最近因為比特幣的大火而跟著火起來的區(qū)塊鏈你了解多少呢？今天巨推學(xué)院{www.jutuiedu.com}就和大家聊聊最近大火的區(qū)塊鏈。
我們首先要搞清一個問題——比特幣是區(qū)塊鏈，但是區(qū)塊鏈并不是比特幣。
于是，在區(qū)塊鏈的這個問題回答里，提到“礦工”，“挖礦”，“最長鏈”，“分叉”等等詞的，其實都不準(zhǔn)確。
具體到什么是區(qū)塊鏈的問題，小馬目前沒有看到很好的定義和介紹，更多的是大而化之地講區(qū)塊鏈的意義在哪里的空泛文章，要不然就是一水的礦工和挖礦。所以巨推學(xué)院{www.jutuiedu.com}小馬來從純理論角度說一下我個人對區(qū)塊鏈的定義：
1，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€放在非安全環(huán)境中的分布式數(shù)據(jù)庫（系統(tǒng)）。
這里的要點有兩個：（1）分布式，（2）非安全環(huán)境。
首先，這是一個分布式的，去中心化的系統(tǒng)。所以，有一個中心服務(wù)器或者節(jié)點的，不是區(qū)塊鏈。節(jié)點都是安全的，無惡意的，那這不是區(qū)塊鏈。同理，從應(yīng)用的角度講，如果你的應(yīng)用必須要使用中心節(jié)點（例如要用超級計算機做深度學(xué)習(xí)）或者沒必要考慮節(jié)點不安全的情況（例如某個安全的工廠里的傳感器），那么并不需要考慮區(qū)塊鏈技術(shù)。
至于后面的詞“數(shù)據(jù)庫”，目前大部分成熟的區(qū)塊鏈都是數(shù)據(jù)庫，例如比特幣就是一個分布式賬本，而賬本其實就是數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)數(shù)據(jù)的格式，又可以分三種——1，數(shù)據(jù)是完全不相關(guān)的，只是達成的共識，沒有有效無效之分；2，數(shù)據(jù)有某些邏輯結(jié)構(gòu)，例如賬本中，一筆交易實際上除了金額，還有輸入和輸出，連接到之前的交易，這些數(shù)據(jù)需要通過邏輯驗證（例如交易中，節(jié)點需要驗證輸入的交易是否有效）；3，數(shù)據(jù)擁有圖靈完備的邏輯，而驗證的時候需要通過節(jié)點使用算力運算，每筆交易可以有不同的輸出和狀態(tài)，每個節(jié)點要做的不僅僅是驗證交易的真實性和輸入的正確性，還要根據(jù)交易里的邏輯讀入數(shù)值，進行驗算然后再驗證結(jié)果。
比特幣的系統(tǒng)就是第二種，又叫分布式賬本；以太坊是第三種。第三種可以支持智能合約。
用比特幣舉例的話，1，它是一個完全去中心化的系統(tǒng)，2，它放在一個非安全的環(huán)境，它并不要求所有使用比特幣的人都沒有惡意。
2，區(qū)塊鏈采用密碼學(xué)的方法來保證已有數(shù)據(jù)不可能被篡改。
這個是誤解最多的部分，因為很多人一提到區(qū)塊鏈就只覺得是這個。誠然，這部分很重要，而且確實區(qū)塊鏈也因此得名，但這只是區(qū)塊鏈的定義的一部分。
這個部分的兩個核心要點是：（1）密碼學(xué)哈希函數(shù)，（2）非對稱加密。
兩個都是密碼學(xué)的基礎(chǔ)概念，網(wǎng)上都有非常清晰的定義，我只簡單說下：
（密碼學(xué)）哈希函數(shù)：一個函數(shù)Y=H(X)，有如下性質(zhì)：1，有X可以很容易算出Y；2，有Y不可能算出X；3，有Y不可能找到另一個X'使得H(X')=Y；3.5，如果X和X'相差很小，H(X)和H(X')則完全不相關(guān)。
這東西主要用于驗證信息完整性——在一個信息后面放上這個信息的哈希值，這個值很小，例如256bit，而且計算方便。收到信息之后收信人再算一遍哈希值，對比兩者就知道這條信息是否被篡改過了。如果被篡改過，哪怕只有一bit，整個哈希值也會截然不同。而根據(jù)哈希函數(shù)的性質(zhì)，沒有人能夠偽造出另一個消息具有同樣的哈希值，也就是說篡改過的數(shù)據(jù)完全不可能通過哈希校驗。
