区块链技术篇之用算法实现的伟大共产

由于区块链涉及领域众多我怕大家看不懂，因此我花了很大的经历去梳理其中的关系，现在用技术发展的需求线和逻辑线为你解读。

一、共产自古就是是人们对美好的追求

共产主义（英语：communism；拉丁语：communismus）是一种共享经济结合集体主义的政治思想，主张消灭私有产权，并建立一个各尽所能、各取所需的生产资料公有制（进行集体生产），而且主张一种没有阶级制度、没有国家和政府的社会。在此一体系下，土地和资本财产为人民共同所有。其主张劳动的差别并不会导致占有和消费的任何不平等，并反对任何特权。

我们对比区块链技术的特点和共产特点：

去中心化、分布式（反对任何特权）

自治性、集体维护（进行集体生产）

开放（共享经济集合）

不可篡改（公平）

共产会面临大锅饭导致的生产效率问题，也会带来决策困难的问题，因为要达成每一位人民的共识是一件非常复杂的事情，其中就包括了没有收到通知，故意不表态，口是心非等各种情况，一系列复杂的问题，也是区块链技术需要面对的。

二、区块链实现共产的核心资源

为了解决如此复杂的综合性问题，自然需要各个学科与模块的成功与突破的集合才有可能，我们看看区块链涉及的领域：

分布式、存储、密码学、心理学、经济学、博弈论、网络协议等。

1、区块链技术来源

区块链的演进路径

P2P网络技术：

是区块链系统连接各对等节点的组网技术，学术界 将其翻译为对等网络，在多数媒体上则被称为“点对点”或“端对端”网 络，是建构在互联网上的一种连接网络。

非对称加密算法：

是指使用公私钥对数据存储和传输进行加密和解密。 区块链正是使用非对称加密的公私钥对来构建节点间信任的。

数据库技术：

涉及计算机技术发展的大半历程，是基础性技术，也 是软件业的基石。

数字货币(Digital money)

又被称为电子现金(Ecash)或电子 货币(Emoney)，视为对现实货币的模拟，涉及用户、商家和处于中心 化地位的银行或第三方支付机构。数字货币是电子商务和网上转账的基础。现实中数字货币也指一类免密支付的卡，如公交卡。

2、区块链核心组件

共识机制

共识机制是区块链系统中各个节点达成一致的策略和方法。

信/P2P技术

区块链通常采用P2P技术来组织各个网络节 点，每个节点通过多播实现路由、新节点识别和数据传播等功能。

存储

要实现分布式账本的大规模应用，存储的开销是需要 解决的关键问题之一。

安全机制

三、区块链的关键技术与挑战

1、密码学技术（乌托邦里面的加密技术）

难点：

怎么防止交易记录被篡改？

怎么证明交易方的身份？

怎么保护交易双方的隐私？

2、分布式共识（谁来投票乌托邦要攻打伊拉克到底该不该打？）

核心在于如何解决某个变更在网络中是一致的，是被大家都承认的，同时这个信息是被确定的，不可推翻的。该问题在公开匿名场景下和带权限管理的场景下需求差异较大。

共识问题在很长一段时间内都将是极具学术价值的研究热点，核心的指标将包括容错的节点比例和收敛速度。

3、处理性能（团队大了，各种事情都有走OA，是否浪费了时间？）

如何提高交易的吞吐量，同时降低交易的确认延迟。

4、扩展性（乌托邦里人越来越多，很多人都不认识了，怎么保证民主的问别人意见呢？）

常见的分布式系统，可以通过增加节点来扩展整个系统的处理能力。

对于区块链网络系统来说，这个问题并非那么简单。

网络中每个参与维护的核心节点都要保持一份完整的存储，并且进行智能合约的处理。因此，整个网络的总存储和计算能力，取决于单个节点。甚至当网络中节点数过多时，可能会因为一致性的达成过程延迟降低整个网络的性能。尤其在公有网络中，由于大量低质量处理节点的存在问题将更明显。

比较直接的一些思路，是放松对每个节点都必须参与完整处理的限制（但至少部分节点要能合作完成完整的处理），这个思路已经在超级账本中启用；同时尽量减少核心层的处理工作。

在联盟链模式下，还可以专门采用高性能的节点作为核心节点，用相对较弱的节点作为代理访问节点。

可以简单理解为民主集中制。

5、系统安全（这个不解释了吧）

6、数据库和存储系统（以前私有制东西各方各家，现在社会主义放一起，怎么管理）

区块链网络中的块信息需要写到数据库中进行存储。

观察区块链的应用，大量的写操作、hash计算和验证操作，跟传统数据库的行为十分不同。

当年，人们观察到互联网应用大量非事务性的查询操作，而设计了非关系型（NoSql）数据库。那么，针对区块链应用的这些特点，是否可以设计出一些特殊的针对性的数据库呢？

