一、区块链的本质
区块链是一种特殊的分布式数据库。
区块链的主要作用是存储信息。任何需要保存的信息，都可以写入区块链，也可以从里面读取，所以它是数据库。其实，任何人都可以架设服务器，加入到区块链网络，成为一个节点。区块链的世界里面，没有中心节点，每个节点都是平等的，都保存着整个数据库。你可以向任何一个节点，写入\读取数据，因为所有节点最后都会同步，保证区块链一致。
二、区块链的特点
分布式数据库并非新发明，市场上早有此类产品。但是，区块链有一个革命性特点。区块链没有管理员，它是一个彻底无中心的。其他的数据库都有管理员，但是区块链没有。如果有人想对区块链添加审核，也实现不了，因为它的设计就是防止出现居于中心地位的管理当局。正是因为无法管理，区块链才能做到无法被控制。否则一旦大公司大集团控制了管理权，他们就会控制整个平台，其他使用者就都必须听命于他们了。但是，没了管理员，人人都可以往里面写入数据，怎么才能保证数据是可信的呢？被坏人改了怎么办？
三、区块
区块链由一个个区块（block）组成。区块很像数据库的记录，每次写入数据，就是创建一个区块。
* 每个区块包含两个部分。
- 区块头（Head): 记录当前区块的特征值。
- 区块体（Body): 实际数据。
* 区块头包含了当前区块的多项特征值。
- 生成时间
- 实际数据（即区块体）的哈希
- 上一个区块的哈希
- 。。。
所谓“哈希”就是计算机可以对任意内容，计算出一个长度相同的特征值。区块链的哈希长度是256位，这就是说，不管原始内容是什么，最后都会计算出一个256位的二进制数字。而且可以保证，只要原始内容不同，对应的哈希值一定不相同（概率极低）。
因此，就有了两个重要的推论。
- 每个区块的哈希都是不一样的，可以通过哈希标识区块。
- 如果区块的内容变了，它的哈希一定会变。
四、区块Hash
每个区块的哈希都是针对“区块头”计算的。也就是说，把区块头的各项特征值，按照顺序连接在一起，组成一个很长做的字符串，再对这个字符串计算哈希。区块哈希的计算公式为：
其中，SHA256是区块链所使用的哈希算法。这个公式里面只包含区块头，不包含去块体，也就是说，哈希有区块头唯一决定。
五、Hash的不可修改性
区块头包含很多内容，其中有当前区块体的hash，还有上一个区块的hash。这就意味着，如果当前区块体的内容变了，或者上一个区块的hash变了，一定会引起当前区块的hash改变。
如果有人修改了一个区块，该区块的哈希就变了。为了让后面的区块还能连到它（因为下一个区块包含上一个区块的哈希），该人必须依次修改后面所有的区块，否则被改掉的区块就脱离区块链了。由于后面要提到的原因，哈希的计算很耗时，短时间内修改多个区块几乎不可能发生，除非有人掌握了全网51%以上的计算能力。
正是通过这种联动机制，区块链保证了自身的可靠性，数据一旦写入，就无法被篡改。这就像历史一样，发生了就是发生了，从此再无法改变。
每个区块都连着上一次区块，这也是“区块链”这个名字的由来。
六、采矿
由于必须保证节点之间的同步，所以新区块的添加速度不能太快。试想一下，你刚刚同步了一个区块，准备基于它生成下一个区块，但这时别的节点又有新区块生成， 你不得不放弃做了一半的计算，再次去同步。因为每个区块的后面，只能跟着一个区块，你永远只能在最新区块的后面生成下一个区块。所以，你别无选择，一听到信号，就必须立刻同步。
所以，区块链的发明者中本聪故意让添加新区块，变得很困难。他的设计是，平均每10分钟，全网才能生成一个新区块，一小时也就六个。
这种产出速度不是通过命令达成的，而是故意设置了海量的计算。也就是时候，只有通过极其大量的计算，才能得到当前区块的有效哈希，从而把新区块添加到区块链。由于计算量太大，所以快不起来。
