??上文步驟三中我們說(shuō)過(guò)，比特幣的使用授權(quán)不用經(jīng)過(guò)像銀行這樣的中心系統(tǒng)，它是用戶自己通過(guò)密碼算法來(lái)授權(quán)的。那為什么兩個(gè)用戶不直接交易，像金條一樣從自己荷包里掏出來(lái)給對(duì)方就行了？為什么每次交易要像通知銀行一樣通知區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)？盡管比特幣在很多方面和天然貨幣黃金很相似，但卻有一個(gè)很大的不同：黃金沒(méi)法復(fù)制；而比特幣只是存在于優(yōu)盤(pán)或電腦手機(jī)的數(shù)據(jù)，可以無(wú)限復(fù)制。這意味著張三把一份金條給李四后，他無(wú)法再把同樣的金條給別人；而張三把一份比特幣給李四后，他還可以再?gòu)?fù)制一份給其他人。怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？這就要用到區(qū)塊鏈了。
??簡(jiǎn)單的說(shuō)區(qū)塊鏈就是一個(gè)很多人或團(tuán)體共同維護(hù)，所有人都可以訪問(wèn)的賬本，賬本用來(lái)記錄每一次的比特幣轉(zhuǎn)賬，所有的用戶可以通過(guò)查詢賬本來(lái)了解自己錢包里的余額以及比特幣交易是否成功完成。