未来将可能出现更具针对性的“块数据库（BlockDB）”，专门服务类似区块链这样的新型数据业务，其中每条记录将包括一个完整的区块信息，并天然地跟历史信息进行关联，一旦写入确认无法修改。所有操作的最小单位将是一个块。

7、可集成性（乌托邦旁边的国家如果被收购了，怎么合并）

在相当长的一段时间内，基于区块链的新业务系统将与已有的中心化系统共存。

两种系统如何共存，如何分工，彼此的业务交易如何进行传递？

这些都是很迫切的问题。这个问题解决不好，将是区块链技术落地的很大阻碍。

四、挑战如何达成共识问题：分布式系统

1、分布式碰到的第一个问题就是一致性的保障（吃午餐催了服务员三次，结果厨房给你做了三份，谁来买单）

区块链首先是一个分布式系统。

中央式结构改成分布式系统，碰到的第一个问题就是一致性的保障。

在分布式系统中，一致性(Consistency，早期也叫 Agreement)是指对于系统中的多个服务节点，给定一系列操作，在协议（往往通过某种共识算法）保障下，试图使得它们对处理结果达成某种程度的一致。

举个例子，某影视公司旗下有西单和中关村的两个电影院，都出售某电影票，票一共就一万张。那么，顾客到达某个电影院买票的时候，售票员该怎么决策是否该卖这张票，才能避免超售呢？当电影院个数更多的时候呢？

理想的分布式系统一致性应该满足：

可终止性（Termination）：一致的结果在有限时间内能完成；

共识性（Consensus）：不同节点最终完成决策的结果应该相同；

合法性（Validity）：决策的结果必须是其它进程提出的提案。

这类也叫做强一致性。强一致的系统往往比较难实现。很多时候，人们发现实际需求并没有那么强，可以适当放宽一致性要求，降低系统实现的难度。例如在一定约束下实现所谓最终一致性（Eventual Consistency），即总会存在一个时刻（而不是立刻），系统达到一致的状态，这对于大部分的Web系统来说已经足够了。这一类弱化的一致性，被笼统称为弱一致性（Weak Consistency）。

2、共识算法（4人一桌点餐，是一个人点完还是每人分别点呢？）

共识算法解决的是对某个提案（Proposal），大家达成一致意见的过程。提案的含义在分布式系统中十分宽泛，如多个事件发生的顺序、某个键对应的值、谁是领导……等等，可以认为任何需要达成一致的信息都是一个提案。

一般地，把故障（不响应）的情况称为“非拜占庭错误：

一般包括 Paxos、Raft 及其变种。

恶意响应的情况称为“拜占庭错误”（对应节点为拜占庭节点）：

一般包括PBFT 系列和PoW 系列算法等。

3、FLP 不可能性原理（每个人都点到可口的，吃不到难吃的，经济实惠的，很快能点完的？鱼和熊掌不可兼得）

FLP 不可能原理：在网络可靠，存在节点失效（即便只有一个）的最小化异步模型系统中，不存在一个可以解决一致性问题的确定性算法。

4、CAP原理（吃个便饭真的需要照顾这么多方面么？一次酒席真的需要嘉宾都要点餐么？）

分布式计算系统不可能同时确保一致性（Consistency）、可用性（Availablity）和分区容忍性（Partition），设计中往往需要弱化对某个特性的保证。

一致性（Consistency）：任何操作应该都是原子的，发生在后面的事件能看到前面事件发生导致的结果，注意这里指的是强一致性；

可用性（Availablity）：在有限时间内，任何非失败节点都能应答请求；

分区容忍性（Partition）：网络可能发生分区，即节点之间的通信不可保障。

5、CAP原理的演变应用（饿的时候点快的，省钱的时候点便宜的，想跳出点餐惯性的就各点一个）

弱化一致性

对结果一致性不敏感的应用，可以允许在新版本上线后过一段时间才更新成功，期间不保证一致性。

例如网站静态页面内容、实时性较弱的查询类数据库等，CouchDB、Cassandra 等为此设计。

弱化可用性

对结果一致性很敏感的应用，例如银行取款机，当系统故障时候会拒绝服务。MongoDB、Redis 等为此设计。

Paxos、Raft 等算法，主要处理这种情况。

算法：

Paxos算法：Paxos 问题是指分布式的系统中存在故障（fault），但不存在恶意（corrupt）节点场景（即可能消息丢失或重复，但无错误消息）下的共识达成（Consensus）问题。

