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哈希
硬知识：王建硕谈链表，哈希，挖矿等，智能合约，代币（Token）等 - 区块链技术学习笔记
链表，哈希，挖矿等，智能合约，代币（Token）
开篇
很多年没有看到像区块链这样有生命力的事物了。它像一个欣欣向荣的新大陆一样，把技术理想主义者，围观者，投资者，投机者，甚至流氓骗子各色人等聚集在一起。
在此乱象中，我深感于现在区块链，观点太多，事实太少。我作为一个个体去摸这头大象的时候，比较擅长的是以技术的角度切入，看它到底是如何工作，如何发展的，从而把这一只象腿摸清楚。我把自己的学习记录下来。这些记录可能很入门，甚至有错误，但是或许对于同样感兴趣的人有所帮助。
链表
从技术角度看，区块链的底层是精妙设计的链表数据结构①。
什么是链表呢？就是有顺序的一串数据块，一个跟在另一个后面，这个顺序是严格规定的，不能乱。区块链，食物链，供应链，资金链，甚至鄙视链，描述的就是这样有顺序的一串物品②。
我们以比特币为例，来剖析这个链表。
为了构成链表，链表的数据块里面有两个基本的部分：区块头，和数据本身。区块头里面有一个字段指明了上一个区块的id，而所有区块的id既不是顺序的，也不是随机的，而是区块头这80个字节的两次哈希值。
哈希 Hash
这可能是区块链里面最让非理工科出身的学习者费解的概念了。听起来很吓人，实际很简单。哈希就是一个算法，能把任意长度的内容（无论是一个数，还是文章，图像，视频，总之就是任何数字化的信息）转换成一串看似没有规律的固定长度的数字（哈希值），并保证结果唯一，而从这个结果几乎没有办法推算出原始数据。比特币用的是叫做SHA256的哈希算法。
比如：1 的SHA256哈希结果是: 0x6b86b273ff34fce19d6b804eff5a3f5747ada4eaa22f1d49c01e52ddb7875b4b
2 的SHA256哈希结果是:
0xd4735e3a265e16eee03f59718b9b5d03019c07d8b6c51f90da3a666eec13ab35
我们把这个哈希值看成乱码好了，因为唯一的规律就是没有规律。同时，在原始数据中哪怕有一点点改动，产生的哈希就会产生巨大的变化。这个特性常常用来做“数字指纹”。
用日常例子来打个比方。比如按照配方做菜就是个哈希过程：有了配方精确的做菜容易，而从菜品推测出配方难得多。给出两个数算出他们的平方和比较容易，给出一个数求是哪两个数的平方和就难很多。哈希算法就大概这么个意思。
区块头和id
刚才讲到，每个区块的id从它的区块头的80个字节数据两次SHA256哈希得到。区块链的一个精妙的设计就是，它对于的id是有要求的。只有满足特定的规则的id才是合法的。这个规则就是：区块头的哈希值必须小于一个数，直观看到的就是，每个新的区块的长达64个字符的id必须以比如18个零开头④，一个合法的区块id是长成这个样子的：0000000000000000003c19cdbebe2df5c7f82558e2c80a0c7341e25072b732a2
区块头这80个字节里面的6个字段，5个是不能改的，它们是：
1. 版本号 最近一直是0x20000000 ⑥
2. 上一个块的哈希值 这个是排队时候的队尾，改了就排不到队里了
3. 数据的哈希 这个是区块里的交易数据，也不能改③
4. 时间 不能改，就是现在的时间。
5. 难度 每个给定的时间全网的难度是一样的④
只有第六个字段是随便写的，这个数字叫做No nce
6. No nce
网络上任何一台机器只要找到一个合适的数字填到自己的这个区块的No nce位置，使得区块头这6个字段（80个字节）的数据的哈希值的哈希值以18个以上的0开头，谁就找到了那个金子⑦！既然我们无法事先写好一个满足18个0的数字然后反推Nounce，唯一的做法就是从0开始一个一个的尝试，看结果是不是满足要求，不满足就再试下一个，直到找到。
