区块链技术入门详解

区块链是目前一个比较热门的新概念，蕴含了技术与金融两层概念。从技术角度来看，这是一个牺牲一致性效率且保证最终一致性的的分布式的数据库，当然这是比较片面的。从经济学的角度来看，这种容错能力很强的点对点网络，恰恰满足了共享经济的一个必须要求——低成本的可信环境。

1. 技术人员看待区块链的正确姿势

区块链虽然是一个新兴的概念，但它依赖的技术一点也不新，如非对称加密技术、P2P网络协议等。好比乐高积木，积木块是有限的，但是不同组合却能产生非常有意思的事物。

我接触过一些工程师，初次接触区块链时，不约而同的表达了：都是成熟的技术，不就是分布式存储嘛。站在工程师的角度，第一反应将这种新概念映射到自己的知识框架中，是非常自然的。但是细究之下发现，这种片面的理解可能将对区块链的理解带入一个误区，那就是作为一个技术人员，忽略了区块链的经济学特性——一个权力分散且完全自治的系统。

区块链本质上是一个基于P2P的价值传输协议，我们不能只看到了P2P，而看不到价值传输。同样的，也不能只看到了价值传输，而看不到区块链的底层技术。

可以这么说，区块链更像是一门交叉学科，结合了P2P网络技术、非对称加密技术、宏观经济学、经济学博弈等等知识，构建的一个新领域——针对价值互联网的探索。

那什么是价值互联网 ？

价值互联网可以是当下如日中天的电子商务所衍生的支付业务。但，真的只是支付领域吗？很显然这是不够的，一级资本市场，实体资产确权与转移，证券登记交割、征信与反欺诈。我们再仔细想想，我们的各大电商平台的专业差评师，恶意刷单还少吗？

如今的金融领域，除了支付比较便利之外，在其他绝大部分的业务中，我们就像是被套着锁链走路一样，我们反复确认，反复审核，反复监督，我们反复构建一个又一个的大大小小的高可用集群，保证线上服务的可靠性与连续性，我们雇佣一个又一个的安全工程师，交付一个又一个的渗透测试项目。为什么？因为作弊的成本太低了，低到只要改数据库的一行记录就可以提取上百万的资金。

强大的互联网给了我们成本几乎为零的高速信息传输通道，却没有一个成本低廉可靠的高速价值传输通道，那么这也就是区块链即将带来的。

区块链是一个公共的分布式总账，下面从技术角度简单介绍一下：

想象一个100台的分布式数据库集群，现在的情况是这100个节点实际上的拥有者是一个机构，并且所有节点处在该机构的内网当中，所以这个机构想让这100个数据库节点干嘛就干嘛，换句话说这100个节点之间是处于一个可信任的环境，并且受控于一个实体，这个实体具有绝对仲裁分配权。

另外的情况是这样的，想象这100个节点分别归不同的人所有，且每个人的节点数据都是一样的，即完全冗余，并且所有的节点是处在广域网当中，换句话说就是这100个节点之间是不信任的，且不存在一个实体，它拥有绝对仲裁权。

