一个程序员眼中的区块链技术

郇树云

7人赞赏了该文章 460次浏览编辑于2018年06月21日 10:11:50

我为什么要写这篇文章？在了解区块链相关信息时（例如维基百科上的内容），我发现这些内容非常零碎和不连贯。要把这些零碎的信息整合在一起，形成一个完整的视图需要花费大量的时间。不过现在，我想我已经知道在引入区块链时要使用哪些东西，以及应该按照怎样的顺序来了解它们，以便让开发人员能够在 1 到 1.5 小时内看到完整的视图。本文内容经过一定程度的简化，如果有人对更复杂的细节感兴趣，可以继续深入探讨。

非对称加密已经存在很长一段时间了，非对称加密包含了公钥和私钥。我们使用公钥加密并使用私钥解密，并且无法从这两者中的一个中获得另外一个。因此，在使用非对称加密技术时，我可以向某人发送一条信息，比如“我转账 100 美元”，每个人都知道它是我发送出去的，而且中间没有被篡改过。

假设有十个人，他们每个人都拥有一定数量（假设是美元）的新货币。他们每个人都确定（并确信）一个叫“X”的人支出了 30 万美元，但 X 是否真的拥有 30 万美元还不得而知。为了弄清楚情况，我们需要知道每个人的余额。我们只需要将他所有收入交易加起来，并扣除所有支出交易，这样就能得到余额。为此，我们需要了解有关收入和支出的信息，于是公共账本出现了。有了公共账本，我们就知道某人是否真的有能力支出 30 万美元。

比特币：开端

还有一个问题——如果我把所有钱同时发给两个人会怎样？这个问题被称为双重支出（double spending）。当然，这两个人不应该同时收到我账户里的钱。让他们自己商量谁将收到我账户里的钱？这样做不方便。通过查看时间戳来确定我把钱先转给了谁？这样做不保险。不过，还是有一个解决方案——对交易进行流水化。如果这样做了，那么很明显第一笔付款发给了 John，那么就无法再将它发给第二个人，因为我没有更多的钱。但现在还不清楚谁将决定交易的顺序。在银行和其他集中式系统中，银行本身就是受托人，也就是单一故障点和信任点，负责与第一个接收人沟通。

在区块链中，不存在这样的单个受托人，取而代之的是网络中的大部分参与者（当然，这是指将整个网络作为一个整体，因为你不能相信每个个体参与者，因为其中肯定有一些骗子）。我们假设网络不受一个人的控制，并且大多数参与者严格按照自己的经济利益行事。

但流水化交易仍然存在问题，我们还需要在网络参与者中达成“共识”。这个问题需要通过共识算法来解决，这是区块链领域的一个关键算法。

在讨论特定的共识算法之前，先让我们来说说臭名昭著的区块链的“区块”。区块是一种技术度量，是批处理的一个实例，因此我们可以以“批量”的方式计算多个交易的共识，并且网络的开销成本可以通过多个交易来“分摊”。

区块内交易的顺序由网络参与者（即生成该区块的人员，也称为“矿工”）定义，但区块本身的顺序则由共识算法来确定。共识算法已经存在了相当长一段时间。例如，多主 NoSQL 系统中的 Paxos 和 Raft 等算法就属于共识算法，但它们并不适用于拥有数百万个参与者的网络。

比特币的工作证明（proof of work，PoW）共识算法在刚开始时被认为是革命性的。许多网络参与者（矿工）同时生成新区块，那么就有必要确定区块之间的顺序。为了让一个区块成为链中的下一个区块，矿工必须进行非常耗时的散列计算。对一个区块（随同一个随机串，一个递增的数字）进行持续的散列计算，直到散列值看起来像是一个符合某些条件的大数，例如包含 10 个前导零。这需要数十亿次的散列操作，这一过程代表矿工“证明”该区块的存在。但检查矿工的工作是否正确却十分容易——只需要再进行一次散列操作。需要注意的是，整个网络（其中包括成千上万的矿工）平均在 10 分钟内（比特币生成区块的平均间隔）只可以生成一个区块。这大大减少了出现冲突的可能性，即同时有两个或多个区块作为下一个区块。

但是，冲突的可能性仍然存在。于是就有了如下规则——网络参与者接受形成最长链的那个区块。

事实上，它不是一个链，而是一个有许多分支和链的有向无环图（DAG）。链通常被称为“共同历史”（它是最长的链）。共识不会立即达成，至少需要在生成几个区块之后，所以必须等待一段时间。为了防止比特币的双重支出，人们通常会等待六个区块（这需要一个小时）。

除了交易数据之外，一个区块还包含对前一个区块的散列值。因此，过去的某些内容不可能被修改，因为如果修改了就会使其后的所有散列无效。在挖矿过程中，你将获得奖励，也就是新的资金收益！否则的话，该如何将资金引入到这个系统呢？如果说资金必须发放给某人，那么这个人就变得很特别，这与去集中化的想法是相矛盾的。为挖矿者发钱似乎是一种合乎逻辑和可接受的解决方案。

