比特幣原理深入

區塊鏈技術

本文圖片均來自“讀庫”微信公眾號

到此為止，我們去中心化賬本的理想只實現了一半，并沒完全實現，為什么呢？因為還有兩個重大的問題沒有解決。

第一個問題：賬本同步問題。比特幣網絡中有那么多臺電腦，一條交易信息發送出來的時候，當然不可能所有的電腦都開機，必然有一些處于離線狀態，開了電腦也未必開著比特幣客戶端，所以總有一些電腦無法立刻收到這條信息。這樣就會導致不同電腦上的記錄不同步，到底以誰的電腦記錄為準呢？

第二個問題：如何防止同一個比特幣被重復使用？假如有一個黑客，他只有一個比特幣，但是他卻同時把這個比特幣付給A和B（雖然理論上無法真正同時，但可以做到間隔時間極短），于是就會在網絡上廣播兩條信息，一條是支付給A的信息，一條是支付給B的信息，因為網速的關系，必然有的電腦先收到信息1，有的電腦先收到信息2，這就產生了矛盾，如何確定哪一條信息是有效的呢？

為解決上面這兩個難題，區塊鏈技術橫空出世。

中本聰的論文真正在全世界掀起大風大浪，不是因為上一節介紹的比特幣基本工作原理——數字指紋和非對稱加密都是成熟的技術，真正讓他一戰成名的是區塊鏈技術。但請記住：比特幣不是區塊鏈，它只是區塊鏈技術的一個具體應用。

到底什么是區塊鏈？它怎樣巧妙地解決了賬本同步和信息不重復的問題呢？

中本聰的總體思路是這樣的：比特幣網絡中的所有電腦都只認可唯一的一個賬本，任何一臺電腦在接入比特幣網絡時，首先要同步這個唯一的賬本，任何一臺電腦想要往這個賬本上寫入新的信息，必須完成一套繁瑣的“手續”，這套手續復雜到幾乎不太可能被同時完成兩次，即便真的發生了巧合，被同時完成了兩次甚至多次，也有一個規則可以判定哪條信息是合法的，哪條信息該被拋棄。

讓我一步步為你揭開區塊鏈技術的面紗。

為什么要叫“區塊鏈”？因為中本聰把這個賬本設計成了由一個個“信息包”首尾相連而成的長鏈，每一個信息包被稱為一個“區塊”，這些區塊每一個都有唯一的編號——在比特幣系統中，編號被稱為高度（height），這些編號就是自然數1、2、3、4……一直往下排，不允許跳躍，也不允許中斷和重復。

下面講解區塊的具體規則。

第一個區塊當然是由區塊鏈的發明人中本聰親自創建的，那是北京時間2009年1月4日，在芬蘭赫爾辛基的一臺小型服務器上，第一個區塊誕生了，這也被稱作“創世區塊”（genesis block）。在這個區塊上，包含的主要信息是：

區塊高度：0

The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brinkof second bailout for banks

（譯文：《泰晤士報》2009年1月3日頭版文章標題：財政大臣面臨第二次為銀行提供緊急救助的窘境）

“某賬號”獲得50比特幣獎勵

中間那段話是中本聰刻在第一個區塊上的紀念，從第二個區塊開始，以后每個區塊就必須嚴格按照比特幣系統的規則來創建了。區塊的規則有（至少包含以下信息）：

區塊鏈的一個奧妙之處在于尾巴上加的這個隨機數（nonce），因為它實在太奧妙，讓我等凡夫俗子只能大呼過癮，所以后面我就把它稱為“奧數”，以方便講解。

中本聰規定：這個新區塊的數字指紋（一個256位的二進制數）的前72位必須全部為0。

回憶一下我們前面介紹過的數字指紋的知識。因為SHA算出來的指紋是毫無規律可循的一組數字，所以，想要滿足中本聰的這個變態規定，唯一的辦法就只能憑運氣湊奧數，從0開始不斷地去嘗試，直到滿足要求為止。這是一個純粹的概率問題。我們來算一下要滿足這個要求的概率是多大。

