区块链笔记（1）基础概念扫盲

正如民谣像一杯酒，有故事的人听不得。深夜失眠的我，无意翻起中本聪的白皮书，就注定了无眠。今夜的我只醉心于技术，别问是真是假。

这是一篇关于区块链基础的笔记，涉及了我认为对于初学者来说，想要进一步深入前需要了解的最重要的几个概念，概括如下图：

一、金融交易

在深入了解区块链的技术细节之前，明白它为什么存在对理解它是很有帮助的。

区块链技术，最早是在金融交易领域破土发芽的，但在这之前，金融交易系统已经大体正常运作了许多年。所谓变革的新技术，必定对既有领域中一些核心理念发起了冲击，并提出了自己的解决方案。只在一个行业领域的“兴风作浪”，充其量只能算作改进，若说成是变革，那么这项技术的思想及提供的解决方案，必定能跨越多个行业领域继续“兴风作浪”。

在我们探究金融交易系统的缘起流变之前，先埋下两个问题。

• 金钱在整个金融系统中已无处不在，它到底有什么价值，让人们不得不去使用它？
• 在当前的金融系统中，有什么我们可以进行改进的方面？

现有的金融系统

假设我们回到金融交易的历史源头，来为人们设计搭建一套金融系统。首先得明白人们的现状和需求：每个人都拥有属于自己并可以提供给他人的产品或服务，同时也存在自己所稀缺的。为了均衡这种稀缺和富余，每个人可以对自己所拥有东西的价值进行评估，以及所要换取的东西进行预期，这便是贸易的开始。

但以物易物的贸易存在一个不争的事实：交易双方需要通过沟通谈判，来确定交易时物品的价值。当从小范围内的交易，扩展到更大范围的贸易时，相对公允的价格参考就需要被呼唤出来了。而像黄金这样，存量稀缺有价值、属性稳定可长存、体积不大便携带的物品，作为价格参考便再合适不过。更进一步地，人们创造出货币代替了黄金。

由于货币属于人造物，自然就需要对于基于此的交易进行记录和管理，已保证人们拥有财富的安全，于是银行作为可信赖第三方便出现了。人们可在银行中安全的存放金钱，信赖基于货币进行的交易，这是非常有价值的。

同时不免想问，银行又是如何做到这一点的呢？

当一个有价值的创新，成为了日常生活中不可或缺的一部分时，它的实现原理与运行机制，对于大多数使用者来说就会变的透明了。

可想而知，在全球贸易如此普遍的今天，银行维持系统正常运作，所需要的子系统及工具绝对成百上千。这里介绍其中一个重要的工具：分类账，它记录的交易信息包括：发送方、接收方、交易时间、交易额度。银行可以利用分类账记录的信息做一些很酷的事情。比如，由于知道谁有钱，谁负债，以及拥有钱的数额，那么便可以确保互不认识的交易双方达成信赖。同时这也帮助解决了所谓的“双花问题”，所谓双花问题就是，某人将同一份笔钱花了不止一次。为使一个金融系统正常运行，这种现象是不被允许的，因为你可以想象，这完全是在印钞呀。银行可以通过分类账上的记录，来避免双花问题，因为银行知道第一次交易发生的时间，那么同笔钱第二次交易时就可以认定为无效。

区块链的改进

银行作为可信赖第三方，对于金融交易信息的全知视角，便是我们长期以来解决这个问题的一种途径。但是区块链技术提供了一种不同的，或许是更好的方式。因为现有的金融系统，不可否认地依然存在着一些问题：

交易数据的访问权

银行在金融系统中的地位太过重要，它确定拥有我们所有的交易数据，但我们不确定银行是否将这些数据同样共享给我们，这样是否真的合理呢？任何的不公，都是从信息不对称开始的，你说呢。类似于银行所用的分类账，我们可以创建一个共享的分类账来供所有人访问。

