初识区块链
区块链和数字货币已经出来不少年头了，刻意一直没有去了解相关的概念和原理。
最近在看一本小说，里面有个设定提到：数字货币实际上更适合作为人工智能之间的交易系统。
随着今年AIGC的爆发，这个设定貌似有点意思，因此我决定来熟悉一下区块链和数字货币相关的概念。
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1. 数字货币
区块链区块链最初是为了支持加密货币（比特币）而设计的，因此要了解区块链技术，需要先了解数字货币。
在最早期的人类社会中，贸易是以物易物的方式进行的，比如两斤果子换一只鸡。
随着物质和贸易发展，以物换物就比较麻烦了。比如现在A有两斤果子，B有一只鸡，C有一只鸭。A想要换鸡，但是B不想要果子，而是想要鸭子，C想要果子而不想要鸡，为了解决这个死循环，需要通过一种”中介“来替代商品进行交互，这就是”货币“的由来。
货币也经过了很多次的发展，从远古的贝壳到金属货币，再到纸币。不论货币是由哪种媒介来代表，都需要保证大家对货币价值的认可，也就是货币可以换到真实的商品。
实体货币存在丢失、假钞、找零等问题，如今电子支付非常流行，大家也很少在使用纸币，但电子货币本质上还是纸币，是由中央银行发行的，其价值也由中央银行这种有权威的信任机构来保证。
比如现在A向B转账100元，如果只是口头上说了一下，B显然是不能拿到这个”口头“上的100元去商店买到东西的。要达到这个转账的目的，需要从A账户上减少100元，B账号上增加100元，这个交易需要经过银行系统，依赖专业人员。这个时候，B去商店买东西，商店从B的账户上再划走相应的金额，也需要走银行系统。
在这个过程中，A、B和商店，都需要相信银行，不会篡改账户。
有没有一种在只需要交易双方就可以完成的、没有假钞、同时可以被使用该货币的其他人认可的交易系统呢?
数字货币就是这样的一个概念，旨在创建符合上述条件的交易系统。
2. 点对点交易
没有中介的交易，可以成为交易双方的点对点交易。关于点对点这个名词，更常见的是出现在点对点网络中。
点对点网络（peer-to-peer， 简称P2P），又称对等式网络，是无中心服务器、依靠用户群（peers）交换信息的互联网体系，它的作用在于，减低以往网路传输中的节点，以降低资料遗失的风险。
点对点网络的一个重要的目标就是让所有的客户端都能提供资源，包括带宽，存储空间和计算能力。网络中的每个参与者（节点）在网络中对等，即具有相同的地位和功能，跟传统的客户端-服务端模型有很大区别。
那么，点对点交易又是怎么进行的呢？
在数字货币的交易中，交易的账户可以看做是一个特殊的银行卡，公钥就相当于银行卡号，而私钥相当于银行卡密码，这个银行卡的特殊之处在于一个密码对应一个卡号，因此不能修改密码，也就是不能忘记或者讲将钥暴露给别人。
回顾一下非对称加密，公钥和私钥都可以用来加密和互相解密，其中，
- 私钥的加密被称为签名，签名可以被公钥解密用于验证
- 公钥的加密被成为加密，加密后的数据可以被私钥解密，获得原始内容
在数字货币交易时，
- 首先，由交易发起方发出一个转账声明，这个声明的内容使用交易方自己的私钥进行了签名。
- 然后将交易内容、签名和交易方的公钥、以及一些交易手续费，通过广播发送到P2P网络的节点中，这样网络中的所有节点都可以用公钥和交易内容检查签名、验证账户余额等
- 基于某些机制，这笔交易验证通过之后，会被同步到所有节点，交易生效，交易方和接收方的余额也会被整个网络承认。
由于私钥只有交易方自己知道，
- 通过私钥签名，可以避免交易声明被其他人进行更改；
- 而只要签名验证通过，就可以认为转账完成，交易发起方也无法抵赖了
如果私钥忘记了，相当于账号就丢失了，里面的数字货币就再也找不回来了。
3. 不可篡改的区块
区块(Block)是保存交易记录的基本数据结构单元，包含某些时间段内的交易信息，以及一些其他的元数据。
如何保证已经确认的交易记录不会被任何一个节点篡改呢？这就需要用到链表。
可以把每个区块想象成某个单链表中的一个节点，每个区块包含了
- 一定时间内的交易信息，
- 前一个区块的哈希值。
- 根据上两个内容生成自己的哈希值
回顾一下哈希算法，这是一种将任意长度的输入数据转换成固定长度哈希值（散列值）的算法，不同的输入数据应该生成不同的哈希值（即使是很微小的改动），同时从哈希值无法还原原始数据。
因此，如果该区块内容进行了修改，它的内容哈希值就会修改，这会影响后续的所有区块。
比如 A->B->C->D这个链路中，修改了B的内容，则B后面所有的区块（包括C、D）的哈希值都会被修改。
如果要伪造某个区块，就需要将后续所有的区块都进行伪造，这需要消耗大量的算力。
区块链非常强调区中心化，算力分散在单个节点上，伪造区块的成本非常高，因此这是很长难达到的，也就打到了交易信息”不可篡改“的目的。
4. 创建新区块
上面提到，P2P网络中的所有交易信息，都保存在区块上面。那么，区块是由谁产生的呢？
