【基础篇】理解区块链的结构及其设计原理
国内目前已经有众多关于区块链、比特币等的新闻和文章，但大多只是粗浅的讲述了“区块链是去中心化的分布式账本”等概念，且在去中心化、加密货币等方面大做文章。
对比国外在区块链技术原理、技术改进和内在逻辑等的讨论，国内的新闻媒体、大佬和所谓的三点钟区块链群等，还多集中在绿皮火车化的讨论，一些深层次的讨论文章实在是少之又少。
我每每在回顾并感慨区块链近几年的快速发展时，总是在思考：如果我是中本聪的话，当初为何会想到要提出区块链的概念？我为何会引入哈希（Hash）函数、创造比特币呢？又为何会想到用PoW的共识模型和方法？最后，怎么把上述几个概念结合成一起，形成区块链的逻辑？
以下的正文均是依据上述的逻辑展开的。
需要提醒的是，以下的正文需要对经济、数学有一定的了解和兴趣，对于区块链这样一个复杂又有意思的新事物而言，仅用活泼的语言和简单的例子来解释，尽管对于普通读者可以达到简单易懂的作用，但是要想真正的理解区块链的原理和实现的机制，不了解背后的理论，绝对是远远不够的。
下面进入正文。
一、中心化的系统
对于一个电子现金交易系统（Electronic Cash System）而言，常见的交易情景如下：
A现在要去购买一台电脑，并支付1万元给商户B。
1. A的账户里有1.5万元；
2. A将自己账户里的1万元通过网络发送给B；
3. B确认A发送的这笔“电子现金（Electronic Cash）”真实无误后，将电脑给A；
4. 最后，A账户里只剩下5千元，B账户里增加了1万元。
如果是线下交易，A和B之间“一手交钱、一手交货”，B能轻而易举的验证这笔钱的真实性，然而对于上述的电子现金交易，最明显的一个问题为：（1）B无法确认A这笔电子现金是否是真的，即A的账户里是否有足够的1万元来支付；（2）A账户里支付给B的1万元之前是否已经支付给了其他人C，即“双重支付（Double-Spending）”的问题。
通常，为了解决这个问题，现实中往往引入一个值得信任的第三方（往往是政府、银行等机构），来担当中间人的身份。此时的交易情景如下：
1. A向银行账户里存入1.5万元现金，银行会在A的电子账户中增加/“发行”1.5万元的Electronic Cash；
2. A将自己账户里的1万元Electronic Cash通知银行发送给B；
3. 银行确认A发送的这笔Electronic Cash真实无误，支付给B；
4. B确认收款，并将将电脑给A；
5. A账户里只剩下5千元Electronic Cash，B账户里增加了1万元Electronic Cash；
6. 如果A账户里不足1万元Electronic Cash，则银行会提示A付款失败；如果A之前已经把这1万元支付给了C，则银行会提示A存款不足。
可见，作为第三方的银行解决了交易验证及Double-Spending等问题。
那么问题来了：
- Q1：如何在没有第三方机构的情况下，解决上述问题呢？更进一步说，是否存在一个去中心化的系统，在没有银行的帮助下，使得交易双方可以进行直接的点对点货币交易？
二、银行的总账和区块链的总账
银行的做法能为我们提供一个基本的思路。通过学习银行的做法，了解银行解决上述问题的根本原因，从而设计出一套既能去中心化、又能解决上述问题的系统。那么银行是通过怎样的办法，解决上述问题的呢？
一般而言，银行自己对每一笔交易都有一本“总账”，在这笔总账上，记录着每一个人的交易记录（收入+支出）、余额、时间等基本信息。每“确认”一笔收入，则加盖相应“时间戳”，对这笔交易做“+”处理；每“确认”一笔支出，则加盖相应的“时间戳”，对这笔交易做“-”处理。因此，每一个人的账户余额，是按照时间顺序进行加减得到的最终结果。
在前述提到的A和B之间的交易情景中，当A需要向B支付1万元的Electronic Cash时，银行把A的账本从“总账”里拿出来进行对比，如果A账本中在考虑了所有已“确认”的交易后，账户余额足以支付1万元，则认为交易无误且支付给B，B银行在收到Electronic
Cash后通知B到账成功，B则可放心交货给A。
银行的做法有几个重要逻辑：
1. 有一笔总账，记录着每一个人的账本，以供查询并对账；
2. 这笔总账只有银行有权利记账（银行是有公信力的机构）；
