为小白写的区块链基本原理——以比特币为例

之前写过《》，那篇文章比较宏观，不涉及技术原理。 本文以同样通俗易懂的语言介绍了比特币的原理。 如果你是新手，这篇文章可以作为入门。

最近，区块链的概念很火。 大家在刷朋友圈的时候肯定会看很多区块链文章，也会看到在各个微信群里分享的各种区块链信息。 爱学习的小伙伴看过很多媒体文章，看过很多区块链分析报告。 你现在了解区块链了吗？

如果我是你，我觉得我看不懂，因为我觉得这些文章都是皮毛，不谈关键问题，一直绕着看他说的，但我还是不知道什么是区块链是。

我正在攻读博士学位。 在清华大学。 在学习期间，有幸聆听了郑全水院士的课程。 郑老师说，学一门课最重要的是学好概念。 学习概念后，课程结束。 我深受启发。 但是你看现在各种区块链的文章，大部分都不讲概念，也就是大部分不讲什么是区块链，而是讲区块链怎么用。 本末倒置根本不是正确的学习姿势。 这大概就是为什么大家看了那么多报道，但还是不了解区块链的原因。

另外，我发现很多文章，甚至人民日报的文章，都在区块链上报错！

例如，人民日报在提到区块链的第一个应用“比特币”时，称其创造者是一位“日裔美国物理学家”。

没有人知道是谁创造了比特币。 他是一个非常神秘的人物，应该是参加密码朋克运动的密码学大师。 由于他是密码学高手，所以他也给自己“加密”，让外界无法知道他是谁。 他给自己起名叫“中本聪”，但我们仍然不知道中本聪是谁，是一个人还是一群人。

当然，中本聪这个名字听起来很日本，但媒体直接把他描述成日裔美国人就有点过分了。 更不用说中本聪被描述为物理学家了。 . . 物理学家说我们没那么好。 . .

由于媒体和大多数人对区块链的了解非常有限，而区块链确实是一项非常了不起的发明，因此，我非常愿意与大家分享区块链的原理。

一般的文章都会从“什么是区块链”开始，然后给出的答案是区块链是一个分布式的、不可更改的系统。 . . 你傻眼了吗？ 好像不是，万的脸上却是傻眼了。

我们不这么讲，我们要让大家了解区块链，就要从底层做起。 区块链其实是2014-2015年才出现的词。 它起源于比特币，是比特币的底层技术。 2013年之前，我们从来不提区块链这个词，只提“比特币的底层技术”。 因此，要了解区块链，就必须了解比特币。

因此，在本次分享中，我们主要将比特币的原理解释清楚。 这样理解了比特币之后，大家以后对区块链的认识就会更加清晰。

比特币是2009年出现的一个东西，它的动机是在没有第三方介入的情况下，把财富掌握在自己手中。

我们举个小例子来理解。 比如你去淘宝买东西，你不是在和两个买家交易，而是一定有第三方“支付宝”的参与。 为什么？ 假设只有你和买家参与，如果你把钱给卖家，卖家不发货就跑了怎么办？ 或者不可双花是比特币的特征吗，卖家发货后你不想给卖家付款怎么办？

