區(qū)塊鏈技術(shù)入門詳解

區(qū)塊鏈?zhǔn)悄壳耙粋€比較熱門的新概念，蘊含了技術(shù)與金融兩層概念。從技術(shù)角度來看，這是一個犧牲一致性效率且保證最終一致性的的分布式的數(shù)據(jù)庫，當(dāng)然這是比較片面的。從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來看，這種容錯能力很強的點對點網(wǎng)絡(luò)，恰恰滿足了共享經(jīng)濟(jì)的一個必須要求——低成本的可信環(huán)境。

1. 技術(shù)人員看待區(qū)塊鏈的正確姿勢

區(qū)塊鏈雖然是一個新興的概念，但它依賴的技術(shù)一點也不新，如非對稱加密技術(shù)、P2P網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。好比樂高積木，積木塊是有限的，但是不同組合卻能產(chǎn)生非常有意思的事物。

我接觸過一些工程師，初次接觸區(qū)塊鏈時，不約而同的表達(dá)了：都是成熟的技術(shù)，不就是分布式存儲嘛。站在工程師的角度，第一反應(yīng)將這種新概念映射到自己的知識框架中，是非常自然的。但是細(xì)究之下發(fā)現(xiàn)，這種片面的理解可能將對區(qū)塊鏈的理解帶入一個誤區(qū)，那就是作為一個技術(shù)人員，忽略了區(qū)塊鏈的經(jīng)濟(jì)學(xué)特性——一個權(quán)力分散且完全自治的系統(tǒng)。

區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個基于P2P的價值傳輸協(xié)議，我們不能只看到了P2P，而看不到價值傳輸。同樣的，也不能只看到了價值傳輸，而看不到區(qū)塊鏈的底層技術(shù)。

可以這么說，區(qū)塊鏈更像是一門交叉學(xué)科，結(jié)合了P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、非對稱加密技術(shù)、宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)博弈等等知識，構(gòu)建的一個新領(lǐng)域——針對價值互聯(lián)網(wǎng)的探索。

那什么是價值互聯(lián)網(wǎng) ？

價值互聯(lián)網(wǎng)可以是當(dāng)下如日中天的電子商務(wù)所衍生的支付業(yè)務(wù)。但，真的只是支付領(lǐng)域嗎？很顯然這是不夠的，一級資本市場，實體資產(chǎn)確權(quán)與轉(zhuǎn)移，證券登記交割、征信與反欺詐。我們再仔細(xì)想想，我們的各大電商平臺的專業(yè)差評師，惡意刷單還少嗎？

如今的金融領(lǐng)域，除了支付比較便利之外，在其他絕大部分的業(yè)務(wù)中，我們就像是被套著鎖鏈走路一樣，我們反復(fù)確認(rèn)，反復(fù)審核，反復(fù)監(jiān)督，我們反復(fù)構(gòu)建一個又一個的大大小小的高可用集群，保證線上服務(wù)的可靠性與連續(xù)性，我們雇傭一個又一個的安全工程師，交付一個又一個的滲透測試項目。為什么？因為作弊的成本太低了，低到只要改數(shù)據(jù)庫的一行記錄就可以提取上百萬的資金。

強大的互聯(lián)網(wǎng)給了我們成本幾乎為零的高速信息傳輸通道，卻沒有一個成本低廉可靠的高速價值傳輸通道，那么這也就是區(qū)塊鏈即將帶來的。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€公共的分布式總賬，下面從技術(shù)角度簡單介紹一下：

想象一個100臺的分布式數(shù)據(jù)庫集群，現(xiàn)在的情況是這100個節(jié)點實際上的擁有者是一個機構(gòu)，并且所有節(jié)點處在該機構(gòu)的內(nèi)網(wǎng)當(dāng)中，所以這個機構(gòu)想讓這100個數(shù)據(jù)庫節(jié)點干嘛就干嘛，換句話說這100個節(jié)點之間是處于一個可信任的環(huán)境，并且受控于一個實體，這個實體具有絕對仲裁分配權(quán)。

另外的情況是這樣的，想象這100個節(jié)點分別歸不同的人所有，且每個人的節(jié)點數(shù)據(jù)都是一樣的，即完全冗余，并且所有的節(jié)點是處在廣域網(wǎng)當(dāng)中，換句話說就是這100個節(jié)點之間是不信任的，且不存在一個實體，它擁有絕對仲裁權(quán)。

