近期有個(gè)國(guó)內(nèi)著名技術(shù)協(xié)會(huì)的約稿，正好向技術(shù)圈分享一下我對(duì)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(zhēng)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?，是怎么工作的?/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?，為什么區(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(jiǎn)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(huì)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(duì)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(duì)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(hào)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(duì)稱加密系統(tǒng)里面的函數(shù)，公私鑰對(duì)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(huì)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(duì)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(duì)賬戶的控制。VerifySignature原語，用來對(duì)于給定數(shù)據(jù)和簽名，驗(yàn)證是不是對(duì)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(shí)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(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的地址，對(duì)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)

智能合約 （Smart Contract）

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(huì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)特定相關(guān)賬戶一次狀態(tài)修改請(qǐng)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(jiǎn)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(duì)交易內(nèi)容的數(shù)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(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(duì)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(shí)機(jī)制驗(yàn)證數(shù)據(jù)和塊頭元數(shù)據(jù)。一個(gè)最簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)證數(shù)據(jù)）

int PowNonce; // 工作量證明的Nonce值 （共識(shí)驗(yàn)證數(shù)據(jù)）

};

這里我們給出了最簡(jiǎn)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(shí)算法，這個(gè)部分會(huì)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(shí)驗(yàn)證要滿足其特定共識(shí)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(huì)被確認(rèn)。這一點(diǎn)不同的共識(shí)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(jiǎn)單的部分，用基于TCP長(zhǎng)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(duì)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(jiǎn)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(shí)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(shí)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(jiǎn)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(chǔ)。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(jiǎn)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

}

}