现在淘宝的方法是，你要买东西，嗯，你先把钱放在支付宝里，让支付宝暂时保管，然后卖家给你发货，你之后支付宝再把钱给卖家收到货物。

买东西，必然有第三方。 但是，第三方的存在会将自己的信息透露给第三方，而有些人则不愿意透露自己的信息。

比如你想在网上买一些很丢人的东西，又不想让别人知道怎么办？

再比如，你买了一个和思聪同款的U盘，但你只想低调做一个安静的土豪，不想让别人知道怎么办？

完了，现有的思路解决不了这些需求。

该怎么办？

有的人开始拍额头，拍啊拍，拍啊拍，头发越来越少，脑子却越来越亮。

他们发现第三方是中介或中心，可以采用另一种思路来消灭中介。

让我们用一个例子来阐明这个问题。 把这个问题弄清楚了，大家就知道比特币是怎么回事了。 这个过程比较复杂，大家要用脑子跟上节奏。

现在是正文

我们想象一个场景。 有一个村庄。 村里有A、B、C、D、E等人。 村里没有货币，全村人都靠老村长记账。

现在，A 想从 B 家购买猪肉。

按照传统的做法，A去找村长说：“我给B买了五斤猪肉。” 村长把这件事记在了“村账本”上。 这是一种以村长为中心的交易方式。 这个方法有个漏洞，你知道是什么吗？

因为账本只有一份，而且只在村长手里，如果村长改了账本，谁也拦不住，原来真实的数据也永远找不回来了。

现在我们尝试一种新的方法。

A对B说，咱们别找村长了，我给你一串数字，你以后可以用这串数字来找我换锤子。 还有啊，我这串数字是独一无二的，无法复制。

现在B也想尝试新游戏。 他需要想清楚一个问题：他接受了“这串数字是唯一的，不可复制”的事实，但是如何证明这串数字是属于A的呢？ 难不成这串数字本来是别人的，只是A为了骗他而念出来的？

A告诉B你是个好问题！ 不过你不用担心，你可以看到在这串数字的末尾有一串特征字符，这串字符的意思是“转给A，从D”。 所以你放心，这个号码是D转给我的，是我的。

科普提示1：这里的“特征符”就是比特币中的“数字签名”，是用自己的私钥确认某条记录的证据。 （提示不影响对比特币原理的理解，可以作为以后自学的扩展）

B看了看那串数字，发现确实有特征字符，于是确定这串数字是A的。B又一头雾水，问道：“这串数字后面是你的签名..你为什么把这个给我，别人还以为是你的号码串呢。

A说，没关系，我可以在后面加上一个特征字符“转给B，从A”，这样这个数字串就是你的了。

科普技巧2：这里还是用到了数字签名技术； 另外，你会发现签名是首尾相接的，比如前面的签名是“To A, from D”，后面的签名是“To B, from A”，所以你知道整个数字的顺序字符串是“D—A—B”的顺序。 这串数字串由一个“链”组成，这个“链”就是“区块链”的“链”的意思。

现在B说，太棒了！ 我相信你！ 你现在确实可以把这串数字给我，但是你怎么保证你以后不会用这串数字去C买他的菜刀呢？

A说，这是个好问题！ 你说的是“双重支付”问题，也称为“双花”或“双花”问题，即两次花费相同金额的问题。 我们村毕竟是数字世界，复制东西很容易。 简单的。 . .

那我们就这么干吧，我要跑遍全村，通知全村人“A把这串数字给了B”，让别人不再接受我用这串数字买别人的东西。 当然，你可以怀疑我在通知全村的时候故意造假——比如告诉C“这串数字不是A给B的”——然后我就可以从中获利，我们让全村出来分享报告，把我告诉别人的传给别人，我不能造假。 然后大家准备一个账本，每个人都在自己的账本上写上“A里的这串数字已经属于B了”，这样全村人就达成共识，就不会出现双花的情况。

科普小贴士3：村里大家跑来跑去互相告密、传递消息的过程，就是“PBFT共识”采用的方法。 当然，比特币并没有采用这种共识方式，这个以后再说。

科普技巧4：每个人都有一个账本，这就是“分布式账本”的概念，也就是区块链中经常提到的“分布式”的由来。

B说，高！ 真的很高！ 你再聪明点，二年级就能赶上我儿子了！ 动动脑筋好吗？ 如果我们村子只有几十个人，大家互相转告一下也无妨。 但是等到村子里的人数变成了几百、几千，甚至几万的时候，像你这样的人都应该出来通报一下。 那么明年，通知不绝于耳，首将无能，耗尽全军。

还有，我们村里随时都有人进进出出，一共有多少人你也不知道，你通知了怎么就确定通知结束了呢？ 不通知完不就有漏洞了？

科普提示5：B的说法非常正确。 当人数（即节点数）大于100时，PBFT算法的效率特别低，所以这也是比特币不采用这种方式的原因。 另外，PBFT算法只能在节点数已知的情况下使用。

科普提示6：村民通知他人时，不能用喇叭一次性通知多人，这样使用喇叭的人又会集中起来。

A说，我们用另一种方式通知别人吧。 我们选一个人记账，让记账员记下“从A转账给B”之类的东西，然后大家抄下来。 不用担心，我们村有技术手段保证不会出现抄写错误。

B说，这个方法不错，但是这个簿记员怎么选呢？ 因为人人平等，如何选择？ A说，抽签！ 谁抽到谁就记账。

B说抽签是个好方法，但是抽签的第一步是要知道村里有多少人。 这是怎么做到的？

A说，这样，让愿意抽签的人做一个动作或发出声音，告诉别人“我在村里”、“有我”或“我要参加抽奖” .

