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近期有個(gè)國內(nèi)著名技術(shù)協(xié)會的約稿，正好向技術(shù)圈分享一下我對區(qū)塊鏈系統(tǒng)的拙見。我發(fā)現(xiàn)一件有趣的事情，即使是有計(jì)算機(jī)背景，懂編程的同學(xué)，都也不怎么清楚區(qū)塊鏈到底是怎么回事。今天這里，我打算用計(jì)算機(jī)語言和大家溝通，爭取可以至少讓計(jì)算機(jī)背景的同學(xué)，徹底弄明白區(qū)塊鏈?zhǔn)钦厥拢窃趺垂ぷ鞯摹?/p>
不過在開始之前，需要明確的一件事情是，同之前的計(jì)算機(jī)技術(shù)不同，區(qū)塊鏈技術(shù)核心關(guān)乎的是一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)管和治理，而不是為了讓計(jì)算更高效或更大規(guī)模地發(fā)生。需要明確這個(gè)期望，才方便我們?nèi)ダ斫猓瑸槭裁磪^(qū)塊鏈?zhǔn)沁@樣設(shè)計(jì)的，這樣工作的。
偽代碼雜糅了C++和Javascript的語法，一點(diǎn)亂，歡迎大家來改進(jìn) （逃 。。.
================= 預(yù)警分割線 ==============
好吧，這里開始，前方高能。
我們將以最簡化的加密數(shù)字貨幣為例介紹區(qū)塊鏈的精確工作原理，為了便于理解將省略手續(xù)費(fèi)，大部分優(yōu)化，互操作性等層面的東西。這里會用到強(qiáng)類型的偽代碼，來精確定義其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和執(zhí)行邏輯。這里我們將從零開始實(shí)現(xiàn)一個(gè)類似以太坊數(shù)字貨幣那樣的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，為了便于理解，我們將采用以太坊所采用的賬戶-狀態(tài)模型來表示賬簿，而不是比特幣的那種UTXO。
我們先從一系列基礎(chǔ)實(shí)體和原語的定義開始：
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型
class String; // 基礎(chǔ)字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
class Blob; // 基礎(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，用來表示對象序列化之后的線性二進(jìn)制數(shù)據(jù)
class CriticalSection; // 臨界區(qū)，多線程互斥對象
class BigInt; // 區(qū)塊鏈中很多地方的數(shù)值采用大整數(shù)來表示，例如余額，挖礦難度等。
// 例如用一個(gè)32字節(jié)的無符號大整數(shù)，表示0到2^256-1的整數(shù)。
數(shù)字簽名原語
標(biāo)準(zhǔn)的非對稱加密系統(tǒng)里面的函數(shù)，公私鑰對可以在不聯(lián)網(wǎng)的情況下，任意生成，并且全球唯一。通常為32到64字節(jié)的無結(jié)構(gòu)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。其中公鑰會公開，在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中用來表明特定身份，供他人驗(yàn)證其對特定賬戶的控制權(quán)。而私鑰則用來通過數(shù)字簽名來證明其對賬戶的控制。VerifySignature原語，用來對于給定數(shù)據(jù)和簽名，驗(yàn)證是不是對應(yīng)的簽名者簽署的。
typedef BYTE PublicKey［32］; //公鑰數(shù)據(jù)
typedef BYTE PrivateKey［64］;//私鑰數(shù)據(jù)
typedef BYTE Signature［64］; //數(shù)字簽名數(shù)據(jù)
void Sign（Blob data， PrivateKey sk， Signature sigdata）; //數(shù)字簽名
bool VerifySignature（Blob data， PublicKey pk， Signature sigdata）; //檢查數(shù)字簽名是否正確
賬戶地址
在我們這里的例子中，所有哈希函數(shù)都采用SHA256，其將產(chǎn)生一個(gè)32字節(jié)的哈希值。地址是賬戶的標(biāo)識符，是一個(gè)32字節(jié)的無結(jié)構(gòu)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，由公鑰的哈希值 SHA256（PublicKey） 得到。那么也就是說每個(gè)公鑰，對應(yīng)一個(gè)唯一的地址，對應(yīng)一個(gè)唯一的賬戶。
