[譯] 一個程式設計師眼中的區塊鏈技術

我為什麼要寫這篇文章？在瞭解區塊鏈相關資訊時（例如維基百科上的內容），我發現這些內容非常零碎和不連貫。要把這些零碎的資訊整合在一起，形成一個完整的檢視需要花費大量的時間。不過現在，我想我已經知道在引入區塊鏈時要使用哪些東西，以及應該按照怎樣的順序來了解它們，以便讓開發人員能夠在 1 到 1.5 小時內看到完整的檢視。本文內容經過一定程度的簡化，如果有人對更復雜的細節感興趣，可以繼續深入探討。

非對稱加密已經存在很長一段時間了，非對稱加密包含了公鑰和私鑰。我們使用公鑰加密並使用私鑰解密，並且無法從這兩者中的一箇中獲得另外一個。因此，在使用非對稱加密技術時，我可以向某人傳送一條資訊，比如「我轉賬 100 美元」，每個人都知道它是我傳送出去的，而且中間沒有被篡改過。

假設有十個人，他們每個人都擁有一定數量（假設是美元）的新貨幣。他們每個人都確定（並確信）一個叫「X」的人支出了 30 萬美元，但 X 是否真的擁有 30 萬美元還不得而知。爲了弄清楚情況，我們需要知道每個人的餘額。我們只需要將他所有收入交易加起來，並扣除所有支出交易，這樣就能得到餘額。為此，我們需要了解有關收入和支出的資訊，於是公共賬本出現了。有了公共賬本，我們就知道某人是否真的有能力支出 30 萬美元。

比特幣：開端

還有一個問題——如果我把所有錢同時發給兩個人會怎樣？這個問題被稱為雙重支出（double spending）。當然，這兩個人不應該同時收到我賬戶裡的錢。讓他們自己商量誰將收到我賬戶裡的錢？這樣做不方便。通過檢視時間戳來確定我把錢先轉給了誰？這樣做不保險。不過，還是有一個解決方案——對交易進行流水化。如果這樣做了，那麼很明顯第一筆付款發給了 John，那麼就無法再將它發給第二個人，因為我沒有更多的錢。但現在還不清楚誰將決定交易的順序。在銀行和其他集中式系統中，銀行本身就是受託人，也就是單一故障點和信任點，負責與第一個接收人溝通。

在區塊鏈中，不存在這樣的單個受託人，取而代之的是網路中的大部分參與者（當然，這是指將整個網路作為一個整體，因為你不能相信每個個體參與者，因為其中肯定有一些騙子）。我們假設網路不受一個人的控制，並且大多數參與者嚴格按照自己的經濟利益行事。

但流水化交易仍然存在問題，我們還需要在網路參與者中達成「共識」。這個問題需要通過共識演算法來解決，這是區塊鏈領域的一個關鍵演算法。

在討論特定的共識演算法之前，先讓我們來說說臭名昭著的區塊鏈的「區塊」。區塊是一種技術度量，是批處理的一個例項，因此我們可以以「批量」的方式計算多個交易的共識，並且網路的開銷成本可以通過多個交易來「分攤」。

區塊內交易的順序由網路參與者（即生成該區塊的人員，也稱為「礦工」）定義，但區塊本身的順序則由共識演算法來確定。共識演算法已經存在了相當長一段時間。例如，多主 NoSQL 系統中的 Paxos 和 Raft 等演算法就屬於共識演算法，但它們並不適用於擁有數百萬個參與者的網路。

