深入浅出区块链
陈浩
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开篇词 (1讲)
开篇词 | 帮你从0到1深入学习区块链技术
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第一章 浅说区块链基础 (8讲)
第1讲 | 到底什么才是区块链？
第2讲 | 区块链到底是怎么运行的？
第3讲 | 浅说区块链共识机制
第4讲 | 区块链的应用类型
第5讲 | 如何理解数字货币？它与区块链又是什么样的关系？
第6讲 | 理解区块链之前，先上手体验一把数字货币
第7讲 | 区块链的常见误区
第8讲 | 最主流区块链项目有哪些？
第二章 深入区块链技术 (15讲)
第9讲 | 深入区块链技术（一）：技术基础
第10讲 | 深入区块链技术（二）：P2P网络
第11讲 | 深入区块链技术（三）：共识算法与分布式一致性算法
第12讲 | 深入区块链技术（四）：PoW共识
第13讲 | 深入区块链技术（五）：PoS共识机制
第14讲 | 深入区块链技术（六）：DPoS共识机制
第15讲 | 深入区块链技术（七）：哈希与加密算法
第16讲 | 深入区块链技术（八）： UTXO与普通账户模型
第17讲 | 去中心化与区块链交易性能
第18讲 | 智能合约与以太坊
第19讲 | 上手搭建一条自己的智能合约
第20讲 | 区块链项目详解：比特股BTS
第21讲 | 引人瞩目的区块链项目：EOS、IOTA、Cardano
第22讲 | 国内区块链项目技术一览
第23讲 | 联盟链和它的困境
第三章 数字货币与数字资产 (5讲)
第24讲 | 比特币专题（一）历史与货币
第25讲 | 比特币专题（二）：扩容之争、IFO与链上治理
第26讲 | 数字货币和数字资产
第27讲 | 弄懂数字货币交易平台（一）
第28讲 | 弄懂数字货币交易平台（二）
第四章 区块链与当下互联网 (5讲)
第29讲 | 互联网身份与区块链数字身份
第30讲 | 区块链即服务BaaS
第31讲 | 数字货币钱包服务
第32讲 | 区块链与供应链（一）
第33讲 | 区块链与供应链（二）
第五章 如何从业区块链 (3讲)
第34讲 | 从业区块链需要了解什么？
第35讲 | 搭建你的迷你区块链（设计篇 ）
第36讲 | 搭建你的迷你区块链（实践篇）
尾声 (2讲)
尾声篇 | 授人以鱼，不如授人以渔
新书首发 |《区块链第一课：深入浅出技术与应用》
深入浅出区块链
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第2讲 | 区块链到底是怎么运行的？
陈浩 2018-03-28
上一次，我们聊到了区块链的概念及整个行业的发展过程，今天我想稍微深入一下，尽可能通俗地介绍一下：区块链到底是如何运行的？
这一篇文章我将以比特币区块链为例来进行讲解，理由有两个：
由于区块链发展到目前阶段，各个技术方向都有长足的发展，那么为了方便你理解，我在这里介绍最简单、最容易理解的比特币区块链；
由于大部分区块链都是以比特币区块链为基础进行扩充的，所以首先了解比特币区块链有助于其他项目区块链的后续学习。
中心化记账的问题
首先，我们借鉴了一个区块链描述中的经典情景来模拟中心化记账。
假设有一个有百户居民的村子，其中有一位德高望重的村长，村长有一个儿子。村民们都把钱存到村长家，村长负责记账。比如，张三用 1000 买了李四家的牛，村长就把张三名下的存款减去 1000，李四家加上 1000。听起来是不是很像银行的操作？
对，我们就是先从中心化的银行记账开始聊起。村民都相信村长，才愿意把钱存到村长家，他们相信村长不会作恶。
可惜好景不长，老村长由于操劳过度，驾鹤西去了。新上任的村长儿子铁蛋很是聪明，但也有个毛病，就是粗心大意。他不但经常算错账，一次还被人偷改了账单。