現(xiàn)在考慮第二種情況，采用什么樣的算法（共識模型）能夠提供一個可信任的環(huán)境，使：

每個節(jié)點交換數(shù)據(jù)過程不被篡改；交換歷史記錄不可被篡改；

每個節(jié)點的數(shù)據(jù)會同步到最新數(shù)據(jù)，且承認(rèn)經(jīng)過共識的最新數(shù)據(jù)；

基于少數(shù)服從多數(shù)的原則，整體節(jié)點維護(hù)的數(shù)據(jù)本身客觀反映了交換歷史。

區(qū)塊鏈本質(zhì)上就是要解決以上第二種情況的一種技術(shù)方案，更確切的說應(yīng)該叫分布式的冗余的鏈?zhǔn)娇値け痉桨?。有關(guān)區(qū)塊鏈的一些要素，在我以往的文章里有總結(jié)過一些：

包含一個分布式數(shù)據(jù)庫

分布式數(shù)據(jù)庫是區(qū)塊鏈的物理載體，區(qū)塊鏈?zhǔn)墙灰椎倪壿嬢d體，所有核心節(jié)點都應(yīng)包含該條區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的全副本

區(qū)塊鏈按時間序列化區(qū)塊，且區(qū)塊鏈?zhǔn)钦麄€網(wǎng)絡(luò)交易數(shù)據(jù)的唯一主體

區(qū)塊鏈只對添加有效，對其他操作無效

基于非對稱加密的公私鑰驗證

記賬節(jié)點要求拜占庭將軍問題可解/避免

共識過程（consensus progress）是演化穩(wěn)定的，即面對一定量的不同節(jié)點的矛盾數(shù)據(jù)不會崩潰。

共識過程能夠解決double-spending問題

所以作為一個技術(shù)人員，不應(yīng)當(dāng)只看到了區(qū)塊鏈所依賴的技術(shù)，更應(yīng)該關(guān)注區(qū)塊鏈以外的點和面，綜合來看，區(qū)塊鏈將會有趣得多。

2. 區(qū)塊鏈的一般性架構(gòu)介紹

有關(guān)區(qū)塊鏈本身的發(fā)展史，網(wǎng)絡(luò)上資料比較多，本文不再贅述。

而有關(guān)區(qū)塊鏈技術(shù)的介紹，在各個區(qū)塊鏈平臺的社區(qū)是有詳細(xì)資料的，但是針對這些資料的總結(jié)，以及抽象出一共通概念的介紹，還是鳳毛麟角，本文嘗試總結(jié)一下。

在介紹之前，我想稍微介紹一下公有鏈，聯(lián)盟鏈的概念，這些概念是以太坊創(chuàng)始人Vitalik提出的，我在這些概念的基礎(chǔ)上做了一些研究。

其實區(qū)分公有鏈、聯(lián)盟鏈很簡單，只要看這個區(qū)塊鏈的訪問權(quán)限就可以了，如果訪問該區(qū)塊鏈需要獲得鏈上節(jié)點的許可，那么這是一個聯(lián)盟鏈，否則是公有鏈。

根據(jù)名稱，我們也可以”望文生義“，公有表示一個完全開放的網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)盟表示一個半開放的網(wǎng)絡(luò)，成員之間是共享的，非成員身份是沒有自由訪問權(quán)限的，所以我們也稱聯(lián)盟鏈為許可鏈。

下面我們來看幾個比較主流的區(qū)塊鏈平臺（公有鏈，皆開源）：

比特幣 Bitcoin

以太坊 Ethereum/經(jīng)典以太坊 Ethereum Classic

比特股 Bitshares

我一般戲稱為”三巨頭“，從生態(tài)上來看，比特幣是最為成熟穩(wěn)定的，以太坊更像是一個沖在前面的勇士，比特股相比前兩位生態(tài)要小很多，但是從創(chuàng)新的角度，也不亞于前兩位。

其他的很多項目，是從這三個區(qū)塊鏈上衍生出來的，所以以這三個為基礎(chǔ)，基本上可以吃透區(qū)塊鏈了。

不得不提的還有Linux基金會項目——HyperLedger項目（主打聯(lián)盟鏈，開源），也是旨在打造一個通用的區(qū)塊鏈技術(shù)，不過我認(rèn)為目前尚在開發(fā)迭代當(dāng)中，還沒有具體的應(yīng)用案例，按下不講。

另外還有一些銀行寡頭間的聯(lián)盟鏈項目——R3 CEV項目（聯(lián)盟鏈，閉源），以及中國的R3項目——ChinaLedger（聯(lián)盟鏈，閉源），當(dāng)然這些不是源的，我無法獲得有用的資料進(jìn)行分析，所以就不展開了。

從技術(shù)上來看，針對不同的業(yè)務(wù)場景，對區(qū)塊鏈有不同需求，比如實時結(jié)算業(yè)務(wù)，要求區(qū)塊鏈提供秒級的交割，相對應(yīng)的就是出塊速度的要求，而出塊速度過快往往會導(dǎo)致區(qū)塊鏈分叉（fork），形成孤兒鏈，孤兒鏈?zhǔn)菬o效的，那么交易也就作廢了，影響了區(qū)塊鏈的最終一致性。