??如上圖所示，區(qū)塊鏈賬本分為一個(gè)個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊存儲(chǔ)了很多交易記錄，這些區(qū)塊按生成時(shí)間先后通過(guò)一定的方式連接起來(lái)，形成了一個(gè)鏈結(jié)構(gòu)，這就是區(qū)塊鏈名字的來(lái)歷。圖中黃色部分是上文例子在區(qū)塊鏈中形成的記錄。
??再來(lái)看區(qū)塊鏈怎么解決上面的多重支付問(wèn)題。收款方通過(guò)查詢區(qū)塊鏈?zhǔn)欠裼袑?duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)賬記錄來(lái)檢查轉(zhuǎn)款是否到賬（對(duì)李四而言就是檢查是否有b到c的轉(zhuǎn)賬記錄）；區(qū)塊鏈在記錄一筆轉(zhuǎn)賬交易前會(huì)先查詢同樣的一筆錢是否已經(jīng)在區(qū)塊鏈記錄中轉(zhuǎn)給其它賬戶（張三的b賬戶是否已經(jīng)轉(zhuǎn)出過(guò)錢），如果已經(jīng)轉(zhuǎn)過(guò)，則認(rèn)定當(dāng)前轉(zhuǎn)賬非法而拒絕記錄該轉(zhuǎn)賬，這樣收款方就不能在區(qū)塊鏈賬本中找到對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)賬。
??在傳統(tǒng)的銀行交易系統(tǒng)中同樣存在類似賬本的設(shè)施，區(qū)塊鏈有什么特別之處呢？在于我們上文所說(shuō)的多人或團(tuán)體共同維護(hù)，即去中心化。共同維護(hù)，意味著都可以往區(qū)塊鏈賬本中記賬，這帶來(lái)新的問(wèn)題：怎么保證每個(gè)記賬人都會(huì)誠(chéng)實(shí)的記賬？比如怎么防止張三給李四轉(zhuǎn)賬后，自己作為記賬人，修改賬本把同樣的錢轉(zhuǎn)給自己？這要提到比特幣的另一個(gè)機(jī)制，就是通常所說(shuō)的挖礦。
??假設(shè)每一個(gè)參與記賬（挖礦）的人都是唯利是圖,怎么賺錢怎么做（不考慮任何道德的約束），區(qū)塊鏈營(yíng)造出了一個(gè)算法系統(tǒng)，讓每一個(gè)參與記賬的人都寧愿通過(guò)誠(chéng)實(shí)的記賬來(lái)獲取報(bào)酬。舉個(gè)栗子，有兩份工作：一份是搶銀行要花兩天時(shí)間，一份是挖金礦只花一天時(shí)間，挖金礦能獲得的報(bào)酬等于或大于搶銀行，理智的人都會(huì)選擇后者。區(qū)塊鏈的算法讓每個(gè)記賬的人都要花費(fèi)一定的代價(jià)才能記賬，同時(shí)給記賬人獎(jiǎng)勵(lì)。這里的代價(jià)是計(jì)算時(shí)間，獎(jiǎng)勵(lì)包括兩部分：一是從每筆交易抽取的傭金，二是由系統(tǒng)新產(chǎn)生的比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。第二項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)就是比特幣把記賬稱為挖礦的原因了。
??區(qū)塊鏈記賬以區(qū)塊為單位，把最新的交易記錄寫(xiě)入一個(gè)區(qū)塊。記賬人擁有的計(jì)算設(shè)備，如礦機(jī)（專門(mén)用于挖礦的計(jì)算機(jī)）每次創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊記賬前都要先完成一道很難的迷題，誰(shuí)先完成謎題誰(shuí)就獲得記賬的權(quán)利和獲得報(bào)酬，大家也就以他生成的區(qū)塊，作為最新的交易記錄追加到之前的賬本，當(dāng)然新區(qū)塊要滿足一些基本規(guī)則，比如不和之前的賬本沖突，沒(méi)有記錄授權(quán)不正確的交易（這是靠前文說(shuō)所的用戶地址和私鑰授來(lái)保證的）。
??這是什么樣的一道謎題呢？有個(gè)很形象的比喻：擲骰子，誰(shuí)先擲出滿足條件的骰子組合誰(shuí)就獲勝。以兩顆骰子為例，要扔出兩顆骰子之和不大于6的概率是41.6%，很容易，平均擲二到三次就有一次滿足。增加點(diǎn)難度，要求三顆骰子之和不大于4，那么概率就只有1.8%，就是說(shuō)平均擲50次以上骰子才能有一次機(jī)會(huì)滿足條件,要花點(diǎn)時(shí)間來(lái)擲骰子了。但考慮到是很多計(jì)算機(jī)在擲骰子，速度很快，一般的礦機(jī)能輕易的一秒鐘擲上百億次，我們繼續(xù)通過(guò)增加骰子數(shù)和降低骰子數(shù)之和來(lái)增加難度，一直增加到全世界所有參加擲骰子的計(jì)算機(jī)一起玩，也才平均每十分鐘擲出一個(gè)滿足要求的組合。這大約會(huì)是怎樣的一種組合呢：一億個(gè)骰子擲出的總和不超過(guò)一億零幾十，想想擲一億顆骰子，幾乎每一顆都是1的概率。
??每個(gè)礦機(jī)都爭(zhēng)先記賬，誰(shuí)先算出來(lái)謎題，誰(shuí)就獲得記賬權(quán)和獲得報(bào)酬，即使某個(gè)礦機(jī)要做假賬，它也必須如此。同時(shí)由于區(qū)塊的鏈結(jié)構(gòu)保證如果誰(shuí)想要修改其中一個(gè)區(qū)塊的交易記錄，它必須重新創(chuàng)建這個(gè)區(qū)塊以及這個(gè)區(qū)塊以后所有已經(jīng)創(chuàng)建的區(qū)塊，而每創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊都要花費(fèi)大量時(shí)間去解決謎題。上文提到的比特幣加密授權(quán)機(jī)制能保證用戶最多能修改從自己賬戶轉(zhuǎn)出的交易記錄，為了一筆交易的錢，他需要自己偽造多個(gè)區(qū)塊，由于之前已經(jīng)存在正確的區(qū)塊，偽造區(qū)塊很有可能不被承認(rèn)，從而損失挖礦收入。即使存在著某些愿意做損人不利己買賣的記賬人能憑借自身先進(jìn)的計(jì)算設(shè)備比較快速的產(chǎn)生區(qū)塊來(lái)修改賬本，它也無(wú)法和整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗，因?yàn)檎_的區(qū)塊鏈在不斷增長(zhǎng)，而區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)總是以最長(zhǎng)的區(qū)塊鏈為正確的賬本。只要有51%的記賬人（假設(shè)每個(gè)記賬人有同樣的計(jì)算設(shè)備）覺(jué)得挖礦比搶銀行靠譜，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)就能正常運(yùn)作下去。以張三給李四轉(zhuǎn)賬以后，試圖修改賬本把錢又轉(zhuǎn)給自己為例：

