山東大學 軟體學院 區塊鏈技術

1. 定義：

區塊鏈是去中心化的分布式記賬系統，

2. 基本概念：

交易：一次對賬本的操作，會導致賬本狀態的一次改變，
區塊：記錄一段時間內發生的所有交易和結果的資料結構，可視作對當前賬本狀態的一次共識，
鏈：區塊有序串聯而成的資料結構，是整個賬本狀態改變的日志記錄，

3. 特點：

1、不可篡改性：資料保存在每個節點中，不可被銷毀或修改 ，
2、分布式容錯性：通過分布式系統保證區塊鏈能夠容忍部分節點的例外狀態，
3、隱私保護性：密碼學的應用保證即使資料泄露也無法決議，

就上述三大特點而言，前兩點與區塊鏈作為分布式系統的特質有關，最后一點則源自密碼學的應用，而作為記賬系統，保證區塊鏈的不可篡改性尤為重要，具體來說，區塊鏈技術中按照私有鏈、聯盟鏈及公有鏈的劃分，分別提出了有效的共識演算法(詳見下文)，從而保證資料結構的改變只有在全網達成共識的前提下才能完成，而無法由個別或部分惡意節點修改，磁區容錯性作為分布式系統本身的三大特性(CAP)之一不再贅述，隱私保護性通過公鑰密碼等演算法保證，同樣略過，

4. 分類（根據使用范圍及集群中故障節點及作惡節點進行劃分）：

1. 私有鏈：只供內部少數人使用，不考慮集群中存在作惡節點，只考慮故障節點，
2. 聯盟鏈：由若干組織共同維護，考慮集群中存在作惡節點和故障節點，節點需要通過驗證才能加入和退出，
3. 公有鏈：任何人都可以參與使用和維護，考慮節點中存在作惡節點和故障節點，節點的加入和退出不需要驗證，

5. 運行機制(以位元幣為例)：

1. 客戶端進行交易并廣播交易記錄，
2. 節點驗證交易記錄并打包組成候選區塊，
3. 計算nonce串放進區塊使得候選區塊的哈希結果滿足特定條件，
4. 節點完成亂數串的計算并廣播候選區塊，
5. 其他節點驗證候選區塊并將其加入自己的區塊鏈，
6. 大部分節點都將區塊添加到自己維護的區塊鏈上后，該區塊被網路接受，交易被確認，

要理解區塊鏈技術，首先要明白其作為分布式系統的本質，因此不得不理解其如何克服CAP問題中一致性與可獲得性的矛盾(CAP: consistent, available, and partition tolerant)：
1、一致性：考慮到網路中惡意節點的存在，通過共識演算法保證資料的一致性，
2、可獲得性：整個網路始終處在在趨于整體一致的程序中(指的是網路中可能存在區域節點中的區塊鏈不一致的問題，但是終將按照最長鏈原則形成一致)，我們可能獲得區域節點中不一致的資訊(分叉后的鏈中的資訊)，但最終將獲得正確的資訊，
3、磁區容錯性：通過資料的冗余存盤（每個節點存盤完整區塊鏈）實作

6. 核心：作為一種復雜的動態的分布式網路，我們需要關注區塊鏈如何實作共識(也即上文所述的一致性)，下文分別按照聯盟鏈、私有鏈、公有鏈的順序講解，

6.0 分布式系統

由分布在不同地理位置的多個節點通過網路連接而成，節點可分為

• 可信節點
• 缺陷節點
• 惡意節點

網路中某個出現任意意外行為的節點成為拜占庭節點，

6.0.1 分布式系統模型

同步模型：訊息處理及傳輸都有可以預知的時間(/時鐘漂移)邊界，可以使用超時，
異步模型：無法預知的時間(/時鐘漂移)邊界，無法使用超時，

6.0.2 CAP定理

任何分布式系統無法同時擁有一致性、可用性和磁區容錯性，

• 一致性：所有節點在任意時刻擁有一致的資料
• 可用性：所有節點接收到請求后即能做出回應
• 磁區容錯性：某些節點的失效不影響系統的運行

一致性和可用性存在矛盾，因為要保證資料的一致性就必須在某個節點的資料被更新后立即同步所有節點，而同步完成的這段時間內其他節點不可能保證可用性，

區塊鏈同時實作了這三種屬性

6.1 私有鏈的共識演算法：RAFT

RAFT演算法中，任意節點在任意時刻只能扮演下列三種角色中的一種：leader, candidate, follower，

6.1.1 領導選取程序

網路初始化之后，所有節點都是follower，而當節點一段時間內沒有收到leader節點的心跳包，就會自動成為candidate，并向其他節點廣播投票要求，由于該程序中每個節點只能投出一票，因此先發出請求的節點會有優勢，最侄訓得的票數達到 ( n / 2 ) + 1 (n/2)+1 (n/2)+1的節點成為leader，成為leader的節點每隔一段時間需要向所有節點發送心跳包，