这个过程被戏称为挖矿。其实我觉得这个过程和淘金更像。淘金者做的事情很简单，却很重复，就是对于河里所有沙子，拿起来一个，判断是不是金子。如果不是，扔掉再拿一个。如此重复几百万次，总有一个是金子。而在区块链世界，那64个十六进制的字符串，第一个是0的概率是1/16，第二个也是0的概率再乘以1/16，第18个还是零的概率可想而知。所以大家为了找到这个金子一般的No nce一般要花费十几亿次尝试，虽然每次算哈希的工作并不那么费时间，重复十几亿次还是要耗费巨大的计算机资源和电力资源。
比特币体系的另外一个精妙设计就是它动态的调整难度，以无论有多少台矿机在寻找那个珍贵的正确的No nce，都保证大约每10分钟产生一个块。这也是一个类似经济学的算法。它每2016的块（也就是2周）就计算一下前面2016个块平均每个块花了多少时间，如果低于10分钟就按照低的比例调高难度，如果高于10分钟调低难度。这样矿机无论增减，比特币都可以按照每10分钟找到一个块的金数字并且生成一个合法的块。
找到了那个金子一样的数字以后呢？
谁找到了那个数字，谁都可以向全网广播这个新块了。而真正的财富秘密在于在这个新块的数据区的交易数据里面，第一条交易中，挖矿的人可以凭空的给一个地址（通常是自己的）发放12.5个比特币。这是规则认可的，就好像赌场里荷官可以合法的从桌上拿一部分钱进自己的口袋一样。这12.5个比特币是比特币网络上唯一没有发款人，只有收款人的交易，新的比特币就这样凭空诞生了。这个激励每4年减半，再过两年就只有6.25个了，这样2140年左右两千一百万个比特币就基本上全产生了并且不会增加了。
区块链的网络
刚才描述的是在一台电脑上的样子。实际上，这一串数据是通过P2P网络分布在无数的电脑（节点）上的。任何矿工找到了那个金子数字后就立刻全网络刚播新找到的块。如果所有节点在一个大的聊天室里面倒也简单，但实际上这个广播是跟烽火台一样接力的传递的。每个节点告诉周围的，然后它再告诉周围的。有意或无意的，就会有两个或多个矿工近似同时对于网络的一部分分别宣布发现了新块。这个时候的规则就是，每个节点只会接受最长的链并且丢弃较短的链⑤。经过几个节点后一定有一个胜出，另外一个被抛弃，而添加新块是需要算力的，最终一定是拥有最大算力的一方获胜。这也就是如果没有人掌超过50%的算力就无法控制区块链。
小结
以比特币体系为例，最底层就是一串这样以80个字节的区块头开始，约1M的数据跟着的数据。用哈希这样的算法，一层一层的锁定，形成了固若金汤的链条。再把它分布在成千上万的节点上，再又成千上万的矿机通过挖矿来保持算力高压，让篡改数据需要算力门槛。同时，任何人对于历史数据，哪怕就改了很小的一部分，数据的哈希就变了，区块头就变了，它的两次哈希结果就变了，它后面的块就连不上来了，就会被立刻发现。如此几层嵌套，一个人类到现在为止最为安全和防篡改的公共信息系统诞生了。
下面几篇会记录一下钱包，公钥密钥，智能合约，发放通证（Token），区块链应用，区块链对于组织的影响等等方面继续记录学习过程。感谢阮一峰，华宏伟，王哲，赵君，Tim Chen的指正和帮助。
后注
注①：这个跟其他的各种“本质是”并不矛盾，比如区块链本质是分布式账本也对，这个是在链表结构上面构建的，也有人说本质是加密货币，这也对，因为货币是在分布式账本之上构建的。这些说法之间不是非此即彼的矛盾关系，而是不同层次的应用的问题。
注②：自然界谁吃谁的顺序，生产中的谁供货给谁，再组装后工会给谁的顺序，资金从哪里流到哪里，再流到哪里等等，都是这样的数据结构。
注③： 区块头的第三个字段其实不是数据的直接哈希，而是一个树状结构Merkle根。
注④：刚才所说的18个零是一种近似的说法。严格地说，是算出来的本块的ID必须小于一个叫做叫做目标数的数。这个数越小（就是开始的0越多），就越难。
注⑤：严格的意义说最长的链不是最多区块的链，而是链上的所有块的难度总量最大的链。