非對稱加密：這東西很好理解——對稱加密就是有個密鑰，可以理解成保險箱鑰匙，你把消息加密變成密文，沒有人能看懂這是啥，然后同一把鑰匙解密成原來的消息。
非對稱加密就是有兩把鑰匙，一把叫公鑰，一把叫私鑰，用其中一把加密的話，只能用另一把解密，反之亦然。另一個重要的性質(zhì)是，給你密文，明文和其中一把鑰匙，你還是解不出來另一把鑰匙是啥。原理基本上是基于一些困難數(shù)學(xué)問題，例如因數(shù)分解和離散對數(shù)，常用的有RSA，Diffie-Hellman和ECC（橢圓曲線），比特幣用的是橢圓曲線。
非對稱加密除了和對稱加密一樣用于信息加密之外，還有另一個用途，就是身份驗證。因為通常情況我們假設(shè)一對公私鑰，公鑰是公開的，而私鑰只有本人有，于是一個人如果有對應(yīng)的私鑰，我們就可以認定他是本人。其中一個重要的應(yīng)用就是數(shù)字簽名——某個消息后面，發(fā)信人對這個消息做哈希運算，然后用私鑰加密。接著收信人首先對消息進行哈希運算，接著用相應(yīng)的公鑰解密數(shù)字簽名，再對比兩個哈希值，如果相同，就代表這個消息是本人發(fā)出的而且沒有被篡改過。
以是基礎(chǔ)知識，至于區(qū)塊鏈怎么實現(xiàn)的，很簡單：
交易（數(shù)據(jù)）寫在區(qū)塊里。
先進個區(qū)塊叫創(chuàng)世區(qū)塊，寫啥都行。
從第二個區(qū)塊開始，每個區(qū)塊的先進部分有前一區(qū)塊的哈希值。此外，區(qū)塊里的每一筆交易（數(shù)據(jù)），都有發(fā)起人的數(shù)字簽名來保證真實性和合法性。于是，先前區(qū)塊里的任何數(shù)據(jù)都不可被篡改，原因見上。
到這為止有人可能會問：為什么要弄個鏈?。恐苯铀袛?shù)據(jù)加個哈希值不就行了？
因為——這個數(shù)據(jù)庫并不是靜止的啊。
數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)是會增加的，而每次增加的數(shù)據(jù)，就是一個區(qū)塊，于是這些生成時間不同的區(qū)塊，就以這種形式鏈在一起了。
至于如何增加區(qū)塊，就涉及到第三個部分——共識算法。
3，區(qū)塊鏈采用共識算法來對于新增數(shù)據(jù)達成共識。
共識算法的目的，就是讓所有節(jié)點對于新增區(qū)塊達成共識，也就是說，所有人都要認可新增的區(qū)塊。對于有中心的系統(tǒng)，這事很簡單，中心說什么大家同意就好了，但是放到去中心化系統(tǒng)里，尤其是當(dāng)有些節(jié)點有惡意的時候，這東西非常復(fù)雜，計算機科學(xué)里有個相應(yīng)的問題，叫做“拜占庭將軍問題”或者“拜占庭容錯”（BFT）。
有很多用Lamport給出的那個例子來講BFT的東西，我在這里換一個角度。
Lamport大神當(dāng)年提出這個問題的時候在斯坦福研究中心給NASA做項目，他提出這個問題的原因并不是考慮類似比特幣的應(yīng)用場景（整個互聯(lián)網(wǎng)成千上萬個用戶），而是考慮特殊背景下的一個簡單的系統(tǒng)——
航天飛機的控制系統(tǒng)。
如果有航空背景的同學(xué)可能知道，飛機有三套獨立的控制系統(tǒng)，為什么呢？因為任何系統(tǒng)都不可能完全不出故障，就算飛機控制系統(tǒng)的故障率已經(jīng)極低了，還是有飛到一半這東西壞了的可能。于是我們可以弄兩套獨立的系統(tǒng)，同時壞掉的幾率就會大大降低。