??圖中CDE這幾個(gè)區(qū)塊是很多個(gè)記賬人共同算出來(lái)的，而C’D’只能靠張三一家計(jì)算，他的計(jì)算速度幾乎不可能趕上整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊生成速度，而且他生成的區(qū)塊會(huì)因?yàn)榈貌坏秸麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)的承認(rèn)不能產(chǎn)生任何收益。實(shí)際中李四確認(rèn)轉(zhuǎn)賬并不是在區(qū)塊C產(chǎn)生后立即確認(rèn)，還會(huì)等到C，D，E等后面五個(gè)區(qū)塊形成后才確認(rèn)（交易數(shù)額越大，往往等的區(qū)塊越多），這會(huì)進(jìn)一步增加張三偽造區(qū)塊的難度。

??我們進(jìn)一步深入，前文至少留下了這三個(gè)問(wèn)題：
??1.用戶的交易授權(quán)是怎么進(jìn)行的，為什么不需要一個(gè)中心機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行密碼驗(yàn)證？
??2.為什么修改一個(gè)區(qū)塊，必須修改這個(gè)區(qū)塊后面所有的區(qū)塊，怎么做到的？
??3.擲骰子這個(gè)謎題究竟是怎么實(shí)現(xiàn)的？
??在解決這些問(wèn)題前，我們先回顧一些基本算法。比特幣/區(qū)塊鏈涉及的算法，主要有兩類：1.哈希算法 2.非對(duì)稱加密。對(duì)這兩類算法不太了解的讀者，可以閱讀筆者之前的文章《構(gòu)成信息安全技術(shù)體系的三類基本算法》。這里我們簡(jiǎn)要列出：
哈?；驍?shù)據(jù)摘要:

byte[] hash(byte[] data);//為了和比特幣開(kāi)發(fā)文檔保持一致用hash代替digest.

非對(duì)稱加密:

class KeyPair  //密鑰對(duì)
{
    byte [] privateKey  //私鑰
    byte [] publicKey;  //公鑰
};
KeyPair generateKeyPair();//用于產(chǎn)生一個(gè)密鑰對(duì)
byte[] asyEncrypt(byte[] plainData,byte[] publicKey);   //用私鑰對(duì)數(shù)據(jù)加密
byte[] asyDecrypt(byte[] cipherData,byte[] privateKey); //用公鑰對(duì)私鑰加密的數(shù)據(jù)解密

??首先比特幣錢包軟件為用戶生成收款地址和秘鑰，這是通過(guò)調(diào)用generateKeyPair()來(lái)產(chǎn)生的，收款地址address=hash(KeyPair.publicKey),加一次hash的目的是為了收款時(shí)不暴露用戶的publicKey，減少?gòu)膒ublicKey推導(dǎo)privateKey的可能性，雖然目前還沒(méi)有通過(guò)publicKey推導(dǎo)出privateKey的案例。和收款地址對(duì)應(yīng)的秘鑰就是KeyPair.privateKey，因?yàn)楸忍貛挪捎玫膋eyPair可以從privateKey推導(dǎo)出publicKey，所以錢包里保存的數(shù)據(jù)就只是privateKey。以張三轉(zhuǎn)賬給李四的這個(gè)交易為例，在區(qū)塊鏈里產(chǎn)生的交易數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化后如下圖所示：