typedef BYTE HashValue［32］; //SHA256的哈希值
typedef HashValue Address; //賬戶地址
HashValue SHA256（Blob data）; // SHA256 哈希函數(shù)
這個(gè)有點(diǎn)像一個(gè) C++的類，定義了一些狀態(tài)，以及修改這些狀態(tài)的函數(shù)。一個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，可以有多個(gè)智能合約同時(shí)存在，但是每個(gè)僅會有一個(gè)實(shí)例。這里我們就數(shù)字貨幣給出一個(gè)極度簡化的智能合約的例子：
class MyCoin
{
// internal state
hash_map《Address， BigInt》 _Ledger;
// internal function
BigInt _GetBalance（Address addr）
{
if（_Ledger.has（addr））return _Ledger［addr］;
else return 0;
}
// 轉(zhuǎn)賬函數(shù)
void Transfer（Address signer， Address from， Address to， BigInt amount）
{
if（signer ！= from）return;
if（amount 》 0 && _GetBalance（from） 》= amount）
{
_Ledger［from］ -= amount;
amount += _GetBalance（to）;
_Ledger［to］ = amount;
}
}
// 挖礦獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)
void CoinBase（int height， Address miner）
{
BigInt reward = 5000000000; // 這里簡化為，每次獎(jiǎng)勵(lì)50個(gè)幣
if（reward 》 0）
{
reward += _GetBalance（miner）;
_Ledger［miner］ = reward;
}
}
};
交易 （Transaction）
一個(gè)交易表示對特定相關(guān)賬戶一次狀態(tài)修改請求。交易中不攜帶任何邏輯代碼，僅僅是指定這個(gè)交易將調(diào)用智能合約里面的哪個(gè)公開函數(shù)及其調(diào)用參數(shù)。當(dāng)然在我們這個(gè)極度簡化的系統(tǒng)中，只有一種交易，即前面的轉(zhuǎn)賬（Transfer）。交易的發(fā)起方必須為扣款方（from），并且整個(gè)交易攜帶對交易內(nèi)容的數(shù)字簽名，以確信該交易由扣款方發(fā)起。基于我們這里的例子，一個(gè)交易至少含有以下結(jié)構(gòu)：
struct Transaction
{
String InvokeFunctionName; // 在我們這里 始終為 “Transfer”
Blob InvokeArguments; // 序列化之后的調(diào)用參數(shù)
PublicKey Signer; // 發(fā)起者的公鑰，注意這里不是地址
Signature SignData; // 由發(fā)起者的私鑰對交易的簽名
};
區(qū)塊 （Block）
一個(gè)區(qū)塊表示區(qū)塊鏈接力執(zhí)行中的一步，里面主要包含這一步中確認(rèn)的一批交易，以及共識機(jī)制驗(yàn)證數(shù)據(jù)和塊頭元數(shù)據(jù)。一個(gè)最簡化的定義可以是這樣：
struct Block
{
int Timestamp; // 出塊時(shí)間
HashValue PrevBlock; // 上一個(gè)塊的哈希值
Address Miner; // 礦工地址
int TxnCount; // 這個(gè)塊中包含的交易個(gè)數(shù)
Transaction Txns［TxnCount］; // 完整的交易列表
BigInt PowTarget; // 工作量證明的目標(biāo) （共識驗(yàn)證數(shù)據(jù)）
int PowNonce; // 工作量證明的Nonce值 （共識驗(yàn)證數(shù)據(jù)）
};
這里我們給出了最簡化的工作量證明（Proof-of-Work）的驗(yàn)證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如果采用其他共識算法，這個(gè)部分會有變化。從這個(gè)結(jié)構(gòu)可以看出，區(qū)塊鏈之所以稱為鏈，就是因?yàn)閰^(qū)塊結(jié)構(gòu)中包含一個(gè)指向上一個(gè)區(qū)塊的“指針”，PrevBlock。任何一個(gè)被確認(rèn)的區(qū)塊，同時(shí)也意味著承認(rèn)其全部的前驅(qū)區(qū)塊，以及這些區(qū)塊所攜帶的全部交易。一個(gè)區(qū)塊被確認(rèn)有三個(gè)條件：
