如何理解区块链的运行原理？

上文，我们介绍了区块链的概念，今天就稍微深入一下，尽可能通俗地介绍一下：区块链的运行原理？

通过上文的小故事，我们知道了区块链的概念，它的本质就是解决信任问题，降低信任成本的技术方案，目的就是为了去中心化，去信用中介。

区块链是比特币的底层技术。比特币的概念最初由中本聪在2009年提出，它就是数字货币，海外也被称为法币。

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。

假设武当派是一个由百户徒弟的门派，其中张三丰是武当派的掌门，掌门的大徒弟是宋远桥。徒弟们都把钱存到武当派哪里，张三丰负责记账。比如，张翠山用1000买了殷梨亭家的牛，张三丰就把张翠山名下的存款减去1000，殷梨亭加上1000。听起来是不是很想银行的操作呢？

就是要从中心化的银行记账开始聊起。徒弟们都相信张三丰，才愿意把钱存到张三丰的门派，它们相信张三丰不会做恶。

可惜好景不长，张三丰年纪太大了，卸任了掌门人位置。新上任的掌门宋远桥也是很正直和聪明的人，但也有个毛病，就是粗心大意。他不但经常算错帐，一次还被偷改了账单。

不过，幸好徒弟们自己都有记账，但是由于宋远桥每次错帐后都要和别人合队半天，导致村民对新掌门的记账能力十分不满。

时间就这么过去，然而最可怕的事情还是发生了，宋远桥的儿子宋青书竟然私下篡改账本，给宋远桥的亲人的余额全部偷偷加了好多，终于有一天事情暴露，徒弟们气冲冲地跑到宋远桥哪里逃说法，于是武当乱成一团，被赵敏偷袭了。

如果这个时候使用比特币的思路来解决这个问题，应该如何解决呢？

公开记账

1. 每个徒弟都派发一只信鸽。这就是 P2P 网络，是一个点对点的分布式网络。
2. 每个徒弟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。
3. 每个徒弟都可以参与记账，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：如果每个徒弟都记账，肯定徒弟们的账都不统一啊，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。因为记录的交易是门派所有人有序产生的，所以这就需要有一个广播机制。

其实很简单，我们现在先把门派所有人的资产都加起来。还真巧了，刚好 100 万。

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。

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。

创建创世区块

创世区块是我们生成门派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，某个徒弟先生成第一个 Transaction，这个交易单的付款人为空，收款人是宋远桥，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门派的账目情况，所以就写了 100 万，待会儿付款给掌门以后，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。现在让掌门把信封传给张翠山，张翠山复印一份，然后传给殷梨亭，殷梨亭继续传下去，一传十，十传百，直到传给整个门派，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。

交易

由于我们的创世区块把 100 万交给了掌门，那么我们假设张翠山在掌门那里的存款余额是 10 万，这时候掌门要根据原来的旧账本，把这 10 万发送给张翠山，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。 把 100 万分成两部分，第一部分 10 万，收款人是张翠上；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，然后告诉掌门即可。 

掌门写好 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，门派的所有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。 

就这样，掌门一共写了 10 份 Transaction，分别代表了发送给不同人的交易，张翠山一笔 10 万，殷梨亭一笔 1 万，等等。

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。

由于我们门派的人口增长，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”。

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。

好了，这时候大家开始计算给出的难题，刚好张翠山第一个计算出来，那么这次装信封的操作就由张翠山完成，张翠山把 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”。

广播交易

来说说上文提到的广播交易，广播是为了让所有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。

双花问题

如果两个弟子同时上传，虽然这个概率很小，但是若发生，我们就看最后的区块链哪条更长，短的那条就失效。这就是区块链中的**“双花问题”**（同一笔钱花两次）。

对于要制作虚假交易，除非你说服了全网里超过51%的矿工都更改某一笔账目，否则你的篡改都是无效的。 网络中参与人数越多，实现造假可能性越低。这也是集体维护和监督的优越性，伪造成本最大化。说服51%的人造假还是灰常灰常难的。

总结

通过今天的武侠故事聊了比特币区块链，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。