近期有個國內著名技術協(xié)會的約稿，正好向技術圈分享一下我對區(qū)塊鏈系統(tǒng)的拙見。我發(fā)現一件有趣的事情，即使是有計算機背景，懂編程的同學，都也不怎么清楚區(qū)塊鏈到底是怎么回事。今天這里，我打算用計算機語言和大家溝通，爭取可以至少讓計算機背景的同學，徹底弄明白區(qū)塊鏈是咋回事，是怎么工作的。
不過在開始之前，需要明確的一件事情是，同之前的計算機技術不同，區(qū)塊鏈技術核心關乎的是一個計算系統(tǒng)的自動化監(jiān)管和治理，而不是為了讓計算更高效或更大規(guī)模地發(fā)生。需要明確這個期望，才方便我們去理解，為什么區(qū)塊鏈是這樣設計的，這樣工作的。
偽代碼雜糅了C++和Javascript的語法，一點亂，歡迎大家來改進 （逃 。。.
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好吧，這里開始，前方高能。
我們將以最簡化的加密數字貨幣為例介紹區(qū)塊鏈的精確工作原理，為了便于理解將省略手續(xù)費，大部分優(yōu)化，互操作性等層面的東西。這里會用到強類型的偽代碼，來精確定義其數據結構和執(zhí)行邏輯。這里我們將從零開始實現一個類似以太坊數字貨幣那樣的區(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實體和原語的定義開始：
基礎數據類型
class String; // 基礎字符串數據結構
class Blob; // 基礎二進制數據，用來表示對象序列化之后的線性二進制數據
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值采用大整數來表示，例如余額，挖礦難度等。
// 例如用一個32字節(jié)的無符號大整數，表示0到2^256-1的整數。
數字簽名原語
標準的非對稱加密系統(tǒng)里面的函數，公私鑰對可以在不聯(lián)網的情況下，任意生成，并且全球唯一。通常為32到64字節(jié)的無結構二進制數據。其中公鑰會公開，在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中用來表明特定身份，供他人驗證其對特定賬戶的控制權。而私鑰則用來通過數字簽名來證明其對賬戶的控制。VerifySignature原語，用來對于給定數據和簽名，驗證是不是對應的簽名者簽署的。
typedef BYTE PublicKey［32］; //公鑰數據
typedef BYTE PrivateKey［64］;//私鑰數據
typedef BYTE Signature［64］; //數字簽名數據
void Sign（Blob data， PrivateKey sk， Signature sigdata）; //數字簽名
bool VerifySignature（Blob data， PublicKey pk， Signature sigdata）; //檢查數字簽名是否正確
賬戶地址
在我們這里的例子中，所有哈希函數都采用SHA256，其將產生一個32字節(jié)的哈希值。地址是賬戶的標識符，是一個32字節(jié)的無結構二進制數據，由公鑰的哈希值 SHA256（PublicKey） 得到。那么也就是說每個公鑰，對應一個唯一的地址，對應一個唯一的賬戶。
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
智能合約 （Smart Contract）
這個有點像一個 C++的類，定義了一些狀態(tài)，以及修改這些狀態(tài)的函數。一個區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，可以有多個智能合約同時存在，但是每個僅會有一個實例。這里我們就數字貨幣給出一個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;
}
// 轉賬函數
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;
}
}
// 挖礦獎勵函數
void CoinBase（int height， Address miner）
{
BigInt reward = 5000000000; // 這里簡化為，每次獎勵50個幣
if（reward 》 0）
{
reward += _GetBalance（miner）;
_Ledger［miner］ = reward;
}
}
};
交易 （TransacTIon）
一個交易表示對特定相關賬戶一次狀態(tài)修改請求。交易中不攜帶任何邏輯代碼，僅僅是指定這個交易將調用智能合約里面的哪個公開函數及其調用參數。當然在我們這個極度簡化的系統(tǒng)中，只有一種交易，即前面的轉賬（Transfer）。交易的發(fā)起方必須為扣款方（from），并且整個交易攜帶對交易內容的數字簽名，以確信該交易由扣款方發(fā)起?；谖覀冞@里的例子，一個交易至少含有以下結構：
struct TransacTIon
{
String InvokeFunctionName; // 在我們這里 始終為 “Transfer”
Blob InvokeArguments; // 序列化之后的調用參數
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的一批交易，以及共識機制驗證數據和塊頭元數據。一個最簡化的定義可以是這樣：