不过，幸好村民自己都有记账，但是由于铁蛋每次错账后都要和别人核对半天，导致村民对新村长的记账能力十分不满。
时间就这么过着，然而最可怕的事情还是发生了，铁蛋的老婆竟然私下篡改账本，给铁蛋七大姑八大姨的余额全部偷偷加了好多，终于有一天事情暴露，村民们气冲冲地跑到铁蛋家里讨说法，于是一片混乱。
这时候有个叫中本聪的人站了出来，他说他设计了一套系统，可以不依赖任何人记账，于是，众人开始将目光集中到他的身上。
1. 公开记账
中本聪说他的系统稍微麻烦一点，需要干三件事儿。
每家每户都派发一只信鸽。这就是 P2P 网络，是一个点对点的分布式网络，如果不好理解，你先不用理会，我会在后面讲到。
每家每户都发一个特殊的印章和一个扫描器。这个扫描器有两个功效，一是识别他人的交易是否真实有效，二是识别这个交易是不是自己账号的，同时识别并解锁未花费的余额。这就是非对称加密。
每家每户可以参与记账，不过不再记余额，而是记交易本身的内容。这就是区块链中的交易，这个“交易”对应的英文单词是“Transaction”，这是个专有名词，专指一笔账，不同于金融交易的 Trade。
这三条总体来说其实是干一件事情，就是：
每家每户都记账，账簿上不再记载每户村民的余额，而只记载每一笔 Transaction，即记载每一笔交易的付款人、收款人和付款金额。
那么问题就来了：如果每户都记账，肯定每户的账都不统一啊，你记你的，我记我的，最后不全乱了么？
这个时候需要大家统一账本，保证大家的账本都是一致的。因为记录的交易是全村所有人有序产生的，所以这就需要有一个广播机制。这个广播机制，我先卖个关子，后面再讲。
中本聪说，其实很简单，我们现在先把全村所有人的资产都加起来。还真巧了，刚好 100 万。
中本聪接着说：“只要账簿的初始状态确定，并且每一笔交易可靠并按照物理时间自然记录，并且只加不改不删，这样，当前每户持有多少资产是可以推算出来的。”
中本聪说我现在把我的印章给你们看，这个印章很特殊，盖的章有两块标记，第一块是一个可以识别的标记，比如我往纸上一敲，可识别的标记是 1MsTg2。
这就是你们的代号，由于我们账本是公开的，使用真实姓名会很危险，所以你们记账的交易单上收款人、付款人都填这个码，不用写姓名。你的扫描器和你的印章生成的代号是关联的，有且仅有持有对应扫描器的人才能花费金额，这一步即为“解开交易”。
刚刚说印章有两块，这第二块内容配合这个扫描器才能看，肉眼看则都是乱码，扫描器一扫就知道第二块内容是否有效，这一步也就是“交易验证”。
并且所有交易大家都能接收，都能看到，但却解不开印章乱码部分的内容，仅仅收款方才能解开，因为你的扫描器和你印章生成的代号是关联的，有且仅有持有对应扫描器的人才能解开交易。
以上就是区块链中“公开记账”的过程。“公开记账”就是全网所有人都可以随时查看一套账本，然后按照规则透明公开地进行记账。
2. 创建创世区块
创世区块是我们生成全村公开账本的第一笔交易的第一个信封，好比一篇文章总得有个开头一样。
于是乎，中本聪说我先生成第一个 Transaction，这个交易单的付款人为空，收款人是村长，付款金额是 100 万，因为是创世区块，产出多少个是可以随意规定的，由于我们上面统计了全村的账目情况，所以我就写了 100 万，待会儿付款给村长以后，我们可以按照原来的账本给大家发送对应的金额过去。
好了，我们有了第一笔交易，第一个信封也已经做好了。现在让村长把信封传给张三，张三复印一份，然后传给李四，李四继续传下去，一传十，十传百，直到传给全村人，这个步骤也就是“同步区块”，也就是全网都拿到这个信封，以及信封里面的 Transaction。
3. 交易
