不難看出，與中心式網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)的保密性不同，分布式網(wǎng)絡(luò)安全的關(guān)鍵在于公開性，所有信息都公布出來，接受公眾的監(jiān)督和審核。不過這種“民主模式”也有一個弊端，那就是會有人注冊大量“僵尸賬戶”并利用虛擬IP操縱這些賬戶投自己的贊成票，從而讓虛假的交易記錄通過審核，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攻擊的目的。只要操縱的僵尸賬戶的數(shù)量超過投票節(jié)點(diǎn)總數(shù)的51%，攻擊就可以成功，因此這種攻擊被稱作“51%攻擊”。51%攻擊不僅可以用于發(fā)布錯誤交易信息，還可以用于修改歷史交易記錄牟利。如何防范51%攻擊，并保證歷史交易記錄不能被輕易篡改，正是區(qū)塊鏈技術(shù)的設(shè)計(jì)初衷。下面，我們就來介紹一點(diǎn)技術(shù)背景。

技術(shù)背景：Hash算法
Hash算法是一種加密算法，是區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)。所謂Hash，就是指對原始信息進(jìn)行特定的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，換算成對應(yīng)的加密值（稱作Hash值）。如下圖所示，一段文字經(jīng)過Hash以后被轉(zhuǎn)化成沒人能認(rèn)識的字符串。

Hash算法有一系列特殊性質(zhì)，下面我們集中介紹一下：
等長性:不管原始信息多長或者多短, 計(jì)算出來的hash值具有固定的長度。
單向性:由原文獲得Hash值很容易,但是根據(jù)Hash值推測原文是不可能的。
確定性:同一個原始信息用相同的Hash算法永遠(yuǎn)得到同一個hash值。
分散性:原始信息的微小改動（即使只改動一個比特），就會導(dǎo)致hash值面目全非。

Hash算法的上述特性使它特別適合做真實(shí)性審核的用途。例如，你有一本100萬字的小說要通過電子郵件發(fā)給出版社。那么怎么保證在發(fā)送過程中沒有被篡改呢？如果采用逐字對照的方法可能要讀一個月，還可能出錯。這時就可以采用Hash的辦法。首先把小說文本做Hash，得到一個hash值。然后把原文發(fā)送給出版社的同時把hash值也加密發(fā)過去。出版社收到后，通過解密得到你發(fā)過去的hash值，然后在把小說原文用同樣的hash算法得到一個hash值。只要把它和你發(fā)過去的hash值對比，就可以知道原文有沒有變動，因?yàn)橥瑯拥脑牡玫降膆ash值永遠(yuǎn)是相同的（確定性）。如果原文哪怕只被改動了一個字，這兩個hash值就完全對應(yīng)不上了（分散性）。Hash值通常很短，一般是200多個字節(jié)或500多個字節(jié)。即使原文有100萬字，得到的hash值也是同樣的長度（等長性），很方便比對。而且攻擊者不能通過hash值來推測原文的內(nèi)容（單向性），因此在傳輸?shù)倪^程中也是很安全的。這就是所謂的“數(shù)字簽名”。

Hash算法的這些優(yōu)良特性也可以被用在分布式系統(tǒng)中，下面就介紹區(qū)塊鏈中的hash算法應(yīng)用。首先我們先談一談什么叫區(qū)塊。區(qū)塊鏈的英文名叫Blockchain，其中chain是鏈的意思，bolck有街區(qū)的意思也有模塊的意思，這可能是為什么它被譯作區(qū)塊的原因。但是母星哥認(rèn)為，“區(qū)塊”中的“區(qū)”字純屬畫蛇添足，因?yàn)樵谶@里，block一詞完全沒有和區(qū)域、位置相關(guān)的意思，它只是模塊的意思?？赡芊g成“模塊鏈”或者“數(shù)據(jù)塊鏈”更合適。其實(shí)一個區(qū)塊（block）就是一個單獨(dú)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)塊），而區(qū)塊鏈則是把這些數(shù)據(jù)塊通過hash算法鏈接起來。下圖就是比特幣所使用的區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)示意圖。

區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
圖中共有三個區(qū)塊。每個區(qū)塊大體上包含三個部分：1，最下面的“Merkle tree”存的是交易記錄，至于Merkle tree到底是什么這里就不展開講了，總之它是一個非常高效的存儲交易記錄的形式，是一個區(qū)塊內(nèi)容的主體。2,左邊的“Prev hash”指的是“前一個區(qū)塊的hash值”，也就是把上一個區(qū)塊的整體做hash運(yùn)算，得到的值存在這里（這是“鏈”的關(guān)鍵）。3,是“Nonce”，這個是與比特幣挖礦有關(guān)的，稍后細(xì)說。

