你了解区块链和比特币的区别和联系吗？

前言

随着比特币的跌宕起伏，区块链技术越来越受到关注。 区块链和比特币目前与人工智能一样受欢迎。 人们开始寻找可以使用区块链技术的地方，并进行了很多尝试。 但是对于区块链的价值众说纷纭，尤其是一些媒体大肆吹嘘或者刻意贬低，给大家带来了很多困惑。 其实作为技术人员，只需要了解底层的实现原理和运行机制，相信就会对其应用场景和发展前景有自己的看法。

看完这篇文章，我对区块链有了一定的了解。 可以参考一个简单的区块链模拟实现加深理解：(toychain)welcome star

区块链和比特币

首先，有必要厘清区块链与比特币的区别与联系。 区块链可以理解为一种具有特征的数据存储结构或协议，可以解决一系列安全、稳定等问题； 而比特币是使用区块链技术实现的数字货币系统。 比特币是目前唯一成熟的区块链应用，这也是两者容易混淆的原因之一。比特币起源于中本聪2008年发表的《比特币：一种点对点的电子现金系统》原译

区块链是一种新型的去中心化协议，用于安全地存储比特币交易或其他数据。 信息不能伪造或更改。 它可以自动执行智能合约，无需中心化组织的任何审查。 交易可以是比特币等数字货币，也可以是债务、股权、版权等数字资产。 区块链技术解决了拜占庭将军问题，大大降低了实体经济中的信任和记账成本，重新定义了互联网时代。 产权制度。

中本聪提出了这个想法并实现了比特币系统。 在越来越多支持者的参与下，比特币系统在2017年稳定运行，迎来爆发式发展，比特币价格一度突破2万美元大关。 越来越多的技术人员、投资者和金融从业者关注区块链技术，并试图拓展其应用领域，以体现其特性和价值。 目前，区块链技术在金融领域已经深耕细作，在游戏、安全等其他领域也有不错的尝试。

下面从以下几个方面一一讨论分析：

块的基本结构

块的结构并不复杂，由几个字段组成。 总的来说，块的结构类似于双向链表中的节点。 大家可以先直观感受一下比特币系统中第505156个区块的头部信息。

其中相当一部分字段可以从字面理解，比较重要的字段一一列举。

这些关键区域的正确维护是区块链落地的基础，也是区块链去中心化解决双重支出和拜占庭将军问题的基础设施。 对于关键数据结构，需要补充规则和算法才能发挥作用。 整个流程梳理完毕，区块结构一目了然。

观察结构可以得出结论：

去中心化和点对点网络

去中心化是区块链的核心思想，这也是与其他分布式产品的最大区别。 去中心化确保公平和安全。 点对点网络是去中心化框架下的互联网，类似于现实社会。 今天的社会制度是中心化的。 国家的中心是政府，金融体系的中心是中央银行。 如果政府腐败，央行作弊，那么整个社会就会不公平，所有的数据都会不可靠。 或许去中心化也是人类社会制度发展的最终目标。 只要有电脑，就可以加入点对点网络，成为节点。 每个节点都可以拥有整个区块链的信息（目前有数百G），这些信息是不断更新和同步的。 每个块写入都会广播到整个网络。 对等网络中的每个点都有相同的权利和义务，都是平等的。 以CPU为算力单元，每个节点都可以参与投票、计算和数据打包，也有同步区块信息的权利。

不可修改的数据

在区块的基本结构中，得出的结论是，区块内容一旦写入，就无法修改。 原因很容易理解。 首先通过Hash=SHA256（区块头）得到一个区块，所以每个区块的Hash都是唯一的。 并且区块头包含Merkle Root字段区块链与比特币的异同，区块体中的交易数据存储在Merkle树的叶子节点中。 因此，Merkle Root 可以看作是这个区块中所有交易数据的唯一签名。 基于以上事实，无论是交易数据的修改，还是区块元信息的修改，区块的Hash字段都会发生变化。 因为除了第一个和最后一个块之外的所有节点都有 Previous Block, Next Block(s) 字段会引起连锁反应。 修改一个区块数据的代价是修改区块链中所有区块的Hash和Previous Block，Next Block(s)字段就是对应的值。 如果你没有同时拥有全网一半以上的算力，是做不出来的。 因此，可以说区块链的整体结构，区块数据一旦写入区块链，就永久写入，无法修改。 这也确保了数据的安全性和可信性。

