區(qū)塊鏈的核心算法有哪些

近日，在加密貨幣經(jīng)歷“混亂時(shí)期”后，區(qū)塊鏈再次火爆起來(lái)，受到了各方的極大關(guān)注與重視，成為資本市場(chǎng)和各領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，就連朋友圈中的探討和分享也讓人目不暇接。那么，區(qū)塊鏈到底是什么？區(qū)塊鏈的核心算法又有哪些？

區(qū)塊鏈核心算法一：拜占庭協(xié)定

拜占庭的故事大概是這么說(shuō)的：拜占庭帝國(guó)擁有巨大的財(cái)富，周圍10個(gè)鄰邦垂誕已久，但拜占庭高墻聳立，固若金湯，沒有一個(gè)單獨(dú)的鄰邦能夠成功入侵。任何單個(gè)鄰邦入侵的都會(huì)失敗，同時(shí)也有可能自身被其他9個(gè)鄰邦入侵。拜占庭帝國(guó)防御能力如此之強(qiáng)，至少要有十個(gè)鄰邦中的一半以上同時(shí)進(jìn)攻，才有可能攻破。然而，如果其中的一個(gè)或者幾個(gè)鄰邦本身答應(yīng)好一起進(jìn)攻，但實(shí)際過(guò)程出現(xiàn)背叛，那么入侵者可能都會(huì)被殲滅。于是每一方都小心行事，不敢輕易相信鄰國(guó)。這就是拜占庭將軍問(wèn)題。

在這個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)里：每個(gè)將軍都有一份實(shí)時(shí)與其他將軍同步的消息賬本。賬本里有每個(gè)將軍的簽名都是可以驗(yàn)證身份的。如果有哪些消息不一致，可以知道消息不一致的是哪些將軍。盡管有消息不一致的，只要超過(guò)半數(shù)同意進(jìn)攻，少數(shù)服從多數(shù)，共識(shí)達(dá)成。

由此，在一個(gè)分布式的系統(tǒng)中，盡管有壞人，壞人可以做任意事情（不受protocol限制），比如不響應(yīng)、發(fā)送錯(cuò)誤信息、對(duì)不同節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同決定、不同錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)聯(lián)合起來(lái)干壞事等等。但是，只要大多數(shù)人是好人，就完全有可能去中心化地實(shí)現(xiàn)共識(shí)。

區(qū)塊鏈核心算法二：非對(duì)稱加密技術(shù)

在上述拜占庭協(xié)定中，如果10個(gè)將軍中的幾個(gè)同時(shí)發(fā)起消息，勢(shì)必會(huì)造成系統(tǒng)的混亂，造成各說(shuō)各的攻擊時(shí)間方案，行動(dòng)難以一致。誰(shuí)都可以發(fā)起進(jìn)攻的信息，但由誰(shuí)來(lái)發(fā)出呢？其實(shí)這只要加入一個(gè)成本就可以了，即：一段時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以傳播信息。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出統(tǒng)一進(jìn)攻的消息后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)收到發(fā)起者的消息必須簽名蓋章，確認(rèn)各自的身份。

在如今看來(lái)，非對(duì)稱加密技術(shù)完全可以解決這個(gè)簽名問(wèn)題。非對(duì)稱加密算法的加密和解密使用不同的兩個(gè)密鑰，這兩個(gè)密鑰就是我們經(jīng)常聽到的”公鑰”和”私鑰”。公鑰和私鑰一般成對(duì)出現(xiàn)，如果消息使用公鑰加密，那么需要該公鑰對(duì)應(yīng)的私鑰才能解密;同樣，如果消息使用私鑰加密，那么需要該私鑰對(duì)應(yīng)的公鑰才能解密。

區(qū)塊鏈核心算法三：容錯(cuò)問(wèn)題

我們假設(shè)在此網(wǎng)絡(luò)中，消息可能會(huì)丟失、損壞、延遲、重復(fù)發(fā)送，并且接受的順序與發(fā)送的順序不一致。此外，節(jié)點(diǎn)的行為可以是任意的：可以隨時(shí)加入、退出網(wǎng)絡(luò)，可以丟棄消息、偽造消息、停止工作等，還可能發(fā)生各種人為或非人為的故障。我們的算法對(duì)由共識(shí)節(jié)點(diǎn)組成的共識(shí)系統(tǒng)，提供的容錯(cuò)能力，這種容錯(cuò)能力同時(shí)包含安全性和可用性，并適用于任何網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

區(qū)塊鏈核心算法四：Paxos算法（一致性算法）

Paxos算法解決的問(wèn)題是一個(gè)分布式系統(tǒng)如何就某個(gè)值（決議）達(dá)成一致。一個(gè)典型的場(chǎng)景是，在一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，如果各節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)一致，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都執(zhí)行相同的操作序列，那么他們最后能得到一個(gè)一致的狀態(tài)。為保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相同的命令序列，需要在每一條指令上執(zhí)行一個(gè)“一致性算法”以保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)看到的指令一致。一個(gè)通用的一致性算法可以應(yīng)用在許多場(chǎng)景中，是分布式計(jì)算中的重要問(wèn)題。節(jié)點(diǎn)通信存在兩種模型：共享內(nèi)存和消息傳遞。Paxos算法就是一種基于消息傳遞模型的一致性算法。

區(qū)塊鏈核心算法五：共識(shí)機(jī)制

區(qū)塊鏈共識(shí)算法主要是工作量證明和權(quán)益證明。拿比特幣來(lái)說(shuō)，其實(shí)從技術(shù)角度來(lái)看可以把PoW看做重復(fù)使用的Hashcash，生成工作量證明在概率上來(lái)說(shuō)是一個(gè)隨機(jī)的過(guò)程。開采新的機(jī)密貨幣，生成區(qū)塊時(shí)，必須得到所有參與者的同意，那礦工必須得到區(qū)塊中所有數(shù)據(jù)的PoW工作證明。與此同時(shí)礦工還要時(shí)時(shí)觀察調(diào)整這項(xiàng)工作的難度，因?yàn)閷?duì)網(wǎng)絡(luò)要求是平均每10分鐘生成一個(gè)區(qū)塊。

區(qū)塊鏈核心算法六：分布式存儲(chǔ)

分布式存儲(chǔ)是一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)使用每臺(tái)機(jī)器上的磁盤空間，并將這些分散的存儲(chǔ)資源構(gòu)成一個(gè)虛擬的存儲(chǔ)設(shè)備，數(shù)據(jù)分散的存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)角落。所以，分布式存儲(chǔ)技術(shù)并不是每臺(tái)電腦都存放完整的數(shù)據(jù)，而是把數(shù)據(jù)切割后存放在不同的電腦里。就像存放100個(gè)雞蛋，不是放在同一個(gè)籃子里，而是分開放在不同的地方，加起來(lái)的總和是100個(gè)。