顺便说一些关于挖矿的事。矿工的主要工作是对新区块进行散列计算，这里没有使用非对称加密技术，因为只需要在将交易添加到区块之前检查交易。比特币使用 SHA-256 散列，以太坊则使用 Keccak-256。如果你是独自挖矿，那么在生成一个区块之前，需要很长的时间（每十分钟产生一个区块，而你的竞争者有成千上百万）。因此，矿工需要聚集在一起形成矿池。在矿池中，奖励在参与者之间通过各种方式进行分配，这意味着你有可能会更经常地获得奖励。在这种情况下，风险和收益都是“分散”的。随着时间趋于无限，来自矿池开采奖励的数学期望值（无视矿池佣金）等于独自挖矿的数学期望值。

到目前为止，我们主要介绍的是网络参与者之间的数据交换，并没有深入太多细节。要记住，数据通过网络进行点对点交换，让每个挖矿者都能看到交易。

这就是比特币区块链技术。

智能合约和 ICO

让我们继续。两个操作（加法和减法）在比特币的每个账户上执行，任何人（主要是矿工）都可以检查它们。但如果我们向帐户添加内部变量并添加比较操作呢？假设当我积累了 1000 万美元时，我不想再让我的帐户继续接受资金，也就是说除了向账户添加资金的操作，还需要一定的条件。于是我们有了确定性图灵机（每个人仍然可以检查我的账户），然后是智能合同。本文所说的智能合约指的是以太坊网络中的智能合约，因为它是目前最受欢迎的智能合约。

确定性意味着在交易参数相同和存储初始状态相同的情况下，我们最终会得到相同的结果以及相同的存储变更。只有在这些条件得到满足的情况下，网络才能就每笔交易达成共识。我们必须明白，因为对确定性、可验证性和去中心化的要求，智能合约孤立于外部世界。例如，它无法调用去中心化的 Web API。另外，智能合约对外界的控制也非常有限。例如，要通过智能合约来租用公寓（交换加密货币）仍然是很困难的，因为我仍然需要确信当我来到公寓门口时，电子锁上面不会再套着一把老式的挂锁。

要了解智能合约的执行结果（新的余额或存储变更），网络节点必须执行该合约规定的操作。在多个节点上的计算不是免费的，因此，以太坊引入了瓦斯（gas）的概念，以避免出现硬编码加密货币佣金，并让用户可以计算运算数量及设置价格。这种结构提供了一个额外的间接层，让用户可以在低成本交易和快速交易之间进行选择。

当资金被发送到合约账户（通过地址）时，它便触发了回退功能，即默认的入口。与账户不同的是，合约有多个入口——因此可以接受参数。要修改合约（无论入口是什么），你必须将交易发送到网络。但是，如果你只想以只读模式查看某些内容，则可以通过使用最新的区块链在本地执行此操作。另外，与账户不同的是，智能合约没有私钥。你不能直接从余额中提取资金——这可以通过使用定义好的方法来完成，当然这些方法应该有安全限制，例如检查试图访问资金的用户的地址。

最后，我们在比特币风格的区块链上获得智能合约技术。

许多加密货币或所谓的“代币”都是基于以太坊智能合约。是的，通常这种加密货币只是一个以太坊合约。余额是 map 形式的智能合约存储条目，货币从一个参与者到另一个参与者的转移如下所示：

map[Alice] –= payment;map[Bob] += payment;

他们不需要自己挖矿和自己的网络，他们可以使用以太坊的基础设施。在以太坊中，ICO/ITO 是指加密货币（代币）的以太网交换（以太坊网络的加密货币）。 ERC20 标准说明了哪些方法必须在加密货币中定义，这要归功于交易所对加密货币的支持以及以太坊钱包提供的支持。

未来的发展

除了智能合约之外，还有很多其他建立在区块链基本概念之上的想法，比如“零知识证明（zero-knowledge proof）”和“自律网络（self-regulated network）”。

零知识证明基于同名的密码协议族，实质上，它最初用于在不解开整个对象的情况下证明该对象的所有权。例如，如果我能够说出某个文件随机十个字节的位置，那就可以证明我拥有这个 1GB 的文件。显然，在这种情况下，我将只公开了 1GB 中的 10 个字节。由于 RSA 加密涉及求幂，并且

(Y ∗ X) ^ a = Y^a ∗ X^a

所以最后变成了

encrypted(Y ∗ X) = encrypted(Y) ∗ encrypted(X)

也就是说，任何人都可以检查我的帐户余额是否正确执行了乘法预算，而且没有必要透露我的帐户上有多少钱！基于这个想法，我们可以创建一种可以保护余额和支付隐私信息的加密货币（实际上，这样的货币已经存在，如 Zcash）。

区块链提供的通用设置已经包含在网络客户端的代码中，例如区块的交易数量。通常，更改它们需要网络参与者社区接受这些更改（以代码更新的形式），这会带来网络分支的风险（当一些参与者决定不接受更改并继续使用“旧”代码）。自我监管尝试解决这些问题（参见 Tezos 或 EOS 区块链）。这个想法的本质是，对于每一次变更，都可以使用自己的资金进行投票（当然，不会失去它们）。