Raft算法：Raft 是对 Paxos 的重新设计和实现。是Paxos 算法的一种简化实现。

弱化分区容忍性

现实中，网络分区出现概率减小，但较难避免。某些关系型数据库、ZooKeeper 即为此设计。

实践中，网络通过双通道等机制增强可靠性，达到高稳定的网络通信。

ACID 原则：

即 Atomicity（原子性）、Consistency（一致性）、Isolation（隔离性）、Durability（持久性）。

ACID 原则描述了对分布式数据库的一致性需求，同时付出了可用性的代价。

BASE原则：

BASE（Basic Availiability，Soft state，Eventually Consistency），牺牲掉对一致性的约束（最终一致性），来换取一定的可用性。

6、拜占庭问题与算法（五个商家都说自己是正版肯德基，你怎么点菜）

拜占庭问题更为广泛，讨论的是允许存在少数节点作恶（消息可能被伪造）场景下的一致性达成问题。拜占庭算法讨论的是最坏情况下的保障。

又叫拜占庭将军（Byzantine Generals Problem）问题，是 Leslie Lamport 1982 年提出用来解释一致性问题的一个虚构模型。拜占庭是古代东罗马帝国的首都，由于地域宽广，守卫边境的多个将军（系统中的多个节点）需要通过信使来传递消息，达成某些一致的决定。但由于将军中可能存在叛徒（系统中节点出错），这些叛徒将努力向不同的将军发送不同的消息，试图会干扰一致性的达成。

拜占庭问题即为在此情况下，如何让忠诚的将军们能达成行动的一致。

Byzantine Fault Tolerant 算法

面向拜占庭问题的容错算法，解决的是网络通信可靠，但节点可能故障情况下的一致性达成。

PBFT 算法包括三个阶段来达成共识：Pre-Prepare、Prepare 和 Commit。

新的解决思路

拜占庭问题之所以难解，在于任何时候系统中都可能存在多个提案（因为提案成本很低），并且要完成最终的一致性确认过程十分困难，容易受干扰。但是一旦确认，即为最终确认。

比特币的区块链网络在设计时提出了创新的PoW（Proof of Work）算法思路。一个是限制一段时间内整个网络中出现提案的个数（增加提案成本），另外一个是放宽对最终一致性确认的需求，约定好大家都确认并沿着已知最长的链进行拓宽。系统的最终确认是概率意义上的存在。这样，即便有人试图恶意破坏，也会付出很大的经济代价（付出超过系统一半的算力）。

后来的各种 PoX 系列算法，也都是沿着这个思路进行改进，采用经济上的惩罚来制约破坏者。

五、挑战如何在达成共识中保密信息问题：密码学技术

1、Hash 算法

Hash （哈希或散列）算法是信息技术领域非常基础也非常重要的技术。它能任意长度的二进制值（明文）映射为较短的固定长度的二进制值（Hash值），并且不同的明文很难映射为相同的 Hash 值。

目前流行的 Hash 算法包括 MD5、SHA-1 和 SHA-2。

这意味着我们只要对某文件进行 MD5 Hash 计算，得到结果为89242549883a2ef85dc81b90fb606046 ，这就说明文件内容极大概率上就是 “hello blockchain world, this is 科技前哨”。可见，Hash 的核心思想十分类似于基于内容的编址或命名。

注：hash 值在应用中又被称为指纹（fingerprint）、摘要（digest）。

性能

一般的，Hash算法都是算力敏感型，意味着计算资源是瓶颈，主频越高的CPU进行Hash的速度也越快。

也有一些Hash算法不是算力敏感的，例如scrypt，需要大量的内存资源，节点不能通过简单的增加更多CPU来获得hash 性能的提升。

数字摘要

顾名思义，数字摘要是对数字内容进行 Hash 运算，获取唯一的摘要值来指代原始数字内容。

数字摘要是解决确保内容没被篡改过的问题（利用 Hash 函数的抗碰撞性特点）。

数字摘要是 Hash 算法最重要的一个用途。在网络上下载软件或文件时，往往同时会提供一个数字摘要值，用户下载下来原始文件可以自行进行计算，并同提供的摘要值进行比对，以确保内容没有被修改过。