注⑥：只给感兴趣的人看：0x20000000 （十进制536870912）是从BIP9开始规定的新的版本号规则，开始用一个位数表示一个独立的功能，以区分未来的软分叉。0x20000000 相当于block的第五个版本。
注⑦：以我写文章的时候最新的一个块为例，它的80位区块头是这样的：
000000205d9a3e3dec3e207c3afa9c0be901eaece34b99973a50330000000000000000008565d5bf3819014d521429f02b8cf9d27e226b80998f61d87cd51846c9ab6f9551eb9c5aa3895517ed52e1d4
非常不方便的地方在于比特币选择了小端存储，就是习惯意义的倒着写数字的方式。按照颜色，如上就是：版本号上一个块的哈希数据哈希时间难度Nounce 。这个80位数字的两次SHA256哈希就是这一个块的id，18个零开头，满足要求：00000000000000000043752089261f2b6699cd988d9f5b1732a5a259b50984cf
第二篇:
智能合约（Smart Contract）是区块链一个重要的功能。说到智能合约，我们得把视野从比特币转到以太坊，因为完整的支持智能合约是以太坊和比特币的重大差别。
让我们发个币吧
听说区块链上可以发币，想发行一个自己的币 ①？来，直接上代码！
我希望你即使不懂代码，也要放下对未知的恐惧，静下心来一行一行读。毕竟这代码简单到大多数人都能看懂。
contract XMT {
mapping (address => uint) public balanceOf;
function XMT() public {
balanceOf[msg.sender] = 1000;
}
function transfer(address to, uint value) public {
require(balanceOf[msg.sender] >= value);
require(balanceOf[to] + value >= balanceOf[to]);
balanceOf[msg.sender] -= value;
balanceOf[to] += value;
}
}
惊人之处来了。如上代码不是概念性的伪代码，而是可以运行的真实代码。
首先它定义了一个记录每个账户有多少余额的数组： balanceOf 。
mapping (address => uint) public balanceOf;
看不懂的同学就把它当作有两列的表格，第一列是账号，第二列是余额。用 balanceOf [ 账号 ] 就可以查到这个账号的余额，也可以更改余额。
接下来是两个功能：初始化和转账。
初始化函数XMT( )很简单，就是合约建立的时候，任性的把1000个币全都给创建者。
balanceOf[msg.sender] = 1000;
大家要问，币是怎么产生的？没什么产生过程，想给谁多少就是多少。初始的时候写一个亿也就有了一个亿的币。如此随意的就能产生币，希望会引发大家在夜深人静的时候，对于货币到底是什么这样的深层思考。
我们接着看：
转账代码 transfer( ) 核心是两句：
balanceOf[msg.sender] -= value;
balanceOf[to] += value;
谁发起的转账，就把他(msg.sender)的账户余额减去转账金额(value)那么多，然后把收款人(to)的余额加上那么多②。
别小看这两句话。仔细琢磨一下，这其实就是账户和转账的本质。这简单的两句话是银行体系这么多年花了多少的硬件软件，人力物力才能达到的效果。
大家常常听说谁谁谁又发币了。从技术角度，就是在以太坊上部署了包含这三行代码的一个合约。在以太坊的官方网站上就有一段100多行的标准代码：https://ethereum.org/token。这段代码里面还有其他一些功能，比如可以给这个代币指定名称，符号，还有授权转账，销毁等功能。大家只要拷贝这个代码，指定你的新币的名称（比如 Xiaomao Token），符号（比如：XMT） ⑦，还有初始发行量比如：1,000,000,000)，一个新的币就诞生了。整个过程3分钟应该够了。把参数改一下再部署一下代码，第二个新币又诞生了。
