從程序員的視角看區(qū)塊鏈會(huì)是怎樣的

這是一篇從程序員視角看區(qū)塊鏈的文章，將區(qū)塊鏈落地為程序員能夠理解的概念，比如圖靈狀態(tài)機(jī)，而狀態(tài)機(jī)是一種狀態(tài)模式，是事件驅(qū)動(dòng)建模的核心。本文適合區(qū)塊鏈入門(mén)閱讀：

不對(duì)稱(chēng)密碼已經(jīng)存在了很長(zhǎng)一段時(shí)間，密鑰有公鑰和私鑰之分。我們使用公鑰進(jìn)行加密并使用私鑰解密?；蛳喾匆嗳弧Ｄ銦o(wú)法從一個(gè)密鑰中獲得另外一個(gè)密鑰。因此，如果使用不對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)，我可以向某人發(fā)送一條信息，比如“我轉(zhuǎn)賬100美元”，并且每個(gè)人都會(huì)知道它是由我發(fā)送的，并且沒(méi)有任何改動(dòng)。

假設(shè)有十個(gè)人都同意每個(gè)人擁有一百萬(wàn)單位的新貨幣。他們每個(gè)人都可以確保（并且每個(gè)人都可以確信）是有某人發(fā)送了三十萬(wàn)個(gè)單位。但是X是否真的擁有這些三十萬(wàn)個(gè)單位貨幣卻還不得而知。為了找到答案，我們可以了解每個(gè)人的余額情況。為此，我們只需將所有收入交易加起來(lái)并扣除所有費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算。由此，我們就需要有關(guān)收入和支出的信息，這就是公共賬本。它可以讓我們識(shí)別某個(gè)人是否真的可以發(fā)出30萬(wàn)個(gè)單位的貨幣。

比特幣：開(kāi)始

還有一個(gè)問(wèn)題 - 如果我把我所有的錢(qián)同時(shí)寄給兩個(gè)人怎么辦？這被稱(chēng)為雙重支出。如果讓這兩個(gè)人彼此溝通以找出誰(shuí)最終獲得付款是不方便的；查看時(shí)間戳以確定我首先將資金發(fā)送誰(shuí)了？這種辦法非fail-safe的。這里有一個(gè)解決方案 - 我們需要流線(xiàn)化交易，在這種流線(xiàn)化交易模式下，很明顯能看出第一筆付款已經(jīng)發(fā)給了約翰，根本無(wú)法再將這筆付款發(fā)給第二個(gè)人，因?yàn)槲覜](méi)有更多的錢(qián)了。

流線(xiàn)型交易主要是對(duì)交易進(jìn)行排序，但是現(xiàn)在還不清楚怎么來(lái)決定交易的順序。在銀行和其他集中系統(tǒng)中，銀行自身代表了受托人，是單點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，也是單點(diǎn)信任點(diǎn)。該銀行可以出面澄清說(shuō)，某某的錢(qián)先寄給了誰(shuí)。但是在區(qū)塊鏈中，沒(méi)有單個(gè)受托人。它可能是網(wǎng)絡(luò)的大部分參與者（當(dāng)然，這意味著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槟悴荒芟嘈琶恳粋€(gè)參與者，因?yàn)槠渲锌隙ㄓ幸恍_子）。這里的假設(shè)前提是網(wǎng)絡(luò)不受任何一個(gè)人的控制，并且大多數(shù)參與者嚴(yán)格按照利于自己的經(jīng)濟(jì)利益行事（自利）。

但是流線(xiàn)型交易的一致性問(wèn)題仍然沒(méi)有徹底解決 - 這就要求我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)參與者中實(shí)現(xiàn)一種稱(chēng)之為“共識(shí)”的機(jī)制。這個(gè)問(wèn)題是由一個(gè)共識(shí)算法處理的，這是每個(gè)區(qū)塊鏈中的一個(gè)關(guān)鍵算法。