由于上一节我们的创世区块把 100 万交给了村长，那么我们假设张三在村长那里的存款余额是 10 万，这时候村长要根据原来的旧账本，把这 10 万发送给张三，然后把旧账本上的账划掉。下面我们讨论一下如何构造这笔交易。
中本聪开始教村长写交易单，把 100 万分成两部分，第一部分 10 万，收款人是张三；第二部分是 90 万，收款人是自己；这样一个 Transaction 就做成啦。
前面我们说了，不能直接写名字，要写代号，这个代号也就是你的钱包地址，我们需要把收款人写名字的地方，让收款人拿出自己印章，把代号读出来，然后告诉村长即可。
100 万 10 万，张三
90 万，自己
村长写好 Transaction 以后，还需要拿出自己的印章，在 Transaction 上盖章，这个盖章的过程也就相当于区块链中的签名。这个章，全村人都可以拿扫描器扫一下验证是否有效，即验证付款人的章是否有效。
100 万 10 万，张三的印章（1s25vR）
90 万，村长的印章（13gYip）
就这样，村长一共写了 10 份 Transaction，分别代表了发送给不同人的交易，张三一笔 10 万，李四一笔 1 万，等等。
4. 打包 Transaction （挖矿）
现在我们有了 Transaction，但是还需要东西把 Transaction 装起来，我们用一个特殊的信封把 Transaction 装起来，这个信封就是区块链中的“区块”，这个封装过程就是“打包交易”。
为什么要封装起来呢？是为了让打包交易的人能够在信封上署名，表示这次打包是由某某某打包的，其次全村的交易可能非常多，需要装配标号，方便大家查询。
我们看到上述的 Transaction 虽然已经生成，但是有个问题，就是没有规定谁有权利把 Transaction 封装到信封里。
我们在开篇的故事中看到了中心化操作肯定是不行的，假设在全村人中，这时候如何筛选出这些打包的人呢？
中本聪这时候说了，由于我们村的人口增长，100 万未来可能不够，我们暂定 150 万，那多余的 50 万，我们就当奖励给这些装信封的人了，当然不能一次性给，谁装一次信封就领 3 个币。
这时候大家伙儿来劲了呀，只要装信封就能够领钱了，我们在这里把符合条件的人称作“矿工”。
但是中本聪又说了，要获得这个装信封的权利，是有条件的。我给大家出一个难题，谁先解出这个难题的答案，谁就有权利把 Transaction 装到一个信封中，并且要在此信封上盖上自己的章。
这个难题是这样的，它有两大特性，第一是容易验证，第二是计算过程非常复杂。
例如，有种棋牌类游戏叫作“24 点”，玩法就是给出任意 4 个整数，通过整数运算得到 24，比如现在给出 2、9、1、5 四个数，答案是（5-2）*（9-1）= 24。当然，本处仅是举例，“24 点”游戏的答案空间非常小，是远远不够生成信封的。
答案非常好验证，但是计算过程是一个尝试的过程，需要耗费大量的精力。而在真实的比特币中，采用的是寻找符合条件的目标哈希，这也就是比特币矿工所做的事情。
好了，这时候大家开始计算给出的难题，刚好李四第一个计算出来，那么这次装信封的操作就由李四完成，李四把 10 份 Transaction 装到信封中，也就是打包 Transaction，并且要在信封背面写上一个信封的摘要信息。
比如上一个信封中的第一个交易是什么、信封封面长什么样，最后要在信封上盖上章，也就是“签名”，矿工签名的目的是为了领币，也就是 Coinbase 交易。
以上过程在区块链领域称作“打包 Transaction”，也就是大名鼎鼎的“挖矿”。
5. 广播交易
来说说上文提到的广播交易，广播是为了让全村人知道当前时刻你产生了一笔 Transaction，或者是你装好了一个信封。
广播的内容分两种，一种是广播 Transaction，一种是广播信封。第一种广播是意味着还有未被打包的 Transaction，而第二种广播信封则意味着这个 Transaction 已经被某个矿工确认。