解决一个问题的同时，总会有新的问题伴随着产生。

所创建的共享分类账，是否能达到与目前银行同样的安全与信任程度？

类似银行的可信赖第三方并不唯一

现在我们有一个转账需求要完成，可采用的途径并非去银行借记一种方式，还可以信用卡、支付宝、微信、PayPal等等。无论你选择哪种，你都需要给他们提供相关必要的信息。而若当你尝试进行更加复杂的交易时，可能涉及中间环节的公司也会越来越多，这必然会产生额外的费用以及交易延迟。这也是区块链技术尝试解决的一点。

区块链技术发展迅速，想法和工具都会层出不穷，只有我们牢牢抓住目标，我们才能做出明智的取舍。

二、关于比特币

区块链现在已经是一个跨越许多平台和行业的热门话题，每天都有许多更新层出不穷，如果我们要去对区块链追根溯源，比特币是一个不容忽视的里程碑。它的相关概念和想法影响着所有后来的其他区块链应用，所以我们可以通过了解比特币，来明白它的核心思想，是如何帮助建立起今天所熟知的区块链的。

比特币使用块的概念，来分组和验证交易信息，将若干个交易打包到一个块中进行管理。这个想法对比特币乃至区块链来说都非常重要，但却不是比特币首先提出来的，早在1991年，Haber和Stornetta 发表了一篇名为How to Time-stamp a Digital Document的论文，提出了一种验证文档的新方式：采用文档更新的时间戳，将不同的版本按此顺序组成一个文档连。如此看这两位老铁也算是区块链的先驱了。

区块链元年2008年，一个叫做中本聪（Satoshi Nakamoto）的神秘作家发表了一封名为Bitcoin: A Peer to Peer Electronic Cash System的白皮书，奠定了比特币的基础，也完全改变了我们看待和理解货币的方式。接着在2009年1月3日，中本聪发布了比特币软件，同时将第一个比特币带到了这个世界。

中本聪的这篇白皮书真是读一读神清气爽，开篇第一句就开始描述，点对点电子现金系统如何绕过对中心化银行的需求。通篇谈及了交易、时间戳、工作量证明、网络以及许多关于比特币如何运作的概念，或许目前你对于这些概念的技术细节还不是很清楚，不过没关系，当我们初次面对一个新技术的时候都这样。

让我们怀着以下问题，继续往下探索：

1. 比特币尝试在解决什么问题？
2. 它提出了怎样的解决方案？
3. 开发这个新系统都用到了什么组件？

三、Hashing

目前我们对区块链技术的起心动念，已经有了一个大体的了解。接下来我们逐一简介，上图区块链框架中的各部分组件，首先是哈希和一个特殊的哈希函数SHA256。

哈希值可以被当做是信息的数字指纹，它是由字母和数字组成的唯一字符串，用以代表或者说是对应一组数据，哈希函数的作用，就是完成给定数据到唯一哈希值得映射。SHA256是一个特殊的哈希函数，SHA是Secure Hashing Algorithm的缩写，256表示其输出的哈希值是256位的。除此之外还有许多不同的哈希函数，比特币从中选择了SHA256函数，来计算区块链上每个区块的哈希值，这样做的原因是方便对区块的引用，以及完整性的校验。更详细的使用方式可以参考JS类库crypto-js。

为了理解哈希值是如何将数据组成为链的，我们需要对区块和区块链的概念有更多一点的了解。

四、区块

如字面意思，区块就是保存区块链上一定量交易信息的容器。如前所述，区块链是一个在网络中存储所有交易记录的共享分类记账单，当我们让它无限地运行下去时，就意味着这个记录所有交易的账单会变得非常庞大。那么将所有的记录作为一个整体来使用或管理，都会非常困难，明智的方法便是化整为零，来存储这些交易信息于许多个小区块中。

