??上文步驟三中我們說過，比特幣的使用授權(quán)不用經(jīng)過像銀行這樣的中心系統(tǒng)，它是用戶自己通過密碼算法來授權(quán)的。那為什么兩個用戶不直接交易，像金條一樣從自己荷包里掏出來給對方就行了？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，但卻有一個很大的不同：黃金沒法復(fù)制；而比特幣只是存在于優(yōu)盤或電腦手機(jī)的數(shù)據(jù)，可以無限復(fù)制。這意味著張三把一份金條給李四后，他無法再把同樣的金條給別人；而張三把一份比特幣給李四后，他還可以再復(fù)制一份給其他人。怎么解決這個問題呢？這就要用到區(qū)塊鏈了。
??簡單的說區(qū)塊鏈就是一個很多人或團(tuán)體共同維護(hù)，所有人都可以訪問的賬本，賬本用來記錄每一次的比特幣轉(zhuǎn)賬，所有的用戶可以通過查詢賬本來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)塊鏈賬本分為一個個區(qū)塊，每個區(qū)塊存儲了很多交易記錄，這些區(qū)塊按生成時間先后通過一定的方式連接起來，形成了一個鏈結(jié)構(gòu)，這就是區(qū)塊鏈名字的來歷。圖中黃色部分是上文例子在區(qū)塊鏈中形成的記錄。
??再來看區(qū)塊鏈怎么解決上面的多重支付問題。收款方通過查詢區(qū)塊鏈?zhǔn)欠裼袑?yīng)的轉(zhuǎn)賬記錄來檢查轉(zhuǎn)款是否到賬（對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)出過錢），如果已經(jīng)轉(zhuǎn)過，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，這帶來新的問題：怎么保證每個記賬人都會誠實(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機(jī)制，就是通常所說的挖礦。
??假設(shè)每一個參與記賬（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)塊鏈營造出了一個算法系統(tǒng)，讓每一個參與記賬的人都寧愿通過誠實(shí)的記賬來獲取報酬。舉個栗子，有兩份工作：一份是搶銀行要花兩天時間，一份是挖金礦只花一天時間，挖金礦能獲得的報酬等于或大于搶銀行，理智的人都會選擇后者。區(qū)塊鏈的算法讓每個記賬的人都要花費(fèi)一定的代價才能記賬，同時給記賬人獎勵。這里的代價是計(jì)算時間，獎勵包括兩部分：一是從每筆交易抽取的傭金，二是由系統(tǒng)新產(chǎn)生的比特幣獎勵。第二項(xiàng)獎勵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入一個區(qū)塊。記賬人擁有的計(jì)算設(shè)備，如礦機(jī)（專門用于挖礦的計(jì)算機(jī)）每次創(chuàng)建一個區(qū)塊記賬前都要先完成一道很難的迷題，誰先完成謎題誰就獲得記賬的權(quán)利和獲得報酬，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，沒有記錄授權(quán)不正確的交易（這是靠前文說所的用戶地址和私鑰授來保證的）。
??這是什么樣的一道謎題呢？有個很形象的比喻：擲骰子，誰先擲出滿足條件的骰子組合誰就獲勝。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%，就是說平均擲50次以上骰子才能有一次機(jī)會滿足條件,要花點(diǎn)時間來擲骰子了。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)通過增加骰子數(shù)和降低骰子數(shù)之和來增加難度，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滿足要求的組合。這大約會是怎樣的一種組合呢：一億個骰子擲出的總和不超過一億零幾十，想想擲一億顆骰子，幾乎每一顆都是1的概率。
??每個礦機(jī)都爭先記賬，誰先算出來謎題，誰就獲得記賬權(quán)和獲得報酬，即使某個礦機(jī)要做假賬，它也必須如此。同時由于區(qū)塊的鏈結(jié)構(gòu)保證如果誰想要修改其中一個區(qū)塊的交易記錄，它必須重新創(chuàng)建這個區(qū)塊以及這個區(qū)塊以后所有已經(jīng)創(chuàng)建的區(qū)塊，而每創(chuàng)建一個區(qū)塊都要花費(fèi)大量時間去解決謎題。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)塊來修改賬本，它也無法和整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)對抗，因?yàn)檎_的區(qū)塊鏈在不斷增長，而區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)總是以最長的區(qū)塊鏈為正確的賬本。只要有51%的記賬人（假設(shè)每個記賬人有同樣的計(jì)算設(shè)備）覺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這幾個區(qū)塊是很多個記賬人共同算出來的，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網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊生成速度，而且他生成的區(qū)塊會因?yàn)榈貌坏秸麄€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)，還會等到C，D，E等后面五個區(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問題：
??1.用戶的交易授權(quán)是怎么進(jìn)行的，為什么不需要一個中心機(jī)構(gòu)來進(jìn)行密碼驗(yàn)證？
??2.為什么修改一個區(qū)塊，必須修改這個區(qū)塊后面所有的區(qū)塊，怎么做到的？
??3.擲骰子這個謎題究竟是怎么實(shí)現(xiàn)的？
??在解決這些問題前，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.非對稱加密。對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》。這里我們簡要列出：
哈?；驍?shù)據(jù)摘要:

