單元 2 / 6 · 5 分鐘閱讀

區塊鏈如何運作

區塊鏈是一份共享的紀錄，由成千上萬台電腦各自複製並取得共識，其建構方式讓舊的條目無法被悄悄竄改。

雜湊串接的區塊鏈區塊鏈完整

每個雜湊都由該區塊的資料，加上前一個區塊的雜湊計算而成。更改任何區塊，或竄改區塊 2，其後的每個區塊都會不再吻合。

區塊 1有效

資料

前值000000

雜湊FNCGU5

區塊 2有效

資料

前值FNCGU5

雜湊NJS019

區塊 3有效

資料

前值NJS019

雜湊1GA7SV

區塊 4有效

資料

前值1GA7SV

雜湊49ZSVH

區塊鏈完整。每個區塊都指回正確的指紋，因此沒有任何區塊被標記。

每個區塊都攜帶前一個區塊的指紋，因此更改其中一個區塊會賦予它新的指紋，其後的每個區塊都不再吻合，區塊鏈正是以此讓竄改現形。

在繼續閱讀之前，先看看上方那條鏈。每一個區塊都儲存了一段關於它自身內容的簡短指紋（也就是它的雜湊），而且它還儲存了它前一個區塊的雜湊，這正是把各個區塊串連成一條鏈的關鍵。竄改區塊 2，它的指紋就會改變，於是區塊 3 和區塊 4 就不再與它們所承接的前一個區塊相符，並亮起顯示為損壞。現在，想像一本巨大的筆記本，記錄了有史以來的每一筆付款，再想像有成千上萬台電腦，各自保有一份完全相同的副本。沒有任何銀行擁有那份主檔，沒有任何一個人能伸手進去更改任何一行，而且每個人都能查核自己的副本是否與其他所有人的相符。這就是區塊鏈。這個名字是字面上的意思：它是一條由區塊組成的鏈，其中每個區塊是一批交易，而這些區塊按順序串連起來。你不需要任何程式設計知識就能理解它。你只需要對一本很難偽造的共享筆記本有清楚的圖像，而本單元接下來的內容，會一步一步把這幅圖像建立起來。

一份共享、僅可新增的紀錄

先從那本筆記本說起。它不是由一家銀行保管，而是由成千上萬台電腦（稱為節點）各自保有自己那份最新的副本。這就是「分散式」的意思，而它為你換來兩樣好處。

第一，沒有單一一份副本可供駭入、扣押或遺失。如果某個節點離線，這份紀錄仍然存活在其他每一台機器上，因此沒有一個中心點可供攻擊。

第二，這份紀錄是僅可追加的。你可以在末端新增條目，但你無法悄悄刪除或改寫舊的條目，因為其他每一份副本都會立刻與你意見相左。這就是為什麼人們稱區塊鏈為一份共享的真相來源：不是因為某個權威機構保證了它，而是因為成千上萬份獨立的副本必須取得一致。

區塊如何串連成一條鏈

新的交易會被收集起來，捆綁成一個區塊。在網路接受那個區塊之前，它會依據規則對區塊進行檢查：這些幣是真的嗎？發送方是否真的擁有它們？簽名是否有效？唯有通過這些檢查，區塊才會被加到鏈的末端。

巧妙之處在於一個區塊如何連上下一個。每一個區塊都會把它的內容送進一個雜湊，也就是一個把任何數據轉換成一段簡短、固定長度指紋的數學函式。接著，每一個新區塊都會儲存它緊鄰前一個區塊的指紋。因此，區塊 100 帶著區塊 99 的指紋，區塊 99 帶著區塊 98 的指紋，而這樣的引用一路回溯到最開頭的第一個區塊。這些區塊靠這些指紋彼此串連，而這樣的串連，正是讓整段歷史一經竄改即可察覺的關鍵（你稍後就會明白原因）。

由誰決定下一個區塊是哪一個

如果沒有人在主導，那成千上萬個節點要如何就下一個區塊取得一致？它們遵循一套共識機制，也就是一本用來決定由誰來添加下一個區塊的共享規則手冊。你最常聽到的兩種是工作量證明與權益證明。

在工作量證明（由比特幣採用）中，一種稱為礦工的特殊節點會競相解開一道困難的數學謎題。解開它需要真實的電力與運算能力，而第一個解開的礦工，便贏得添加下一個區塊並領取獎勵的權利。

在權益證明（由以太坊自 2022 年起採用）中，並沒有解謎的競賽。取而代之的是，驗證者鎖定自己的一部分資本作為押金，稱為質押，而系統挑選由誰來添加下一個區塊時，一部分靠隨機、一部分則看其質押的規模有多大。任何被抓到作弊的人，都可能被沒收那筆質押。

兩種做法都以同一個手法達成同一個目標，也就是在沒有中央老大的情況下取得誠實的共識：它們讓作弊變得昂貴。

為何這份紀錄如此難以偽造

有三樣東西層層疊加，使得區塊鏈非常難以造假。

雜湊串連。 哪怕只更改一筆舊交易，那個區塊的指紋就會改變，進而破壞它之後每一個區塊裡的引用。竄改藏不住，它會亮起來。
分散式副本。 你偽造的版本必須同時駁倒成千上萬份誠實的副本，而多數方獲勝。
攻擊的成本。 要真正改寫近期的歷史，攻擊者需要控制網路中一半以上的運算算力或質押，重做所有受影響的工作，並且跑贏其他所有人的總和。這就是著名的 51% 攻擊，而在一個大型網路上，它昂貴到通常不值得一試。