那这样包含数量有限交易信息的小区块长什么样呢？一个区块大体分为主体和头部，交易信息存储在主体中，而头部包含了一些额外信息诸如：

• 前一个区块的哈希值。各个区块也就是通过该值相连构成链状结构的。
• 区块被创建的时间戳。每个区块创建的时间，能够帮助我们确定某项交易生效的时间，这将有效地解决前面讲到的双花问题。
• Merkle root。是一个代表区块中每个交易的哈希值。一个哈希值如何代表区块中所有的交易呢？这里的骚操作是这样的：所有的交易对象两两取哈希值，然后再对得到的哈希值再两两取哈希值，以此类推，所得到的最后一个哈希值即是Merkle root，说白了就是一个二叉树的根节点。这么做的原因是，可以快速查找出区块中不一致的交易，不一致的产生可能是因为传输损坏或篡改。
• Nonce随机数。在创建区块时，网络中可能会存在许多个体同时发起请求，想要创建该区块，这其实就是所谓的“挖矿”，那么区块链网络该如何决定由谁来创建一个区块呢？这就是所谓的创建区块的复杂度问题。解决方案的关键就是这个随机数，比特币系统要求每个想要创建下一个区块的请求方，都要提供一个特定的哈希值，这个哈希值由区块所包含的内容blockData和这个随机数nonce，即SHA256({ blockData, nonce})，通过哈希函数计算得到。额外的要求是，所得到的哈希值需要以特定数量0开始，这就需要重复的取哈希值一遍又一遍的计算，直到满足要求。也可以看出，该特定哈希值开头要求得0数量越多，创建该区块的复杂度就越高，反之亦然。
• 区块大小。顾名思义，就是一个区块能存储信息的大小，这是由开发者在区块链创建时定下来的，当一个区块写入的交易信息达到该区块大小的限制时，就是该创建新区块的时候了。

五、区块链

区块链是一个共享数字分类账，它包含了发生在网络上的所有交易的历史信息，存储在区块链上的信息永久保存且不可改变。构成区块链的两个重要因素是：区块和哈希值，每一个区块包含自己的哈希值，以及一个指向前一个区块的哈希值，通过哈希值将所有区块按照创建顺序连接成区块链。

区块链这种由哈希值链接而成的结构，带来了一个有趣的性质：不易更改。当想要更改一个区块的内容时，由于哈希值得完整性，该区块的哈希值也必将更改，又由于该区块的下一个区块的头部中，包含了指向该区块的哈希值，后继区块哈希值的计算包含了指向前序区块的哈希值，前序区块哈希值得更改，就必然连锁的更改所有后继的哈希值。

区块链不易更改的性质，造就了其安全性。

六、分布式点对点网络

运行区块链的网络比较特殊，叫做分布式点对点网络。为了能够清楚地理解，就字面可以拆成两块来看：点对点网络和分布式网络。

所谓点对点网络，就是允许网络中的任意两个节点，可以相互直接通信，而不需要通过什么中心化的节点。举些例子，微信，Google的环聊，Skype都属于点对点网络。而分布式网络，允许在许多用户间进行信息传递。这样的定义，我第一次看到也很费解，为了更好地理解，最好的方法论就是比较与鉴别。我可以把中心化网络，非中心化网络以及分布式网络拿到一起来看。但在细看之前，需要明白一点，每一种网络都有他们各自的优势和使用场景，我们在区块链中采用分布式网络，只是由于比较来看，分布式网络更适合于区块链应用。

在中心化网络中，所有的信息都集中于一个节点上，其他节点都与中心节点相连。可以拿图书馆的例子来类比，将所有图书都集中保存在唯一的一个图书馆中，人们需要查阅资料或借阅图书，都来这个图书馆就好。好处是书籍与资料集中后便于管理，但问题也是显而易见的：其一，容灾性较差，假如这个唯一的图书馆失火或遭到破坏，由于所有信息只有这里独一份，损失后便无法恢复。其二，对于用户来说，非常不方便，所有人都需要到图书馆才能获取信息，无论你在何处。

