區(qū)塊鏈的技術(shù)定義

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)提供了拜占庭容錯(cuò)、并保證了最終一致性的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)；從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上看，它是基于時(shí)間序列的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)；從節(jié)點(diǎn)拓?fù)渖峡矗械墓?jié)點(diǎn)互為冗余備份；從操作上看，它提供了基于密碼學(xué)的公私鑰管理體系來(lái)管理賬戶。

　　或許以上概念過(guò)于抽象，我來(lái)舉個(gè)例子，你就好理解了。

　　你可以想象有 100 臺(tái)計(jì)算機(jī)分布在世界各地，這 100 臺(tái)機(jī)器之間的網(wǎng)絡(luò)是廣域網(wǎng)，并且，這 100 臺(tái)機(jī)器的擁有者互相不信任。

　　那么，我們采用什么樣的算法（共識(shí)機(jī)制）才能夠?yàn)樗峁┮粋€(gè)可信任的環(huán)境，并且使得：

　　節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換過(guò)程不可篡改，并且已生成的歷史記錄不可被篡改；

　　每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)會(huì)同步到最新數(shù)據(jù)，并且會(huì)驗(yàn)證最新數(shù)據(jù)的有效性；

　　基于少數(shù)服從多數(shù)的原則，整體節(jié)點(diǎn)維護(hù)的數(shù)據(jù)可以客觀反映交換歷史。

　　區(qū)塊鏈就是為了解決上述問(wèn)題而產(chǎn)生的技術(shù)方案。

　　我們結(jié)合以往講過(guò)的內(nèi)容，和即將要講的內(nèi)容，先提煉一下區(qū)塊鏈在技術(shù)上的 7 個(gè)特征，你先記住，我們后續(xù)會(huì)慢慢道來(lái)：

　　區(qū)塊鏈的存儲(chǔ)基于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)；

　　數(shù)據(jù)庫(kù)是區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)載體，區(qū)塊鏈?zhǔn)墙灰椎臉I(yè)務(wù)邏輯載體；

　　區(qū)塊鏈按時(shí)間序列化區(qū)塊數(shù)據(jù)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)最終確定狀態(tài)；

　　區(qū)塊鏈只對(duì)添加有效，對(duì)其他操作無(wú)效；

　　交易基于非對(duì)稱(chēng)加密的公私鑰驗(yàn)證；

　　區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)要求拜占庭將軍容錯(cuò)；

　　共識(shí)算法能夠“解決”雙花問(wèn)題。

　　區(qū)塊鏈的核心技術(shù)組成

　　無(wú)論是公鏈還是聯(lián)盟鏈，至少需要四個(gè)模塊組成：P2P 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式一致性算法（共識(shí)機(jī)制）、加密簽名算法、賬戶與存儲(chǔ)模型。

　　1. P2P 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　P2P 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是所有區(qū)塊鏈的最底層模塊，負(fù)責(zé)交易數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和廣播、節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和維護(hù)。

　　通常我們所用的都是比特幣 P2P 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊，它遵循一定的交互原則。比如：初次連接到其他節(jié)點(diǎn)會(huì)被要求按照握手協(xié)議來(lái)確認(rèn)狀態(tài)，在握手之后開(kāi)始請(qǐng)求 Peer 節(jié)點(diǎn)的地址數(shù)據(jù)以及區(qū)塊數(shù)據(jù)。

　　這套 P2P 交互協(xié)議也具有自己的指令集合，指令體現(xiàn)在在消息頭（Message Header) 的 命令（command）域中，這些命令為上層提供了節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、節(jié)點(diǎn)獲取、區(qū)塊頭獲取、區(qū)塊獲取等功能，這些功能都是非常底層、非常基礎(chǔ)的功能。如果你想要深入了解，可以參考比特幣開(kāi)發(fā)者指南中的 Peer Discovery 的章節(jié)。

　　2. 分布式一致性算法

　　在經(jīng)典分布式計(jì)算領(lǐng)域，我們有 Raft 和 Paxos 算法家族代表的非拜占庭容錯(cuò)算法，以及具有拜占庭容錯(cuò)特性的 PBFT 共識(shí)算法。

　　如果從技術(shù)演化的角度來(lái)看，我們可以得出一個(gè)圖，其中，區(qū)塊鏈技術(shù)把原來(lái)的分布式算法進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)學(xué)上的拓展。

　　（圖來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

　　在圖中我們可以看到，計(jì)算機(jī)應(yīng)用在最開(kāi)始多為單點(diǎn)應(yīng)用，高可用方便采用的是冷災(zāi)備，后來(lái)發(fā)展到異地多活，這些異地多活可能采用的是負(fù)載均衡和路由技術(shù)，隨著分布式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，我們過(guò)渡到了 Paxos 和 Raft 為主的分布式系統(tǒng)。

　　而在區(qū)塊鏈領(lǐng)域，多采用 PoW 工作量證明算法、PoS 權(quán)益證明算法，以及 DPoS 代理權(quán)益證明算法，以上三種是業(yè)界主流的共識(shí)算法，這些算法與經(jīng)典分布式一致性算法不同的是，它們?nèi)谌肓私?jīng)濟(jì)學(xué)博弈的概念，下面我分別簡(jiǎn)單介紹這三種共識(shí)算法。