因為二進制數，每一位只有兩種可能性，0或者1，所以，湊出一個奧數的可能性是2的72次方分之一，也就是：

1/4722366482869645213696

這個數字已經長到看花眼了吧，它大約就是4.7萬億億分之一。換句話說，就是平均要進行4.7萬億億次SHA計算，才可能得到一個奧數，可見每一個奧數的金貴。

最巧妙的是，奧數并不是某一個方程的解，解出一個少一個，因為每一個區塊的字符串都不同，所以，每一次尋找奧數都需要從0開始，任何一個數字都有可能成為新的奧數，完全沒有規律可循。

一旦成功找到一個奧數，就獲得了一次記賬權力，可以給賬本上新增加一個區塊。那么，為什么要花時間找奧數，去給賬本記賬呢？因為好處實在太大了。

比特幣系統規定，每成功增加一個區塊，這臺記賬的電腦（實際上是某個賬號）就能獲得12.5個比特幣的獎勵（截止到本文寫作時的獎金額），以及這個區塊中所有交易的手續費，總額取決于交易頻繁程度（平均約2比特幣）。這樣一來，相當于每找到一個奧數，可以獲得14.5比特幣獎勵，按照本文寫作時的比特幣市場價，相當于12萬美元。這么豐厚的獎勵，自然就會吸引大量的電腦去搶奪記賬權。

尋找奧數就是搶記賬權，搶記賬權也就是挖比特幣。

因此，尋找奧數也被形象地稱為“挖礦”。挖礦的電腦就叫“礦機”，一個裝滿礦機的房間當然就可以叫“礦場”了，礦場的主人就是“礦主”，他們是比特幣江湖中的弄潮兒。

但是，我需要給你解釋一下挖礦的難度，讓你打消去挖礦的沖動。個人電腦的運算速度大約是每秒可以進行60萬次SHA計算，也就意味著，一臺個人電腦平均需要花一千萬年才有可能湊出一個奧數。當然，這是一種概率計算，我不能從理論上排除某人的人品超新星爆發，只算一次奧數就中了4.7萬億億分之一概率的獎。但我還是想勸你不要相信自己有那個命。

給你看看人家專業的礦場是怎樣的：

大規模的礦場據說有幾萬甚至幾十萬臺礦機同時運行。我在《看看新聞》2017年6月17日的一則新聞中看到，記者采訪了一個位于中國四川的礦場，根據報道，這個礦場有5000多臺礦機，屬于小規模，平均每天耗電超過20萬度，當地的電價是每度3毛，一天光是電費就6萬多元，平均每天可以挖出大約50個比特幣，一年左右回本，之后能做到20%左右的利潤。

不過我覺得這個報道中的數據前后矛盾，便查了一下，當時比特幣的市場價是大約每個2500美元，美元兌人民幣的匯率大約是6.8，所以，每天的收入大約是85萬人民幣，一年的收入大約3.1億元，一臺礦機的成本均價在一萬到兩萬元，礦場的礦機總成本是5000萬到1億元，即使算上電費等，一年起碼有兩億的利潤。

在充分的市場競爭下，出現這種暴利的可能性很低。所以，不是記者搞錯了，就是被采訪對象吹牛不打草稿。由于比特幣的價格和全網算力的波動很大，所以投資比特幣礦場很難做長期預測，不確定因素太多。

根據我們前面掌握的比特幣知識，50個比特幣，相當于找到了4個奧數，搶到了4次記賬權。目前，整個比特幣網絡的所有礦機，加起來的總算力能達到的水平，大約平均每10分鐘可以找到一個奧數，也就意味著平均每10分鐘生成一個新的區塊。當然，這個10分鐘是平均數，快一點的話三四分鐘生成一個區塊，慢一點的話15分鐘左右。

正因為奧數太難找，每個區塊平均要10分鐘才能生成一個，所以就能基本解決本節開頭提出的第一個問題“如何同步賬本”，只要有個三四分鐘的時間，足以讓所有在線的電腦同步到這個區塊了，那些不在線的電腦或者第一次運行客戶端的電腦，上線以后必須先做一件事情，就是從相鄰的節點上獲取最新的賬本。

請注意，我用了“基本解決”這個詞，也就意味著，并沒有完全解決“賬本同步”的問題。這是因為總會有極小的概率兩臺礦機恰好同時（只要在網絡上所有在線的節點沒有完成區塊鏈同步之前都可以算同時）找到奧數，也就意味著同時搶到了記賬權。因為礦機實在太多了，這樣的小概率事件時不時也會發生一次，同時搶到記賬權的礦機都能將自己生成的新區塊廣播到比特幣網絡中。