交易記錄大家都知道是什么，就是我們需要保護(hù)的內(nèi)容。而第二部分“Prev hash”是區(qū)塊鏈技術(shù)的核心。我們可以從圖中看到，鏈條就是這么形成的：前一個區(qū)塊的hash值是下一個區(qū)塊的一部分，而下一個區(qū)塊的hash值是下下個區(qū)塊的一部分。以此類推，所有區(qū)塊串成一個鏈條，就是“區(qū)塊鏈”了。這種鏈條式的設(shè)計(jì)使修改歷史記錄變得極為困難。試想如果一個攻擊者想篡改一個歷史區(qū)塊，由上文“hash的分散性”可知，這個區(qū)塊的hash值會變得面目全非。而這個hash值又是下一個區(qū)塊的一部分，也就是說，下一個區(qū)塊的內(nèi)容也被篡改了，這又導(dǎo)致下一個區(qū)塊的hash值面目全非，而這又影響到下下個區(qū)塊。也就是說，對一個歷史區(qū)塊的篡改會形成連鎖反應(yīng)，波及其后的所有區(qū)塊，“動靜非常大”。這使得篡改歷史記錄變得幾乎不可能。

也許有的朋友會說：“那我在生成新區(qū)塊的時候做手腳不久得了？反正新區(qū)塊在被后來的區(qū)塊埋起來之前是脆弱的?！闭\然，新區(qū)塊比老區(qū)塊要脆弱一些，但是還是有一些手段可以增加新區(qū)塊的安全性，例如比特幣的發(fā)明者中本聰就引入了一種叫“挖礦”的機(jī)制。

挖礦挖的是什么
“挖礦”的學(xué)名叫“工作量證明”。以比特幣為例，新區(qū)塊的生成過程是這樣的：任何節(jié)點(diǎn)都有權(quán)收集最新的交易記錄放到一個區(qū)塊中，然后把這個區(qū)塊提交投票審核。如果有惡意的攻擊者沒有收集真實(shí)的交易信息，而是偽造交易記錄生成一個假的區(qū)塊，然后再發(fā)動虛擬IP進(jìn)行51%攻擊，那么就有可能生成一個虛假區(qū)塊。為了避免這種情況發(fā)生，比特幣的協(xié)議要求，生成一個區(qū)塊之前，要完成一定量的比較耗費(fèi)CPU的工作量，這樣就可以讓攻擊者的速度減慢。只要網(wǎng)絡(luò)中的大部分計(jì)算能力都是誠實(shí)的，最終真實(shí)區(qū)塊鏈的發(fā)展速度就會超過虛假區(qū)塊鏈并占據(jù)上風(fēng)。

而這個工作量證明的任務(wù)需要有如下特征：
1.完成困難（只有這樣才能起到拖垮惡意區(qū)塊的作用）。
2.驗(yàn)證容易（任何一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以輕松審核）。
3.難度可調(diào)（可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算力靈活調(diào)整難度，保持系統(tǒng)節(jié)奏感）。

這也就是上文提到的“Nonce”發(fā)揮作用的地方。在比特幣中，工作量認(rèn)證的任務(wù)就是尋找合適的nonce。所謂nonce，其實(shí)就是一個沒有什么實(shí)際含義的很大的數(shù)字。它的唯一功能就是改變所在區(qū)塊的hash值。由于Nonce是hash的一部分，nonce改變了，這個區(qū)塊就改變了，區(qū)塊的hash值自然也會改變。在比特幣中，要想生成一個有效的區(qū)塊，必須找到一個合適的nonce，使得這個區(qū)塊的hash值的前n位是零（n的值可變，用于調(diào)整難度）。

由于hash值是不可預(yù)測的（分散性），唯一的找到nonce的方法就是暴力破解，也就是一個一個試。這個過程是很耗CPU的（見上圖，經(jīng)過4000多次嘗試以后，最后一行才找到了“0000”開頭的hash值）。而通過調(diào)整需要的首位0的個數(shù)，可以輕松調(diào)整任務(wù)難度。而且，驗(yàn)證過程很容易，只需要對區(qū)塊取hash就可以了。所以這個方法是符合前文說的三點(diǎn)要求的。

那么現(xiàn)在我們就總結(jié)一下區(qū)塊鏈的工作流程（如下圖所示）。1，首先兩個人交易形成交易記錄。2，網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺電腦（節(jié)點(diǎn)）都可以將這個交易記錄被收集到一個區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，并且尋找與之匹配的nonce值，以使整個區(qū)塊的hash值由若干個0開頭（挖礦）3，哪臺電腦最先找到這個nonce，也就最先制造了這個區(qū)塊，他就把這個區(qū)塊廣播到網(wǎng)絡(luò)中交給所有其余節(jié)點(diǎn)投票。4，每個節(jié)點(diǎn)都會審核交易記錄是否準(zhǔn)確、nonce值是否有效等，如果一切沒有問題，就投贊成票，如果多數(shù)節(jié)點(diǎn)都投贊成票共識就達(dá)成了。5，達(dá)成共識后，這個新區(qū)塊被加到區(qū)塊鏈中。6，交易完成。

