单元 2 / 6 · 5 分钟阅读

区块链如何运作

区块链是一份共享的记录，由成千上万台电脑各自复制并取得共识，其建构方式让旧的条目无法被悄悄篡改。

哈希串接的区块链区块链完整

每个哈希都由该区块的数据，加上前一个区块的哈希计算而成。更改任何区块，或篡改区块 2，其后的每个区块都会不再吻合。

区块 1有效

数据

前值000000

哈希W8D4AB

区块 2有效

数据

前值W8D4AB

哈希654839

区块 3有效

数据

前值654839

哈希VNQL7V

区块 4有效

数据

前值VNQL7V

哈希0S6KOK

区块链完整。每个区块都指回正确的指纹，因此没有任何区块被标记。

每个区块都携带前一个区块的指纹，因此更改其中一个区块会赋予它新的指纹，其后的每个区块都不再吻合，区块链正是以此让篡改现形。

在继续阅读之前，先看看上方那条链。每一个区块都储存了一段关于它自身内容的简短指纹（也就是它的哈希），而且它还储存了它前一个区块的哈希，这正是把各个区块串连成一条链的关键。篡改区块 2，它的指纹就会改变，于是区块 3 和区块 4 就不再与它们所承接的前一个区块相符，并亮起显示为损坏。现在，想象一本巨大的笔记本，记录了有史以来的每一笔付款，再想象有成千上万台电脑，各自保有一份完全相同的副本。没有任何银行拥有那份主文件，没有任何一个人能伸手进去更改任何一行，而且每个人都能核对自己的副本是否与其他所有人的相符。这就是区块链。这个名字是字面上的意思：它是一条由区块组成的链，其中每个区块是一批交易，而这些区块按顺序串连起来。你不需要任何编程知识就能理解它。你只需要对一本很难伪造的共享笔记本有清楚的图像，而本单元接下来的内容，会一步一步把这幅图像建立起来。

一份共享、仅可新增的记录

先从那本笔记本说起。它不是由一家银行保管，而是由成千上万台电脑（称为节点）各自保有自己那份最新的副本。这就是“分布式”的意思，而它为你换来两样好处。

第一，没有单独一份副本可供入侵、扣押或遗失。如果某个节点离线，这份记录仍然存活在其他每一台机器上，因此没有一个中心点可供攻击。

第二，这份记录是仅可追加的。你可以在末端新增条目，但你无法悄悄删除或改写旧的条目，因为其他每一份副本都会立刻与你意见相左。这就是为什么人们称区块链为一份共享的真相来源：不是因为某个权威机构保证了它，而是因为成千上万份独立的副本必须取得一致。

区块如何串连成一条链

新的交易会被收集起来，捆绑成一个区块。在网络接受那个区块之前，它会依据规则对区块进行检查：这些币是真的吗？发送方是否真的拥有它们？签名是否有效？唯有通过这些检查，区块才会被加到链的末端。

巧妙之处在于一个区块如何连上下一个。每一个区块都会把它的内容送进一个哈希，也就是一个把任何数据转换成一段简短、固定长度指纹的数学函数。接着，每一个新区块都会储存它紧邻前一个区块的指纹。因此，区块 100 带着区块 99 的指纹，区块 99 带着区块 98 的指纹，而这样的引用一路回溯到最开头的第一个区块。这些区块靠这些指纹彼此串连，而这样的串连，正是让整段历史一经篡改即可察觉的关键（你稍后就会明白原因）。

由谁决定下一个区块是哪一个

如果没有人在主导，那成千上万个节点要如何就下一个区块取得一致？它们遵循一套共识机制，也就是一本用来决定由谁来添加下一个区块的共享规则手册。你最常听到的两种是工作量证明与权益证明。

在工作量证明（由比特币采用）中，一种称为矿工的特殊节点会竞相解开一道困难的数学谜题。解开它需要真实的电力与运算能力，而第一个解开的矿工，便赢得添加下一个区块并领取奖励的权利。

在权益证明（由以太坊自 2022 年起采用）中，并没有解谜的竞赛。取而代之的是，验证者锁定自己的一部分资本作为押金，称为质押，而系统挑选由谁来添加下一个区块时，一部分靠随机，一部分则看其质押的规模有多大。任何被抓到作弊的人，都可能被没收那笔质押。

两种做法都以同一个手法达成同一个目标，也就是在没有中央老大的情况下取得诚实的共识：它们让作弊变得昂贵。

为何这份记录如此难以伪造

有三样东西层层叠加，使得区块链非常难以造假。

哈希串连。 哪怕只更改一笔旧交易，那个区块的指纹就会改变，进而破坏它之后每一个区块里的引用。篡改藏不住，它会亮起来。
分布式副本。 你伪造的版本必须同时驳倒成千上万份诚实的副本，而多数方获胜。
攻击的成本。 要真正改写近期的历史，攻击者需要控制网络中一半以上的运算算力或质押，重做所有受影响的工作，并且跑赢其他所有人的总和。这就是著名的 51% 攻击，而在一个大型网络上，它昂贵到通常不值得一试。