??如圖中所示每次交易的授權(quán)是通過(guò)簽名來(lái)進(jìn)行的，每個(gè)交易的輸入信息來(lái)源于之前交易的輸出（除了固定放在區(qū)塊鏈第一個(gè)位置的礦工收入獎(jiǎng)勵(lì)，作為一個(gè)特殊的交易，本文不討論）。圖中的簽名部分?jǐn)?shù)據(jù)本身包含了一個(gè)publicKey，這實(shí)際上是構(gòu)成了一個(gè)證書(shū)，見(jiàn)《構(gòu)成信息安全技術(shù)體系的三類基本算法》數(shù)字證書(shū)一節(jié)。如張三獲得李四的收款地址后，就可以通過(guò)錢包軟件授權(quán)轉(zhuǎn)賬，即生成簽名，如下圖：

??生成簽名后，錢包軟件就將本次交易的輸入，輸出和簽名打包廣播到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的礦工節(jié)點(diǎn)就開(kāi)始驗(yàn)證這個(gè)交易是否合法，驗(yàn)證過(guò)程如下圖：

??由此可見(jiàn)比特幣使用了傳統(tǒng)的數(shù)字簽名手段來(lái)完成了交易的授權(quán)。實(shí)際中比特幣的簽名和驗(yàn)簽過(guò)程，是使用其定義的一個(gè)腳本來(lái)完成的。使用腳本可以做到更多的控制和更復(fù)雜的授權(quán)，如多方授權(quán)的合約交易。另外為了個(gè)更強(qiáng)的安全性，許多地方求哈希時(shí)，做了多遍哈希，本文為了簡(jiǎn)便忽略了hash次數(shù)。

??熟悉哈希計(jì)算的讀者應(yīng)該能猜到區(qū)塊之間是通過(guò)一個(gè)個(gè)哈希值連接起來(lái)的，如下圖：

??我們將在下文討論難度值和隨機(jī)值。由圖可見(jiàn)，區(qū)塊A的任何修改，均會(huì)導(dǎo)致其區(qū)塊頭的變化，從而導(dǎo)致區(qū)塊B的區(qū)塊頭中哈希值的變化，這種變化會(huì)一直傳導(dǎo)到A之后的所有區(qū)塊。需要指出交易記錄的哈希值是一個(gè)稱為“Merkle tree”的根節(jié)點(diǎn)，交易記錄發(fā)生任何變動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致“Merkle tree”根節(jié)點(diǎn)的變化，詳情可參閱相關(guān)文檔。

??擲骰子在區(qū)塊鏈中的術(shù)語(yǔ)叫工作量證明（Proof Of Work，縮寫(xiě)POW），證明礦工生成區(qū)塊平均花費(fèi)了規(guī)定的時(shí)間。擲骰子的過(guò)程，其實(shí)就是不停嘗試找到一隨機(jī)值，使得這個(gè)隨機(jī)值和區(qū)塊頭其它信息合在一起后計(jì)算出來(lái)的哈希值小于指定的難度值(這里難度值越小，難度越大)。

??難度值是一個(gè)隨著區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)總的計(jì)算能力動(dòng)態(tài)調(diào)整的值。每產(chǎn)生2016個(gè)新的區(qū)塊進(jìn)行一次統(tǒng)計(jì)，如果平均每個(gè)區(qū)塊產(chǎn)生的時(shí)間少于10分鐘，難度就會(huì)增加一點(diǎn)（難度值減?。环粗畡t減小難度（難度值增大）。

??作為一篇入門(mén)級(jí)文章，本文忽略了許多非核心的技術(shù)環(huán)節(jié)，以求在最短的時(shí)間內(nèi)讓讀者對(duì)比特幣的技術(shù)架構(gòu)有個(gè)初步了解。有進(jìn)一步學(xué)習(xí)需求的讀者可以訪問(wèn)比特幣官網(wǎng)bitcoin.org中的開(kāi)發(fā)指南和參考文檔。