块链变得代价高昂,从而确保了在没有中心权威的情况下,参与系统的各方出于保障自己的经济利益的目的,去遵守和维护系统规则。这样就使得人们对系统产生了信任,从而赋予了比特币价值。

怎么样,是不是非常精巧和神奇呢?其实,今天可乐给大家讲的,就是比特币及其背后区块链系统的知识,还有更多更有趣的科技背后的知识,可乐会在以后的视频中为大家一一讲解。好了,今天就到这里了,别忘了关注可乐的公众号"可乐编程",如果您觉得视频还算有趣,也请把视频分享给你的朋友们,可乐感谢您的支持,那么下回见了。

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