3. 每一个人的账本都详细记录着每一笔交易、相应的时间戳、余额等信息；
4. 只有当一笔交易被“确认”后，才会作为收入/支出记录在账本中。
参考上述银行的做法便可得知：若要解决问题一“去中心化”，核心是有一个“总账本”并满足以下条件：
（1）公开透明的（中心化的情况下，因为银行保证了你账本的真实性，所以无需公开透明；但没有银行时，只有允许账本公开透明，才能使得卖家知道买家账上是否有足够的钱来支付款项；）
（2）可供所有人查询并对账的（中心化的情况下，银行保证了你账本是真实的；但没有银行时，只有允许其他人都可以查询且对账，才能确保买家账本的真实性，否则买家可能虚报自己的账本）
（3）记账权力是公平且安全的（记账权利是指谁可以有权利修改账本，中心化的情况下，银行只有在你存款了后才会在你的账本上记账，只有银行才有记账权利，但在没有银行时，谁有权利记账呢？必须保证修改账本的权利是公平且安全的，否则任何人都可以随意篡改自己的账本，例如自己给自己账本上+1亿元）
（4）记录了所有人已确认交易记录的（已确认交易是为了避免“双重交易”，如果某笔交易没有被确认却被记账了，会导致账本余额数量对不上。例如A账本有1.5万元，需要给B支付1万元，指令已发出但后面交易取消，如果此时依然记账，A账本就只有0.5万元，是错误的。中心化的情况下，取消交易后银行会调整账本，但没有银行时，谁有权利调整呢？）
试想，如果现实生活中有一个满足上述四个条件的“总账本”，此时，A和B的交易情景将会如下：
1. A的电子账户中有1.5万元Electronic Cash，该信息记录在“总账本”中，可供所有人查询；
2. A购买电脑，并将自己账户里的1万元Electronic Cash通知网络发送给B；
3. B查询该“总账本”，验证得知A的这笔钱没有问题，并确认收款；
4. A账户里只剩下5千元Electronic Cash，B账户里增加了1万元Electronic Cash；
5. 如果A账户里不足1万元Electronic Cash，B验证得知后将拒绝A提货；如果A之前已经把这1万元支付给了C，B同样也会验证得知并拒绝A。
可见，如果真的存在上述这样一个账本，那么第三方公信力的机构似乎没有了存在的价值，我们便解决了Q1的疑问：的确存在一个去中心化的Electronic Cash System，使得交易双方可以进行直接的点对点货币交易。
三、哈希函数和公开总账本的安全性
但要实现上述逻辑并不简单，上面的分析表明，我们遇到的进一步的问题是：
- Q2：谁有权利记账？
- Q3：如果有记账人，如何保证该记账人不会为了自己的利益修改记录（即如何保证记账人有银行一样的公信力）？
- Q4：如何保证账本不被篡改，例如修改以前的历史记录（即如何保证账本的安全性）？
- Q5：谁有权力对交易进行确认和验证（即证明各笔交易是否真实有效）？
我们一个一个问题来看。首先，谁有权利记账？既然我们要设计的系统是去中心化的，显然我们不能把记账的权力交给某一个第三方，而把记账的权利交给某一个人显然也是不放心的，在考虑到公平公正的前提下，一个容易的推导是：
所有人都可以记账，任意一笔记账都需要绝大多数人进行确认和验证，且只有在绝大多数人同意的前提下才能被认为是真实有效的（即达成一致consensus）。
这个方法的公平性是显而易见的。所有人都可以记账，但是需要经过绝大多数人的同意，也需要绝大多数人的确认和验证。如果大家不同意，则这笔交易就不被确认，不被记到账本上；如果大家同意，则确认并记录。
我们可暂且将技术原理放在一边，如果这是能做到的，那么问题Q2，Q3，和Q5也就解决了。一是所有人都有记账权利，则解决了Q2。二是因为记账需要大多数人同意，所以不会存在记账人为了自己利益修改记录的行为，因为这样的行为会被大家否认，则解决了Q3；最后每一笔交易都确保了真实有效，因为每一笔交易都需要大家的确认和验证，则解决了Q5。
在这个前提下，我们又该如何解决问题Q4，即如何保证历史记录不被篡改呢？
保证历史记录不被篡改，有几个容易想到的思路：
第一种思路是，我们可以给历史记录加上一把复杂的”密码锁“，任何人要修改账本的历史记录需要解开这把锁。这个思路的前提是，这把锁不会妨碍人们对历史记录的查询和验证，且不会妨碍人们添加新的交易记录（即新的记账）。可是，这把锁的钥匙、密码归谁保管呢？