遇到這種情況，比特幣系統怎么處理呢？

在這種情況下，相當于網絡上的其他節點收到了兩個合法的新區塊，因為網絡節點的地域分布不同，所以，不同的節點收到這兩個新區塊的先后次序就會不同。此時，所有的節點會暫時保留兩個新區塊，并且把區塊鏈做一個臨時的分叉，如下圖所示：

接下來，比特幣網絡中必然又會有其中一個節點（礦機）搶到了記賬權，這時該節點就會將生成的最新區塊接到其中的一個分支上，那到底是接到新區塊1，還是新區塊2上呢？系統規則是：這個節點先收到哪個區塊，就接到哪個區塊上，同時放棄另一個區塊，然后全網廣播，如下圖所示：

比特幣網絡上的所有節點在收到最新的區塊鏈后，只要發現其中一個分支比另外一個分支多兩個區塊了，就立即也放棄那個短的分支。總之，比特幣網絡永遠只承認更長的那條分支。

你可能會想，那如果小概率事件再次發生，在區塊鏈第一次分叉后，又是同時產生了兩個新區塊，而恰好兩個新區塊產生在兩個不同的分支上，這時候，其他節點收到的區塊鏈還是兩個一樣長的分支，那怎么辦？很好辦，還是同樣的規則，只要分支一樣長就暫時保留，直到出現兩個分支不一樣長時，就放棄短于兩個區塊的，保留長的。那個被放棄的分支中所有交易和比特幣獎勵都會被判定為無效。

因為有了這個臨時分叉的規則，所以，比特幣玩家在完成一筆交易后，不能立即認為這筆交易是成功的，有可能會被取消，必須等到一定數量的新區塊生成后，如果交易依然沒有被取消，這才能放心地認為交易成功了。那到底要等到多少個新區塊產生才能放心呢？

按照概率來說的話，小額交易有三個新區塊產生就夠了，但是大額交易的話，為了更保險，一般認為等到六個新區塊產生，就足以放心了。前面說過，每個區塊產生的平均時間是10分鐘，也就意味著，一筆大額交易需要一個小時左右才能確認交易成功。

但是小額交易確認的時間往往會更長，甚至長達好幾天。聽到這個你可能會有點兒糊涂，剛才不是還說小額交易一般只要三個新區塊產生就夠了嗎？怎么確認時間反而會更長呢？比特幣網絡剛剛誕生的頭幾年，確實不會出現這樣的怪事，但是這幾年隨著交易量的猛增，就會出現這種怪事了。為什么？先回憶一下每個區塊的規則：

你的交易記錄要被寫到區塊鏈上，有一個前提：礦工將你的這筆交易記錄打包到這個區塊上。你可能想問：為什么會不打包？難道系統規則還允許不打包嗎？打包成功了不是還要給礦工交稅嗎？礦工好不容易搶到一次記賬權，怎么會有錢不賺呢？

是的，允許不打包。原因不是礦工不想賺錢，而是“不可抗力”，關鍵問題是每一個區塊允許存儲的數據量有限。中本聰當初設計比特幣系統時，規定了每一個區塊最大只能是1MB，一條交易記錄大概是0.25KB，那么一個區塊最多可以儲存4000多條交易記錄，如果在一個新區塊產生的時段中，發生的交易請求超過4000條，那就肯定存不下了。

我們可以算算，這個量大概是一個怎樣的交易頻率，每個區塊的平均產生時間是10分鐘，也就意味著，平均每秒鐘的交易量如果超過7條，那么就一定會出現排隊等待打包的交易記錄了。這個交易頻率實在很低，要知道支付寶一秒鐘大約要處理上萬筆交易。這一秒鐘七筆交易對于全球來說，實在是太不夠用了。

一般來說，大額交易優先打包，小額交易中手續費越高的交易越優先打包，打包規則礦工有一定的自主權。比特幣交易手續費的規則比較復雜，不同的礦工收的還不一樣，不是三言兩語能說清，但有一點可能會讓你感到詫異，越是大額的交易反而收費越低，甚至免費。交易額越小反而費率越高。這是因為，交易手續費除了鼓勵礦工挖礦，還有一個非常重要的功能，就是防止有人惡意發布大量的小額交易造成信息擁堵。