收到了广播的通知后，大家先验证信封上难题的答案是否正确，这样便可以验证出信封是否被伪造，接着验里面的每笔交易，最后还要验证信封背面的内容，即上一个信封的摘要是否正确。因为上一个信封大家都已经确认，所以这样可以极大地规避作弊的可能。如果觉得没问题，就可以存入本地数据库中了。
至此，全村人的记账问题就差不多解决啦。
总结
今天我用非常浅显的例子与你聊了比特币区块链，其中包括区块链中公开记账、创建创世区块、交易、打包 Transaction、广播交易的几个步骤。
因为篇幅所限，在表述上可能会有不精确的部分，但是大体意思是相通的，相信读完文本，你已经对区块链的原理有了一个大致的了解。
你也可以针对每个模块进行扩展，比方更换矿工的计算方法，可以推导出 PoS 共识机制，不知道你还能想到哪些扩展呢？欢迎留言探讨。
感谢你的收听，我们下次再见。
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精选留言(67)
蜡蜡 置顶陈老师，您好，非常精彩的讲解了比特币到底是怎么运行的，个人对比特币运行的整理与思考如下，欢迎讨论：
步骤1：召集全村每家每户， 一起共同记账。
1）高薪招聘记录账本人员： 人人都可以参与，只要每次谁记录的最快又最准，每次可以拿到丰厚的报酬。
2）分发村民记账工具：特殊的印章（盖章有两块标记，第一块可识别的标记，第二块扫描器才能看）、扫描器（扫描器有两个功效、一是识别他人的交易是否真实有效，二是识别这个交易是不是自己账号的，同时识别并解锁未花费的余额） 、特殊的信封（装交易信息的文件） ；
3）记账注意事项：
为了防止大家真实姓名泄漏， 大家统一使用代号代替（第一块可识别的标记）；
账本上不再记载每户村民的余额，只记录每一笔交易的信息，即只标注付款人、收款人、付款金额；
必须保证每个村民随时查看整套账本，每次交易信息用小喇叭通知大家。
步骤二：创建账本的开头；首先中本聪创建第一步交易信息，付款人为空、收款人为村长、付款金额100万元，
然后记录着交易信息，装进特殊的信封里，现在让村长把信封传递给张三，张三复印一份，在传递给李四，一传十，十传百，直到传到全村人。
步骤三：交易；
1）村长与村民的交易：现在村长有100万元，这时村长根据张三旧账10万元，把这10万元给张三，然后把旧账划掉。中本聪教村长记账，付款人代号村长、收款人代号张三、付款金额10万元；村长填好交易信息，在交易信息签名（盖章），这个章全村人可以用扫描器验证是否有效，就这样，村长与村民陆续操作，张三一笔10万元，李四一笔1万元，王五2万元，等等！
2）村民与村民的交易；现在张三有10万元，李四有1万元，现在张三买李四家的房屋1万元，张三在付1万元单盖章，李四用扫描器查看着1万元是否有效，然后高新聘请的记账人员开始记账，交易信息为：付款人代号张三，收款人代号李四，付款金额1万元。
步骤四：打包数据（挖矿）
因为装信封人报酬多，参与的人非常多，中本聪设定难题，答案很容易验证，计算过程非常复杂，如比如,2、9、1、5加减乘除如何计算得到24，只有答案（5-2）*（9-1）=24，当谁最快又最准计算出，谁就可以把这交易信息放进信封里，并在信封上签字盖章。
步骤五：广播交易；记账人员把数据放进信封里，并签字盖章，用广播的方式通知所有人，每个村民可以验证交易是否伪造。
步骤六：账本按每一笔交易数据物理时间自然记录，并且只加不该不删，不断形成新的账本数据库，至此，全村人的记账问题就解决了。
当这些还看不懂比特币如何运行模式，举结婚场景大家脑补下：
张三与李四结婚，请全村人见证他们结婚了，张三签字保证爱李四一辈子，李四也同意爱张三一辈子，记录人员记录着他俩的承诺，并装进信封，然后通知全村人。当张三不爱李四啦，需征求全村人的意见，并且全村人同意他俩才能离婚。2018-03-29 32