在我們討論一個(gè)特定的共識(shí)算法之前，先說(shuō)說(shuō)區(qū)塊鏈的塊。塊是一種技術(shù)措施，是批量處理（稱(chēng)為批處理）的一個(gè)實(shí)例，因此許多交易能在一個(gè)“批量”內(nèi)計(jì)算以達(dá)成共識(shí)，并且網(wǎng)絡(luò)的間接費(fèi)用可以跨多個(gè)交易中“分?jǐn)偂?。塊內(nèi)交易的順序是由網(wǎng)絡(luò)參與者（即生成該塊的人員（也稱(chēng)為“礦工”））定義的。但塊之間的順序由共識(shí)算法確定。共識(shí)算法存在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。例如包括多主NoSQL系統(tǒng)中的Paxos和Raft等算法。但這些算法并不適合擁有一百萬(wàn)對(duì)參與者的網(wǎng)絡(luò)。

比特幣在它出現(xiàn)的時(shí)候代表了相當(dāng)革命性的東西 - 一種工作證明（PoW）共識(shí)的算法。許多網(wǎng)絡(luò)參與者（礦工）會(huì)同時(shí)生成很多新塊。因此有必要決定這些塊中的哪一個(gè)塊能夠被真正用作區(qū)塊鏈的下一塊。

為了使自己產(chǎn)生的塊成為區(qū)塊鏈中真正的下一個(gè)塊，礦工必須執(zhí)行特別挑選且非常耗時(shí)的哈希計(jì)算。當(dāng)一個(gè)哈希數(shù)值計(jì)算到一個(gè)大數(shù)字，且必須符合某些條件，比如必須前面包含10個(gè)零。這就會(huì)需要數(shù)十億次哈希計(jì)算，這個(gè)計(jì)算量就代表礦工能“證明”其塊的確實(shí)存在的證據(jù)。同時(shí)，檢查這項(xiàng)工作是否正確完成是非常容易的 - 您只需要一次哈希操作。必須了解到的是：平均而言，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)（其中包括成千上萬(wàn)的礦工?。┰?0分鐘內(nèi)就可以生成一個(gè)區(qū)塊（比特幣生成區(qū)塊的平均間隔）！ 。這大大降低了曠工之間碰撞的可能性，即就不可能同時(shí)有兩個(gè)礦工提供兩個(gè)或更多的塊作為下一個(gè)塊。

但是，發(fā)生碰撞的可能性還是可能存在的。因此，存在這樣規(guī)則 - 網(wǎng)絡(luò)參與者接受形成最長(zhǎng)鏈的塊（當(dāng)有兩個(gè)塊同時(shí)生成時(shí)，選擇其中一個(gè)更長(zhǎng)的鏈的塊）。

事實(shí)上，它不是一個(gè)鏈，而是一個(gè)有許多分支和有向無(wú)環(huán)圖（DAG）的鏈，而鏈通常被稱(chēng)為“共同歷史”（它是最長(zhǎng)的鏈）。既然共識(shí)不能立即達(dá)成，你就必須等待一段時(shí)間直到出現(xiàn)幾個(gè)塊之后。為了防止比特幣的雙重支出，人們通常會(huì)等待六個(gè)塊（在比特幣里需要花費(fèi)一個(gè)小時(shí)）。

除了事務(wù)之外，塊還包括前一個(gè)塊的哈希。因此，過(guò)去歷史就不可能被修改，因?yàn)檫@會(huì)使隨后的所有哈希無(wú)效。同時(shí)，連接到同一個(gè)塊，您會(huì)獲得挖礦獎(jiǎng)勵(lì)，這會(huì)給您帶來(lái)新的收益！否則，就無(wú)法將新資金引入這個(gè)系統(tǒng)中 - 資金將不得不發(fā)放給某人，這會(huì)使這個(gè)人變得特殊，這與分權(quán)的想法會(huì)形成矛盾。為挖礦發(fā)錢(qián)似乎是一種合乎邏輯和可接受的解決方案。