留意这里真正起作用的是什么。安全并非来自一名受信任的守卫盯着这本账本。它来自让不诚实所付出的代价，超过它所能赚到的任何好处。

逐步走一遍被篡改的区块

想象一条由 5 个区块组成的短链。区块 2 记录了一笔从 Alice 支付给 Bob 的 50 枚币的付款。这些区块彼此串连，使得区块 3 储存区块 2 的指纹、区块 4 储存区块 3 的指纹、区块 5 储存区块 4 的指纹。

你试图作弊，把区块 2 改成 Alice 付给你 5,000 枚币。
你一改变区块 2 的内容，区块 2 的指纹就立刻改变。
现在，区块 3 所储存的“前一个指纹”不再与真正的区块 2 相符，于是区块 3 损坏了，区块 4 和区块 5 也一样。
要让这场伪造站得住脚，你必须为区块 2、3、4、5 重新计算出有效的工作量，并且做得比整个诚实网络延伸真正那条链的速度还快。在一个大型网络上，这需要一半以上的全部算力（也就是一场 51% 攻击），其代价高到令人却步。

这单独一次的更改并没有藏住。它连锁扩散到之后的每一个区块，把自己暴露出来。这种连锁扩散，正是为何区块链在实践中被称为不可篡改的核心所在。

工作量证明对比权益证明，并排来看

两种机制回答的是同一个问题（由谁来添加下一个区块，以及我们为什么该信任他们？），但它们为此付出不同的资源。

	工作量证明	权益证明
由谁添加区块	竞相解谜的矿工	一部分随机、一部分依质押挑选出的验证者
参与的成本	电力与运算能力	锁定作为押金的资本
何者遏止作弊	你会浪费掉的能源与硬件	失去你所投入的质押
由谁采用	比特币	以太坊（自 2022 年起）

以太坊在 2022 年 9 月 15 日一次名为 the Merge 的升级中，从工作量证明切换到权益证明。这项改变让网络的能源使用量减少了约 99.95%，因为验证者不再需要为了竞相解谜而燃烧电力。两种设计仍然达成同一个结果，也就是在没有中央权威的情况下取得诚实的共识，因此在两者之间的选择，主要是能源成本与安全性由何种方式支撑之间的取舍。

哈希究竟是什么

哈希不过是一个函数，它接收任何输入（一个句子、一整个区块、一整本书），并返回一段简短、固定长度的指纹。有两个实用的特性，让它非常适合用于区块链。

相同的输入永远产生相同的指纹，因此任何人都能重新计算并加以核验。
哪怕只是稍微改变输入，也会产生一段完全不同的指纹，与原本那段毫无相似之处。

第二个特性，正是篡改藏不住的原因。如果一个不诚实的行为者更改了某个旧区块里的一个字符，重新计算出的指纹，会与储存在下一个区块里的那段毫无相似之处，而这种不相符，对每一份诚实的副本而言都一目了然。这段指纹不会告诉你区块里面装了什么，你也无法把它倒着跑来还原出原始数据。它只让每个人得以确认：这些数据自从被记录下来之后，并未发生改变。

快速知识检核

对区块链而言，“仅可追加”是什么意思？ 你可以在记录的末端新增条目，但你无法悄悄删除或改写既有的条目，因为这本账本的其他每一份副本，都会与你更改过的版本意见相左。

个别的区块如何被串连成一条链？ 每一个区块都储存了它前一个区块的哈希（也就是指纹）。这样的引用一路回溯到第一个区块，因此更改任何一个旧区块，都会破坏它之后每一个区块里的链接。

为何在一个大型网络上，51% 攻击如此难以得手？ 要改写近期的历史，攻击者需要控制网络中一半以上的算力或质押，重做所有受影响的工作，并且仍然跑赢整个诚实网络。在一条大型链上，这昂贵到鲜少值得一试。

资料来源

NIST, "IR 8202: Blockchain Technology Overview"，将区块链定义为一份分布式、仅可追加的账本，由跨越众多节点复制的哈希串连区块所构成。
ISO, "ISO 22739: Blockchain and distributed ledger technologies - Vocabulary"，说明一个共享的数据库如何在没有中央管理员的情况下，跨越众多节点进行复制与同步。
bitcoin.org, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System" (Satoshi Nakamoto)，说明矿工为何耗费运算能力与能源来添加区块并赚取奖励。
ethereum.org, "Proof-of-stake (PoS)"，说明验证者如何按其质押资本的比例被选出，而该资本可能因作弊而被没收。
ethereum.org, "The Merge"，关于以太坊在 2022 年 9 月 15 日切换到权益证明，以及约 99.95% 的能源使用量削减。
bitcoin.org, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System" (Satoshi Nakamoto)，关于 51% 攻击，以及为何在一个大型网络上改写历史的代价高到令人却步。