區塊鏈如何寫入

A. 說文解字第3課：區塊鏈 Blockchain

在幾年前曾經吹起一陣比特幣風潮，讀者在當時可能就聽過區塊鏈，然而最近國內外的金融機構又開始研究、推出採用區塊鏈為技術基礎的金融服務，它到底有什麼特別之處，能夠吸引正規金融機構的青睞？

分散式記帳系統

區塊鏈是比特幣的核心技術之一，它最主要的特色是能夠打造無法竄改、去中心化、高度透明、匿名的記帳系統，可以提供低成本、高安全性的轉帳服務，而進一步能夠做為金融管理的工具。

要了解區塊鏈，要先從它的運作原理開始看起。以比特幣的應用為例，在每次交易的時候，系統就會將交易內容與相關資訊封存為1組區塊，而將所有區塊按照時間排列起來，就會產生所謂的區塊鏈。

由於區塊鏈詳細記錄了世界上每筆交易的資料，因此只要從第一筆資料統計到最後一筆資料，就可以算出哪個「錢包」擁有多少「錢」。

需要注意的是，區塊鏈並非直接儲存每個「錢包」中的余額，而是每次交易中「錢」的流向，所以在查詢余額的時候，只需驗證區塊鏈中每筆資料的真偽並進行統計，就能得到每個「錢包」的最終余額。

由於產生區塊需要進行復雜的密碼計算，如果以集中式的伺服器進行運算，就需准備許多效能很高的電腦來滿足需求。然而比特幣的做法是將運算分散到所有進行「挖礦」的電腦上，這些電腦稱為節點，會在驗證交易、封裝區塊之後得到一定金額的獎勵，因此會有許多礦工為了賺取比特幣，而投入電腦進行運算，如此一來就不需特定伺服器，而是將所有運算工作分散到比特幣網路的各個節點。

▲區塊鏈由許多區塊串聯而生，由於可以從第一筆至最後一筆轉帳記錄，並具有高度安全性，因此很適合金融應用。（圖片來源：Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System）

理論上可破解，但實際上不可行

在區塊鏈的運作過程中，所有節點都會共同驗證每個新加入的區塊，以確保交易的正確性，當某些節點記錄的區塊息與其他節點不符時，其他節點就不會承認該筆交易，因此交易記錄就不會被寫入區塊鏈。

不過區塊鏈的安全性，在理論上就不是牢不可破。只要有人能夠支配整個網路過半的運算效能（即掌握51%的運算效能），它就能創造假冒的交易記錄，並保證能搶先在其他節點完成運算、提出異議之前，完成區塊運算並將資料寫入區塊鏈，如此一來它就能修改自己的交易記錄，重復使用同一筆比特幣進行支付行為。

用電玩游戲舉個簡單的例子，這種攻擊就像是使用金手指，能將金錢修改為永遠不會減少。

不過從實際面來看，比特幣的使用者非常多，因此網路中有相當多的節點，其中還有許多使用特殊電腦進行運算的職業礦工，所以全部節點運算能力的總合值相當大，一般人或組織很難憑一己之力掌握51%的運算效能。

假設目前所有節點運算能力加總起來，相當於100台超級電腦，那麼攻擊者就需要准備101台超級電腦來取得過半運算效能，這在實現情況中不太可能達成。

退一步想，假設萬一真的有人能夠支配過半運算效能，那麼他也同時也能壟斷比特幣的發行以及交易手續費，並從中賺取相當大的利益，反之如果他選擇了竄改交易資料，那麼比特幣的使用者變會對這種貨幣失去信心，導致比特幣的價值崩盤，甚至是一夕之間「鈔票變壁紙」。

因此假設攻擊者是以利益為出發點，那麼他就算能發動51%攻擊，他也不會這么做，如此一來便能確保比特幣與區塊鏈仍然是安全的。

▲比特幣是區塊鏈極具代表性的應用實例之一。

說文解字使用範例：區塊鏈

O：區塊鏈能將驗證交易的負荷分散至網路中的每個節點。

X：腳踏車停好之後，記得要用區塊鏈鎖上。

B. 比特幣之問（一）一筆交易如何被寫進區塊

由於人為設置的海量運算，限制了用於存儲比特幣交易信息的區塊鏈生成新的區塊的速度。這個速度我所知道的是大約10分鍾產生一個。

你通過某些方式製作了一串包含著完整交易信息的數字流，將其上傳到網路中。這個網路可以理解為比特幣節點網，也可以指某個可以驗證交易的節點。本文中所有使用的「網路」一詞，都如此解釋。