比特幣的工作證明（proof of work，PoW）共識演算法在剛開始時被認為是革命性的。許多網路參與者（礦工）同時生成新區塊，那麼就有必要確定區塊之間的順序。爲了讓一個區塊成為鏈中的下一個區塊，礦工必須進行非常耗時的雜湊計算。對一個區塊（隨同一個隨機串，一個遞增的數字）進行持續的雜湊計算，直到雜湊值看起來像是一個符合某些條件的大數，例如包含 10 個前導零。這需要數十億次的雜湊操作，這一過程代表礦工「證明」該區塊的存在。但檢查礦工的工作是否正確卻十分容易——只需要再進行一次雜湊操作。需要注意的是，整個網路（其中包括成千上萬的礦工）平均在 10 分鐘內（比特幣生成區塊的平均間隔）只可以生成一個區塊 。這大大減少了出現衝突的可能性，即同時有兩個或多個區塊作為下一個區塊。

但是，衝突的可能性仍然存在。於是就有了如下規則——網路參與者接受形成最長鏈的那個區塊。

事實上，它不是一個鏈，而是一個有許多分支和鏈的有向無環圖（DAG）。鏈通常被稱為「共同歷史」（它是最長的鏈）。共識不會立即達成，至少需要在生成幾個區塊之後，所以必須等待一段時間。爲了防止比特幣的雙重支出，人們通常會等待六個區塊（這需要一個小時）。

除了交易資料之外，一個區塊還包含對前一個區塊的雜湊值。因此，過去的某些內容不可能被修改，因為如果修改了就會使其後的所有雜湊無效。在挖礦過程中，你將獲得獎勵，也就是新的資金收益！否則的話，該如何將資金引入到這個系統呢？如果說資金必須發放給某人，那麼這個人就變得很特別，這與去集中化的想法是相矛盾的。為挖礦者發錢似乎是一種合乎邏輯和可接受的解決方案。

順便說一些關於挖礦的事。礦工的主要工作是對新區塊進行雜湊計算，這裏沒有使用非對稱加密技術，因為只需要在將交易新增到區塊之前檢查交易。比特幣使用 SHA-256 雜湊，以太坊則使用 Keccak-256。如果你是獨自挖礦，那麼在生成一個區塊之前，需要很長的時間（每十分鐘產生一個區塊，而你的競爭者有成千上百萬）。因此，礦工需要聚集在一起形成礦池。在礦池中，獎勵在參與者之間通過各種方式進行分配，這意味著你有可能會更經常地獲得獎勵。在這種情況下，風險和收益都是「分散」的。隨著時間趨於無限，來自礦池開採獎勵的數學期望值（無視礦池佣金）等於獨自挖礦的數學期望值。

到目前為止，我們主要介紹的是網路參與者之間的資料交換，並沒有深入太多細節。要記住，資料通過網路進行點對點交換，讓每個挖礦者都能看到交易。

這就是比特幣區塊鏈技術。

智慧合約和 ICO

讓我們繼續。兩個操作（加法和減法）在比特幣的每個賬戶上執行，任何人（主要是礦工）都可以檢查它們。但如果我們向帳戶新增內部變數並新增比較操作呢？假設當我積累了 1000 萬美元時，我不想再讓我的帳戶繼續接受資金，也就是說除了向賬戶新增資金的操作，還需要一定的條件。於是我們有了確定性圖靈機（每個人仍然可以檢查我的賬戶），然後是智慧合同。本文所說的智慧合約指的是以太坊網路中的智慧合約，因為它是目前最受歡迎的智慧合約。

確定性意味著在交易引數相同和儲存初始狀態相同的情況下，我們最終會得到相同的結果以及相同的儲存變更。只有在這些條件得到滿足的情況下，網路才能就每筆交易達成共識。我們必須明白，因為對確定性、可驗證性和去中心化的要求，智慧合約孤立於外部世界。例如，它無法呼叫去中心化的 Web API。另外，智慧合約對外界的控制也非常有限。例如，要通過智慧合約來租用公寓（交換加密貨幣）仍然是很困難的，因為我仍然需要確信當我來到公寓門口時，電子鎖上面不會再套著一把老式的掛鎖。