2、加解密算法

分为对称加密、非对称加密和混合加密机制

非对称加密是现代密码学历史上最为伟大的发明，可以很好的解决对称加密需要的提前分发密钥问题。

顾名思义，加密密钥和解密密钥是不同的，分别称为公钥和私钥。

公钥一般是公开的，人人可获取的，私钥一般是个人自己持有，不能被他人获取。

优点是公私钥分开，不安全通道也可使用。

缺点是加解密速度慢，一般比对称加解密算法慢两到三个数量级；同时加密强度相比对称加密要差。

3、数字签名

类似在纸质合同上签名确认合同内容，数字签名用于证实某数字内容的完整性（integrity）和来源（或不可抵赖，non-repudiation）。

重要的有HMAC，Hash-based Message Authentication Code，即“基于 Hash 的消息认证码”

4、数字证书

数字证书用来证明某个公钥是谁的，并且内容是正确的。

对于非对称加密算法和数字签名来说，很重要的一点就是公钥的分发。一旦公钥被人替换（典型的如中间人攻击），则整个安全体系将被破坏掉。

数字证书就是像一个证书一样，证明信息和合法性。

数字证书内容可能包括版本、序列号、签名算法类型、签发者信息、有效期、被签发人、签发的公开密钥、CA 数字签名、其它信息等等，一般使用最广泛的标准为 ITU 和 ISO 联合制定的 X.509 规范。

5、PKI 体系

解决了十分核心的证书管理问题。

在非对称加密中，公钥则可以通过证书机制来进行保护，如何管理和分发证书则可以通过PKI（Public Key Infrastructure）来保障。

6、Merkle 树

默克尔树（又叫哈希树）是一种二叉树，由一个根节点、一组中间节点和一组叶节点组成。最下面的叶节点包含存储数据或其哈希值，每个中间节点是它的两个孩子节点内容的哈希值，根节点也是由它的两个子节点内容的哈希值组成。

默克尔树的特点是，底层数据的任何变动，都会传递到其父亲节点，一直到树根。

7、同态加密

同态加密（Homomorphic Encryption）是一种特殊的加密方法，允许对密文进行处理得到仍然是加密的结果，即对密文直接进行处理，跟对明文进行处理再加密，得到的结果相同。从代数的角度讲，即同态性。

8、零知识证明

证明者在不向验证者提供任何有用的信息的前提下，使验证者相信某个论断是正确的。

例如，A 向 B 证明自己有一个物品，但 B 无法拿到这个物品，无法用 A 的证明去向别人证明自己也拥有这个物品。

总结一下：

1、为了达成伟大共产集体共有，集体管理，集团劳动，平等，民主等美好愿望，区块链技术面临着密码学技术、分布式共识、处理性能、扩展性、系统安全、数据库和存储系统、可集成性等重要问题和技术挑战。

2、区块链技术为解决共产难题，以通信、存储、安全机制、共识机制四个核心组件为抓手，综合运用了分布式、存储、密码学、心理学、经济学、博弈论、网络协议等领域能力解决。

3、分布式第一问题就是一致性，人们一直试图通过某种算法（套路）达成共识。FLP不可能性原理从理论上证明了达成一致性是不可能的，因此人们需要另寻他发。于是CAP原理诞生，在一致性、可用性和分区容忍性三者之间此消彼长，牺牲一个可以保全另外两个。于是诞生了很多很多达成一致的套路Paxos、Raft等。如果单个节点有人故意使坏或者撒谎又该怎么办呢？以前是如何去甄别这些节点，现在我们换一种思路，增加提案成本，即便有人试图恶意破坏，也会付出很大的经济代价（付出超过系统一半的算力），这就是PoW（Proof of Work） 算法思路。

4、Hash（哈希或散列）算法是信息技术领域非常基础也非常重要的技术。对于一句话可以算出一个唯一的编码，并且这段编码不可逆。Merkle默克尔树（又叫哈希树）层层嵌套，底层任何数据的变动最上层都会看得到，保障信息安全透明。内容传输过程中需要加解密，包括公钥私钥。数字签名用于证实某数字内容的完整性和来源。数字证书用来证明某个公钥是谁的，并且内容是正确的。PKI体系解决了十分核心的证书管理问题。

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Counterparty→ 合约币

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cryptocurrency→ 加密货币

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D

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difficultyretargeting → 难度调整

difficultytargets → 难度目标

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digitalcurrency → 数字货币

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DistributedLedger Technology（DLT） → 分布式账簿技术

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ECDSA→ 椭圆曲线数字签名算法保障

Eigentrust++for nodes → 用于节点的Eigentrust++技术

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electricitycost and target difficulty → 电力消耗与目标难度

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FBRP→ 快速区块中继协议

FEC→ 向前纠错

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fintech→ 金融技术

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linkingto blockchain → 连接至区块链