順便說(shuō)一句，關(guān)于挖礦。你需要明白，礦工的主要工作是猛烈地哈希計(jì)算出新塊; 這里沒(méi)有非對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)，因?yàn)檫@里僅僅需要在交易加入塊之前檢查交易。比特幣使用SHA-256哈希; 在以太坊中，它是采取Keccak-256。如果你是單獨(dú)開(kāi)采，那么在你生成一個(gè)區(qū)塊之前，需要準(zhǔn)備好長(zhǎng)時(shí)間（每十分鐘產(chǎn)生一個(gè)區(qū)塊，你的競(jìng)爭(zhēng)者數(shù)量達(dá)到數(shù)百成千上萬(wàn)的?。?。如果礦工聚集在一起。在一個(gè)池中，參與者之間的獎(jiǎng)勵(lì)是以各種方式分配的（有不同的方法），這意味著您可以更經(jīng)常地獲得獎(jiǎng)金（盡管數(shù)量比較少）。在這種情況下，風(fēng)險(xiǎn)和收益都是成正比的。

到目前為止，我們主要處理的是網(wǎng)絡(luò)參與者之間的數(shù)據(jù)交換，而沒(méi)有深入細(xì)節(jié)。牢記數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)等進(jìn)行交換是非常重要的。

這就是比特幣區(qū)塊鏈技術(shù)。

智能合約和ICO

在比特幣的每個(gè)賬戶(hù)上執(zhí)行兩個(gè)操作（加法和減法），并且可以由任何人檢查，當(dāng)然主要由礦工檢查。但是如果我們將一個(gè)內(nèi)部變量添加到帳戶(hù)（存儲(chǔ)），它是用來(lái)進(jìn)行操作比較的，假設(shè)我積累了1000萬(wàn)美元時(shí)，我想讓我的帳戶(hù)停止接受資金 - 這意味著代碼實(shí)現(xiàn)上不僅要將資金能夠增加到我的帳戶(hù)中，還要為這種增加再添加一定的條件。通過(guò)開(kāi)發(fā)這個(gè)角度看過(guò)去，我們看到的是一個(gè)圖靈機(jī)，一種確定性的類(lèi)型（每個(gè)人仍然可以檢查我的賬戶(hù)）。因此，我們有了一個(gè)智能合約。在下文中，智能合約指的是以太坊網(wǎng)絡(luò)中的智能合約，因?yàn)樗悄壳白钍軞g迎的合約。

確定性意味著，在有相同的交易參數(shù)和存儲(chǔ)的初始狀態(tài)相同的情況下，我們最終會(huì)得到相同的結(jié)果，以及存儲(chǔ)中同樣的更改動(dòng)作（banq注：操作事件）。只有在這些條件下，網(wǎng)絡(luò)才能就每筆交易達(dá)成一致。

這里必須明白，由于要求確定性，可驗(yàn)證性和分散性，智能合約與外部世界相當(dāng)孤立。例如，它不能觸發(fā)分散式Web API（有解決方案，即所謂的“oracles”，但這些都很復(fù)雜，需要分別處理）。

另外，合同對(duì)外界的控制也非常有限。例如，要了解智能合同執(zhí)行結(jié)果（新余額或存儲(chǔ)的更改動(dòng)作），網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須執(zhí)行該合同規(guī)定的操作。在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行計(jì)算不是沒(méi)有成本的。因此，以太坊引入了gas 的概念，以避免加密貨幣硬編碼進(jìn)行計(jì)算帶來(lái)的成本，并允許用戶(hù)計(jì)算計(jì)算次數(shù)并設(shè)置其價(jià)格。這種結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)額外的間接層，它允許用戶(hù)在低成本交易和快速交易之間進(jìn)行選擇。