留意這裡真正起作用的是什麼。安全並非來自一名受信任的守衛盯著這本帳本。它來自讓不誠實所付出的代價，超過它所能賺到的任何好處。

逐步走一遍被竄改的區塊

想像一條由 5 個區塊組成的短鏈。區塊 2 記錄了一筆從 Alice 支付給 Bob 的 50 枚幣的付款。這些區塊彼此串連，使得區塊 3 儲存區塊 2 的指紋、區塊 4 儲存區塊 3 的指紋、區塊 5 儲存區塊 4 的指紋。

你試圖作弊，把區塊 2 改成 Alice 付給你 5,000 枚幣。
你一改變區塊 2 的內容，區塊 2 的指紋就立刻改變。
現在，區塊 3 所儲存的「前一個指紋」不再與真正的區塊 2 相符，於是區塊 3 損壞了，區塊 4 和區塊 5 也一樣。
要讓這場偽造站得住腳，你必須為區塊 2、3、4、5 重新計算出有效的工作量，並且做得比整個誠實網路延伸真正那條鏈的速度還快。在一個大型網路上，這需要一半以上的全部算力（也就是一場 51% 攻擊），其代價高到令人卻步。

這單獨一次的更改並沒有藏住。它連鎖擴散到之後的每一個區塊，把自己暴露出來。這種連鎖擴散，正是為何區塊鏈在實務上被稱為不可竄改的核心所在。

工作量證明對比權益證明，並排來看

兩種機制回答的是同一個問題（由誰來添加下一個區塊，以及我們為什麼該信任他們？），但它們為此付出不同的資源。

	工作量證明	權益證明
由誰添加區塊	競相解謎的礦工	一部分隨機、一部分依質押挑選出的驗證者
參與的成本	電力與運算能力	鎖定作為押金的資本
何者遏止作弊	你會浪費掉的能源與硬體	失去你所投入的質押
由誰採用	比特幣	以太坊（自 2022 年起）

以太坊在 2022 年 9 月 15 日一次名為 the Merge 的升級中，從工作量證明切換到權益證明。這項改變讓網路的能源使用量減少了約 99.95%，因為驗證者不再需要為了競相解謎而燃燒電力。兩種設計仍然達成同一個結果，也就是在沒有中央權威的情況下取得誠實的共識，因此在兩者之間的選擇，主要是能源成本與安全性由何種方式支撐之間的取捨。

雜湊究竟是什麼

雜湊不過是一個函式，它接收任何輸入（一個句子、一整個區塊、一整本書），並回傳一段簡短、固定長度的指紋。有兩個實用的特性，讓它非常適合用於區塊鏈。

相同的輸入永遠產生相同的指紋，因此任何人都能重新計算並加以查核。
哪怕只是稍微改變輸入，也會產生一段完全不同的指紋，與原本那段毫無相似之處。

第二個特性，正是竄改藏不住的原因。如果一個不誠實的行為者更改了某個舊區塊裡的一個字元，重新計算出的指紋，會與儲存在下一個區塊裡的那段毫無相似之處，而這種不相符，對每一份誠實的副本而言都一目了然。這段指紋不會告訴你區塊裡面裝了什麼，你也無法把它倒著跑來還原出原始數據。它只讓每個人得以確認：這些數據自從被記錄下來之後，並未發生改變。

快速知識檢核

對區塊鏈而言，「僅可追加」是什麼意思？ 你可以在紀錄的末端新增條目，但你無法悄悄刪除或改寫既有的條目，因為這本帳本的其他每一份副本，都會與你更改過的版本意見相左。

個別的區塊如何被串連成一條鏈？ 每一個區塊都儲存了它前一個區塊的雜湊（也就是指紋）。這樣的引用一路回溯到第一個區塊，因此更改任何一個舊區塊，都會破壞它之後每一個區塊裡的連結。

為何在一個大型網路上，51% 攻擊如此難以得手？ 要改寫近期的歷史，攻擊者需要控制網路中一半以上的算力或質押，重做所有受影響的工作，並且仍然跑贏整個誠實網路。在一條大型鏈上，這昂貴到鮮少值得一試。

資料來源

NIST, "IR 8202: Blockchain Technology Overview"，將區塊鏈定義為一份分散式、僅可追加的帳本，由跨越眾多節點複製的雜湊串連區塊所構成。
ISO, "ISO 22739: Blockchain and distributed ledger technologies - Vocabulary"，說明一個共享的資料庫如何在沒有中央管理員的情況下，跨越眾多節點進行複製與同步。
bitcoin.org, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System" (Satoshi Nakamoto)，說明礦工為何耗費運算能力與能源來添加區塊並賺取獎勵。
ethereum.org, "Proof-of-stake (PoS)"，說明驗證者如何按其質押資本的比例被選出，而該資本可能因作弊而被沒收。
ethereum.org, "The Merge"，關於以太坊在 2022 年 9 月 15 日切換到權益證明，以及約 99.95% 的能源使用量削減。
bitcoin.org, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System" (Satoshi Nakamoto)，關於 51% 攻擊，以及為何在一個大型網路上改寫歷史的代價高到令人卻步。