第一篇：區(qū)塊鏈100問-第3集丨比特幣白皮書的誕生-火幣資訊

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區(qū)塊鏈100問第3集丨比特幣白皮書的誕生-火幣資

訊

第3集：比特幣白皮書的誕生

2008年的美國發(fā)生金融危機(jī)，波及到世界各地，各國法定貨幣大幅貶值，人們手里的錢變得不值錢了。

2008年11月1日，這個(gè)歷史性的時(shí)刻，一位自稱中本聰?shù)娜嗽诰W(wǎng)絡(luò)上發(fā)表了一篇《比特幣：一種點(diǎn)對點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》的論文，文中描述了一個(gè)全新的貨幣系統(tǒng)：比特幣。

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比特幣系統(tǒng)是一種去中心化的數(shù)字貨幣系統(tǒng)，它解決了在沒有中心機(jī)構(gòu)的情況下，總量恒定的貨幣的發(fā)行和流通問題。通過比特幣系統(tǒng)轉(zhuǎn)賬，信息公開透明，可以放心地將比特幣轉(zhuǎn)給地球另一端的人，每一筆轉(zhuǎn)賬信息都會(huì)被全網(wǎng)記錄。白皮書的問世，也標(biāo)志著比特幣的底層技術(shù)區(qū)塊鏈的誕生。

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第二篇：揭秘比特幣和區(qū)塊鏈(二)：什么是工作量證明

揭秘比特幣和區(qū)塊鏈

（二）：什么是工作量證明？

1.起源工作量證明(Proof Of Work，簡稱POW)，簡單理解就是一份證明，用來確認(rèn)你做過一定量的工作。監(jiān)測工作的整個(gè)過程通常是極為低效的，而通過對工作的結(jié)果進(jìn)行認(rèn)證來證明完成了相應(yīng)的工作量，則是一種非常高效的方式。比如現(xiàn)實(shí)生活中的畢業(yè)證、駕駛證等等，也是通過檢驗(yàn)結(jié)果的方式（通過相關(guān)的考試）所取得的證明。工作量證明系統(tǒng)（或者說協(xié)議、函數(shù)），是一種應(yīng)對拒絕服務(wù)攻擊和其他服務(wù)濫用的經(jīng)濟(jì)對策。它要求發(fā)起者進(jìn)行一定量的運(yùn)算，也就意味著需要消耗計(jì)算機(jī)一定的時(shí)間。這個(gè)概念由Cynthia Dwork 和Moni Naor 1993年在學(xué)術(shù)論文中首次提出。而工作量證明（POW）這個(gè)名詞，則是在1999年 Markus Jakobsson 和Ari Juels的文章中才被真正提出。哈?，F(xiàn)金是一種工作量證明機(jī)制，它是亞當(dāng)·貝克（Adam Back）在1997年發(fā)明的，用于抵抗郵件的拒絕服務(wù)攻擊及垃圾郵件網(wǎng)關(guān)濫用。在比特幣之前，哈?，F(xiàn)金被用于垃圾郵件的過濾，也被微軟用于hotmail/exchange/outlook等產(chǎn)品中（微軟使用一種與哈?，F(xiàn)金不兼容的格式并將之命名為電子郵戳）。哈希現(xiàn)金也被哈爾·芬尼以可重復(fù)使用的工作量證明（RPOW）的形式用于一種比特幣之前的加密貨幣實(shí)驗(yàn)中。另外，戴偉的B-money、尼克·薩博的比特金（Bit-Gold）這些比特幣的先行者，都是在哈?，F(xiàn)金的框架下進(jìn)行挖礦的。2.哈希函數(shù)哈希函數(shù)（Hash Function），也稱為散列函數(shù)，給定一個(gè)輸入x，它會(huì)算出相應(yīng)的輸出H(x)。哈希函數(shù)的主要特征是： 輸入x可以是任意長度的字符串 輸出結(jié)果即H(x)的長度是固定的 計(jì)算H(x)的過程是高效的（對于長度為n的字符串x，計(jì)算出H(x)的時(shí)間復(fù)雜度應(yīng)為O(n)）而對于比特幣這種加密系統(tǒng)所使用的哈希函數(shù)，它需要另外具備以下的性質(zhì)： 免碰撞，即不會(huì)出現(xiàn)輸入x≠y，但是H(x)=H(y)其實(shí)這個(gè)特點(diǎn)在理論上并不成立，比如，比特幣使用的SHA256算法，會(huì)有2^256種輸出，如果我們進(jìn)行2^256+1次輸入，那么必然會(huì)產(chǎn)生一次碰撞；甚至從概率的角度看，進(jìn)行2^130次輸入就會(huì)有99%的可能發(fā)生一次碰撞。不過我們可以計(jì)算一下，假設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)以每秒10000次的速度進(jìn)行哈希運(yùn)算，要經(jīng)過10^27年才能完成2^128次哈希！甚至可以這么說，即便是人類制造的所有計(jì)算機(jī)自宇宙誕生開始一直運(yùn)算到今天，發(fā)現(xiàn)碰撞的幾率也是極其小的。