可是兩套獨立的系統(tǒng)還是不足以容下一個系統(tǒng)的錯誤——一架飛機迎面飛來，兩套系統(tǒng)一個說要躲，一個說不躲，那到底是躲還是不躲呢？所以我們需要三臺獨立的系統(tǒng)，這樣，如果有一個系統(tǒng)有故障了，還有兩臺能正常工作，能少數(shù)服從多數(shù)給出正確的結(jié)果。學(xué)過糾錯碼的同學(xué)對這個應(yīng)該不陌生，這個系統(tǒng)的輸出之間的漢明間距是3，所以可以糾正一位的錯誤。
然而，對于航天飛機，在冷戰(zhàn)的背景下，萬一某個系統(tǒng)不是壞掉了，而是被敵人控制了呢？三套系統(tǒng)還夠嗎？
答案是否定的，因為不同于單純只是壞掉的節(jié)點，惡意節(jié)點可以做一些別的事來阻止整個系統(tǒng)達成共識。
這個部分略復(fù)雜要講的話要單開一帖，所以我們只說最簡單的情況（無簽名同步系統(tǒng)）。
我們管三個系統(tǒng)叫ABC，正常工作流程是三個人每次得出結(jié)果就互相告訴一下，然后每個人選多數(shù)人同意的結(jié)果。這是個沒有中央節(jié)點的分布式系統(tǒng)，也就是說三人不能聚在一起開個會啥的，仨人只能兩兩通信。這個時候，假設(shè)C有惡意，它的目標(biāo)是破壞這個系統(tǒng)。于是，假設(shè)正確的讀數(shù)是1，A和B都得出了1這個結(jié)果，這個時候C這個小婊砸告訴A說“我的結(jié)果是0，B也覺得是0”，同時打個電話跟B說“哎我覺得是0，A也這么說”，于是A和B就懵逼了。假設(shè)你是A，你聽到了兩個不同版本的B的答案，B說自己選了1，C說B選了0，可是A這個時候沒法知道B和C誰才是那個騙了自己的小婊砸，因為如果B真的告訴A選了1然后告訴C是0，他聽到的結(jié)果和現(xiàn)在是一模一樣的。
于是結(jié)論是，拜占庭容錯，也就是需要容下一個惡意系統(tǒng)而非錯誤系統(tǒng)，需要4個獨立系統(tǒng)。
（當(dāng)然，簽名可以解決這個問題，但是這只是同步系統(tǒng)的情況，在異步系統(tǒng)里這問題會變得更加復(fù)雜，原因是正常節(jié)點的回答有延遲，而惡意節(jié)點可以不回復(fù)，所以，正常節(jié)點一方面要等另一個節(jié)點的回復(fù)，但是它又不知道對方會不會回復(fù)因為對方有可能會有惡意，而在收到回復(fù)之前，它完全沒法判斷對方是正常節(jié)點還是惡意節(jié)點，這個問題叫異步BFT，也是BFT的最復(fù)雜的情況，這里不再做更多的解釋，下文提到的BFT算法，其實都是異步BFT的算法）
Lamport提出這個問題之后，有無數(shù)的算法被提出來，統(tǒng)稱BFT（拜占庭容錯）算法，其中最有代表性的叫PBFT，然后由于最近區(qū)塊鏈的熱度，無數(shù)針對區(qū)塊鏈應(yīng)用場景優(yōu)化過的BFT算法也涌現(xiàn)出來，但是一個重要的問題是，所有目前的BFT算法，都只能應(yīng)用在小型網(wǎng)絡(luò)里。原因很簡單——因為BFT這個問題是設(shè)計給類似于航天飛機控制系統(tǒng)這樣的場景的，早期的算法考慮的也主要是這種場景。PBFT論文里考慮的就是一個5個節(jié)點的系統(tǒng)。就算算上新提出的BFT算法，也最多應(yīng)用在不超過100個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)里。
這個問題被擱置了很久，直到比特幣的誕生——中本聰從某種意義上簡化了這個問題，在比特幣中，同樣是共識問題，中本聰引入了一個重要的假設(shè)——獎勵，他之所以能這樣做的原因是，他考慮的是一個數(shù)字貨幣，也就是說共識這個東西是有價值的。
于是在這樣的系統(tǒng)上，他提出了工作證明機制。
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以上就是小馬對于區(qū)塊鏈的個人定義了，如果大家還有什么問題或者想和我探討的可以加我的微信：15594963298，歡迎大家一起來談?wù)搮^(qū)塊鏈。