6.1.2 記賬程序

客戶端向leader發送某請求后，
leader節點廣播至所有節點，
大部分節點將接受請求并回傳確認成功資訊，
下一個心跳中，leader會通知所有follower更新確認的專案，

6.2 聯盟鏈與公有鏈中共識演算法的理論基礎：拜占庭將軍問題

IC1: 所有忠誠將軍的行為必須一致，
IC2: 如果發出命令的將軍是忠誠的，那么其余所有忠誠將軍的行為必須和他一致，

6.2.1 基于口頭訊息

拜占庭將軍問題——口頭訊息

可以證明，基于口頭訊息的拜占庭將軍問題在將軍總數大于叛徒人數的三倍時可解：

IC2在將軍總人數超過叛徒人數的兩倍時即成立；
IC1可以分成兩種情況：

1. 發出命令的將軍是忠誠的，此時符合IC2的情況，故直接成立
2. 發出命令的將軍是叛徒，通過數學歸納法可證真

6.2.2 基于簽名訊息

簽名應滿足：

1. 不可偽造
2. 一旦被篡改即可發現
3. 可驗證

拜占庭將軍問題——書面協議

簽名訊息型解決方案可以處理任何數量叛將的場景，

6.3 聯盟鏈的共識演算法：實用拜占庭容錯演算法（PBFT, Practical Byzantine Fault Tolerance）

6.3.2 概念準備

6.3.3 共識形成流程

6.3.4 視圖變更流程

6.4 PBFT與RAFT演算法的對比

此文對PBFT作了詳細介紹并比較了RAFT和PBFT，質量很高：RAFT與PBFT(美圖區塊鏈團隊)

6.5 公有鏈的共識演算法：作業量證明(PoW, Proof of work)與權益證明(PoS, Proof of stake)

首先要認識到，和PBFT演算法一樣，公有鏈上共識演算法的理論基礎也是拜占庭將軍問題，差別在于前者考慮的是口頭訊息(Oral Message)，后者考慮的是簽名訊息(Signed Message)，

POW：通過計算困難而無意義的數學難題分配記賬的權利并形成共識，

7. 區塊鏈的演化

7.1 區塊鏈 1.0

數字貨幣(2008年10月31日，中本聰(Satoshi Nakamoto)發表文章《Bitcoin : A Peer-to-Peer Electronic Cash System》)
位元幣的出現，將PoW與共識機制聯系到一起，首次從實踐意義上實作了一套去中心化的數字貨幣系統，

7.2 區塊鏈 2.0

數字金融(引入了智能合約)

7.3 區塊鏈 3.0

用于金融界之外的政府、司法、媒體等綜合行業

8. 位元幣

9. 以太坊

下面是學習程序中產生的一些問題，相信每個初學者都會遇到，因此稍作記錄：

Q0: 什么是挖礦？
通過調節對哈希結果的限制，位元幣網路控制平均約10分鐘產生一個合法區塊，算出區塊的節點將獲得獎勵（目前是12.5位元幣，每四年減半），

Q1: 區塊鏈中各個節點保存了哪些資訊，存在哪些動作(操作)？
每個用戶都保存完整的區塊鏈，
每個區塊由區塊頭和區塊體構成，區塊頭中包含了上一個區塊的哈希值和本區塊的哈希值以形成鏈，
作為客戶端，節點可以進行交易并廣播交易記錄，
作為一般節點，可以接收交易記錄并打包成候選區塊然后計算nonce值，完成計算后將其加入區塊鏈并廣播，或者接收其他節點的候選區塊廣播并在驗證后加入區塊鏈，

Q2: 新加入的區塊的區塊頭中的哈希值是如何計算出來的？區塊體中包含哪些記賬資訊？
區塊體中的記賬記錄來自客戶端的交易記錄，其實質內容會隨著區塊鏈的應用場景而發生變化，可以抽象地概括為對賬本[區塊鏈中資料]的操作，
區塊頭中包括preHash， 版本號，默克爾樹的根哈希值，以及作為可變引數的亂數，
使用SHA256演算法通過變化的亂數得到符合規定的哈希值后即認定完成計算

Q3: 什么是記賬？
對賬本(區塊鏈中維護的特定資料)的操作，將導致賬本狀態的改變，

Q4: 如何加入新節點？
密碼學+最長鏈優先原則

Q5：(存疑)任意兩個節點某個時刻收到的交易記錄很大概率是不同的，于是它們對不同的交易記錄進行打包并計算nonce值，這樣來看，節點收到的候選區塊中的交易記錄亦有可能與其正在計算的候選區塊中的交易記錄存在差異，那么節點如何驗證這些交易記錄是正確的？
猜測：由于計算亂數串所需的時間足夠長，因此計算出的候選區塊中的交易記錄已經通過P2P網路傳送至其他節點，

Q6: 同時假設集群中存在惡意節點，為何適用于聯盟鏈與公有鏈的共識演算法不同？
公有鏈中需要限制訊息的數量(通過特定機制，如PoW)

為什么區塊鏈無法篡改？
雙花問題和51%攻擊