隱匿性，也就是說，對于一個(gè)給定的輸出結(jié)果H(x)，想要逆推出輸入x，在計(jì)算上是不可能的。不存在比窮舉更好的方法，可以使哈希結(jié)果H(x)落在特定的范圍。以上特點(diǎn)是比特幣的工作量證明系統(tǒng)可以正常運(yùn)行的基石。3.工作量證明的基本原理工作量證明系統(tǒng)主要特征是客戶端需要做一定難度的工作得出一個(gè)結(jié)果，驗(yàn)證方卻很容易通過結(jié)果來檢查出客戶端是不是做了相應(yīng)的工作。這種方案的一個(gè)核心特征是不對稱性：工作對于請求方是適中的，對于驗(yàn)證方則是易于驗(yàn)證的。它與驗(yàn)證碼不同，驗(yàn)證碼的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是易于被人類解決而不易被計(jì)算機(jī)解決。下圖表示的是工作量證明的流程：舉個(gè)例子，給定的一個(gè)基本的字符串'Hello, world!'，我們給出的工作量要求是，可以在這個(gè)字符串后面添加一個(gè)叫做nonce的整數(shù)值，對變更后（添加nonce)的字符串進(jìn)行SHA256哈希運(yùn)算，如果得到的哈希結(jié)果（以16進(jìn)制的形式表示）是以'0000'開頭的，則驗(yàn)證通過。為了達(dá)到這個(gè)工作量證明的目標(biāo)。我們需要不停的遞增nonce值，對得到的新字符串進(jìn)行SHA256哈希運(yùn)算。按照這個(gè)規(guī)則，我們需要經(jīng)過4251次計(jì)算才能找到恰好前4位為0的哈希散列。'Hello, world!0' => 1312af178c253f84028d480a6adc1e25e81caa44c749ec81976192e2ec934c64'Hello, world!1' => e9afc424b79e4f6ab42d99c81156d3a17228d6e1eef4139be78e948a9332a7d8'Hello, world!2' => ae37343a357a8297591625e7134cbea22f5928be8ca2a32aa475cf05fd4266b7...'Hello, world!4248' => 6e110d98b388e77e9c6f042ac6b497cec46660deef75a55ebc7cfdf65cc0b965'Hello, world!4249' => c004190b822f1669cac8dc37e761cb73652e7832fb8***cf26ebb9e6'Hello, world!4250' => 0000c3af42fc31103f1fdc0151fa747ff87349a4714df7cc52ea464e12dcd4e9通過這個(gè)示例我們對工作量證明機(jī)制有了一個(gè)初步的理解。有的人會(huì)認(rèn)為如果工作量證明只是這樣的一個(gè)過程，那是不是只需要記住nonce為4521計(jì)算能通過驗(yàn)證就行了？當(dāng)然不是的，這只是一個(gè)個(gè)例。下面，我們將輸入簡單的變更為'Hello, world+整數(shù)值'，整數(shù)值取1到1000，也就是說，將輸入變成一個(gè)由1000個(gè)值組成的數(shù)組：'Hello, world!