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multi-signatureaddresses → 多重签名地址

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NIST5→ NIST5是一种新算法，由TalkCoin首创

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O

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onnew nodes → 在新节点上

onSPV nodes → 在SPV节点

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one-hopnetwork → 单跳网络

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OWAS→ 单向聚合签名

OTC(overthe counter) → 场外交易

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P2PPool → P2Pool（一种点对点方式的矿池）

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parentblockchain → 主链

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Payto script hash (P2SH) → P2SH代码；脚本哈希支付方式

paymentchannel → 支付通道

P2SHaddress → P2SH地址；脚本哈希支付地址

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pooloperator of mining pools → 矿池运营方

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post-tradeprocessing → 交易后处理

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Premine→ 预挖

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proofof work → 工作量证明

proof-of-workalgorithm → 工作量证明算法

proof-of-workchain → 工作量证明链

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proteinfolding algorithms → 蛋白质折叠算法

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publickey derivation → 公钥推导

publickeys→ 公钥

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privateblockchain/permissioned blockchain → 私链

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PythonECDSA library → PythonECDSA库

R

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scriptconstruction → 脚本构建

scriptlanguage for → 脚本语言

Scriptlanguage→ 脚本语言

scripts→ 脚本

scryptalgorithm → scrypt算法

scrypt-Nalgorithm → scrypt-N算法

SecureHash Algorithm(SHA) → 安全散列算法

security→ 安全

securitythresholds → 安全阈值

seednodes → 种子节点

seeded→ 种子

seededwallets → 种子钱包

selecting→ 选择

softlimit → 软限制

SegregatedWitness(SegWit) → 隔离见证

SHA256→ SHA256

SHA3algorithm → SHA3算法

SharedPermission Blockchain → 共享认证型区块链

shibes→ 狗狗币粉丝

shoppingcarts public keys → 购物车公钥

simplifiedpayment verification (SPV) nodes → 简易支付验证（SPV）节点

simplifiedpayment verification（SPV）wallet → 轻钱包

sidechain→ 侧链

signatureoperations（sigops） → 处理签名操作

signatureaggregation → 签名集合

Skeinalgorithm → Skein算法

smartpool → 机枪池

smartcontracts → 智能合约

solomining → 单机挖矿

solominers → 独立矿工

softfork → 软分叉

spilt→ 分割

Stellar→ 恒星币

statelessverification of transactions → 交易状态验证

statelessness→ 无状态

statemachine replication → 状态机原理

storage→ 存储

Stratum(STM)miningprotocol → Stratum挖矿协议

structureof → 的结构

sxtools → sx工具

syncingthe blockchain → 同步区块链

systemsecurity → 系统安全

Subchains→ 子链

T

takingoff blockchain → 从区块链中删除

taintedaddress → 被污染的地址

taintAnalysis → 污点分析

TeleHash→ p2p信息发送系统

timeline→ 时间轴

timestampingblocks → 带时间戳的区块

txids→ 缩短交易标识符

token→ 代币

tokensystem → 代币系统

token-lessblockchain → 无代币区块链=私链

transactionfees → 交易费；矿工费

transactionpools → 交易池

transactionprocessing → 交易处理

transactionvalidation → 交易验证

transactionsindependent verification → 独立验证交易

transactionmalleability → 交易延展性

treestructure → 树结构

Trezorwallet → Trezor钱包

TuringComplete → 图灵完备

two-factorauthentication → 双因素认证

txmessages → tx消息

Type-0nondeterministic wallet → 原始随机钱包

U

uncompressedkeys → 解密钥

unconfirmedtransactions → 未确认交易

unspentoutputs → 未花费输出

usersecurity → 用户安全性

UserToken → 用户代币

UTXOpool → UTXO池

UTXOset → UTXO集合

UTXOs→ 未交易输出

V

validatingnew blocks → 验证新区块

validation→ 验证条件

validation(transaction)→ 校验(交易)

vanity→ 靓号

vanityaddresses → 靓号地址

vanity-miners→ 靓号挖掘程序

verification→ 验证

verificationcriteria → 验证条件

versionmessage → 版本信息

VisualiseTransaction → 可视化交易

W

WalletImport Format(WIF) → 钱包导入格

wallets→ 钱包

whitehat attack → 白帽攻击

weakblocks → 弱区块

whitelist→ 白名单

wildcard→ 通配符

X

Xthin→ 极瘦区块

XRP(Ripple) → 瑞波币

Z

zeroknowledge proof → 零知识证明

zerocodehash → 零代码哈希

Zerocoinprotocol → 零币协议