第二种思路是，但凡有人对历史记录的进行了修改，哪怕只是一丁点儿修改，都会引起一个较大的变化，以至于被人们发现且拒绝。
第三种思路是，对历史记录的修改的需要花费的成本巨大，且随着时间的推移越来越大，大到普通的人无法承受。这个思路的缺陷在于，你永远都不知道富人究竟有多富。
若要理解接下来的内容，可能需要一些数学思维。
数学家们对这个世界做出了无比重大的贡献，他们发明的“哈希函数”将在这个系统中发挥巨大的作用。先简单介绍一下哈希函数：
哈希函数，一般也叫做散列函数，是把任意长度的输入变换成固定长度的输出，该输出被称为散列值。简单地说，就是一种将任意长度的消息压缩成某一固定长度的信息摘要的函数。举个熟悉的例子，就像是以前的语文阅读题目，请用10个字概括这篇需要阅读的文章，在这里10个字就是固定长度的输出，数学上称为散列值；这篇需要阅读的文章是任意长度的输入。把这篇任意长度的文章变换成固定10个字的散列值，我们称之散列函数，或者哈希函数。
数学上，一个良好性质的哈希函数（HASH函数，通常用h(x)来表示）必须具备以下特征：
1. 任何大小的数据分组，h(x)函数都能产生固定长度的输出
2. 对于任何给定的自变量key，哈希值h(key)要相对容易计算
3. 单向性：指的是其操作方向的不可逆性，即只能从输入推导出输出，而不能从输出计算出输入。即：已知自变量key1，可以计算出h(key1)=h1；但已知因变量h1，若想推导出对应的自变量key1，在计算上不可行（“计算上不可行”的定义见下）。
4. 碰撞约束。碰撞约束可分为弱抗碰撞和强抗碰撞。所谓弱抗碰撞，指的是对于给定的自变量key1，若想找一个与key1不一样的另一个自变量key2，使得h(key1)=h(key2)，在计算上不可行；所谓强抗碰撞，指的是寻找任何的自变量(key1, key2)使得h(key1)=h(key2)，在计算上不可行。
上述提到的“在计算上不可行（Computationally Infeasible）”，意思并不是“完全不可能”，而是“很难很难“，或者说”要在有限的时间内计算出来不可能“。
小知识（可忽略）：
目前常用的HASH函数主要有两个系列,MD和 SHA系列。其中，MD系列主要包括 MD2，MD4，MD5，但这类HASH函数已经被证实不够安全（我国山东大学教授王小云在有限的时间内成功地破解了MD2和MD5算法）。SHA系列主要包含SHA1和 SHA2（SHA224， SAH256， SHA384，SHA512）系列，其中224，256，384，512都是指其输出的位长度。目前大多数应用场景推荐使用SHA256以上的算法。目前以超级计算机的算力，产生比特币SHA256哈希算法的一个哈希碰撞大约需要2^48年。
假设某一笔交易的历史记录我们设为自变量key1，哈希函数的上述性质告诉我们，很难找到一个不等于key1的另一笔交易记录key2，使得h(key1)=h(key2)。这也意味着：
（1）对于key1的任何变动，哪怕是一点点，都将使得哈希值/输出值与原输出值h(key1)完全不相等或者差异巨大；这就是说交易记录的一点点改变，哈希值的变化都会足以引起人们的注意。
（2）如果后一个哈希函数的输入是基于前一个哈希函数的输出，那么，如果要修改任何一个时点的历史记录，就要把前面所有时点的历史记录及其对应的哈希值都进行修改，并找到相应的哈希碰撞，而哈希函数的性质告诉我们，这在计算上是相当难实现的。换句话说，如果哈希函数的自变量不是交易记录key1，而是交易记录的哈希函数h(key1)，即自变量x1 = h(key1), 因变量y = h(x) = h[h(key1)]。此时，如果某人尝试把交易记录key1改变成key2，但又不想让别人发现，那么y = h[h(key1)] 就需要不变。也就是要使得y = h[h(key1)] = h[h(key2)]。而根据前面哈希函数的性质4“碰撞约束”：若想找一个与x1不一样的另一个自变量x2，使得h(x1)=h(x2)，在计算上不可行。