良辰美景作者你好，我读了几遍，仍然还是不太明白，有如下问题，希望能给解答一下：
假如现在有A村民（有50万）与B村民，A转账10万给B
文章说需要在这个交易上写的信息如下：
10万，B章
40万，A章
问题如下：
1：上面的交易是否还要盖上村长的章？A主动转账给B，这个交易信息是否需要村长监控：比如村长需要监控A的账户是否有10万以上的钱
2：如果不需要，扫描器的作用是否能识别这个村里的每一笔交易，还是只能识别自已的交易（这个扫描器的作用还是没太明白）假如我是村民C，我能解开上面的交易么。
3：挖矿也就是得到信封，将交易数据打包到这个信封中，而这个信封也需要有一个地方存储，这个信封（区块）存在那里呢？每个村民的家中么（初使化好的服务器）？
4：这份账单会存在网络中多份，具体有多少个节点呢，是事先约定好的还是可以动态变化的？
5：一个区块（信封）能存储的交易数据有数量限制么（还是有一个时间段的限制），如果没有交易限制，如微信系统一分钟的交易量上百万份，这个数据量级的情况有解决方案么。作者回复: 1. 不需要的。村民A如果有50万，转移过程由村民A盖章即可，其实这更像咱们的实体纸币，纸币100在花费的时候，现场确认是你掏出来的就行。钞票本身的面额就是50万，不需要检查的。
2. 村民C是无法解开交易的，扫描器和章是一对的。扫描器其实有两个功用，一个是可以验证别人的章是否有效，第二是识别属于自己的交易。
3. 是的，存在每个村民的家（本地持久化存储）中。快速理解就是每个村民家中都有一套日志型的账本，有点像数据库的binlog，是无状态的。每家收下的所有信封连在一起就是重演历史交易
4. 账单是全冗余的，所有节点都保存了副本。节点数量是开放的，动态变化的。
5. 一个区块是由大小上限的，比特币的上限为1MB一个块，曾经出现了网络拥堵的情况。上万TPS的区块链系统是由的，不过从架构上看更中心化一点。这个我们会再后续文章有详细讲解2018-03-28 30
near请问老师：例子中说拿出50万奖励封装信封的人，当这50万奖励用完以后，后续产生的交易信息由谁来封装信封呢？2018-03-28 2 17
teletime这样记帐的话，随着时间推移，总帐无限增大，每次计算一个帐户的当前余额，要追溯的历史链越来越多，效率能撑住？2018-03-28 1 11
陈建斌红了..怎么广播，难道每个节点要保留所有其他节点的ip地址吗作者回复: 是的。仅保存临近节点，临近节点接力
2018-03-28 11
LuDi配一些图来说明的话，会让读者更容易理解呢？作者回复: 谢谢建议，到深入讲解模块会配图的。
2018-03-29 9
胡敏我理解 打包交易 的的前提是有交易，如果交易量不足，哪些所谓矿工为啥可以一直挖矿呢作者回复: 交易笔数至少会有一笔。这一笔叫做铸币交易。又称coinbase。这种区块我们叫做空块。属于正常情况
2018-03-29 9- ytl如果两个矿工差不多时间解除难题，都暂时认为自己获得奖励，区块链产生自然分叉。通过竞争，几个区块后只有一条链最长，所有矿工都追随最长链。前面以为自己得到奖励的矿工并没有真正得到奖励。
作者回复: 嗯嗯，我们理解一致。“最长”其实是难度累计最大，而不是高度。
2018-04-03 6 
ync作者您好，阅读后我收获很多，但有个问题不太清楚：交易为什么不记用户余额？不记得话每次交易都要翻老帐，当用户量和交易量上去的话效率会不会很低？作者回复: 你好。
区块链有两种记账模式，第一种是我们正在举例讲解的utxo模型，另外一种是你说的记余额模式。交易效率不会低的，但是会影响同步效率。
utxo是无状态的，余额是有状态的。后面utxo一文我们会有详细讲解这两者。2018-03-29 6- Corey（1）矿工打包交易时，计算出目标哈希，是怎么实现易于验证的？