如果頻繁產(chǎn)生分叉造成相當(dāng)比例的用戶交易失效，那么可以認(rèn)為系統(tǒng)是不可靠的。

如果我們將這種實時性要求比較高的業(yè)務(wù)安插到聯(lián)盟鏈中，就可以控制風(fēng)險，通過調(diào)整共識算法，利用快速一致共識模型（Consensus Model）來避免上述問題，雖然不如公有鏈那么健壯，但對某些特殊場景足夠了。

所以架構(gòu)層面，對公有鏈和聯(lián)盟鏈的技術(shù)也要差異化對待。

不過客戶端整體的設(shè)計還是有一些通用的概念的，如下圖：

一個區(qū)塊鏈至少分為三層，最底層是一些通用的基礎(chǔ)模塊，比如基礎(chǔ)加密算法，網(wǎng)絡(luò)通訊庫，流處理，線程封裝，消息封裝與解碼，系統(tǒng)時間等；

中間一層是區(qū)塊鏈的核心模塊，一般包含了區(qū)塊鏈的主要邏輯，如P2P網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，共識模塊，交易處理模塊，交易池模塊，簡單合約或者智能合約模塊，嵌入式數(shù)據(jù)庫處理模塊，錢包模塊等等；

最上面一層，往往都是基于Json Standard RPC的交互模塊，基于Json-RPC，我們還可以做出更好的UI界面，也可以是一個web-service。

如果區(qū)塊鏈 支持智能合約，可能還要分更多的層，比如增加BaaS層，區(qū)塊鏈上的智能合約提供自治的服務(wù)，比如下面這張以太坊的架構(gòu)圖（來自Google，僅作參考）：

這種分層更加關(guān)注的是區(qū)塊鏈本身的分層，即業(yè)務(wù)上的視角，而不完全是技術(shù)的。

我們再轉(zhuǎn)向比特幣的設(shè)計：

比特幣幾個模塊之間的耦合度其實比較高，而且有不少歷史包袱，比特幣的發(fā)明者——中本聰在開發(fā)比特幣的時候，使用VC++開發(fā)，而VC++的標(biāo)準(zhǔn)庫中的sstream流處理性能非常感人，不得不放棄，自行實現(xiàn)了了基于vector 的流處理容器。而隨著c++11的推出以及標(biāo)準(zhǔn)庫的更新迭代，性能不可同日而語。

從整張圖我們可以看出，比特幣的模塊比較少，也比較簡單。chain-paramters描述了整個區(qū)塊鏈的參數(shù)設(shè)置，wallet是與地址/加密還有存儲相關(guān)的，mem-pool是未確認(rèn)的交易池。得益于比特幣核心開發(fā)者的不朽貢獻(xiàn)，相比中本聰時代的比特幣代碼，現(xiàn)在的比特幣代碼質(zhì)量已經(jīng)相當(dāng)不錯了。

以上無論哪種設(shè)計，一般都要從P2P網(wǎng)絡(luò)協(xié)議作為切入，作為一個P2P錢包，既要提供Service也要提供Client，作為Service依賴P2P網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，作為Client依賴Json-RPC。

需要指出的是，目前”三巨頭”所使用的賬戶模型是不同的（所謂賬戶模型是指賬戶記賬方法），比特幣使用UXTO模型，以太坊和比特股使用賬戶余額模型。

UXTO模型（Unspent Transaction Outputs (UTXOs) ）：此模型表達(dá)了一種轉(zhuǎn)移的概念，即任何產(chǎn)生的新幣，在以后的生命周期中，只有轉(zhuǎn)移，沒有消亡，轉(zhuǎn)移實質(zhì)上是由加密算法的簽名與驗證控制的：

賬戶余額模型：賬戶余額模型摒棄了這種強驗證的賬戶模型，即賬戶余額回歸到數(shù)字加減，這樣做提升了交易的效率。

3. 共識算法與分布式

終于來到重點了，本文每節(jié)其實都可以展開成為獨立的文章，內(nèi)容所限，簡單講。

所謂區(qū)塊鏈共識過程，在上文有所提及，是指如何將全網(wǎng)交易數(shù)據(jù)客觀記錄并且不可篡改的過程。目前"三巨頭"分別使用不同的共識算法（Consensus Algorithm）, 比特幣使用工作量證明PoW（Proof of Work），以太坊即將轉(zhuǎn)換為權(quán)益證明PoS（Proof of Stake），比特股使用授權(quán)權(quán)益證明DPoS（Delegated Proof of Stake）。