基于以上，我们很容易想到，这个性质如果能应用到我们前面提到的思路，那将是非常完美的。如果能把某一时点的交易记录进行哈希，且该哈希的输出是以后时点的交易记录哈希的输入，即h(x2) = h(h(x1))，那么不同时间点的交易记录之间将通过哈希进行紧密联系，任何一处的变动不仅将改变其自身的哈希，还会改变以他为参数之一的后面交易记录的所有哈希，而且根据哈希函数的性质，如果要找到另一个数使得后面的哈希不变，这在计算上是不可行的。也就是说，对历史记录的任何一点修改将随着时间的推移越来越难、成本越来越高，且在计算上无法篡改。
四、推理出区块链结构
因此，我们可以推导出区块链结构的初步框架：
1. 新加入了交易记录后，新账本记作Bn，则Bn需要至少包含以下内容：
（1）Bn对应发生的时间，即“时间戳”，记为tn
（2）包含的所有交易记录，记为TXn
（3）上一个账本的哈希值，记为B(n-1)。
所以：Bn=H(tn, TXn, B(n-1))，
其中H(x)是哈希函数，是对自变量x进行哈希。所以Bn是对三个自变量tn, TXn, 以及B(n-1)一起进行哈希的结果。
2. 由于一个账本中可以包含很多的交易记录，为了让这么多交易记录变成一个自变量，从而简化交易记录在哈希函数中的输入，我们可以对交易记录进行哈希，也就是把很多的交易记录TX1，TX2， TX3......进行哈希，变成一个输入值。
一个巧妙的方法是以“默克尔树（Merkle Tree）”来验证并记录交易。Merkle Tree也称为Hash Tree，本质是存储哈希值的二叉树。从下图可看出，Merkle Tree的每个叶子节点是每个交易信息的哈希值，往上对相邻的两个哈希值再哈希，一直到顶部只剩下一个节点，称为Merkle根。将数据以Merkle树的方式存储的好处是，可以单独拿其中的一个小分支对部分数据进行验证，而无需对所有数据都进行审阅，提高效率。
由此可见，通过上述方法，我们把一个账本中包含的众多交易，通过不断的哈希，最后变成了一个变量，即Merkle根。我们只需要用Merkle根作为账本的一个变量，即可包含所有交易记录。
即：Bn=H(tn, Merkle-n, B(n-1))，
其中，Merlke-n=H(TXn)，所以Bn是对三个自变量tn, Merlke-n, 以及B(n-1)一起进行哈希的结果。
到这里，我们可以暂时回顾一下目前的进展。我们之前提出了5个问题：
- Q1：如何在没有第三方机构的情况下，解决上述问题呢？更进一步说，是否存在一个去中心化的系统，在没有银行的帮助下，使得交易双方可以进行直接的点对点货币交易？
--> 通过借鉴银行的做法，我们提出，若要解决去中心化的问题，核心是有一个公开透明的、可供所有人查询并对账的、记账权利是公平且安全的、记录了所有人已确认交易记录的“总账本”。
- Q2：谁有权利记账？
- Q3：如果有记账人，如何保证该记账人不会为了自己的利益修改记录（即如何保证记账人有银行一样的公信力）？
- Q5：谁有权力对交易进行确认和验证（即证明各笔交易是否真实有效）？
--> 在去中心化的情况下，我们提出需要所有人都可以记账，任意一笔记账都需要绝大多数人进行确认和验证，且只有在绝大多数人同意的前提下才能被认为是真实有效的（即达成一致consensus）。
- Q4：如何保证账本不被篡改，例如修改以前的历史记录（即如何保证账本的安全性）？
--> 利用哈希函数的性质，包含了新的交易记录的账本Bn=H(tn, Merkle-n, B(n-1))，新账本Bn和旧账本B(n-1)通过哈希函数紧密联系，对历史记录进行哪怕一丁点的修改，都会引起新账本Bn的值发生巨大变化，且随着时间的推移，要对账本进行篡改需要花费的成本越来越高，因此计算上可以认为账本不太可能被篡改。
3. 基于前面问题的讨论，我们已经决定不能将记账的权力交给某个单一的第三方，二是所有人都可以记账。但是，即使是所有人都有权利记账，我们依然要解决每一笔账具体由谁来记的问题，否则如果大家都只是有权利、而没有义务去记账，最后的结果就是谁都不记账，陷入“三个和尚没水喝”的困境。