1. 這個(gè)區(qū)塊的共識驗(yàn)證要滿足其特定共識算法的要求。在工作量證明算法中，PowTarget必須小于當(dāng)前挖礦難度的要求，同時(shí) （（BigInt&）SHA256（Block）） 《 Block：：PowTarget。
2. 這個(gè)塊所包含的交易必須沒有被之前的區(qū)塊包含過，并且每個(gè)交易必須能夠保證其數(shù)字簽名能夠被其Signer的公鑰正確驗(yàn)證。至于交易所執(zhí)行的邏輯是否正確，是否出錯(cuò)則無關(guān)緊要。
3. 在所有分叉塊中，即具有相同PrevBlock的塊，只有優(yōu)先的塊會被確認(rèn)。這一點(diǎn)不同的共識算法有不同的情況。
P2P通訊原語
區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)層僅用到了P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中簡單的部分，用基于TCP長連接的Gossip協(xié)議實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)塊的全網(wǎng)廣播（Flooding）。我們這里將其抽象下面的通訊原語：
interface BroadcastNetwork
{
template《typename T》
void Broadcast（const T& object）; // 將對象序列化并廣播出去
function OnRecvBlock; // 接收到一個(gè)區(qū)塊的回調(diào)函數(shù)
function OnRecvTransaction; // 接收到一個(gè)交易的回調(diào)函數(shù)
};
內(nèi)存池（Mempool）原語
內(nèi)存池在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中用來記錄尚未被確認(rèn)的交易，很容易用比如哈希表來實(shí)現(xiàn)。
interface Mempool
{
bool Has（Transaction txn）;
void Insert（Transaction new_txn）;
void Remove（Transaction txns［count］）;
int Collect（Transaction txns［max_count］）;
};
其中Collect原語用于挖礦時(shí)合成新的區(qū)塊，從mempool中挑出一系列交易來填充Txns數(shù)組，最多挑TxnMaxCount個(gè)，并返回實(shí)際填充的個(gè)數(shù)。
區(qū)塊歸檔數(shù)據(jù)庫原語
區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的區(qū)塊以及交易，在被確認(rèn)之后，將從內(nèi)存中移除，并寫入歸檔數(shù)據(jù)庫中。這個(gè)部分很容易用一個(gè)Key-value storage系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然用SQL數(shù)據(jù)可也是可以的，就是效率低一些。
interface ArchiveDatabase
{
void Archive（Transactiontxns［count］）;
void Archive（Block blk）;
void Has（Transaction txn）;
void Has（Block blk）;
}
有了這些定義之后，我們可以給出一個(gè)不考慮分叉情況下最簡單的基于工作量證明的區(qū)塊鏈系統(tǒng)的偽代碼：
static const int TARGET_ADJUST_INTERVAL = 256; // 每隔256個(gè)塊調(diào)整一次算力難度
static const int BLOCK_CREATION_INTERVAL = 600*1000; //每十分鐘出一個(gè)塊
static const int TRANSCATION_PERBLOCK_MAX = 1024; // 每塊最多包含1024個(gè)交易
BroadcastNetwork* g_pNet = BroadcastNetwork：：Create（。。.）;
Mempool* g_pMempool = Mempool：：Create（。。.）;
ArchiveDatabase* g_pArchiDB = ArchiveDatabase：：Create（。。.）;
MyCoin g_MyLedger; // 賬簿
// 當(dāng)前區(qū)塊鏈的頭
Block g_BlockHead = Block：：GenesisBlock（6）; // 初始化為創(chuàng)始區(qū)塊
HashValue g_BlockHeadHash = SHA256（g_BlockHead）;
int g_BlockNextHeight = 1;
CriticalSection g_BlockHeadCS;