　　PoW： 通常是指在給定的約束下，求解一個(gè)特定難度的數(shù)學(xué)問(wèn)題，誰(shuí)解的速度快，誰(shuí)就能獲得記賬權(quán)（出塊）權(quán)利。這個(gè)求解過(guò)程往往會(huì)轉(zhuǎn)換成計(jì)算問(wèn)題，所以在比拼速度的情況下，也就變成了誰(shuí)的計(jì)算方法更優(yōu)，以及誰(shuí)的設(shè)備性能更好。

　　PoS： 這是一種股權(quán)證明機(jī)制，它的基本概念是你產(chǎn)生區(qū)塊的難度應(yīng)該與你在網(wǎng)絡(luò)里所占的股權(quán)（所有權(quán)占比）成比例，它實(shí)現(xiàn)的核心思路是：使用你所鎖定代幣的幣齡（CoinAge）以及一個(gè)小的工作量證明，去計(jì)算一個(gè)目標(biāo)值，當(dāng)滿足目標(biāo)值時(shí)，你將可能獲取記賬權(quán)。

　　DPoS： 簡(jiǎn)單來(lái)理解就是將 PoS 共識(shí)算法中的記賬者轉(zhuǎn)換為指定節(jié)點(diǎn)數(shù)組成的小圈子，而不是所有人都可以參與記賬。這個(gè)圈子可能是 21 個(gè)節(jié)點(diǎn)，也有可能是 101 個(gè)節(jié)點(diǎn)，這一點(diǎn)取決于設(shè)計(jì)，只有這個(gè)圈子中的節(jié)點(diǎn)才能獲得記賬權(quán)。這將會(huì)極大地提高系統(tǒng)的吞吐量，因?yàn)楦俚墓?jié)點(diǎn)也就意味著網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的可控。

　　3. 加密簽名算法

　　由于我不是密碼學(xué)專(zhuān)業(yè)出身，所以這個(gè)部分我會(huì)以介紹為主。

　　在區(qū)塊鏈領(lǐng)域，應(yīng)用得最多的是哈希算法。哈希算法具有抗碰撞性、原像不可逆、難題友好性等特征。

　　其中，難題友好性正是眾多 PoW 幣種賴以存在的基礎(chǔ)，在比特幣中，SHA256 算法被用作工作量證明的計(jì)算方法，也就是我們所說(shuō)的挖礦算法。

　　而在萊特幣身上，我們也會(huì)看到 Scrypt 算法，該算法與 SHA256 不同的是，需要大內(nèi)存支持。而在其他一些幣種身上，我們也能看到基于 SHA3 算法的挖礦算法。以太坊使用了 Dagger-Hashimoto 算法的改良版本，并命名為 Ethash，這是一個(gè) IO 難解性的算法。

　　當(dāng)然，除了挖礦算法，我們還會(huì)使用到 RIPEMD160 算法，主要用于生成地址，眾多的比特幣衍生代碼中，絕大部分都采用了比特幣的地址設(shè)計(jì)。

　　除了地址，我們還會(huì)使用到最核心的，也是區(qū)塊鏈 Token 系統(tǒng)的基石：公私鑰密碼算法。

　　在比特幣大類(lèi)的代碼中，基本上使用的都是 ECDSA。ECDSA 是 ECC 與 DSA 的結(jié)合，整個(gè)簽名過(guò)程與 DSA 類(lèi)似，所不一樣的是簽名中采取的算法為 ECC（橢圓曲線函數(shù)）。

　　從技術(shù)上看，我們先從生成私鑰開(kāi)始，其次從私鑰生成公鑰，最后從公鑰生成地址，以上每一步都是不可逆過(guò)程，也就是說(shuō)無(wú)法從地址推導(dǎo)出公鑰，從公鑰推導(dǎo)到私鑰。

　　圖來(lái)自《精通比特幣》一書(shū)

　　4. 賬戶與交易模型

　　從一開(kāi)始的定義我們知道，僅從技術(shù)角度可以認(rèn)為區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，那么，多數(shù)區(qū)塊鏈到底使用了什么類(lèi)型的數(shù)據(jù)庫(kù)呢？

　　我在設(shè)計(jì)元界區(qū)塊鏈時(shí)，參考了多種數(shù)據(jù)庫(kù)，有 NoSQL 的 BerkelyDB、LevelDB，也有一些幣種采用基于 SQL 的 SQLite。這些作為底層的存儲(chǔ)設(shè)施，多以輕量級(jí)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)為主，由于并不涉及區(qū)塊鏈的賬本特性，這些存儲(chǔ)技術(shù)與其他場(chǎng)合下的使用并沒(méi)有什么不同。

　　區(qū)塊鏈的賬本特性，通常分為 UTXO 結(jié)構(gòu)以及基于 Accout-Balance 結(jié)構(gòu)的賬本結(jié)構(gòu)，我們也稱(chēng)為賬本模型。UTXO 是“unspent transaction input/output”的縮寫(xiě)，翻譯過(guò)來(lái)就是指“未花費(fèi)的交易輸入輸出”。

　　這個(gè)區(qū)塊鏈中 Token 轉(zhuǎn)移的一種記賬模式，每次轉(zhuǎn)移均以輸入輸出的形式出現(xiàn)；而在 Balance 結(jié)構(gòu)中，是沒(méi)有這個(gè)模式的。