struct Block
{
int Timestamp; // 出塊時間
HashValue PrevBlock; // 上一個塊的哈希值
Address Miner; // 礦工地址
int TxnCount; // 這個塊中包含的交易個數
Transaction Txns［TxnCount］; // 完整的交易列表
BigInt PowTarget; // 工作量證明的目標 （共識驗證數據）
int PowNonce; // 工作量證明的Nonce值 （共識驗證數據）
};
這里我們給出了最簡化的工作量證明（Proof-of-Work）的驗證數據結構，如果采用其他共識算法，這個部分會有變化。從這個結構可以看出，區(qū)塊鏈之所以稱為鏈，就是因為區(qū)塊結構中包含一個指向上一個區(qū)塊的“指針”，PrevBlock。任何一個被確認的區(qū)塊，同時也意味著承認其全部的前驅區(qū)塊，以及這些區(qū)塊所攜帶的全部交易。一個區(qū)塊被確認有三個條件：
1. 這個區(qū)塊的共識驗證要滿足其特定共識算法的要求。在工作量證明算法中，PowTarget必須小于當前挖礦難度的要求，同時 （（BigInt&）SHA256（Block）） 《 Block：：PowTarget。
2. 這個塊所包含的交易必須沒有被之前的區(qū)塊包含過，并且每個交易必須能夠保證其數字簽名能夠被其Signer的公鑰正確驗證。至于交易所執(zhí)行的邏輯是否正確，是否出錯則無關緊要。
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。這一點不同的共識算法有不同的情況。
P2P通訊原語
區(qū)塊鏈的網絡層僅用到了P2P網絡技術中簡單的部分，用基于TCP長連接的Gossip協(xié)議實現一個數據塊的全網廣播（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; // 接收到一個區(qū)塊的回調函數
function OnRecvTransaction; // 接收到一個交易的回調函數
};
內存池（Mempool）原語
內存池在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中用來記錄尚未被確認的交易，很容易用比如哈希表來實現。
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原語用于挖礦時合成新的區(qū)塊，從mempool中挑出一系列交易來填充Txns數組，最多挑TxnMaxCount個，并返回實際填充的個數。
區(qū)塊歸檔數據庫原語
區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的區(qū)塊以及交易，在被確認之后，將從內存中移除，并寫入歸檔數據庫中。這個部分很容易用一個Key-value storage系統(tǒng)來實現，當然用SQL數據可也是可以的，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個塊調整一次算力難度
static const int BLOCK_CREATION_INTERVAL = 600*1000; //每十分鐘出一個塊
static const int TRANSCATION_PERBLOCK_MAX = 1024; // 每塊最多包含1024個交易
BroadcastNetwork* g_pNet = BroadcastNetwork：：Create（。。.）;
Mempool* g_pMempool = Mempool：：Create（。。.）;
ArchiveDatabase* g_pArchiDB = ArchiveDatabase：：Create（。。.）;
MyCoin g_MyLedger; // 賬簿
// 當前區(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;
// 下一個塊的共識相關信息 （工作量證明）
PowTarget g_NextPowTarget = Block：：InitialPowTarget（）; // 初始挖礦難度
int g_LastTargetAdjustedTime;
// 收到來自網絡廣播的交易
g_pNet-》 OnRecvTransaction = ［］（Transaction txn） {
if（g_pMempool-》Has（txn） || g_pArchiDB-》Has（txn））
return; // 忽略已經存在的交易
if（！VerifySignature（
txn.InvokeFunctionName + txn.InvokeArguments +txn.Signer，
txn.Signer，
txn.Signature
）
）return;// 驗證簽名是否正確
g_pNet-》Broadcast（txn）; // 基本驗證合法之后，接力這個交易的廣播
g_pMempool-》Insert（txn）;
};
// 收到來自網絡廣播的區(qū)塊
g_pNet-》 OnRecvBlock = ［］（Block blk） {
if（blk.PrevBlock ！= g_BlockHeadHash）
return; // 忽略亂序到達的塊，忽略分叉塊
if（blk.PowTarget 》 g_NextPowTarget）