// 下一個(gè)塊的共識相關(guān)信息 （工作量證明）
PowTarget g_NextPowTarget = Block：：InitialPowTarget（）; // 初始挖礦難度
int g_LastTargetAdjustedTime;
// 收到來自網(wǎng)絡(luò)廣播的交易
g_pNet-》 OnRecvTransaction = ［］（Transaction txn） {
if（g_pMempool-》Has（txn） || g_pArchiDB-》Has（txn））
return; // 忽略已經(jīng)存在的交易
if（！VerifySignature（
txn.InvokeFunctionName + txn.InvokeArguments +txn.Signer，
txn.Signer，
txn.Signature
）
）return;// 驗(yàn)證簽名是否正確
g_pNet-》Broadcast（txn）; // 基本驗(yàn)證合法之后，接力這個(gè)交易的廣播
g_pMempool-》Insert（txn）;
};
// 收到來自網(wǎng)絡(luò)廣播的區(qū)塊
g_pNet-》 OnRecvBlock = ［］（Block blk） {
if（blk.PrevBlock ！= g_BlockHeadHash）
return; // 忽略亂序到達(dá)的塊，忽略分叉塊
if（blk.PowTarget 》 g_NextPowTarget）
return; // 忽略不滿足當(dāng)前算力要求的塊
if（blk.TxnCount 》 TRANSCATION_PERBLOCK_MAX）
return; // 忽略過于大的塊
HashValue h = SHA256（blk）;
if（ （（BigInt&）h） 》= blk.PowTarget ）
return; // 忽略未達(dá)到當(dāng)前標(biāo)稱算力要求的塊
// 校驗(yàn)全部塊中的交易
for（Int32 i=0; i《blk.TxnsCount; i++）
{
auto& txn = blk.Txns［i］;
if（ g_pArchiDB-》Has（txn） || // 包含之前已經(jīng)被確認(rèn)過的交易
！VerifySignature（
txn.InvokeFunctionName + txn.InvokeArguments +txn.Signer，
txn.Signer，
txn.Signature
） // 包含驗(yàn)簽失敗的交易
）return;
}
// 至此這個(gè)區(qū)塊被確認(rèn)
g_pNet-》Broadcast（txn）; // 確認(rèn)之后，盡快接力這個(gè)區(qū)塊的廣播
g_MyLedger.CoinBase（g_BlockNextHeight， Miner）; // 執(zhí)行出塊獎(jiǎng)勵(lì)
for（auto& txn ： blk.Txns） // 執(zhí)行每一條交易，然后歸檔
{
// 調(diào)用交易中指定的函數(shù)
g_MyLedger［txn.InvokeFunctionName］（txn.Signer， txn.InvokeArguments…）;
g_pArchiDB-》Archive（txn）;
g_pMempool-》Remove（txn）; // 從內(nèi)存池中刪除，如果存在的話
}
g_pArchiDB-》Archive（g_BlockHead）; // 歸檔上一個(gè)區(qū)塊
// 更新區(qū)塊鏈頭，這部分代碼需要和挖礦過程中構(gòu)造新的塊的步驟互斥
g_BlockHeadCS.Lock（）;
{
if（g_BlockNextHeight%TARGET_ADJUST_INTERVAL == 1）
{// 進(jìn)行算力調(diào)整，周期為 TARGET_ADJUST_INTERVAL 個(gè)區(qū)塊
if（g_BlockNextHeight 》 1）
{ g_NextPowTarget = PowTargetAdjustment（
g_NextPowTarget，
blk.Timestamp - g_LastTargetAdjustedTime
）;
}
g_LastTargetAdjustedTime = blk.Timestamp;
}
// 更新區(qū)塊鏈頭在最新的這個(gè)塊
g_BlockHeadHash = h;
g_BlockHead = blk;
g_BlockNextHeight++;
}
g_BlockHeadCS.Unlock（）;
};
這里涉及到一個(gè)上面沒有定義的算法，PowTargetAdjustment是用來根據(jù)近期出塊速度來調(diào)整出塊算力難度要求，從而使得出塊的平均間隔的期望可以大體穩(wěn)定在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的值（BLOCK_CREATION_INTERVAL）。這是一個(gè)和工作量證明共識算法有關(guān)的算法，并不是所有區(qū)塊鏈系統(tǒng)都有。這個(gè)算法的一個(gè)最簡化定義如下：