（2）全网有没有可能，同时超过2个矿工同时计算出目标哈希，如果出现这种情况，网络是怎么处理的？
（3）目前btc使用1M，bch使用8M，扩容可以提高交易量，带来的问题有 带宽、存储、计算，但是目前btc也基本都是专业人士在挖，扩容还带来了其他什么问题吗？
（4）目前为了提高交易速度，除了扩容，还有分片和侧链，我想问的是，扩容是必须的吗？作者回复: 1. 简单来说，就是所有人把这位矿工的计算原结果再计算一次。如果符合前n位是0就证明是有效的
2. 网络不存在绝对的同时。这种情况再观察下一个块的产生，如果其中某一条链“长度”大于另外一条，则废弃短链。这种情况的概率叫做孤块率，越低越好
3. 扩容之争有很多备选方案，比特币社区争论了很久，导致社区分歧才有了bch。专业矿机的产生不是扩容导致的，扩容后续我们也会讲。
4. 不是必须2018-03-29 1 4 
曼巴区块链的运行机制有下面几个步骤：公开记账，创建创世区块，交易，挖矿，交易广播。
这些运行步骤体现了区块链的特点，公开记账体现了区块链的公开透明，创世区块的创建初始化了整个区块链的起始状态，2018-10-06 2
万历十五年1.数字签名主要解决了“谁干了什么”的问题
2.打包主要解决了“篡改”问题，使篡改成本变高2018-05-27 2
羽惑飞50万被旷工挖完后谁来打包？2018-04-02 2
石标你好，请问挖矿的奖励谁来付？作者回复: 系统凭空产生的，所以叫挖矿。
2018-04-01 1 2
鸿飞老师费心了，这么复杂的知识放到一个故事里面了，赞2018-03-29 2- 小颜老师我问下，比如A给B转帐10块，交易方是A(A的代码替换)，收款方为B(B的代码)，那请问A是怎么知道B的代码的2018-03-29 2
feiandytan为什么一个交易记录有两个收款人？应该是一个收款人和一个付款人才对吧？2018-03-28 2
kabuka是不是每個節點都要同步所有的交易數據（礦工打包的）到本地，如果交易文件總量的大小超過1T（簡單的舉例），而每個節點的可用容量沒有1T，會怎麼樣？ 而且同步過大的數據也會有效率問題吧。。。 求老師解答下，謝謝~作者回复: 节点也分种类，常见的最安全最完整的节点就是必须同步所有交易数据。目前比特币和以太坊两个公链大概在500~800GB，随着时间增长的确会突破1T。
实际上已经同步到最新的节点，效率是不变的。
常见的方案有区块数据快照，这个在EOS公链经常使用，就是别人在全球各地放置快照镜像，大家可以通过加速下载的方式快速获得区块数据快照，而不必从0开始同步。
通常还有节点轻模式，这种模式只用同步区块头，而不必同步区块数据，延迟到用时取关联区块就行了。
节点存储的问题目前还不太严峻，实际上目前很多云厂商都可以支持超过2T以上的存储空间，撑十几年不成问题的。技术上的探索有简化验证，轻模式，压缩都是可以的。2019-08-08 1
纯洁的憎恶分布式存储，每一个节点可以通过接收广播，获取所有节点的交易信息并存储，但只能通过个人秘钥查询本节点为收款方的交易。写入一笔交易时，收款人要把自己的代号告诉付款人，有付款人写入交易信息，并签名（用于辨别真伪）。每一个节点都存有其他所有节点的签名，只是非自己的签名不可见，用于自动验证系统中发生的每一次交易的真实性。2018-08-16 1
泡泡“为什么要封装起来呢？是为了让打包交易的人能够在信封上署名，表示这次打包是由某某某打包的”这句话没有逻辑性吧。为什么要装起来，是因为要让装起来的人写是他装起来的，那他为什么要装起来，不装不就不用写了吗？作者回复: 为了获取奖励哦，不写就没法发奖励。coinbase
2018-06-08 1
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