现在考虑第二种情况，采用什么样的算法（共识模型）能够提供一个可信任的环境，使：

每个节点交换数据过程不被篡改；交换历史记录不可被篡改；

每个节点的数据会同步到最新数据，且承认经过共识的最新数据；

基于少数服从多数的原则，整体节点维护的数据本身客观反映了交换历史。

区块链本质上就是要解决以上第二种情况的一种技术方案，更确切的说应该叫分布式的冗余的链式总帐本方案。有关区块链的一些要素，在我以往的文章里有总结过一些：

包含一个分布式数据库

分布式数据库是区块链的物理载体，区块链是交易的逻辑载体，所有核心节点都应包含该条区块链数据的全副本

区块链按时间序列化区块，且区块链是整个网络交易数据的唯一主体

区块链只对添加有效，对其他操作无效

基于非对称加密的公私钥验证

记账节点要求拜占庭将军问题可解/避免

共识过程（consensus progress）是演化稳定的，即面对一定量的不同节点的矛盾数据不会崩溃。

共识过程能够解决double-spending问题

所以作为一个技术人员，不应当只看到了区块链所依赖的技术，更应该关注区块链以外的点和面，综合来看，区块链将会有趣得多。

2. 区块链的一般性架构介绍

有关区块链本身的发展史，网络上资料比较多，本文不再赘述。

而有关区块链技术的介绍，在各个区块链平台的社区是有详细资料的，但是针对这些资料的总结，以及抽象出一共通概念的介绍，还是凤毛麟角，本文尝试总结一下。

在介绍之前，我想稍微介绍一下公有链，联盟链的概念，这些概念是以太坊创始人Vitalik提出的，我在这些概念的基础上做了一些研究。

其实区分公有链、联盟链很简单，只要看这个区块链的访问权限就可以了，如果访问该区块链需要获得链上节点的许可，那么这是一个联盟链，否则是公有链。

根据名称，我们也可以”望文生义“，公有表示一个完全开放的网络，联盟表示一个半开放的网络，成员之间是共享的，非成员身份是没有自由访问权限的，所以我们也称联盟链为许可链。

下面我们来看几个比较主流的区块链平台（公有链，皆开源）：

比特币 Bitcoin

以太坊 Ethereum/经典以太坊 Ethereum Classic

比特股 Bitshares

我一般戏称为”三巨头“，从生态上来看，比特币是最为成熟稳定的，以太坊更像是一个冲在前面的勇士，比特股相比前两位生态要小很多，但是从创新的角度，也不亚于前两位。

其他的很多项目，是从这三个区块链上衍生出来的，所以以这三个为基础，基本上可以吃透区块链了。

不得不提的还有Linux基金会项目——HyperLedger项目（主打联盟链，开源），也是旨在打造一个通用的区块链技术，不过我认为目前尚在开发迭代当中，还没有具体的应用案例，按下不讲。

另外还有一些银行寡头间的联盟链项目——R3 CEV项目（联盟链，闭源），以及中国的R3项目——ChinaLedger（联盟链，闭源），当然这些不是源的，我无法获得有用的资料进行分析，所以就不展开了。

从技术上来看，针对不同的业务场景，对区块链有不同需求，比如实时结算业务，要求区块链提供秒级的交割，相对应的就是出块速度的要求，而出块速度过快往往会导致区块链分叉（fork），形成孤儿链，孤儿链是无效的，那么交易也就作废了，影响了区块链的最终一致性。

如果频繁产生分叉造成相当比例的用户交易失效，那么可以认为系统是不可靠的。

如果我们将这种实时性要求比较高的业务安插到联盟链中，就可以控制风险，通过调整共识算法，利用快速一致共识模型（Consensus Model）来避免上述问题，虽然不如公有链那么健壮，但对某些特殊场景足够了。

所以架构层面，对公有链和联盟链的技术也要差异化对待。

不过客户端整体的设计还是有一些通用的概念的，如下图：

一个区块链至少分为三层，最底层是一些通用的基础模块，比如基础加密算法，网络通讯库，流处理，线程封装，消息封装与解码，系统时间等；

中间一层是区块链的核心模块，一般包含了区块链的主要逻辑，如P2P网络协议，共识模块，交易处理模块，交易池模块，简单合约或者智能合约模块，嵌入式数据库处理模块，钱包模块等等；

最上面一层，往往都是基于Json Standard RPC的交互模块，基于Json-RPC，我们还可以做出更好的UI界面，也可以是一个web-service。

如果区块链 支持智能合约，可能还要分更多的层，比如增加BaaS层，区块链上的智能合约提供自治的服务，比如下面这张以太坊的架构图（来自Google，仅作参考）：

这种分层更加关注的是区块链本身的分层，即业务上的视角，而不完全是技术的。

我们再转向比特币的设计：

比特币几个模块之间的耦合度其实比较高，而且有不少历史包袱，比特币的发明者——中本聪在开发比特币的时候，使用VC++开发，而VC++的标准库中的sstream流处理性能非常感人，不得不放弃，自行实现了了基于vector 的流处理容器。而随着c++11的推出以及标准库的更新迭代，性能不可同日而语。

从整张图我们可以看出，比特币的模块比较少，也比较简单。chain-paramters描述了整个区块链的参数设置，wallet是与地址/加密还有存储相关的，mem-pool是未确认的交易池。得益于比特币核心开发者的不朽贡献，相比中本聪时代的比特币代码，现在的比特币代码质量已经相当不错了。

以上无论哪种设计，一般都要从P2P网络协议作为切入，作为一个P2P钱包，既要提供Service也要提供Client，作为Service依赖P2P网络协议，作为Client依赖Json-RPC。