當(dāng)資金被發(fā)送到合約賬戶(hù)（通過(guò)簡(jiǎn)單地使用地址）時(shí)，它觸發(fā)回調(diào)函數(shù)，這是默認(rèn)設(shè)置。與前面比特幣的帳戶(hù)類(lèi)型不同，智能合約的合約中有多個(gè)輸入點(diǎn) - 這些是可以接受參數(shù)的方法。要修改合約（無(wú)論輸入點(diǎn)是什么），您必須將交易發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)才能進(jìn)行更改。但是，如果您只想以只讀模式查看某些內(nèi)容，則可以通過(guò)使用實(shí)時(shí)更新的區(qū)塊鏈在本地執(zhí)行此操作。另外與賬戶(hù)不同的是，智能合約沒(méi)有私鑰。您不能直接從余額中提取資金 - 這可以通過(guò)使用明確定義的方法來(lái)完成，當(dāng)然這些方法應(yīng)該有安全限制，例如檢查試圖訪(fǎng)問(wèn)資金的用戶(hù)的地址。

最后，我們?cè)诒忍貛棚L(fēng)格的區(qū)塊鏈上獲得了智能合約技術(shù)。

許多加密貨幣或所謂的“代幣tokens”都基于以太坊智能合約。是的，通常這種加密貨幣只是以太坊中的一個(gè)合同（一個(gè)?。?。余額通常是智能合約存儲(chǔ)中的map數(shù)據(jù)類(lèi)型的一個(gè)數(shù)據(jù)條目，并且從一個(gè)參與者轉(zhuǎn)移貨幣到另一個(gè)參與者如下：

map［Alice］ –= payment;

map［Bob］ += payment;

他們不需要自己的曠工和網(wǎng)絡(luò) - 他們可以使用以太坊的基礎(chǔ)設(shè)施。在以太坊，ICO / ITO實(shí)際就是加密貨幣（tokens）的以太網(wǎng)交換（以太坊網(wǎng)絡(luò)的加密貨幣）。

未來(lái)發(fā)展

除了智能合約之外，基于區(qū)塊鏈的基本概念之上還有很多其他想法，比如“零知識(shí)證明”和“自律網(wǎng)絡(luò)”。

零知識(shí)證明是基于密碼協(xié)議的同名家族，實(shí)質(zhì)上，它被設(shè)計(jì)為證明對(duì)象的所有權(quán)但不完全暴露它。例如，如果我能夠回答關(guān)于某文件的各種隨機(jī)位置中有關(guān)字節(jié)的十個(gè)問(wèn)題，我就可以證明我擁有一個(gè)特定的1 GB文件。顯然，在這種情況下，我只需公開(kāi)1 GB中的10個(gè)字節(jié)即可。

這意味著可以讓任何人檢查我的帳戶(hù)余額是否正確，同時(shí)卻沒(méi)有必要透露我的帳戶(hù)上有多少錢(qián)！通過(guò)構(gòu)建這個(gè)想法，我們可以創(chuàng)建一個(gè)包含余額和支付隱私信息的加密貨幣（實(shí)際上，它已經(jīng)存在了;參見(jiàn)Zcash），并且完全隱藏了智能合約中計(jì)算參數(shù)。

區(qū)塊鏈有寫(xiě)入網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端程序代碼的網(wǎng)絡(luò)通用設(shè)置，例如包含在該區(qū)塊中的交易數(shù)量。通常，更改它們需要網(wǎng)絡(luò)上所有參與者接受這些更改（以代碼更新的形式出現(xiàn)），這會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)分支的威脅（當(dāng)一些參與者決定不接受更改并繼續(xù)與“舊”碼）。Self-regulation試圖解決這些問(wèn)題（例如，參見(jiàn)Tezos或EOS區(qū)塊鏈）。這種想法的本質(zhì)是，對(duì)于每一次變更，您都可以用自己的資金進(jìn)行投票（當(dāng)然不會(huì)失去這些資金）。