某幾個節點驗證了你的交易合法，然後廣播到整個比特幣節點網中，這種廣播是不斷驗證再次廣播的過程。直到這筆交易 A 被網路中大多數節點接收。

需要明白的是，這一過程只是驗證，而非記錄（確認）。

我們所說的挖礦，是尋找一個符合要求的數字，這個數字就像 id 一樣代表了一個區塊。

一筆交易在網路中得到確認後，會保存在挖礦節點中，形成交易池，礦工需要從交易池中挑選一些優先順序高的交易形成一個備選區塊後，依據這個區塊進行挖礦。之所以說是備用區塊，因為這個區塊里存儲的交易信息但是沒有id，沒有 id 就無法識別同時無法認可。

在 04 整合交易&構建新區塊 中認為「驗證交易後，每個比特幣網路節點會將這些交易添加到自己的內存池中」，我認為驗證交易的節點可能是非挖礦節點，此節點不具有內存池的功能。

首先，交易費是不固定的。要理解為什麼是不固定的，需要明白一下幾個問題：

網路上積淀著一批需要確認的交易，這批交易存在於所有礦工的手裡，記錄工作由所有礦工根據自己認可的優先順序來進行，但是確認工作職能由其中的一個完成。這個礦工就是成功把記錄交易的區塊添加到主鏈上的礦工。 這個礦工：完成了記錄工作，找到一個新的區塊，將這個區塊成功添加到網路中。

時間以及交易量等多個因素決定交易的優先順序，交易費就是其中一項。

根據以上描述，總結：

礦工完成交易的確認。

你發起一筆交易，可以指定交易費也可以不指定，交易費的數量直接關繫到交易確認的時間。如果沒有礦工願意記錄你的這比交易，理論上說你的交易就無法寫入區塊鏈，這就意味著無法得到確認。這筆交易就永遠無法完成。

假設你的交易最終會寫入區塊鏈得到有效確認。

不管你的交易在其他礦工手裡如何，首先你的交易達到了確認交易的礦工的要求，被添加進備選區塊中，而不是躺在交易池裡。

這個包含了你的交易信息的新區塊被成功添加進主鏈，主鏈得到有效延伸。此時你的交易記錄得到有效確認。

C. 區塊鏈應用什麼技術來實現此功能

區塊鏈應用了以下的技術來實現
第一種是共識機制，常用的共識機制主要有PoW、PoS、DPoS、PBFT、PAXOS等。由於區塊鏈系統中沒有一個中心，因此需要有一個預設的規則來指導各方節點在數據處理上達成一致，所有的數據交互都要按照嚴格的規則和共識進行；
第二種是密碼學技術，密碼學技術是區塊鏈的核心技術之一，目前的區塊鏈應用中採用了很多現代密碼學的經典演算法，主要包括：哈希演算法、對稱加密、非對稱加密、數字簽名等。
第三種是分布式存儲，區塊鏈是一種點對點網路上的分布式賬本，每個參與的節點都將獨立完整地存儲寫入區塊數據信息。分布式存儲區別於傳統中心化存儲的優勢主要體現在兩個方面：每個節點上備份數據信息，避免了由於單點故障導致的數據丟失；每個節點上的數據都獨立存儲，有效規避了惡意篡改歷史數據。
智能合約：智能合約允許在沒有第三方的情況下進行可信交易，只要一方達成了協議預先設定的目標，合約將會自動執行交易，這些交易可追蹤且不可逆轉。具有透明可信、自動執行、強制履約的優點。區塊鏈技術有許多獨特的特點，使它成為一項獨特的發明，並賦予它無限的視野去探索。

D. 名詞解釋區塊鏈

區塊鏈解釋如下：

區塊鏈其實就相當於一個去中介化的資料庫，是由一串數據塊組成的。它的每一個數據塊當中都包含了一次比特幣網路交易的信息，而這些都是用於驗證其信息的有效性和生成下一個區塊的。

狹義的來講，區塊鏈是就是一種按照時間順序來將數據區塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數據結構，並以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。

類型

公有區塊鏈

公有區塊鏈（Public Block Chains）：世界上任何個體或者團體都可以發送交易，且交易能夠獲得該區塊鏈的有效確認，任何人都可以參與其共識過程。

公有區塊鏈是最早的區塊鏈，也是應用最廣泛的區塊鏈，各大bitcoins系列的虛擬數字貨幣均基於公有區塊鏈，世界上有且僅有一條該幣種對應的區塊鏈 。

行業區塊鏈

行業區塊鏈（Consortium Block Chains）：由某個群體內部指定多個預選的節點為記賬人，每個塊的生成由所有的預選節點共同決定（預選節點參與共識過程）；