需要指出的是，目前”三巨头”所使用的账户模型是不同的（所谓账户模型是指账户记账方法），比特币使用UXTO模型，以太坊和比特股使用账户余额模型。

UXTO模型（Unspent Transaction Outputs (UTXOs) ）：此模型表达了一种转移的概念，即任何产生的新币，在以后的生命周期中，只有转移，没有消亡，转移实质上是由加密算法的签名与验证控制的：

账户余额模型：账户余额模型摒弃了这种强验证的账户模型，即账户余额回归到数字加减，这样做提升了交易的效率。

3. 共识算法与分布式

终于来到重点了，本文每节其实都可以展开成为独立的文章，内容所限，简单讲。

所谓区块链共识过程，在上文有所提及，是指如何将全网交易数据客观记录并且不可篡改的过程。目前"三巨头"分别使用不同的共识算法（Consensus Algorithm）, 比特币使用工作量证明PoW（Proof of Work），以太坊即将转换为权益证明PoS（Proof of Stake），比特股使用授权权益证明DPoS（Delegated Proof of Stake）。

以上这些算法我称之为“经济学”的算法，所谓经济学的算法，是指让作弊成本可计算，且让作弊成本往往远大于作弊带来的收益，即作弊无利可图，通过这种思想构造一个用于节点之间博弈的算法，并使之趋向一个稳定的平衡。

相对应的我们还有计算机领域的分布式一致性算法，例如Paxos、Raft，我也称之为传统分布式一致性算法。

他们之间的最大区别是：系统在拜占庭将军（Byzantine Generals Problem）情景下的可靠性，即拜占庭容错（PBFT算法支持拜占庭容错）。然而无论是Paxos还是Raft算法，理论上都可能会进入无法表决通过的死循环(尽管这个概率其实是非常非常低的)，但是他们都是满足safety的，只是放松了liveness的要求, PBFT也是这样。

下面是一些传统分布式一致性算法和区块链共识过程的异同点。先来看相同点：

Append only

强调序列化

少数服从多数原则

分离覆盖的问题：即长链覆盖短链区块，多节点覆盖少数节点日志

这是不同点：

传统分布式一致性算法大多不考虑拜占庭容错（Byzanetine Paxos除外），即假设所有节点只发生宕机、网络故障等非人为问题，并不考虑恶意节点篡改数据的问题；

传统分布式一致性算法是面向日志（数据库）的，即更通用的情况，而区块链共识模型面向交易的，所以严格来说，传统分布式一致性算法应该处于区块链共识模型的下面一层。

考虑上面的不同点，结合公有链和联盟链的特征，我们有：

联盟链：半封闭生态的价值网络，存在对等的不信任节点，如某某协会成员之间。

公有链：开放生态的价值网络，这层主要是为行业链和私有链提供全球交易网络。

由于联盟行业链其半封闭半开放特性，使用Delegated Proof of XXX 是可行的，可以考虑以传统一致性算法作为基础加入拜占庭容错/安全防护机制进行改进也是可以的。

而针对公有链，PoW/Pos/DPos等“经济学”的算法可能是最优算法。

技术上，以上不同的共识算法，我们很多新开发区块链都相应的支持一个特性：共识模块可插拔，以应对不同场景下的要求。

下图是一张未来区块链生态示意图：

公有链提供可信可靠的价值传输网络，上面可以继续组建去中心化应用（DAPP）或者部署联盟链，甚至传统数据库都行，在上层搭建C端应用。

4. 数字资产与价值流通网络

这里有张未来区块链发展的示意图：

Metaverse元界白皮书-CN(概要)

“三巨头”中，比特币在“数字货币”处，比特股在“去中心化交易所”附近，以太坊在“去中心化组织”处。而实际上，区块链和现实的接触点，还在图示位置。

所以区块链仍是一个正在成长的事物，结合图5，我们希望构建一个基础设施完善的价值传输网络，上层应用丰富的区块链生态，仍然需要付出巨大的努力。

下一步目标，是将资产数字化（类比资产证券化），例如我们可以将珍稀物品（艺术品/古董）数字化、知识产权数字化、票据基金等收益权数字化，将极大的提升市场运作效率，配备智能合约，甚至人工智能，可编程社会不再是梦想。