return; // 忽略不滿足當前算力要求的塊
if（blk.TxnCount 》 TRANSCATION_PERBLOCK_MAX）
return; // 忽略過于大的塊
HashValue h = SHA256（blk）;
if（ （（BigInt&）h） 》= blk.PowTarget ）
return; // 忽略未達到當前標稱算力要求的塊
// 校驗全部塊中的交易
for（Int32 i=0; i《blk.TxnsCount; i++）
{
auto& txn = blk.Txns［i］;
if（ g_pArchiDB-》Has（txn） || // 包含之前已經被確認過的交易
！VerifySignature（
txn.InvokeFunctionName + txn.InvokeArguments +txn.Signer，
txn.Signer，
txn.Signature
） // 包含驗簽失敗的交易
）return;
}
// 至此這個區(qū)塊被確認
g_pNet-》Broadcast（txn）; // 確認之后，盡快接力這個區(qū)塊的廣播
g_MyLedger.CoinBase（g_BlockNextHeight， Miner）; // 執(zhí)行出塊獎勵
for（auto& txn ： blk.Txns） // 執(zhí)行每一條交易，然后歸檔
{
// 調用交易中指定的函數
g_MyLedger［txn.InvokeFunctionName］（txn.Signer， txn.InvokeArguments…）;
g_pArchiDB-》Archive（txn）;
g_pMempool-》Remove（txn）; // 從內存池中刪除，如果存在的話
}
g_pArchiDB-》Archive（g_BlockHead）; // 歸檔上一個區(qū)塊
// 更新區(qū)塊鏈頭，這部分代碼需要和挖礦過程中構造新的塊的步驟互斥
g_BlockHeadCS.Lock（）;
{
if（g_BlockNextHeight%TARGET_ADJUST_INTERVAL == 1）
{// 進行算力調整，周期為 TARGET_ADJUST_INTERVAL 個區(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塊
g_BlockHeadHash = h;
g_BlockHead = blk;
g_BlockNextHeight++;
}
g_BlockHeadCS.Unlock（）;
};
這里涉及到一個上面沒有定義的算法，PowTargetAdjustment是用來根據近期出塊速度來調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)定在一個預先設定的值（BLOCK_CREATION_INTERVAL）。這是一個和工作量證明共識算法有關的算法，并不是所有區(qū)塊鏈系統(tǒng)都有。這個算法的一個最簡化定義如下：
算力難度調整
BigInt PowTargetAdjustment（BigInt cur_target， int nth_block_interval）
{
return cur_target*nth_block_interval/（BLOCK_CREATION_INTERVAL*TARGET_ADJUST_INTERVAL）;
}
到這里一個不出塊的區(qū)塊鏈節(jié)點，即全節(jié)點就可以工作了。全節(jié)點是區(qū)塊鏈網絡中的大多數節(jié)點，是區(qū)塊鏈底層P2P網絡得以穩(wěn)定魯棒運行的保障，同時也實現了區(qū)塊數據和交易數據的高度冗余的全網存儲。雖然不出塊，全節(jié)點不同于互聯(lián)網架構的客戶端。一個全節(jié)點不需要信賴其他節(jié)點，更不存在一個服務器。全節(jié)點能夠獨立自主地驗證區(qū)塊鏈完整的歷史演進過程，進而重構其上的狀態(tài) （例如一個賬戶的余額），而不是去向一個需要信賴的服務器查詢。
當然，區(qū)塊鏈網絡計算接力過程是由出塊節(jié)點完成了，也就是所謂的礦工節(jié)點。這些少數節(jié)點，和大量的全節(jié)點混在一起，大部分節(jié)點收到最新的區(qū)塊是來自于其他全節(jié)點的接力廣播，而不是直接來自于一個出塊節(jié)點。當然，作為接受方，也無從判斷發(fā)送方是中繼的全節(jié)點，還是剛剛出塊的礦工節(jié)點。這也有效地保護了真正出塊節(jié)點的安全性，避免暴露礦工節(jié)點的物理IP地址。
一個出塊節(jié)點，首先是一個全節(jié)點，除了上面定義的這些行為之外，還需要一個額外的過程，運行在一個或者多個線程上。我們定義最簡化的出塊過程如下：
void Mining（）
{
while（g_KeepMining）
{
// 構造新的塊，這個部分需要和區(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)點的區(qū)塊鏈頭
break; // 開始去挖下一個塊
}
new_block.PowNonce++; // 嘗試下一個Nonce
}
// 大多數情況下，其他節(jié)點出了新的塊，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塊
}
}
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