区块链与分布式系统的CAP定理

说起区块链，第一个想起的词可能就是“去中心化”。所谓“中心化”，就好比现在银行用的系统，即便网点遍布全国各地，却都连着同一个节点，以此来保证记账的准确。与此相对应的，也可以去中心化。数据存储在不同节点里，以此来提供灵活而高效的服务，这就是分布式系统。

对于分布式系统来说，有一个著名的CAP定理。其中，C是指一致性（Consistency），A是指可用性（Availability），而P则是指分区容忍性（Partition tolerance）。

相对“中心化”的系统而言，分布式系统的优点很多，但问题也不少，例如：一致性（C）问题对“中心化”的系统而言是显而易见的。但对于分布式系统来说，由于有多个节点的存在，保持各个节点内数据的一致就成了一个问题。分区容忍性（P）也是分布式系统特有的问题：这么多的节点，不可能所有节点都可用才能保证整个分布式系统的服务可用，否则的话分布式系统也就失去了意义。可用性（A）则很好理解，也就是能正确及时提供服务，这是“中心化”和“分布式”系统共同要面对的问题。

然而，正如国际贸易中的蒙代尔不可能三角一样。不幸的是，CAP也是一个不可能三角，三者不能兼得，这个在数学上有严格的证明，但也可以用简单直观的方法进行解释。

譬如说，要保证各个节点上数据的一致，必须使得各个节点间能够通信从而使得数据同步。如果这种通信由于某种原因缓慢甚至中断，那么同时在服务的各个节点间的数据必然会产生差别，这也就是保证了可用性（A）和分区容忍性（P）而牺牲了一致性。事实上，由于网络原因，一致性问题是始终存在的，只不过时延大小而已。在一致性问题上，分布式系统只能实现给定时延下的“最终一致”，而非时时刻刻都能一致。

我们再来看看区块链这个分布式系统，就以比特币为例。能不能牺牲一致性呢？当然不能，没有一致性的数据，大家对某个人到底有多少钱没有共识，那还搞什么货币？能不能牺牲分区容忍性呢？当然也不能。那么多人在用比特币，有一个人没有上线大家就都不能用，那不是开玩笑吗？

因此，事实上区块链选择的是牺牲可用性。简单地说，也就是对于交易记录的完整性和响应时间的快速不可兼得。如果选择了快，那么交易记录就不可能完整；如果选择了交易记录完整，那确认交易的时间就会越变越长。选择路径的不同，也就导致了比特币的“分叉”。目前看来，选择“快”已经成了不可避免的趋势。道理很简单，一笔交易如果需要几个小时乃至几天才能确认，这对于货币来说，完全是不可容忍的。具有讽刺意味的是，号称“去中心化”的比特币最后还是要靠“中心化”的存储来解决大量交易的存储问题。

一笔交易若干字节的增加就会导致如此境况，那些号称要靠区块链存储文件乃至图像的应用，如果不是内部小规模用用的话，当笑话听听就可以了。