这新生的货币，虽然没啥用，但在安全性方面和以太币天生是一样的。这就像家长给孩子发了一些饭票，而这饭票的防伪技术和美元一模一样。看起来相当的大材小用，但如果把发货币成本降到几乎为零，把防伪能力提升到已知的最高水平，随着时间的推移，难说不会产生什么重要的应用。
部署代码
代码看懂了，下一步呢？怎么运行这代码？这代码到底在哪里运行呢？接着我们看部署过程。
部署代码，你需要在以太坊的客户端里，把这段代码粘贴进去，并且按“部署”按钮。客户端就会把这种人可以读懂的代码③编译成字节码，然后生成一笔从你的地址，发给一个空地址（0x0）的交易，并把字节码存在一个给定的字段里面（叫input），签名后发到整个网络上。接下来的操作和普通交易完全一样。矿工收到了以后立刻开始打包，算nonce，找到了以后再发送给全网络。这个可以被执行的代码，就永久的以只可读取不可更改的方式，存在了区块链上。
智能合约建立后会返回一个地址。每个币都唯一的对应于一个智能合约，也就是对应于一个地址。比如著名的EOS币，就是地址为 0x86fa049857e0209aa7d9e616f7eb3b3b78ecfdb0 的智能合约发行的。你可以把这个地址想象成以太坊世界里的门牌号。币是以这个唯一的门牌号来区分的，而不是那三位的名字。
调用合约
现在，合约的代码安全的存在区块链上了。那么接下来这些代码什么时候执行呢？
一个智能合约里面有多个函数。调用智能合约里的一个函数，和发起一笔普通转账交易一样。很多的客户端已经内置进去了。你提供合约的地址，提供调用的函数，以及传入参数，然后发送消息就开始执行了⑤。你可以把它理解为从门牌号的屋子里面拿东西或者放东西进到给定的屋子。
消息发出以后，所有的矿工都执行这段代码，并且试图把结果打包到自己的数据块中，胜出的矿工获得挖矿的收益。所有的节点收到这个新的区块，也用自己的虚拟机执行一遍代码，确认结果和收到的块内结果无异之后才当作合法区块接受。
区块链就是通过这种超额的浪费，看似无意义的算nonce，看似无意义的反反复复，没完没了的执行同一段代码，来保证了一个安全的系统。这事儿就跟早上叠被子晚上还得展开一样，看似不产生价值，实则是房（shu）间（ju）整（an）洁（quan）不可或缺的一环。
花费 Gas
既然代码要被所有节点反复执行，那么问题就来了：要是谁写了巨长无比的代码，或者谁写了有问题的代码，死循环不结束了怎么办？以太坊的解决方法就是引入gas，每执行一个操作都是收费的。怎么收费呢？
首先每个交易的代码执行量越大，需要的gas就越多。字节码每一个操作都有固定的gas花销。以发币代码为例，如下是以太坊给我发的账单。总共执行了320步字节码的操作。有的操作很便宜，比如压栈(PUSH1)，只要3个单位的gas，有的就很贵，比如在区块链上存数据(SSTORE)就一下子花了20,000个单位，而读取数据(SLOAD) 中等， 200个单位。如下加在一起就是1,300,213个单位的gas。只要执行这段代码，就是要这么多gas，好像汽车修理店工时的概念。
提交的时候每个人都可以出价，声明自己愿意为每个单位gas付多少钱(price)。这个有点像修理店的每工时的价钱。比如你可以出8 gwei/gas，或20 gwei/gas ⑥。矿工们大多数都是按照这个价钱排序优先打包出钱多的。出钱少就慢，甚至没人理。
矿工的费用 = gas单位数 * 单位价格。
如下图所示交易，1,300,213 gas * 2 gwei/gas = 2,600,426 gwei，或0.002600426 以太币，折合1.832美元。最终把这笔交易打包进区块链的矿工获得这部分费用。
