# 开始的开始 By [choovybi](https://paragraph.com/@choovybi) · 2022-09-09 --- > 开始的开始，我们都是孩子。最后的最后，渴望变成天使。歌谣的歌谣，藏着童话的影子。孩子的孩子，该要飞往哪儿去？——《北京东路的日子》 加密货币领域“开始的开始”，是中本聪2008年发布的文章《[比特币:点对点电子现金系统](https://bitcoin.org/files/bitcoin-paper/bitcoin_zh_cn.pdf)》，在文章中，中本聪团队提出了一种新的“信任机制”，在不依靠银行的情况下解决“双花”问题。博文是对白皮书的粗浅理解，如有错误，欢迎指正。 加密货币 ---- **_简单来说，一个加密货币，就是一条签名链。_** 加密货币使用者分别有公钥(public key)和私钥(private key)。公钥任何人都可以看到，私钥只有持有者本人知道。以下是A转加密货币给B的过程，A的操作用红色标注，B的操作用蓝色标注 ![A转账给B](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/2e7ae413e9e1e067690e3cc8a4f2be6502d770668f84ee5011f3b0dea064d755.jpg) A转账给B **_可以看到。A先把上一个签名和B的公钥共同进行哈希，再用A的私钥签名，把新的签名添加到签名链末尾。B用A的公钥来验证末尾签名，判断A是否拥有该加密货币。_** 但这有个问题。如果A同时拿B、C的公钥进行上述哈希操作，B、C拿A的公钥验证签名会发现都没有问题。这样A把一个加密货币转给了B、C两个人，发生了“双花”。 在传统模式中，银行会记账来解决“双花”问题。但人们对银行的信任在08年雷曼时刻受到了极大的动摇。人们发现，其实真正能信任的只有——“数学”。为了达成新的信任模式，解决“双花”问题，区块链横空出世了。 区块的生成 ----- **_简单来说，区块链就是一个大家共有的、不能更改的记账本。_** 每一个参与记账的人，被称作一个节点。以下是甲、乙、丙三个节点通过工作量证明（POW）进行记账的过程。 ![区块链的初始状态](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/f3fa63c16224330deb04880aad7682f8de1125b9118100d1e1f8815314ff7d5f.jpg) 区块链的初始状态 ![Step 1（收集）](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/e35402c12bf7ad9f239f2e6e85cb94012763b8c9752230bf5ae07d26dd264f7b.jpg) Step 1（收集） **_每笔交易发生时，都会向所有节点广播，节点们会把过去十分钟的记录保存，用来进行下一步记账。_** ![Step 2（存储）](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/27f96801f8585eb2d1dc281a5c464da49d543115afe11e76f3d296e476338ac5.jpg) Step 2（存储） **_节点们把收集的交易记录储存成默克尔树（为什么用这种数据结构之后会说），得到默克尔值。_** ![Step 3（构建）](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/06fab63b6486531544cc980183334d7b1b06ef424cf5ca2375459893b2bb9ac1.jpg) Step 3（构建） **_按照图示，构建区块，区块分为区块头和区块体。_** 区块头：版本号顾名思义；前一区块哈希值，指的是前一个区块头经过SHA256得到的256bit的Hash数；Merkel根在Step 2中算得；时间是区块构建的大概时间；Bits用来在Step 4中计算难度目标值；**_随机数，节点可以自由调整来完成哈希碰撞_**。 区块体：**_区块体第一条是挖矿奖励，凭空生成的比特币转给节点指定的钱包地址_**；之后就是节点之前收集的交易记录。 ![Step 4（工作）](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/e41cea2fbd62af02d76f914d682918aa0429e378b0c4482f71defbb3f0212b85.jpg) Step 4（工作） 以区块链中[第503829号](https://explorer.btc.com/btc/block/503829)为例。首先节点会根据区块头中的Bits来计算难度目标值，计算步骤如图示。接下来则是节点的工作过程：**_节点不断尝试随机数（大约43亿可能），使得区块头的SHA256值小于等于难度目标值，也称作逆哈希_**。一旦找到了满足条件的随机数，则工作完成。 为什么把不断尝试更改随机数叫做工作呢？这就要具体说一下哈希，哈希函数将任意长度的输入输出成固定的长度，它具有两个性质：**_不可逆、无冲突_**。不可逆指的是，知道x能很容易算出hash(x)，但知道hash(x)不能算出x；无冲突指的是，不存在x和y，hash(x)等于hash(y)。但这两个性质过于理想，现实中哈希函数只能说：很难可逆、很难冲突（这使得通过尝试x来逆哈希成了可能）。节点的工作就是通过变换随机数，来变换x，从而变换hash(x)，**_通过不断的尝试来完成逆哈希_**。 ![Step 5（广播）](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/8e45db070628c8b017f9dad25d26d781982b7bcc37ceb8afd17cdaf5a9761cc3.jpg) Step 5（广播） 一旦节点找到了x，即完成了逆哈希，那么新的区块就诞生了。（例如满足[503829](https://explorer.btc.com/btc/block/503829)区块难度目标的逆哈希值是0x36261012）**_新诞生的区块会被添加到区块链的末尾，并广播给所有的其他节点，该区块体中的交易信息也就被永远记录在了链上_**。 区块链为何有效？ -------- 看完区块是怎么生成的，还有问题需要探讨，为何区块链有效？或者说，区块链为何不能更改交易信息，为何能解决“双花”？ 个人认为核心在于，**_节点记账时，永远信任长的区块链，不信任短的区块链。_** ### 为何不能更改交易信息？ 如之前所说，交易信息被节点们以默克尔树的形式存储。 ![默克尔树](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/911ef7fe1519c5594970cfa7051ac1190efa94122f10f35d2de4d0a6b63abf84.jpg) 默克尔树 假设当前区块链的长度是N，某坏人想更改N-1区块中“A转给B20BTC”这条交易信息。那么**_一旦该交易信息更改，hash0、hash01、Merkel值也随之改变，而Merkel值在区块头中，则区块头的SHA256值也改变了_**。被篡改了的区块链长度为N-1（因为第N个区块头记录的是原本未更改的SHA256值），而原来的区块链长度为N。当篡改者将长N-1的区块链广播出去时，其他节点会发现它短于自己正在工作的长为N的区块链，所以他们不会信任。 ### 为何能解决“双花”？ 区块链解决“双花”依靠的是钱包的**_UTXO_**（未花费交易输出）以及区块链的**_分叉机制_**。 以比特币为例，所有比特币钱包的初始金额都是0，钱包不记录余额，而是**_通过UTXO来计算余额_**。 ![初始状况](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/b9bf79855d9950f5c834ecb41137c1ab809b9c4c3f95dbe33928d2deb2709573.jpg) 初始状况 假设初始状况下，A钱包中有3条UTXO，B钱包中有0条UTXO。可以看到，A的UTXO第一条为挖矿奖励50BTC，第二条是C向A转了15BTC，第三条是C向A转了10BTC，可以计算得到，A钱包余额为75BTC。B钱包余额为0BTC。 ![A试图转账给B](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/749a15e5fb5fed6ff15d5c9af6280f1e905893058d335fcb422724ec5df87636.jpg) A试图转账给B 当A试图向B转账20BTC时，会生成一条**_交易记录_**。交易记录左侧两条是输入，表示A打算消耗第二条和第三条UTXO来进行交易。右侧两条是输出，第一条UTXO预计进入B钱包，是**_转账_**；第二条UTXO预计进入A钱包，是**_找零_**。