其他接入節點可以參與交易，但不過問記賬過程（本質上還是託管記賬，只是變成分布式記賬，預選節點的多少，如何決定每個塊的記賬者成為該區塊鏈的主要風險點），其他任何人可以通過該區塊鏈開放的API進行限定查詢。

私有區塊鏈

私有區塊鏈（Private Block Chains）：僅僅使用區塊鏈的總賬技術進行記賬，可以是一個公司，也可以是個人，獨享該區塊鏈的寫入許可權，本鏈與其他的分布式存儲方案沒有太大區別。

傳統金融都是想實驗嘗試私有區塊鏈，而公鏈的應用例如bitcoin已經工業化，私鏈的應用產品還在摸索當中 。

E. 區塊鏈在供應鏈金融中怎麼使用

在傳統供應鏈金融中，融資難、融資成本高、融資流程繁瑣一直是制約中小微企業做大做強的瓶頸之一。銀行依賴於核心企業的控貨能力和調節銷售能力，出於風控的考慮，銀行僅願對核心企業有直接應付賬款義務的上游供應商(限於一級供應商)提供保理業務，或對其下游經銷商(一級供應商)，提供預付款或者存貨融資。這就導致了有巨大融資需求的二級、三級等供應商/經銷商的需求得不到滿足，供應鏈金融的業務量受到限制，而中小企業得不到及時的融資易導致產品質量問題，會傷害整個供應鏈體系。

解決這些問題則可以利用區塊鏈技術去中心化、不可篡改、分布式賬本的特性打造區塊鏈供應鏈金融平台。

1. 核心企業簽發應收憑證給分銷商，分銷商簽收後表示簽訂了購銷合同，核心企業發貨。

2. 分銷商因資金緊張需要向金融融資貸款。

3. 金融機構審核同意後把貸款的金額打給核心企業。

4.分銷商賣掉貨物後歸還貸款和利息

F. 如何通俗解釋區塊鏈

“區塊鏈技術被認為是繼蒸汽機、電力、互聯網之後，下一代顛覆性的核心技術。 如果說蒸汽機釋放了人們的生產力，電力解決了人們基本的生活需求，互聯網徹底改變了信息傳遞的方式，那麼區塊鏈作為構造信任的機器，將可能徹底改變整個人類社會價值傳遞的方式。”