比特币区块链的做法是引入了一个“竞争机制”。通过在前述的函数Bn=H(tn, Merkle-n, B(n-1))中，引入一个随机数nounce，即Bn=H(tn, Merkle-n, B(n-1), nounce)，让所有人“公平”地去寻找这个随机数，使得Bn小于“目标哈希值”（以后会解释，此处可暂时理解为一个常数，即找到这个随机数，使得函数值Bn小于某个数）。谁先找到这个随机数，谁就获得了记账的权利。由于找到这个随机数在数学上的唯一方法只有通过穷举，因此谁的计算速度快、谁就先能找到这个随机数，获得记账的权利（因此，从某种意义来讲，这种记账权利并不是完全“公平”的，所以才会有诸如Proof of Stake等其他方法）。计算速度考验的是计算机的算力，而算力是耗费成本的，为了补偿使用算力造成的成本，这个账本会凭空产生出一个“代币”——虚拟货币“比特币”（Bitcoin）——发放给赢得记账权利的人，称为“旷工”，旷工通过消耗算力、找到随机数、赢得记账权利、并获得比特币被称之为“挖矿”，通过算力来进行挖矿的过程，被称为工作量证明（PoW，Proof of Work）。
基于此，我们进一步修改账本的哈希函数：
Bn=H(tn, Merkle-n, B(n-1), nounce)，
其中，Merlke-n=H(TXn)， nounce是随机数。旷工需要找到nounce，使得Bn<目标哈希。
五、画出区块链结构
基于前面的函数，我们知道一个新的区块/账本中，包含至少五个参数：时间戳tn，前一个区块的哈希值B(n-1)，随机数nounce，目标哈希，以及Merkle根，这五个参数将包含在“区块头”中（当然还包括一些其他参数，例如版本号，相关性较小我们此处暂时忽略）；此外，我们知道，Merkle根其实是包含所有交易记录的一个哈希值，因此每一个区块中还有一个“区块体”，记录着所有的交易记录。清楚的区块链结构如下：
简化的比特币区块链结构如下：
了解了区块链的理论后，接下来我们不妨看几个实际的区块的例子：
根据http://Blockchain.info提供的信息，我们随机找一个区块，例如第512352个区块，其详细信息如下图。从下图左侧提供的所有信息，由上到下可以看到：
- 该区块中包含1669笔交易（Number of Transactions: 1669）
- 区块包含的交易量有980.8783个比特币（Estimated Transaction Volume）
- 旷工得到的交易费未0.255548个比特币（Transaction Fees）
- 这是第512352个区块（Height）
- 时间戳（Timestamp）为2018年3月7日2点52分27秒
- 记账人未http://BTC.com（Replayed By BTC.com）
- 困难程度未3,290,605,988,755（以后会解释）
- 该区块大小为1099.549kB
- 版本号未0x20000000
- 随机数nounce为1152756558
- 旷工得到了12.5比特币的奖励
右侧由上到下提供的信息分别为：
- 该区块的哈希值（Hash）
- 上一个区块（也称为“父区块”）的哈希值（Previous Block）
- 下一个区块的目标哈希，即下一个区块的哈希值不得大于00000000000000000011d9deb41bfd546610de982fcbedfa251b52e2eec8719c
- 该区块所有交易记录的Merkle根。
至此，区块链的基础结构原理就完成了。
不过，若要深入的追问的话，我们会问：
- 一个新区块里包含的那些交易取决于谁？旷工可以自行决定吗？旷工可以决定什么交易都不放吗（即区块体中不包含任何交易记录）？
- 前面提到，新区块的哈希值要小于目标哈希，谁有权利决定目标哈希？
- 区块链的困难程度difficulty是什么？怎么计算的？难度值会调整吗？怎么调整？谁有权利调整？有什么意义？
- 旷工找到符合要求的随机数nounce后，即产生了一个新区块，这个新区块一定就会被加到主账本上去吗？如果不一定，要通过什么机制才能加入？
- 要是两个旷工同一时间找到了符合要求的随机数nounce，两个都符合要求的新区块被同时找到，怎么办？两个区块都加入新账本吗？还是只有一个可以加入？如果只有一个可以加入，谁来决定？
- 旷工获得比特币的奖励，比特币会被存放在哪里？不会被偷吗？存放的机制是怎样的？
- 比特币可以用来交易吗？比特币用于交易的机制，与现实社会中的货币交易机制有什么不同？
- 前面提到，通过算力来挖矿叫做PoW（Power of Work），那PoS（Power of Stake）是什么？孰优孰劣？
- 等等。。。。
这些问题会在专栏的其他文章中慢慢解释~~欢迎有兴趣的小伙伴一起讨论！