要了解智慧合約的執行結果（新的餘額或儲存變更），網路節點必須執行該合約規定的操作。在多個節點上的計算不是免費的，因此，以太坊引入了瓦斯（gas）的概念，以避免出現硬編碼加密貨幣佣金，並讓使用者可以計算運算數量及設定價格。這種結構提供了一個額外的間接層，讓使用者可以在低成本交易和快速交易之間進行選擇。

當資金被髮送到合約賬戶（通過地址）時，它便觸發了回退功能，即預設的入口。與賬戶不同的是，合約有多個入口——因此可以接受引數。要修改合約（無論入口是什麼），你必須將交易傳送到網路。但是，如果你只想以只讀模式檢視某些內容，則可以通過使用最新的區塊鏈在本地執行此操作。另外，與賬戶不同的是，智慧合約沒有私鑰。你不能直接從餘額中提取資金——這可以通過使用定義好的方法來完成，當然這些方法應該有安全限制，例如檢查試圖訪問資金的使用者的地址。

最後，我們在比特幣風格的區塊鏈上獲得智慧合約技術。

許多加密貨幣或所謂的「代幣」都是基於以太坊智慧合約。是的，通常這種加密貨幣只是一個以太坊合約。餘額是 map 形式的智慧合約儲存條目，貨幣從一個參與者到另一個參與者的轉移如下所示：

map[Alice] –= payment;map[Bob] += payment;

他們不需要自己挖礦和自己的網路，他們可以使用以太坊的基礎設施。在以太坊中，ICO/ITO 是指加密貨幣（代幣）的乙太網交換（以太坊網路的加密貨幣）。 ERC20 標準說明了哪些方法必須在加密貨幣中定義，這要歸功於交易所對加密貨幣的支援以及以太坊錢包提供的支援。

未來的發展

除了智慧合約之外，還有很多其他建立在區塊鏈基本概念之上的想法，比如「零知識證明（zero-knowledge proof）」和「自律網路（self-regulated network）」。

零知識證明基於同名的密碼協議族，實質上，它最初用於在不解開整個物件的情況下證明該物件的所有權。例如，如果我能夠說出某個檔案隨機十個位元組的位置，那就可以證明我擁有這個 1GB 的檔案。顯然，在這種情況下，我將只公開了 1GB 中的 10 個位元組。由於 RSA 加密涉及求冪，並且

(Y ∗ X) ^ a = Y^a ∗ X^a

所以最後變成了

encrypted(Y ∗ X) = encrypted(Y) ∗ encrypted(X)

也就是說，任何人都可以檢查我的帳戶餘額是否正確執行了乘法預算，而且沒有必要透露我的帳戶上有多少錢！基於這個想法，我們可以建立一種可以保護餘額和支付隱私資訊的加密貨幣（實際上，這樣的貨幣已經存在，如 Zcash）。

區塊鏈提供的通用設定已經包含在網路客戶端的程式碼中，例如區塊的交易數量。通常，更改它們需要網路參與者社羣接受這些更改（以程式碼更新的形式），這會帶來網路分支的風險（當一些參與者決定不接受更改並繼續使用「舊」程式碼）。自我監管嘗試解決這些問題（參見 Tezos 或 EOS 區塊鏈）。這個想法的本質是，對於每一次變更，都可以使用自己的資金進行投票（當然，不會失去它們）。

結論

簡而言之，區塊鏈技術走過了以下的路徑：

交易簽名（非對稱加密技術）+ 交易的開放性 + 交易的流水化 + 到圖靈機的擴充套件 +（零知識證明 | 自我監管 | ……）

我已經提到，許多加密貨幣實際上是以太坊的智慧合約，也就是說它們使用了以太坊區塊鏈。但除了比特幣和以太坊之外，還有其他專案——它們在細節和主要特徵方面可能會有所不同，有人已經嘗試建立幾乎全新的區塊鏈，如 EOS，甚至是不同的區塊拓撲，如 Tangle 和 AElf。

英文原文：https://medium.com/@Eenae/blockchain-through-the-eyes-of-a-developer-68415cc083c0

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