剛剛接觸區塊鏈，有太多太多需要了解和知道的基礎知識，大家先不要著急，今天給大家科普這些知識。今天咱們一起先來看看公鏈、私鏈、聯盟鏈以及側鏈到底是什麼吧。

G. 區塊鏈入門的教程

可是，簡單易懂的入門文章卻很少。區塊鏈到底是什麼，有何特別之處，很少有解釋。
下面，我就來嘗試，寫一篇最好懂的區塊鏈教程。畢竟它也不是很難的東西，核心概念非常簡單，幾句話就能說清楚。我希望讀完本文，你不僅可以理解區塊鏈，還會明白什麼是挖礦、為什麼挖礦越來越難等問題。
需要說明的是，我並非這方面的專家。雖然很早就關注，但是仔細地了解區塊鏈，還是從今年初開始。文中的錯誤和不準確的地方，歡迎大家指正。
一、區塊鏈的本質
區塊鏈是什麼?一句話，它是一種特殊的分布式資料庫。
首先，區塊鏈的主要作用是儲存信息。任何需要保存的信息，都可以寫入區塊鏈，也可以從裡面讀取，所以它是資料庫。
其次，任何人都可以架設伺服器，加入區塊鏈網路，成為一個節點。區塊鏈的世界裡面，沒有中心節點，每個節點都是平等的，都保存著整個資料庫。你可以向任何一個節點，寫入/讀取數據，因為所有節點最後都會同步，保證區塊鏈一致。
二、區塊鏈的最大特點
分布式資料庫並非新發明，市場上早有此類產品。但是，區塊鏈有一個革命性特點。
區塊鏈沒有管理員，它是徹底無中心的。其他的資料庫都有管理員，但是區塊鏈沒有。如果有人想對區塊鏈添加審核，也實現不了，因為它的設計目標就是防止出現居於中心地位的管理當局。
正是因為嫌敗無法管理，區塊鏈才能做到無法被控制。否則一旦大公司大集團控制了管理權，他們就會控制整個平台，其他使用者就都必須聽命於他們了。
但是，沒有了管理員，人人都可以往裡面寫入數據，怎麼才能保證數據是可信的呢?被壞人改了怎麼辦?請接著往下讀，這就是區塊鏈奇妙的地方。
三、區塊
區塊鏈由一個個區塊(block)組成。區塊很像資料庫的記錄，每次寫入數據，就是創建一個區塊。
每個區塊包含兩個部分。
區塊頭(Head)：記錄當前區塊的特徵值
區塊體(Body)：實際數據
區塊頭包含了當前區塊的多項特徵值。
生成時間
實際數據(即區塊體)的哈希
上一個區塊的哈希
...
這里，你需要理解什麼叫哈希(hash)，這是理解區塊鏈必需的。
所謂哈希就是計算機可以對任意內容，計算出一個長度相同的特徵值。區塊鏈的 哈希長度是256位，這就是說，不管原始內容是什麼，最後都會計算出一個256位的二進制數字。而且可以保證，只要原始內容不同，對應的哈希一定是不同的。
舉例來說，字元串123的哈希是(十六進制)，轉成二進制就是256位，而且只有123能得到這個哈希。(理論上，其他字元串也有可能得到這個哈希，但是概率極低，可以近似認為不可能發生。)
因此，就有兩個重要的推論。
推論1：每個區塊的哈希都是不一樣的，可以通過哈希標識區塊。
推論2：如果區塊的內容變了，它的哈希一定會改變。
四、 Hash 的不可修改性
區塊與哈希是一一對應的，每個區塊的哈希都是針對區塊頭(Head)計算的。也就是說，把區塊頭的各項特徵值，按照順序連接在一起，組成一個很長的字元串，再對這個字元串計算哈希。
Hash = SHA256( 區塊頭 )
上面就是區塊哈希的計算公式，SHA256是區塊鏈的哈希演算法。注意，這個公式裡面只包含區塊頭，不包含區塊體，也就是說，哈希由區塊頭唯一決定，
前面說過，區塊頭包含很多內容，其中有當前區塊體的哈希，還有上一個區塊的哈希。這意味著，如果當前區塊體的內容變了，或者上一個區塊的哈希變了，一定會引起當前區塊的哈希改彎首變。
這一點對區塊鏈有重大意義。如果有人修改了一個區塊，該區塊的哈希就變了。為了讓後面的區塊還能連到它(因為下一個區塊包含上一個區塊的哈希)，該人必須依次修改後面所有的區塊，否則被改掉的區塊就脫離區塊鏈了。由於後面要提到的原因，哈希的計算很耗時，短時間內修改多個區塊幾乎不可能發生，除非有人掌握了全網51%以上的計算能力。
正是通過這種聯動機制，區塊鏈保證了自身的可靠性，數據一旦寫入，就無法被篡改。這就像歷史一樣，發生了就是發生了，從此再無法改變。
每個區塊都連著上一個區塊，這也是區塊鏈這個名字的由來。
五、采礦
由於必須保證節點之間的同步，所以新區塊的添加速度芹鬧顫不能太快。試想一下，你剛剛同步了一個區塊，准備基於它生成下一個區塊，但這時別的節點又有新區塊生成，你不得不放棄做了一半的計算，再次去同步。因為每個區塊的後面，只能跟著一個區塊，你永遠只能在最新區塊的後面，生成下一個區塊。所以，你別無選擇，一聽到信號，就必須立刻同步。
所以，區塊鏈的發明者中本聰(這是假名，真實身份至今未知)故意讓添加新區塊，變得很困難。他的設計是，平均每10分鍾，全網才能生成一個新區塊，一小時也就六個。