現在，比特幣交易滯留是非常普遍的現象，很多小額交易甚至等上好幾天都確認不了，因此，很多人不惜附加很高的交易手續費來讓礦工提前替他們打包。

到這里，有關區塊鏈的核心原理就講完了，關鍵要記住，中本聰利用區塊鏈技術，巧妙地解決了賬本同步和信息不重復的問題，這就使得去中心化賬本的理想最終得以實現。

學習知識，我認為最佳的方式就是帶著問題學習，在學習過程中，先掌握知識的主干，如果還有興趣，再去了解那些枝枝杈杈。以上三節，第一節是讓你帶上問題，第二、三節就是比特幣和區塊鏈知識的主干，如果你消化完畢，可以繼續閱讀下一節，了解一些枝杈。

關于比特幣的知識點

·如何保證比特幣的產出速度大致恒定？

比特幣的產出速度本質上就是尋找奧數的速度，現在的奧數是要求前72位全部為零，如果把72改為73，那么尋找奧數的難度就立即翻一倍，同理，如果從72減為71，則難度減半。因此，系統只需要根據全網的平均算力來調節奧數的規則就可以很簡單地做到。現在的規則是平均每產生2016個新區塊后，根據產生這些新區塊的平均算力調節一次難度。我們也注意到，這種調節較為粗糙，只能翻倍或者減半。

·為何比特幣總量上限是2100萬枚？

這個總量上限是人為規定的。中本聰設計的規則是這樣：每增加21萬個區塊后，幣獎勵就減半，獎勵的初始值是50比特幣，所以北京時間2009年1月4日中本聰自己創建的第一個創世區塊，就獎勵給了自己50比特幣。按照平均10分鐘一個區塊的產出速度，大約是每隔四年會減半一次。

第一次減半發生在北京時間2012年11月29日7點24分，第21萬個區塊誕生，比特幣獎勵減少為25個。北京時間2016年7月10日凌晨0點46分，第42萬個區塊誕生，這次相隔時間大約是三年零七個月，比特幣獎勵再次減半，成為現在的12.5個。

知道了這個規則，我們就很容易根據當前的區塊高度計算出已經挖出的比特幣總量，截止到本文寫作時，比特幣的總量約1687萬枚。按照這樣的半衰期，大約到2140年，比特幣的產量就趨于零，上限是2100萬個，實際上不可能達到2100萬。比特幣允許交易的最小單位是0.00000001（10^(-8)）比特幣，這個最小值也被稱為“一聰”，這是由腳本語言支持的最小數字精度決定的，因此，比特幣的總量上限就是2100萬億聰。

中本聰為什么要人為規定一個總量上限呢？因為他的理想是創造一種不能濫發的貨幣，從而在理論上徹底阻斷通貨惡性膨脹。至于這種理想能不能因為規定了上限而實現，是一個經濟學問題，我沒有能力多談，只知道在經濟學中，通貨膨脹和通貨緊縮同樣都是可怕的。

你可能馬上又想到一個問題：如果不再獎勵比特幣了，誰還去挖礦呢？別忘了，還有交易手續費的獎勵，比特幣獎勵雖然在不斷減少，但是交易手續費的獎勵是在不斷增加的，還是會有人愿意挖礦。并且，挖礦的難度也是可以動態調整的，總是能調整到一個相對平衡的狀態。

區塊鏈技術的未來前景

比特幣的未來前景不是筆者想要討論的。我在前文中一再強調，比特幣只不過是區塊鏈“去中心化理念”的一個具體應用，有些先天不足，只能說是一個優秀的應用，還談不上是成功的應用。最終能否成功，實在不好說。

從宏觀上來看，目前主要還是投資品屬性，承認貨幣屬性的國家僅有澳大利亞和瑞典。

但區塊鏈的未來無疑是光明的，這是下一場互聯網理念的革新。區塊鏈技術還可以應用到日常生活的哪些場景呢？我們不妨暢想一下，例如自動駕駛+區塊鏈，可以成為滴滴公司的夢魘。

基于區塊鏈技術，開發出一種“智能合約”，這也是區塊鏈技術未來最大的應用前景之一。所謂智能合約就是不需要中間商，就能保證合約可以被自動完成，不怕違約。合約的支付方式是數字貨幣，合約生效的條件和執行全部智能化。