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

非對稱加密:

class KeyPair  //密鑰對
{
    byte [] privateKey  //私鑰
    byte [] publicKey;  //公鑰
};
KeyPair generateKeyPair();//用于產(chǎn)生一個密鑰對
byte[] asyEncrypt(byte[] plainData,byte[] publicKey);   //用私鑰對數(shù)據(jù)加密
byte[] asyDecrypt(byte[] cipherData,byte[] privateKey); //用公鑰對私鑰加密的數(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，這是通過調(diào)用generateKeyPair()來產(chǎn)生的，收款地址address=hash(KeyPair.publicKey),加一次hash的目的是為了收款時不暴露用戶的publicKey，減少從publicKey推導(dǎo)privateKey的可能性，雖然目前還沒有通過publicKey推導(dǎo)出privateKey的案例。和收款地址對應(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)賬給李四的這個交易為例，在區(qū)塊鏈里產(chǎn)生的交易數(shù)據(jù)簡化后如下圖所示：

??如圖中所示每次交易的授權(quán)是通過簽名來進(jìn)行的，每個交易的輸入信息來源于之前交易的輸出（除了固定放在區(qū)塊鏈第一個位置的礦工收入獎勵，作為一個特殊的交易，本文不討論）。圖中的簽名部分?jǐn)?shù)據(jù)本身包含了一個publicKey，這實(shí)際上是構(gòu)成了一個證書，見《構(gòu)成信息安全技術(shù)體系的三類基本算法》數(shù)字證書一節(jié)。如張三獲得李四的收款地址后，就可以通過錢包軟件授權(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)就開始驗(yàn)證這個交易是否合法，驗(yàn)證過程如下圖：

??由此可見比特幣使用了傳統(tǒng)的數(shù)字簽名手段來完成了交易的授權(quán)。實(shí)際中比特幣的簽名和驗(yàn)簽過程，是使用其定義的一個腳本來完成的。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。另外為了個更強(qiáng)的安全性，許多地方求哈希時，做了多遍哈希，本文為了簡便忽略了hash次數(shù)。

??熟悉哈希計(jì)算的讀者應(yīng)該能猜到區(qū)塊之間是通過一個個哈希值連接起來的，如下圖：

??我們將在下文討論難度值和隨機(jī)值。由圖可見，區(qū)塊A的任何修改，均會導(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稱為“Merkle tree”的根節(jié)點(diǎn)，交易記錄發(fā)生任何變動都會導(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)語叫工作量證明（Proof Of Work，縮寫POW），證明礦工生成區(qū)塊平均花費(fèi)了規(guī)定的時間。擲骰子的過程，其實(shí)就是不停嘗試找到一隨機(jī)值，使得這個隨機(jī)值和區(qū)塊頭其它信息合在一起后計(jì)算出來的哈希值小于指定的難度值(這里難度值越小，難度越大)。

??難度值是一個隨著區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)總的計(jì)算能力動態(tài)調(diào)整的值。每產(chǎn)生2016個新的區(qū)塊進(jìn)行一次統(tǒng)計(jì)，如果平均每個區(qū)塊產(chǎn)生的時間少于10分鐘，難度就會增加一點(diǎn)（難度值減?。?；反之則減小難度（難度值增大）。

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