這種產出速度不是通過命令達成的，而是故意設置了海量的計算。也就是說，只有通過極其大量的計算，才能得到當前區塊的有效哈希，從而把新區塊添加到區塊鏈。由於計算量太大，所以快不起來。
這個過程就叫做采礦(mining)，因為計算有效哈希的難度，好比在全世界的沙子裡面，找到一粒符合條件的沙子。計算哈希的機器就叫做礦機，操作礦機的人就叫做礦工。
六、難度系數
讀到這里，你可能會有一個疑問，人們都說采礦很難，可是采礦不就是用計算機算出一個哈希嗎，這正是計算機的強項啊，怎麼會變得很難，遲遲算不出來呢?
原來不是任意一個哈希都可以，只有滿足條件的哈希才會被區塊鏈接受。這個條件特別苛刻，使得絕大部分哈希都不滿足要求，必須重算。
原來，區塊頭包含一個難度系數(difficulty)，這個值決定了計算哈希的難度。舉例來說，第100000個區塊的難度系數是 14484.16236122。
區塊鏈協議規定，使用一個常量除以難度系數，可以得到目標值(target)。顯然，難度系數越大，目標值就越小。
哈希的有效性跟目標值密切相關，只有小於目標值的哈希才是有效的，否則哈希無效，必須重算。由於目標值非常小，哈希小於該值的機會極其渺茫，可能計算10億次，才算中一次。這就是采礦如此之慢的根本原因。
前面說過，當前區塊的哈希由區塊頭唯一決定。如果要對同一個區塊反復計算哈希，就意味著，區塊頭必須不停地變化，否則不可能算出不一樣的哈希。區塊頭裡面所有的特徵值都是固定的，為了讓區塊頭產生變化，中本聰故意增加了一個隨機項，叫做 Nonce。
Nonce 是一個隨機值，礦工的作用其實就是猜出 Nonce 的值，使得區塊頭的哈希可以小於目標值，從而能夠寫入區塊鏈。Nonce 是非常難猜的，目前只能通過窮舉法一個個試錯。根據協議，Nonce 是一個32位的二進制值，即最大可以到21.47億。第 100000 個區塊的 Nonce 值是274148111，可以理解成，礦工從0開始，一直計算了 2.74 億次，才得到了一個有效的 Nonce 值，使得算出的哈希能夠滿足條件。
運氣好的話，也許一會就找到了 Nonce。運氣不好的話，可能算完了21.47億次，都沒有發現 Nonce，即當前區塊體不可能算出滿足條件的哈希。這時，協議允許礦工改變區塊體，開始新的計算。
七、難度系數的動態調節
正如上一節所說，采礦具有隨機性，沒法保證正好十分鍾產出一個區塊，有時一分鍾就算出來了，有時幾個小時可能也沒結果。總體來看，隨著硬體設備的提升，以及礦機的數量增長，計算速度一定會越來越快。
為了將產出速率恆定在十分鍾，中本聰還設計了難度系數的動態調節機制。他規定，難度系數每兩周(2016個區塊)調整一次。如果這兩周裡面，區塊的平均生成速度是9分鍾，就意味著比法定速度快了10%，因此接下來的難度系數就要調高10%;如果平均生成速度是11分鍾，就意味著比法定速度慢了10%，因此接下來的難度系數就要調低10%。
難度系數越調越高(目標值越來越小)，導致了采礦越來越難。
八、區塊鏈的分叉
即使區塊鏈是可靠的，現在還有一個問題沒有解決：如果兩個人同時向區塊鏈寫入數據，也就是說，同時有兩個區塊加入，因為它們都連著前一個區塊，就形成了分叉。這時應該採納哪一個區塊呢?
現在的規則是，新節點總是採用最長的那條區塊鏈。如果區塊鏈有分叉，將看哪個分支在分叉點後面，先達到6個新區塊(稱為六次確認)。按照10分鍾一個區塊計算，一小時就可以確認。
由於新區塊的生成速度由計算能力決定，所以這條規則就是說，擁有大多數計算能力的那條分支，就是正宗的區塊鏈。
九、總結
區塊鏈作為無人管理的分布式資料庫，從2009年開始已經運行了8年，沒有出現大的問題。這證明它是可行的。
但是，為了保證數據的可靠性，區塊鏈也有自己的代價。一是效率，數據寫入區塊鏈，最少要等待十分鍾，所有節點都同步數據，則需要更多的時間;二是能耗，區塊的生成需要礦工進行無數無意義的計算，這是非常耗費能源的。
因此，區塊鏈的適用場景，其實非常有限。
不存在所有成員都信任的管理當局
寫入的數據不要求實時使用
挖礦的收益能夠彌補本身的成本
如果無法滿足上述的條件，那麼傳統的資料庫是更好的解決方案。
目前，區塊鏈最大的應用場景(可能也是唯一的應用場景)，就是以比特幣為代表的加密貨幣。

H. 區塊鏈交易信息如何存儲

區塊鏈是大型的分布式賬本，詳細的數據要想存放在最長的那條鏈上，通過哈希來驗證數據，經過大部分節點驗證的數據才可以保存到最長的那條鏈上，節點和節點之間可以同步最新的數據，同時達到數據的分布式存儲，不易篡改。每筆交易對應的有個時間戳，可以根據時間戳來查詢每筆交易狀態，也就是可溯源性。