比如我買一輛車，這輛車從工廠自動開到我家，我用指紋或者刷臉開車，合約自動執行，數字貨幣支付給汽車廠，這才是真正的“沒有中間商掙差價”。有了自動駕駛和智能合約，還需要滴滴打車嗎？不需要了，汽車和客戶完全可以通過基于區塊鏈技術的軟件自動匹配。

未來，區塊鏈技術很可能在人類社會的各個領域扮演舉足輕重的角色，以下是《環球科學》2018年2月號提到的應用場景：

金融機構：全球銀行和投資機構正在研究、推動區塊鏈項目。自從2012年成立以來，處理銀行間國際交易的區塊鏈系統瑞波（Ripple）一直發展良好。像Bloom這樣的初創公司打算將區塊鏈用于信用報告，希望杜絕類似艾可飛（Equifax，美國征信機構）那樣因遭遇黑客入侵而導致數據泄露的事件。

政府：美國特拉華州和伊利諾斯州用分布式賬本發放出生證明，而佛蒙特州的一項法律允許使用區塊鏈技術驗證法律文件的真實性。迪拜將區塊鏈整合到多項行政服務中，如發放許可證。2016年，突尼斯開始通過區塊鏈發行一種叫作eDinar的電子法定貨幣。

科技創業者：以太坊網絡就像是一個為區塊鏈初創公司設立的應用商店，它的目的是支持新的應用程序，不像比特幣僅僅是一種電子現金生態系統。現在，有數百個項目和企業在這個網絡上運行。其中有個著名的項目叫作WePower，它致力于讓住戶能夠直接互相買賣可再生能源（比如屋頂式太陽能電池板產生的電能）。

版權所有者與知識產權所有者：英國音樂人伊莫珍·希普（Imogen Heap）創立了Mycelia科技孵化器，追蹤與創意作品有關的元數據，省去了iTunes這樣的中間商。

非營利組織和援助組織：點滴捐贈基金會（BitGive Foundation）正在用區塊鏈技術加強慈善捐贈問責。聯合國世界糧食計劃署正在用區塊鏈技術精簡對約旦、敘利亞難民提供援助的追蹤和交付過程。

學術機構：別想著紙質文憑了，區塊證書（blockcert）項目希望提高各種學位證書和職業認證的可信度和共享性。

資產管理公司：總部位于倫敦的區塊鏈公司常青賬本（Everledger）瞄準鉆石行業，用區塊鏈記錄每顆鉆石的屬性和出處。名酒和藝術品也可以被追蹤。

新聞工作者：為打擊假新聞，Civil（去中心化新聞市場）為新聞工作者提供了一個創造不含廣告、不可更改的新聞平臺，這些新聞不受外部利益（如俄羅斯、臉書）的影響，并且受到讀者的支持。

普通人群：對于向家里寄錢的移民打工者，使用比特幣匯款的費用比使用西聯匯款要低。正是由于這個原因，現在韓國和菲律賓之間的國際匯款粗略估計有20%依賴于比特幣。

根據普華永道預測，到2020年，77%的全球金融服務業將采用區塊鏈作為生產系統或流程的一部分。

根據世界經濟論壇2015年的一項調查報告，預計到2025年，世界GDP的10%將會以基于區塊鏈的技術存儲。

結語

1973年，原本隸屬于美國軍方的計算機網絡阿帕網向世界開放，從此，國際互聯網誕生，今天，它是人類社會的血管。

1991年，第一個網頁在歐洲核子研究中心誕生，這是互聯網生活的創世時刻，今天，已經很難找到不受它影響的人和單位。

2008年11月1日，中本聰發表論文《比特幣：一種點對點的電子現金系統》（Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System），區塊鏈技術（理念）宣告誕生。2008年會不會成為人類歷史上與1973年和1991年同樣重要的年份，現在還無法下定論，但可能性非常大。

沒有人可以準確地預測未來，謹希望本文能為今天的戰略家、企業家、學子們提供一點小小的參考和啟發。

（本文特別感謝馮大輝先生的審校。）

（作者汪詰為科普作家，本文原刊《讀庫1802》，微信首發于公眾號“讀庫”（ID：dukubook）,澎湃新聞獲授權轉發。）