这个过程叫做采矿(mining)，因为计算有效哈希的难度，好比在全世界的沙子里面，找到一粒符合条件的沙子。计算哈希的机器就叫做矿机，操作矿机的人就叫做旷工。
七、难度系数
不是任意一个哈希都可以，只有满足条件的哈希才会被区块链接受。这个条件特别苛刻，使得绝大部分哈希都不满足要求，必须重算。区块头包含一个难度系数(difficulty)，这个值决定了计算哈希的难度。举例来说，第100000个区块的难度系数是14484.16236122。
区块链协议规定，使用一个常量除以难度系数，可以得到目标值(target)。
显然，难度系数越大，目标值就越小。
哈希的有效性跟目标值密切相关，只有小于目标值的哈希才是有效的，否则哈希无效，必须重算。由于目标值非常小，哈希小于该值的机会极其渺茫，可能计算10亿次，才能中一次。这就是采矿如此之慢的根本原因。前面说过，当前区块的哈希由区块头唯一决定。如果要对同一个区块反复计算哈希，就意味着，区块头必须不停地变化，否则不可能算出不一样的哈希。区块头里面所有的特征值都是固定的，为了让区块头发生变化，中本聪故意增加了一个随即向，叫做Nonce。Nonce是一个随机值，矿工的作用其实就是猜出Nonce的值，是的区块头的哈希可以小于目标值，从而能够写入区块链。Nonce是非常难猜的，目前只能通过穷举法一个个试错。根据协议，Nonce是一个32位的二进制值，即最大可以到21.47亿。第10000个区块的Nonce值是274148111，可以理解成，矿工从0开始，一直计算了2.74亿次，才得到了一个有效的Nonce值，是的算出的哈希能够满足条件。运气好的话，也许一会儿就找到了Nonce。运气不好的话，可能算完了21.47亿次，都没有发现Nonce，即当前去块体不可能算出满足条件的哈希。这时，协议允许矿工改变区块体，开始新的计算。
八、难度系数的动态调节
正如上一节所说，采矿具有随机性，没法保证正好十分钟产出一个区块，有时一分钟就算出来啦，有时几个小时可能也没有结果。总体来看，随着硬件设备的提升，以及矿机的数量增长，计算速度一定会越来越快。
为了将产出速率恒定在十分钟，中本聪还设计了难度系数的动态调节机制。他规定，难度系数每两周（2016个区块）调整一次。如果这两周里面，区块的平均生成速度是9分钟，就意味着比法定速度快了10%，因此接下来的难度系数就要调高10%；如果平均生成速度是11分钟，就意味着比法定速度慢了10%，因此接下来的难度系数就要调低10%。难度系数越调越高（目标值越来越小），导致了采矿越来越难。
九、区块链的分叉
即使区块链是可靠的，现在还有一个问题没有解决：如果两个人同时向区块链写入数据，也就是说，同时有两个区块加入，因为它们都连着前一个区块，就形成了分叉。这时应该采纳哪一个区块呢？
现在的规则是，新节点总是采用最长的那条区块链。如果区块链有分叉，将看哪个分支在分叉点后面，先达到6个新区块（称为”六次确认”）。按照10分钟一个区块计算，一小时就可以确认。
由于新区块的生成速度由计算能力决定，所以这条规则就是说，拥有大多数计算能力的那条分支，就是正宗的区块链。
十、总结
区块链作为无人管理的分布式数据库，从2009年开始已经运行了8年，没有出现大的问题。这证明它是可行的。;但是，为了保证数据的可靠性，区块链也有自己的代价。一是效率，数据写入区块链，最少要等待十分钟，所有节点都同步数据，则需要更多的时间；二是能耗，区块的生成需要矿工进行无数无意义的计算，这是非常耗费能源的。因此，区块链的适用场景，其实非常有限。
1. 不存在所有成员都信任的管理当局；
2. 写入的数据不要求实时使用；
3. 挖矿的收益能够弥补本身的成本。
如果无法满足上述的条件，那么传统的数据库是更好的解决方案。
目前，区块链最大的应用场景（可能也是唯一的应用场景），就是以比特币为代表的加密货币。