国科简:从概念到底层技术,一篇文看懂重塑世界的区块链

  

从概念到底层技术,一篇文看懂重塑世界的区块链

重塑世界的区块链技术

区块链定义

从概念到底层技术,一篇文看懂重塑世界的区块链

区块链技术到底是什么?很少有人能够解释清楚。现在市面上有很多关于区块链的书籍,内容基本都是,区块链能做什么,区块链的未来前景等。总的来说,区块链是一套协议,一组规范,而不是具体代码、项目。

金融业的人会说区块链是一个分布式的账本,是一个分布式的银行记账系统。

密码学者的会说区块链是使用密码学构建的去信任网络。

码农)可能会说区块链就是一个确保最终一致性的分布式数据库。(ps:基于对IBM的超级账本Hyperledger项目fabric的认识。)

吃瓜群众可以从网络获取定义:区块链(Blockchain)是一种分布式数据库,起源自比特币。区块链是一串使用密码学方法相关联产生的数据块,每一个数据块中包含了一次比特币网络交易的信息,用于验证其信息的有效性(防伪)和生成下一个区块。该概念在中本聪的白皮书中提出,中本聪创造第一个区块,即“创世区块”(摘自维基百科)。

区块链技术三要素

p2p网络通信

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中心化

分布式

去中心化

注:今天所说的去中心化是一个理想化的状态,就如同共产主义理想。现阶段来说区块链去中心化本质上是相对去中心化。

共识算法

在电影电视剧中,这种情况很常见,弱者屈服于强者做伪证。但在基于p2p通信的数以千计的节点中,想要伙同其他节点一起作恶,除非“大多数节点”都被统一组织(人)控制,有共同的利益,且利益大于付出,否则不可达成。

这里“大多数节点”加了引号,因为有些算法并不是在大多数的临界点51%时就能达成共识。如PBFT,需要66%以上的确定节点才能达成共识。比如现在比特币网络有人就提出了这样的担心,因为大概有75%的算力被中国矿池掌控。

加密算法

结合

作恶:要在数以千计的平等节点之间寻找作恶同伙,通常作恶的收获还不如作恶的付出,这就从根本上杜绝了大量坏节点的出现。比如,比特币的POW共识算法,就算联合了比特币网络51%以上的算力去实现双花、硬分叉,得到的收益或许还不够交电费。

宕机:这个很好理解,所有的节点都是平等的,一个宕机了,不影响整个网络的持续运行。

区块链应用四展望

区块链金融

在区块链技术被挖掘出来以后,这句话被反复引用,无论是否炒作,必须看到区块链在应对金融业务时拥有的得天独厚的优势,如果银行不思求变,那么被时代抛弃是必然。因此,诸如花旗银行、汇丰银行、摩根斯坦利等42家巨头银行加入由一家区块链创业公司创建的R3区块链联盟也就不难理解了。

价值互联网

共享经济

智能合约

开源项目

超级账本

超级账本项目很适合联盟链,私有链的构建。现在超级账本的开源代码实现Fabric由IBM主持孵化,由go语言开发,现在版本为0.6, 坑还很多,需要时间来填,我们的项目也是基于Fabric。所以,现在开始学习Fabric,应该是比较好的选择。

以太坊

国内现状

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布比

小蚁

唯链

ASCH

云象

太一

如何从技术角度理解区块链?

技术人看待区块链的正确姿势

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。

想象有一个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。

区块链的一般性架构介绍

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),当然这些不是开源的,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:

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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;

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):

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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:

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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:

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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。

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。

它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:

从概念到底层技术,一篇文看懂重塑世界的区块链

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。

这里有张未来区块链发展的示意图:

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ref: 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。

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