需要提到的是，區(qū)塊鏈?zhǔn)强赡芊植娴?。不過最后只能以最長的分支為準(zhǔn)。就算有攻擊者成功地生成了一個假區(qū)塊，大多數(shù)誠實(shí)的節(jié)點(diǎn)也會重新建立一個真實(shí)的區(qū)塊鏈分支并且不斷給它添磚加瓦，很快那個假區(qū)塊分支就會被超越進(jìn)而被拋棄。

如果一個攻擊者想篡改某個區(qū)塊，他就必然改動其后所有區(qū)塊的hash值，這就導(dǎo)致后續(xù)所有區(qū)塊的nonce無效，那么他就必須給后面所有的區(qū)塊重新挖礦。當(dāng)然，這是個不可能完成的任務(wù)。這就是區(qū)塊鏈的安全機(jī)制。

為了獎勵這些辛勤勞作尋找nonce，并維護(hù)區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)，每形成一個有效的新區(qū)塊，就會給成功找到nonce的用戶發(fā)放一定量的比特幣。這就是挖礦所得，而尋找nonce并獲得獎勵的工作，就被形象地稱作挖礦。下圖介紹了一些挖礦的基本事實(shí)。

隱憂：浪費(fèi)與壟斷
比特幣問世以來，被證明確實(shí)通過區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分布式網(wǎng)絡(luò)中的信息安全，可謂一個創(chuàng)舉。不過它的設(shè)計(jì)中也存在不小的問題，主要就是浪費(fèi)和壟斷問題，而這兩個問題都源于挖礦的獎勵機(jī)制。

首先說浪費(fèi)，為了獲得挖礦利益，越來越多的計(jì)算能力被投入到挖礦中，而計(jì)算能力越大，工作量認(rèn)證的難度也會相應(yīng)提高，這種水漲船高式的惡性循環(huán)導(dǎo)致從2010年到2017年的短短7年間，挖礦難度提高了10000億倍！高難度意味著高電費(fèi)。每年有大量電能被用于比特幣挖礦，但是激增的耗電量并沒有增加比特幣網(wǎng)絡(luò)的安全性，因?yàn)檫@些能量都被用于尋找具有開頭更多個0的hash值了。

隨著計(jì)算難度的激增，個人電腦挖礦已經(jīng)無利可圖，挖礦業(yè)務(wù)已經(jīng)被掌握在少數(shù)投入大量運(yùn)算設(shè)備的資本家手中。據(jù)紐約時報報道，目前比特幣網(wǎng)絡(luò)中超過70%的計(jì)算能力掌握在4家中國挖礦公司手中。這種現(xiàn)象已經(jīng)違背了比特幣“分散化”的初衷，計(jì)算力的集中導(dǎo)致話語權(quán)的集中，也增加了少數(shù)人或組織操縱整個系統(tǒng)的風(fēng)險。

區(qū)塊鏈的其他應(yīng)用
除了比特幣之類的虛擬貨幣以外，區(qū)塊鏈還有很多用途。普遍來講，只要需要真實(shí)性認(rèn)證的業(yè)務(wù)都可能用到區(qū)塊鏈。例如“透明捐助系統(tǒng)”。通過區(qū)塊鏈技術(shù)，可以使一個公益項(xiàng)目中的所有捐助項(xiàng)目都公開，每個人都能追蹤自己捐獻(xiàn)的錢去了哪里，防止了公益組織的不透明問題。類似的，在眾籌、眾售領(lǐng)域也可以有同樣的應(yīng)用。此外，某些中央銀行也計(jì)劃通過引進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)降低自己的信息系統(tǒng)的維護(hù)成本。

當(dāng)然，母星哥最感興趣的還是在社會結(jié)構(gòu)層面。眾所周知，目前任何一個社會的運(yùn)轉(zhuǎn)都離不開一個中心的管理者（ZF）來作為信用和安全的擔(dān)保，但是同時由于缺乏監(jiān)督也出現(xiàn)了不少的弊端。那么區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)有沒有可能塑造一種沒有權(quán)威的社會形態(tài)呢？每個人都是平等的，通過分布式網(wǎng)絡(luò)維護(hù)各自的信用和交易。在沒有高層管理者的情況下實(shí)現(xiàn)高效溝通，最終建成一個真正的自由人的聯(lián)合？這一前景能否實(shí)現(xiàn)，請大家一起探討。