如果交易成功，A、B钱包中的UTXO会变成如上所示，计算UTXO可以得到，A钱包余额会变成55BTC，B钱包余额会变成20BTC。 为什么这就能解决“双花”呢？正如之前所说，交易记录会被广播给区块链的所有节点。假设节点“甲”接收到了交易记录，“甲”会判断左侧输入的两条UTXO是否在A的钱包中，如果在A的钱包中，则“甲”正在工作的区块会包含该交易记录，交易被完成，A和B的钱包改变。如果不在，则该交易是无效的，“甲”不会记录它。 这样，如果A打算将第二、三号UTXO先转给B，之后再转给C（尝试“双花”），这时会两种可能： 1. 这两条记录都被同一个节点（假设是节点“甲”）看到了，“甲”会先记录第一笔“A转账给B 20BTC”的交易记录，更改A、B的钱包，而拒绝“A转账给C 20BTC”的交易记录，因为此时第二、三号UTXO已经不在A钱包中了。 2. 节点“甲”只看到了“A转账给B 20BTC”的交易记录，节点“乙”只看到了“A转账给C 20BTC”的“交易记录”。不巧的是，他们工作速度都差不多，也就是说几乎同时完成了逆哈希，创造出新的区块，也在差不多时间将新区块广播了出去。这时，节点甲、乙、丙三个节点的区块链状态是这样的： ![区块链状态](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/20cf8bebc00513d57366a174f09c03ccd0c1737f5b3dc02f3643bc92dc2a133a.jpg) 区块链状态 可以看到，**_“甲”和“乙”都坚信自己看到的交易记录_**，而节点“丙”因为同时收到了“甲”、“乙”的长度为4的区块链广播，也莫衷一是，所以在丙这里**_区块链出现了分叉_**。但这种分叉不会持续很久，因为节点“甲”和“乙”还在计算第五个区块，他们工作的速度总会有差别。 假设“甲”在计算新的区块中获胜了，它在“乙”之前广播了长度为5的区块链，根据“**_节点记账时，永远信任长的区块链，不信任短的区块链_**”这一原则，这时“乙”和“丙”都会切换到“甲”所在的区块链，所以“A转B 20BTC”被记录了，而“A转C 20BTC”被拒绝了，A和B的钱包会根据“A转B 20BTC”这一条交易记录来更改他们的UTXO。 ### 为何能信任区块链？ 如果仔细看上述两个问题：区块链为何不能更改交易信息？为何能解决“双花”？，能够发现，这一切都基于一个原则——**_节点记账时，永远信任长的区块链，不信任短的区块链_**。 但为什么节点会遵守这个原则呢？原因很简单，如果节点遵守这个原则，它还是有可能在新的区块挖掘中获胜（因为SHA256无规律，有可能走运很快完成逆哈希）得到挖矿奖励；而如果节点不遵守这个原则，即使它在较短的区块链上完成了逆哈希，但将短的区块链广播出去也不会被其他节点所接受（因为其他节点还秉持信长不信短的原则），最终挖矿奖励也无法兑现。 所以，如果坏节点想对区块链网络造成损害，唯一的办法是保证自己广播的永远是最长的区块链，这就要求坏节点拥有比其他所有人加起来都强的算力（还是因为SHA256无规律，所以坏节点必须计算到其他所有节点能计算到的），这也就是常说的“**_51%攻击_**”。 因为达成“51%攻击”的条件过于苛刻，所以我们能够信任区块链，让其进行交易的记录，来帮助我们防止交易记录的更改和避免“双花”问题。 > 2022年回看这篇14年前的文章，会发现其中的很多创新是革命性的。**_区块链创造了一种新的信任机制_**，让我们不借助中心化机构（例如银行）也能达成对账本的信任，这种新信任机制是如此重要，以至于可能改变我们生活的方方面面。 > > 我们会将钱存入银行是因为“信任”，信任在我们需要的时候能把钱取出来使用；我们使用微信聊天是因为“信任”，信任我们发送的消息能够触达接收人；我们让子女进入学校接受教育是因为“信任”，信任学校能够给予基础的教育。过去的信任通常需要中心化机构来中介，例如上面提到的例子，因为我们相信在事情不对劲时，他们会干预且能够干预。但现在，不需要中心化机构，信任也能够达成了，虽然目前仅仅是对记账的信任，但作为“开始的开始”已经足够好。 > > 今天是毛主席逝世46周年的日子，区块链这么一种自下而上的信任革命，某种程度上也能说是毛主义在科技领域的闪光。怀念他，但更重要是如何向前走。 今天就到这里，再见。 subscribe:// --- *Originally published on [choovybi](https://paragraph.com/@choovybi/rq5C1GVpVXtWMhOoD9jo)*