区块链是怎么工作的？How Does Blockchain Work？

区块链（blockchain），顾名思义，就是由一个个区块（block）相连形成的链条。任何一个区块链都有一个创世区块（Genesis Block）也就是这个区块链的第一个区块。为了实现区块链的不可篡改性（immutability），每一个区块都必须与前一个区块紧紧相连，可谓牵一发而动全身。区块链的运行其实也是围绕这个特性展开的。

1

区块的结构

区块链当中的每一个区块都由两部分组成：区块头（header）和区块体（body）。区块头用于记录本区块的特征值，就像这个区块的身份证，包括前一区块区块头的哈希值（hash of the previous block）、默克根（Merkle root）和时间戳（timestamp）等。区块体则包含本区块携带的数据（data）。

是不是有点看不懂了？没关系，我们一起来把它们逐个击破！

2

区块数据

区块体中包含本区块的数据（data），不同的区块链应用拥有不同的数据。对于比特币区块链，这里所说的数据就是比特币交易信息；医疗领域使用的区块链可能被用来记录病人病例；用于钻石追踪的区块链则会记录每一颗钻石的颜色、克拉和透明度等等。

3

哈希函数

想要搞懂区块头中种种特征值，必须先了解什么是哈希。哈希其实可以对应两个概念，分别是哈希函数（hash function）和哈希值（hash value）。简单来说，哈希函数就是把一个不限长度的输入（input），通过算法，变为一个固定长度的输出（output）——哈希值。

什么，没听懂？那就来看个图！

（计算结果来自 SHA-256 hash calculator）

可以看到，两张图反映的都是一个输入（data）对应一个固定长度的哈希值（hash）。细心的同学可能已经发现了，在两张图中，虽然输入只改变了一个字（由“海棠社”改为“海鲜社”），但输出的哈希值却有天壤之别。再举个例子，你下了一部电影，把它作为输入算出了哈希值。你把硬盘借给了老王，老王看完后还了回来，但他是个不靠谱的人，你怀疑自己的电影可能被编辑了！没事，把电影再过一遍哈希函数，果然，哈希值对不上号了。打开文件一看，整整两个小时的《葫芦娃》。

可见，输入不同的数据，一定会得到不同的哈希值。

4

区块头

区块的另一部分便是区块头，如前所述，这里包含本区块的诸多特征值，包括前一区块区块头的哈希值、时间戳和默克根。

首先是前一区块区块头的哈希值（hash of the previous block），这是怎么算出来的呢？很简单，就是把前一个区块区块头的所有特征值信息过一遍哈希函数。由于每一个区块都包含前一个区块区块头的哈希值，所有的区块便首尾相连，不可分割。一个区块的变化，必然会导致之后所有区块的改变。

区块头中还包含时间戳，就是该区块被添加到链上的时间。

5

默克根

接下来是区块头中相对复杂的默克根（Merkle root），请准备好瓜子和辣条，我们细细道来。

首先，我们可以把默克根理解为本区块区块体中所有数据的浓缩，像是一座桥梁，连接区块头和区块体。以比特币区块链为例，请继续看图：

是不是很像一棵倒着的树？这就是传说中的默克树（Merkle tree），有时也被称为哈希树，而最顶端的哈希值就是默克根。作为支撑这颗参天大树的基础，默克根的重要性不言而喻。这个简单的例子只涉及四笔交易，但在真正的比特币区块链中，每个区块中都可能包含数百个交易信息，因此大树的“叶子”可是数也数不清的。

我们从下往上看，首先，每笔交易本身会经过一次哈希函数得到它们对应的哈希值（HASH(1) - HASH(4)）；随后，相邻的两个哈希值在合并后又一次经过哈希函数，得到两个新的哈希值（HASH(1,2)、HASH(3,4)）；最后，这两个子哈希值又被哈希函数转化为最终的哈希值（HASH(1,2,3,4)），也就是莫克根。通过这样的运算，最终必然会形成一棵倒着的树，而到了树根的位置，不管区块中存在多少笔交易，都将只剩下一个默克根。

当某个交易被篡改时，默克根将是找出那个间谍的必备利器，帮助我们层层筛查。首先，由于有数据被篡改，对比默克根肯定会发现不一致。接下来分别对比 HASH(1,2) 和 HASH(3,4)，发现 HASH(1,2) 不一致，HASH(3,4) 一致。那么此时 HASH(3,4) 以下的所有数据就都脱离了嫌疑，我们要抓的区块藏在左边！继续对 HASH(1) 和 HASH(2) 进行分别对比，发现 HASH(1) 不一致，HASH(2) 一致，至此，确定交易1被篡改。

可以看到，运用默克树，可以层层溯源，找出链上的破坏因子。通过排除法，可以大大减少运算量！除了追根溯源，默克树的另一大用处就是验证数据：如果已知某个交易，要确定它是否在某个区块中，只要将它代入默克树，看看最终能不能得到已知的默克根就可以啦。

以上就是区块链工作的原理。区块链就像一串羊肉串，每个区块都是签上的一块肉。每个区块都包含前一区块的哈希值，就像签子一般把肉块一个个串起来。区块紧紧相连，牵一发而动全身，篡改信息变得比登天还难。同时，数据一旦上链就再也不会消失，随时可追溯。区块链不仅在金融领域潜力巨大，还将对钻石、药品、艺术品的溯源防伪发挥重要作用。

完

头图及正文图片来源：

Davidstankiewicz [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons

pan xiaozhen on Unsplash

kai pilger on Unsplash

andre francois on Unsplash

北外高翻海棠社

用语言学习知识，探索更广阔的世界