以上這些算法我稱之為“經(jīng)濟(jì)學(xué)”的算法，所謂經(jīng)濟(jì)學(xué)的算法，是指讓作弊成本可計算，且讓作弊成本往往遠(yuǎn)大于作弊帶來的收益，即作弊無利可圖，通過這種思想構(gòu)造一個用于節(jié)點之間博弈的算法，并使之趨向一個穩(wěn)定的平衡。

相對應(yīng)的我們還有計算機領(lǐng)域的分布式一致性算法，例如Paxos、Raft，我也稱之為傳統(tǒng)分布式一致性算法。

他們之間的最大區(qū)別是：系統(tǒng)在拜占庭將軍（Byzantine Generals Problem）情景下的可靠性，即拜占庭容錯（PBFT算法支持拜占庭容錯）。然而無論是Paxos還是Raft算法，理論上都可能會進(jìn)入無法表決通過的死循環(huán)(盡管這個概率其實是非常非常低的)，但是他們都是滿足safety的，只是放松了liveness的要求, PBFT也是這樣。

下面是一些傳統(tǒng)分布式一致性算法和區(qū)塊鏈共識過程的異同點。先來看相同點：

Append only

強調(diào)序列化

少數(shù)服從多數(shù)原則

分離覆蓋的問題：即長鏈覆蓋短鏈區(qū)塊，多節(jié)點覆蓋少數(shù)節(jié)點日志

這是不同點：

傳統(tǒng)分布式一致性算法大多不考慮拜占庭容錯（Byzanetine Paxos除外），即假設(shè)所有節(jié)點只發(fā)生宕機、網(wǎng)絡(luò)故障等非人為問題，并不考慮惡意節(jié)點篡改數(shù)據(jù)的問題；

傳統(tǒng)分布式一致性算法是面向日志（數(shù)據(jù)庫）的，即更通用的情況，而區(qū)塊鏈共識模型面向交易的，所以嚴(yán)格來說，傳統(tǒng)分布式一致性算法應(yīng)該處于區(qū)塊鏈共識模型的下面一層。

考慮上面的不同點，結(jié)合公有鏈和聯(lián)盟鏈的特征，我們有：

聯(lián)盟鏈：半封閉生態(tài)的價值網(wǎng)絡(luò)，存在對等的不信任節(jié)點，如某某協(xié)會成員之間。

公有鏈：開放生態(tài)的價值網(wǎng)絡(luò)，這層主要是為行業(yè)鏈和私有鏈提供全球交易網(wǎng)絡(luò)。

由于聯(lián)盟行業(yè)鏈其半封閉半開放特性，使用Delegated Proof of XXX 是可行的，可以考慮以傳統(tǒng)一致性算法作為基礎(chǔ)加入拜占庭容錯/安全防護(hù)機制進(jìn)行改進(jìn)也是可以的。

而針對公有鏈，PoW/Pos/DPos等“經(jīng)濟(jì)學(xué)”的算法可能是最優(yōu)算法。

技術(shù)上，以上不同的共識算法，我們很多新開發(fā)區(qū)塊鏈都相應(yīng)的支持一個特性：共識模塊可插拔，以應(yīng)對不同場景下的要求。

下圖是一張未來區(qū)塊鏈生態(tài)示意圖：

公有鏈提供可信可靠的價值傳輸網(wǎng)絡(luò)，上面可以繼續(xù)組建去中心化應(yīng)用（DAPP）或者部署聯(lián)盟鏈，甚至傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫都行，在上層搭建C端應(yīng)用。

4. 數(shù)字資產(chǎn)與價值流通網(wǎng)絡(luò)

這里有張未來區(qū)塊鏈發(fā)展的示意圖：

Metaverse元界白皮書-CN(概要)

“三巨頭”中，比特幣在“數(shù)字貨幣”處，比特股在“去中心化交易所”附近，以太坊在“去中心化組織”處。而實際上，區(qū)塊鏈和現(xiàn)實的接觸點，還在圖示位置。

所以區(qū)塊鏈仍是一個正在成長的事物，結(jié)合圖5，我們希望構(gòu)建一個基礎(chǔ)設(shè)施完善的價值傳輸網(wǎng)絡(luò)，上層應(yīng)用豐富的區(qū)塊鏈生態(tài)，仍然需要付出巨大的努力。

下一步目標(biāo)，是將資產(chǎn)數(shù)字化（類比資產(chǎn)證券化），例如我們可以將珍稀物品（藝術(shù)品/古董）數(shù)字化、知識產(chǎn)權(quán)數(shù)字化、票據(jù)基金等收益權(quán)數(shù)字化，將極大的提升市場運作效率，配備智能合約，甚至人工智能，可編程社會不再是夢想。