除了价格以外，还需要指定一个gas limit，就是你为了这段代码最多愿意付多少单位的gas。这就是为了预防代码出现问题，无限循环下去，直到把你的账户里的钱耗尽为止。如上图，gas limit设为1,300,213个，这段代码实际上也只用了1,300,213个单位的gas，还好，正好没有超过限制。否则超过了程序执行会嘎然而止，已经花的gas不退。
智能合约的价值
智能合约第一次认可了代码的自主权。代码可以拥财产，可以和人一样平等的在区块链上交易。一个合约的代码一旦发布，谁都改不了了，连上帝都无能为力。这就是信任的来源。大家可以像坚信自然定律一样坚信这个合约如代码所写的执行。你不需要相信任何人，只需要认真的读智能合约的代码，就可以确定性的知道这个合约将如何执行。
如上从技术层面简单的介绍了一下智能合约的过程。但智能合约和区块链真正的价值不在技术，而是它们对于价值传递以及信任建立的贡献。
我们看到的人类发展总是多条线并进，一条是生产效率，蒸汽机，电力，计算机，互联网，人工智能等都在这条线上；区块链是生产关系的进步这条线上的，这条线上曾经有过货币，现代公司制度，股票，现在有了区块链。
晚一些我再聊一下它对信任的贡献，还有可能对于社会的改变。
后注
① 很多专业人士希望把token翻译成通证，而不是代币。“通证”更加符合单词原意，符合事物本质，也希望避免被当作货币监管。这像极了“网志”和“博客”两个译名之争。结果博客被接受，更加准确，拗口，后来出现的网志不再有人提起。这个结果或许可以预测通证这个翻译的结果。
②Transfer函数前面的两句require，第一个是要求你的余额必须大于转账金额，第二个是要求转账金额不要过大以至于大于256位整数能容纳的数字。msg.sender 是内置的，可以获取消息的发送人的地址。
③可以搜索Remix，或MyEtherWallet。Solidity的语法和JavaScript很像，专门用于以太坊上编写智能合约。
④这里解释一下技术细节。建立合约的时候，用户发起一笔发款人为自己，收款人为空地址 0x0 的交易，并把字节码放到交易里面叫做输入（Input）的字段里面。矿工就会生成一个新的合约地址并把代码存在这个地址里。
⑤技术实现，其实是在交易数据的Input字段加上了一个编码后的数字。比如这串数字：a9059cbb00000000000000000000000007fdf7518745170e3d9de26874578b6c0a72b9dc0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000010
颜色是我为了区分加的，前四字节a9059cbb是函数名 ，"transfer(address,uint256)"这个字符串的SHA3-256哈希结果a9059cbb2ab09eb219583f4a59a5d0623ade346d962bcd4e46b11da047c9049b的前4位，用来指定是哪一个函数，根据函数定义，就知道后32位是第一个参数：地址 ，也就是0x07fdf7518745170e3d9de26874578b6c0a72b9dc。接下来32个字节是
金额 ，相当于十进制16。大家看得出，现在的区块链从抽象水平上基本上还停留在计算机的DOS和汇编语言的时代。
⑥ 1 gwei 就是 1,000,000,000 个wei。这个g就跟内存单位多少GB的G是一个概念，就是10亿的意思。10的18次方个wei就等于一个以太币。所以1 gwei看起来很大，其实也就是10的9次方分之1个以太币而已。一个以太币在我写这篇文章的时候是764美元，你大概有概念了是多少钱了吧。
⑦ 发币时候指定的名称，符号，仅仅就是一个字付串，是可以重复的。你可以发一个币叫USD，RMB，或任何你能想象的名字。Token是以发行这个Token的智能合约的地址唯一指定的，和名字无关。
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