算力難度調(diào)整
BigInt PowTargetAdjustment（BigInt cur_target， int nth_block_interval）
{
return cur_target*nth_block_interval/（BLOCK_CREATION_INTERVAL*TARGET_ADJUST_INTERVAL）;
}
到這里一個(gè)不出塊的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，即全節(jié)點(diǎn)就可以工作了。全節(jié)點(diǎn)是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)，是區(qū)塊鏈底層P2P網(wǎng)絡(luò)得以穩(wěn)定魯棒運(yùn)行的保障，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊數(shù)據(jù)和交易數(shù)據(jù)的高度冗余的全網(wǎng)存儲。雖然不出塊，全節(jié)點(diǎn)不同于互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的客戶端。一個(gè)全節(jié)點(diǎn)不需要信賴其他節(jié)點(diǎn)，更不存在一個(gè)服務(wù)器。全節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立自主地驗(yàn)證區(qū)塊鏈完整的歷史演進(jìn)過程，進(jìn)而重構(gòu)其上的狀態(tài) （例如一個(gè)賬戶的余額），而不是去向一個(gè)需要信賴的服務(wù)器查詢。
當(dāng)然，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)計(jì)算接力過程是由出塊節(jié)點(diǎn)完成了，也就是所謂的礦工節(jié)點(diǎn)。這些少數(shù)節(jié)點(diǎn)，和大量的全節(jié)點(diǎn)混在一起，大部分節(jié)點(diǎn)收到最新的區(qū)塊是來自于其他全節(jié)點(diǎn)的接力廣播，而不是直接來自于一個(gè)出塊節(jié)點(diǎn)。當(dāng)然，作為接受方，也無從判斷發(fā)送方是中繼的全節(jié)點(diǎn)，還是剛剛出塊的礦工節(jié)點(diǎn)。這也有效地保護(hù)了真正出塊節(jié)點(diǎn)的安全性，避免暴露礦工節(jié)點(diǎn)的物理IP地址。
一個(gè)出塊節(jié)點(diǎn)，首先是一個(gè)全節(jié)點(diǎn)，除了上面定義的這些行為之外，還需要一個(gè)額外的過程，運(yùn)行在一個(gè)或者多個(gè)線程上。我們定義最簡化的出塊過程如下：
void Mining（）
{
while（g_KeepMining）
{
// 構(gòu)造新的塊，這個(gè)部分需要和區(qū)塊鏈頭更新代碼互斥
g_BlockHeadCS.Lock（）;
{
int next_height = g_BlockNextHeight;
Block new_block;
new_block.Timestamp = os：：GetCurrentTime（）;
new_block.PrevBlock = g_BlockHeadHash; // 指向最新的塊
new_block.Miner = g_MyAddress;
new_block.TxnCount = g_pMempool-》Collect（new_block.Txns［TRANSCATION_PERBLOCK_MAX］）;
new_block.PowTarget = g_NextPowTarget;
new_block.PowNonce = os：：Random《Int64》（）; // 隨機(jī)初始值
}
g_BlockHeadCS.Unlock（）;
// 開始挖礦
while（next_height == g_BlockNextHeight）
{
if（ （（BigInt64&）SHA256（new_block）） 《 new_block.PowTarget ）
{
// 挖礦成功
g_pNet-》Broadcast（new_block）; // 立即廣播出去
g_pNet-》OnRecvBlock（new_block）; // 更新本節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈頭
break; // 開始去挖下一個(gè)塊
}
new_block.PowNonce++; // 嘗試下一個(gè)Nonce
}
// 大多數(shù)情況下，其他節(jié)點(diǎn)出了新的塊，并更新了區(qū)塊高度
// 則挖礦被打斷，去挖更新之后的下一個(gè)塊
}
}
責(zé)任編輯：ct
工商網(wǎng)監(jiān)
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