1、Hello, world!2……Hello, world!1000'。然后對數(shù)組中的每一個(gè)輸入依次進(jìn)行上面例子中要求的工作量證明——找到前導(dǎo)為4個(gè)0的哈希散列。容易算出，預(yù)期大概要進(jìn)行2^16次嘗試（哈希值的偽隨機(jī)特性使得我們可以做概率估算），才能得到4個(gè)前導(dǎo)0的哈希散列。而統(tǒng)計(jì)一下剛才進(jìn)行的1000次計(jì)算的實(shí)際計(jì)算結(jié)果，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行計(jì)算的平均次數(shù)為66958次，十分接近2^16（65536）。在這個(gè)例子中，數(shù)學(xué)期望的計(jì)算次數(shù)，就是我們要求的“工作量”，重復(fù)多次進(jìn)行的工作量證明會(huì)是一個(gè)符合統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律的概率事件。統(tǒng)計(jì)輸入的字符串與對應(yīng)得到目標(biāo)結(jié)果實(shí)際使用的計(jì)算次數(shù)列表如下：Hello, world!1 => 42153Hello, world!2 => 2643Hello, world!3 => 32825Hello, world!4 => 250Hello, world!5 => 7300...Hello, world!995 => 164819Hello, world!996 => 178486Hello, world!997 => 22798Hello, world!998 => 68868Hello, world!999 => 46821比特幣體系里的工作量證明機(jī)制與上述示例類似，但要比它更復(fù)雜一些。4.比特幣中的工作量證明比特幣網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果想生成一個(gè)新的區(qū)塊并寫入?yún)^(qū)塊鏈，必須解出比特幣網(wǎng)絡(luò)出的工作量證明的迷題。這道題關(guān)鍵的三個(gè)要素是工作量證明函數(shù)、區(qū)塊及難度值。工作量證明函數(shù)是這道題的計(jì)算方法，區(qū)塊決定了這道題的輸入數(shù)據(jù)，難度值決定了這道題的所需要的計(jì)算量。4.1工作量證明函數(shù)和我們上節(jié)例子中用到的哈希函數(shù)一樣，比特幣系統(tǒng)中使用的工作量證明函正是SHA256。SHA是安全散列算法（Secure Hash Algorithm）的縮寫，是一個(gè)密碼散列函數(shù)家族。這一組函數(shù)是由美國國家安全局（NSA）設(shè)計(jì)，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）發(fā)布的，主要適用于數(shù)字簽名標(biāo)準(zhǔn)。SHA256就是這個(gè)函數(shù)家族中的一個(gè)，是輸出值為256位的哈希算法。到目前為止，還沒有出現(xiàn)對SHA256算法的有效攻擊。4.2 區(qū)塊比特幣的區(qū)塊由區(qū)塊頭及該區(qū)塊所包含的交易列表組成。區(qū)塊頭的大小為80字節(jié)，由4字節(jié)的版本號(hào)、32字節(jié)的上一個(gè)區(qū)塊的散列值、32字節(jié)的Merkle Root Hash、4字節(jié)的時(shí)間綴（當(dāng)前時(shí)間）、4字節(jié)的當(dāng)前難度值、4字節(jié)的隨機(jī)數(shù)組成。區(qū)塊包含的交易列表則附加在區(qū)塊頭后面，其中的第一筆交易是coinbase交易，這是一筆為了讓礦工獲得獎(jiǎng)勵(lì)及手續(xù)費(fèi)的特殊交易。區(qū)塊的大致結(jié)構(gòu)如圖所示：擁有80字節(jié)固定長度的區(qū)塊頭，就是用于比特幣工作量證明的輸入字符串。因此，為了使區(qū)塊頭能體現(xiàn)區(qū)塊所包含的所有交易，在區(qū)塊的構(gòu)造過程中，需要將該區(qū)塊要包含的交易列表，通過Merkle Tree算法生成Merkle Root Hash，并以此作為交易列表的摘要存到區(qū)塊頭中。