于是就有了非中心化网络的改进方案，备份出全部或部分图书馆中的资料，建立多个地区或区域性的图书馆，这样便有了一定的灾备性。而分布式网络，则是把这个思路做到了极致。不需要图书馆了，每个人家里书架摆上50来本树，如果没有的话再相互借。把上述例子中的图书换成交易数据，就是我们比特币网络的样子，每个节点虽然不一定存储了所有的数据，但是通过这个分布式点对点网络，他们可以获取到区块链的所有数据。

七、内存池

我们随时的起心动念都可以产生一个交易，但这并不意味着网络处理交易的速度，能够实时的跟上交易产生的速度。也就是说，一定时间内，产生交易的数量可能会超过网络处理交易的数量，那么对于那些暂时未确认写入区块链的交易，就需要一个地方来存储这些信息，这个地方就叫做：内存池。

交易信息被写入区块之前，需要经过网络的确认与验证，这个工作是由区块链网络中一些叫作“矿工”的节点来完成的。具体到如何挖矿稍后介绍，这里先大致有一个概念。

blockchain.info这个站点提供了一些比特币区块的专业服务以及加密货币钱包，除此之外，还有一些区块状态的神仙图标可以免费查看。比如我们可以来关注一下，当前未确认的区块情况：

图中和日期一行的字符串，是一条交易的哈希值；和绿色箭头一行的字符串，是交易双方的钱包，可以类比电子邮箱，只不过这里是用来发送比特币的。

一条交易信息离开内存池的原因，除了由矿工校验过后加入区块，还有一些其他原因：

• 一条交易信息在内存池中停留的过久，若超过14天还没有被矿工写入区块，则会被移除。
• 在内存池的堆栈中，所有的交易都是按照小费的大小，由高到低排序的。当内存池的存储空间达到上限的时候，此时来了一个小费大于目前内存池中最少小费的交易，那么小费值最少的交易将会被移除内存池。这个小费的额度，是是由发起交易的人确定的，如果希望自己的交易信息被矿工更早的写入区块，可以适当提高小费值。当然并不是不给小费，你的交易信息就不会写入，这要看节点的具体情况。
• 如果区块中已经有了该交易信息，在写入验证阶段，会将重复的交易信息移除内存池。
• 如果将要写入的交易信息，和目前区块链中的交易存在冲突，也将会被移除。

八、共识机制

先来看一个著名的问题：“拜占庭将军问题”。假设有9个拜占庭的将军，各自领着一支军队围着一座城的不同方位，他们之间彼此物理隔离，只能通过传令兵进行通信。他们需要达成共识到底是攻打还是撤退，要么一同攻打要么一同撤退，如果有一支军队和其他军队行动不一致，都会造成失败。同时这其中还有更复杂的因素，或许有某个将军已经叛变了，但其他人还不知道，这就意味着叛变的将军会破坏这次决议的投票；同时负责消息传递的传令兵，在路上也可能发生不可测的状况，而导致送达的信息失真，也可能压根没送到。

我们将将军换成区块链网络中的节点，两个场景中面对的问题是类似的，我们需要一种策略来帮助建立，在通信没那么稳定顺畅的情况下用户之间的信任。这便是所谓的共识机制，达成这个目的有许多备选的算法，比如工作量证明，股份证明等等。

8.1 工作量证明

工作量证明最早是比特币提出的一种解决“拜占庭将军问题”的方案，基本思想就是利用，前面谈到的区块头部中那个随机数以及哈希值，计算出这个有着特定数量0开头的哈希值比较困难，也就意味着你在为这件事情付出成本（人们往往会为自己付出成本做的事情负责任，反之如果没有任何成本约束，你说你认真负责，我信你个鬼），同时还需要网络中的其他节点验证起来比较容易，这样可行性才会高。

尝试解题计算这个特定哈希值的节点称作矿工，矿工挖矿解题的过程会消耗计算机的电量，如果你在诸多节点的竞争计算中，获得了下个区块写入区块链的资格，那么你消耗的电量是值得的。同时可想而知，那些没有竞争成功的节点，所消耗的电量真的就是打水漂了。