B问，谁来主持抽签？ 或者谁来画？ 现在人人平等，任何人都不适合抽烟，否则他就会变得特殊，有被“集中”的风险。

A说，我们交给“秩序之神”抽签。 也就是说，通过做题不可双花是比特币的特征吗，谁先做出结果，谁就中奖。

科普7：这里做题就是比特币中的“挖矿”，做题相当于挖矿。 这种通过做题获得记账权的方式称为“Proof of Work”，简称“PoW”，即工作量证明，是比特币达成共识的方式。 上面也提到了比特币使用的不是PBFT共识，而是PoW共识。 解题的本质是解不等式，非常难解的不等式，只能用求根法暴力解，而且需要多次尝试才能得到答案。

B说，你他妈真是个天才！ 但是还有一个问题，做簿记员有什么好处呢？ 如果你想做簿记员，你仍然需要做题。 只有傻瓜才会做吃力不讨好的事情。

A说当簿记员真好！ 我们可以奖励他！ 比如记账的时候，我们让他在账的开头写一句话。 比如D当了记账员，他可以写“D得到50个新号码”，以后可以用这些号码买东西。

科普8：挖矿获得奖励，其实就是挖矿获得比特币。 比特币最根本的来源是通过挖矿获得的。 挖出的比特币数量是程序预先写好的，人是无法更改的。

科普小贴士9：如果是两人做题，那么第一人做记账的顺序高低不一，第二人作废。

B说，厉害了！ 然后我们要轮流记账，不能一直一个人记，不然这个人就成了新的村长。 所以我们要经常抽签，经常做题。 现在还有一个问题：如果我们村有100万人，可能有两个人做过这道题。 虽然相隔几秒，但信息的传递也是需要时间的。 在周围人的眼里，他们都是第一位的。 完全的。 （整个网络是异步的，没有统一的时序标准）那么，如何判断谁来记账呢？

比如C和D都出问题了，那么C出问题的消息从C周围逐渐传开，D出问题的消息从D周围逐渐传开，所以不同位置的村民得到这两个messages 的时间顺序不同。

科普技巧10：这是叉子的一种。 当然关于fork的知识很多，不敢展开。 上面提到的分叉在比特币系统中非常常见。

A说解决这个问题的办法就是搁置争议，双方暂时都对，双方都会记账。 然后我们继续抽签，下一个记账员在谁的账单之后继续记账，那么刚才谁的记账有效，对方的记账无效，把账本扔掉重新记账。

比如某时刻，E和F同时算出答案，他们各自记了一笔帐。 此时，他们两人的账目都是正确的。 然后大家继续做题，G算出下一题的答案，然后他选择在E之后继续记账。这时候全村的人都按照“EG”的记账，F的账单是扔掉，F需要同步到E和G的账单中。

科普技巧11：比特币使用“最长链”原则来判断谁对谁错。 “谁长大了，我们就听谁的。”

现在，我们终于在这个没有中心的虚拟村庄里创造了一种货币。 这时候，老村长就可以休息了。 A还从B家买了猪肉。

现在是结束

我们通过上面的小例子解释了比特币是如何工作的。 我们发现，在整个过程中，比特币并没有采用任何新技术，都是现有技术的结合。 那么它的厉害之处在哪里呢？ 它的高明之处在于将经济学的“激励”引入了比特币系统。 事实上，在比特币出现之前，很多加密极客都试图发明加密货币，但最终都以失败告终，因为整个系统不可能总是自成体系，总是会出现一些逻辑上的问题。

中本聪巧妙地将经济激励引入系统，通过经济与技术的结合，去中心化技术成为可能。

这个过程也可以有一个直观的理解：比如你在一艘大船上，四面封闭，看不到外面的任何信息，也就无法知道船内的东西南北。 也就是说，大船系是“无依无靠地漂泊”，与世界系是“不固定”的。 只有引入额外的信息，比如开窗看外面的阳光，才能知道船内空间与外界的联系。 而经济学的“激励”就是太阳。

介绍完比特币，大家应该对区块链有了一个基本的、重要的认识，但是区块链的概念还是比比特币更大。 在此基础上，发明了“智能合约”、不同的共识机制、代币经济学、跨链等新事物。 想知道这些新知识如何，我们再见。