其中Merkle Tree的算法圖解如下：4.3難度值難度值（difficulty）是礦工們在挖礦時(shí)候的重要參考指標(biāo)，它決定了礦工大約需要經(jīng)過多少次哈希運(yùn)算才能產(chǎn)生一個(gè)合法的區(qū)塊。比特幣的區(qū)塊大約每10分鐘生成一個(gè)，如果要在不同的全網(wǎng)算力條件下，新區(qū)塊的產(chǎn)生保持都基本這個(gè)速率，難度值必須根據(jù)全網(wǎng)算力的變化進(jìn)行調(diào)整。簡單地說，難度值被設(shè)定在無論挖礦能力如何，新區(qū)塊產(chǎn)生速率都保持在10分鐘一個(gè)。難度的調(diào)整是在每個(gè)完整節(jié)點(diǎn)中獨(dú)立自動(dòng)發(fā)生的。每2016個(gè)區(qū)塊，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)按統(tǒng)一的公式自動(dòng)調(diào)整難度，這個(gè)公式是由最新2016個(gè)區(qū)塊的花費(fèi)時(shí)長與期望時(shí)長（期望時(shí)長為20160分鐘即兩周，是按每10分鐘一個(gè)區(qū)塊的產(chǎn)生速率計(jì)算出的總時(shí)長）比較得出的，根據(jù)實(shí)際時(shí)長與期望時(shí)長的比值，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整（或變難或變易）。也就是說，如果區(qū)塊產(chǎn)生的速率比10分鐘快則增加難度，比10分鐘慢則降低難度。這個(gè)公式可以總結(jié)為如下形式：新難度值 = 舊難度值 *(過去2016個(gè)區(qū)塊花費(fèi)時(shí)長 / 20160 分鐘)工作量證明需要有一個(gè)目標(biāo)值。比特幣工作量證明的目標(biāo)值（Target）的計(jì)算公式如下：目標(biāo)值 = 最大目標(biāo)值 / 難度值其中最大目標(biāo)值為一個(gè)恒定值：0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF目標(biāo)值的大小與難度值成反比。比特幣工作量證明的達(dá)成就是礦工計(jì)算出來的區(qū)塊哈希值必須小于目標(biāo)值。與第3節(jié)所舉的例子相類比，我們也可以簡單理解成，比特幣工作量證明的過程，就是通過不停的變換區(qū)塊頭（即嘗試不同的nouce值）作為輸入進(jìn)行SHA256哈希運(yùn)算，找出一個(gè)特定格式哈希值的過程（即要求有一定數(shù)量的前導(dǎo)0）。而要求的前導(dǎo)0的個(gè)數(shù)越多，代表難度越大。4.4 工作量證明的過程我們可以把比特幣礦工解這道工作量證明迷題的步驟大致歸納如下： 生成Coinbase交易，并與其他所有準(zhǔn)備打包進(jìn)區(qū)塊的交易組成交易列表，通過Merkle Tree算法生成Merkle Root Hash 把Merkle Root Hash及其他相關(guān)字段組裝成區(qū)塊頭，將區(qū)塊頭的80字節(jié)數(shù)據(jù)（Block Header）作為工作量證明的輸入 不停的變更區(qū)塊頭中的隨機(jī)數(shù)即nonce的數(shù)值，并對每次變更后的的區(qū)塊頭做雙重SHA256運(yùn)算（即SHA256(SHA256(Block_Header))），將結(jié)果值與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)值做對比，如果小于目標(biāo)值，則解題成功，工作量證明完成。該過程可以用下圖表示：5.結(jié)語比特幣的工作量證明，就是我們俗稱“挖礦”所做的主要工作。理解工作量證明機(jī)制，將為我們進(jìn)一步理解比特幣區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制奠定基礎(chǔ)。在之后的文章中，我們將會(huì)詳細(xì)介紹比特幣交易和區(qū)塊的結(jié)構(gòu)及同步過程、最長鏈機(jī)制以及達(dá)成共識(shí)的原理。感謝郭蕾對本文的策劃和審校。給InfoQ中文站投稿或者參與內(nèi)容翻譯工作，請郵件至editors@cn.infoq.com。也歡迎大家通過新浪微博（@InfoQ，@丁曉昀），微信（微信號(hào)：InfoQChina）關(guān)注我們。