那为什么有那么多节点前仆后继地要参与到这场算力的竞争中呢？因为获得资格成功写入区块链的节点，会获得比特币网络奖励的比特币，并且这是网络产生新比特币的唯一方式。当然矿工除了从这种方式获得比特币外，他还可以从发生的交易中收取小费。

工作量证明存在的问题：

1. 高昂的电费；
2. 矿工对于网络计算资源的垄断，间接的也会造成整个系统的中心化趋势；

第一个问题如前所述，对于第二个问题，具体来说，由于解出特定哈希值问题快慢的概率，和几点拥有的计算资源大小成正比。也就是说，你拥有越多的资源你就越容易获得写入下一个区块的资格，也就意味着你获得比特币奖励的概率越大。利益的驱使下，全网的算力资源就会逐渐倾向聚集到少数人身上。

8.2 股权证明

股权证明是另一种共识机制算法，这种机制中没有矿工，也不需要投资计算设备用以挖矿获得数字货币，因为从一开始所有的数字货币就已经存在了。取而代之的角色叫做验证者，或者股东，为了验证交易和创建区块，股东需要使用他们的数字货币进行下注，如果他们验证了一个虚假的交易，他们将失去所下注的数字货币，以及未来参与验证的机会，这将会驱策系统只验证正确的交易。

在股权证明机制中，下注越大的股东，获得写入下个区块资格的概率越大。验证者将会按照其下注的比例获得数字货币作为奖励，这就会引出一个问题，对于一个鸡贼的验证者，如果他同时对多个区块进行下注，那么在最后他也并不会损失什么？这无疑是一个潜在的问题，所以网络的策略是对在错误支链上下注的验证着给予处罚，或者对在所有可能的支链上下注的验证者给予处罚。

谁在使用股权证明机制：

• 以太坊
• Dash，也是股权证明的先驱之一，它建立在核心比特币平台之上，同时增加了隐私和快速交易的特性。
• List，旨在允许开发人员创建自己的非中心化应用程序，功能类似于以太坊和NEO，同时允许开发者使用JavaScript。特殊的是，Lisk的共识机制叫做委托的股权证明，网络中只有前101个委托者可以下注，而这些委托者是系统随机选出来的。

8.3 委托式拜占庭容错

Delegated Byzantine fault tolerance，简称DBFT，是一种基于给不同节点赋予角色来协调共识的一致性算法。

DBFT同样没有矿工角色的节点，取而代之的是将节点分成了普通节点和共识节点，网络中的绝大多数节点属于普通节点，只能进行转化或交易资产，但是他们不能参与到区块的验证；只有共识节点有权验证写入区块链中的每个区块，它相当于网络中其它节点的代表，类似于我天朝的人民代表制度。普通节点可以转变成共识节点，但不同的平台需要满足的转变标准又太一致。

当决定往区块链写入新区块的时候，会从所有的共识节点中随机选取一个负责写入。在Neo中，这个被选出来写入区块的共识节点叫做speaker（报告人），其余共识节点叫做delegates（代表）。在报告人创建出一个新区块后，并将它提交给诸位代表，如果有2/3的代表证明通过，则这个新区块就被加入到区块链中；如果没有被证明通过，被选择的报告人节点将变成普通的代表，新的报告人节点会被重新选择。

DBFT对比工作量证明更快且消耗的资源更少，同时避免了股权证明可能会出现的区块链分叉现象，这并不是说DBFT就完美无缺了：

1. 我们假定有一个不诚实的报告人节点存在(这是可能发生的，因为报告人节点是从所有共识节点中随机选取的），如果发生了，那么网络就需要依赖诚实的代表节点数量能过超过2/3。
2. 很难避免代表节点存在行为上的欺诈，系统会将代表的历史行为数据，公开给所有选民进行查看。

总的来说，目前还没有完美的共识机制，目测以后也不可能会有，因为这需要根据具体的需求和使用场景进行权衡。同时了解新出现的区块链应用，所提出自己的共识机制，并分析其优缺点，是很开眼界且有趣的。