共识机制

共识机制是区块链最重要的特征。 共识是指对区块数据的认可，也可以看作是投票。 只有超过一半的点对点网络认为区块数据是真实可靠的，才能达成共识。 目前主要有几种共识机制：工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）、委托权益证明（DPOS）和拜占庭共识算法（PBFT）。 其中，工作量证明是比特币采用的机制。 比特币的工作证明就是所谓的“挖矿”。

由于每个节点都要同步最新的区块链数据，所以出块的速度不能太快，否则大部分节点都来不及同步。 中本聪为此设计了难度系数调整机制。 区块结构中维护了两个字段，Nonce和Difficulty，分别代表计算次数和难度系数。 块生成被设计为每 10 分钟发生一次。 如果出块速度大于设计速度，则下一个区块的难度系数会增加。 因此可以保证出块时间间隔在10分钟左右。 因此区块链与比特币的异同，随着时间的推移，比特币挖矿将变得越来越困难。

如果同时将两个区块添加到区块链，区块链就会分叉。 如果分支长度先达到6，哪一个作为主干，则交易确认，另一个分支被丢弃（选择大多数节点的共识）。 因此，确认交易大约需要1个小时。

双花和拜占庭将军问题

双花是指在两笔不同的交易中花费相同的资产。 比如节点A一共有1个比特币，节点A几乎同时提交了两笔交易：支付1比特币给节点B，支付1比特币给节点C。这两笔交易在交易记录之前可能是合法的，不同的节点可能会将它们记录在块中。 如果同时产生两个区块，将根据工作量证明的共识机制进行选择。 区块链可以在不使用第三方的情况下解决双花问题。

拜占庭帝国要打击强大的敌人，于是派出10支军队包围敌人。 这个敌人虽然比不上拜占庭帝国，但也能抵挡住5支拜占庭正规军的同时进攻。 不知为何，这10支大军无法集中在一起进行单点突破，必须在各自为战的情况下同时进攻。 他们任何一支军队单独进攻都没有胜算，除非至少有6支军队同时进攻，向敌国发起进攻。 他们分散在敌国各地，依靠信号部队相互沟通，商定进攻的意图和时间。 困扰这些将领的问题是，他们不确定其中是否有叛徒，而叛徒可以擅自改变攻击的意图或时机。 在这种状态下，拜占庭将军能否找到一个分布式协议区块链整体架构，让他们能够远程协商并赢得战斗？ 这就是著名的拜占庭将军问题。

区块链中拜占庭将军问题的描述应该是如何在不知道具体诚实节点的情况下达成共识。 区块链采用主流共识机制（工作量证明（PoW）、权益证明（PoW）、PoS）、委托权益证明（DPOS）和拜占庭共识算法（PBFT）来解决拜占庭将军问题。

隐私保护

由于在区块链中，所有的节点都是由全网唯一的SHA256签名来表示的，这个签名不能对信息进行逆向，所以即使签名在全网广播，也无法获取到某个节点的信息。 基于此，所有交易中的节点都相当于匿名，很好地保护了用户的隐私。 但它也是编写勒索软件的黑客常用的勒索软件支付方式。

总结

基于以上对区块链的理解，可以得出区块链技术是去中心化的，区块的结构特点可以保证节点间的数据安全和公平，类似的问题也可以通过共识机制来解决。 双花、拜占庭将军等问题，比特币的发展也体现了对区块链价值的认可。 然而，为了实现这些特性，付出了大量的时间和空间成本：每个节点需要实时同步整个区块链信息（目前达到数百GB）； 每个区块的容量是有限的； 平均每 10 分钟产生一个区块，并且每小时只能确认一笔交易。 目前事务处理速度还远远不够。

迄今为止，区块链的应用场景非常有限，目前在技术层面成熟的尝试也仅限于金融和货币领域。 判断区块链能否应用于某个领域，只需要判断三点：不需要管理中心，不需要实时数据，成本小于收益。 看来，虽然区块链带来的变化不足以与人工智能相提并论，但区块链的思想还是非常值得研究和借鉴的。

从技术角度来看，任何新技术都不是凭空产生的，必须在现有技术的基础上进行改进和创新。 区块链也不例外。 如果你对分布式计算（分布式事务、Paxos算法等）有一点了解的话，可以了解一下相似之处（比如都使用Merkle树）。

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