P2P网络的节点都可以参与创建新区块，由于每创建一个新的区块，
- 会得到一笔数字货币的奖励
- 区块内保存的交易记录由在创建区块的时候由节点选择，为了保证交易打包进区块，这些交易往往会提供一些手续费
借助这个激励机制，有大量的节点会参与进入这个过程，这类节点被称为”矿工“，他们在不停地进行计算，尝试生成新的区块。
具体来说，
矿工节点在收到广播过来的交易信息后，会放在自己的交易池里面，
每个区块可以保存的交易内容是有上限的，因此矿公共从交易池中选择一些尚未被确认的交易记录，（通常会选择交易手续费较高的那些交易
然后为这些交易构造一个候选区块，然后不断尝试计算这个区块的哈希（这个过程需要消耗大量的计算），直到计算出一个特定的哈希值，候选区块就被认为是有效的
新产生的区块被广播到全网，所有节点更新自己的账本到最新高度。交易正式被确认
其他正在计算中的节点会放弃自己的候选区块，转而计算下一块，本次候选区块里面被选择的交易记录，会回到交易池等待重新打包
为什么某个矿工节点创建出来的新区块，会被其他节点承认呢？
区块链网络通过共识机制，例如工作量证明（Proof of Work）或权益证明（Proof of Stake），确保在没有中心权威的情况下，节点对于数据的修改和添加达成共识。
5. 工作量证明
现在来详细说明一下计算候选区块的过程：整个网络会设定一个动态的难度值，节点会根据区块内容，加上一个随机数nonce，这样会生成一个随机的哈希值，如果这个哈希值符合某些特定的要求（比如哈希值前N位都是0），同时随机数nonce小于设定的难度值，就认为得到结果了。
动态难度值的目的是保证区块的产出时间是固定的（大约是每10分钟产生一个），如果区块产生时间少于10分钟，说明全网算力增加，需要调大难度；大于10分钟则反之。
因此，算力值也代表了挖出新区块的概率，而挖出一个新区块则代表收获了数字货币
- 每产生一个新区块都可以获得数字货币（由于数字货币设定的发行数量上线，这个收益每四年减半，随着时间消逝会逐渐趋近0
- 区块内打包的每一笔交易记录，会得到一部分交易提供的手续费
上述的内容就是区块链的Proof of Work机制。
从区块链的技术原理上，P2P节点、单纯根据区块内容生成哈希等机制，已经让数据很难被篡改了，为什么在生产新区块这里，还需要消耗如此多的算力，来根据符合条件的随机哈希找到一个随机数呢？
因为单纯只根据区块内容哈希无法实现这个目的，针对固定内容，算力越高的机器，肯定越容易、越迅速地生成哈希值，这样，就无法达到去中心化的目的。
因此，PoW机制是就是为了让单个节点即使有强大算力也难以完全控制区块链，一个有强大算力的节点，如果想要修改区块结果，就必须超过全网多数节点共同计算的成果速度，否则更慢的篡改链将被网络抛弃。
如果某个节点控制了区块链网络总算力的51%或以上,则事实上可以对区块内容进行修改或回滚。这被称为51%攻击：
- 自行生成区块,并比正常速度快,称为”算力支配“。
- 生成一个区块,不将其公布出去,私下进行双重支出。
- 强行颠覆之前的某些交易,修改账本历史。
为了防止51%攻击，区块链系统在设计时非常强调去中心化，通过算力分散共享的模式,降低单个节点直接控制网络的可能。
这也是为什么会有新区块经济激励机制的原因：让大量节点参与进来，避免单个节点垄断算力。理论上，算力很低的节点，也是有可能更快地计算出新区块的哈希值，只是算力越大的机器概率越高而已。
6. 资源浪费
读到这里，可以看出，工作量证明会浪费大量的资源
- 如果不考虑单节点控制网络，重复的随机数计算是纯粹的浪费，而计算出来的随机哈希值并没有其他任何作用（相比于去参与科学计算、数学计算等）
- 为了获取新区块产生的收益，大量高算力设备会投入进来进行计算，浪费大量的电力
- 算力增加，而区块的产生速度由于动态难度值的存在并不会改变，算力的投入只会增加单节点的收益概率，对整个网络而言没有任何意义，感觉就是”卷“
由于新区块激励机制，为了获取数字货币，有很多矿工节点会投入大量的硬件、电力资源来进行工作量证明，而得到的收益只有数字货币，并没有其他对社会有效的商品产出，这也是为什么国家会规定：”虚拟货币“、”挖矿“等属于落后产业。
此外，由于每个节点都保存完整的数据备份，而大多数的交易数据对自己而言都是没有意义的，重复保存这些数据感觉也是很冗余的。
7. 小结
现在，大致了解了区块链技术的原理
- 首先通过区块记录点对点之间的交易记录
- 通过区块哈希避免节点数据被篡改
- 激励机制促使矿工节点有动力去创建新区块，通过工作量证明机制达成新区块共识，避免出现中心节点算力垄断
独立于现实世界的数字货币是没有任何价值的，同时网络中的数字货币还需要流通，才能产生新的交易记录，以及新的区块。
在这个过程中，数字货币是通过消耗显大量算力产出的，产出的数字货币是否具有这些算力的价值，每个人可能都有各自不同的看法。
抛开数字货币不谈，单看区块链技术本身，确实可以达到去中心化、透明的目的，在供应链、票据等其他领域也有一定的应用场景，这里就不展开了。