区块链概述及技术分析

时间:2019-07-04 14:25 浏览:195 次

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l 区块链定义

区块链是一种以密码学算法为基础的点对点分布式账本技术,其本质是一种互联网共享数据库。区块链首次从技术上解决了基于信任的中心化模型带来的安全问题,它基于密码学算法保证价值的安全转移,基于哈希链及时间戳机制保证数据的可追溯、不可篡改特性,基于共识算法保证节点间区块数据的一致性。区块链以其分布式、公开透明、安全等特性使得人们可以在互联网上方便快捷、低成本地进行价值交换,是实现价值互联网的基石。

l 区块链分类

区块链主要分为三大类,公有链、私有链和联盟链。

公有链(PublicBlockChains),是指像比特币区块链这样的完全多中心的、不受任何机构控制的区块链。公有链上的所有人都可以发送交易,且交易能够获得该区块链的有效确认,任何人都可以参与其共识过程,共识过程的参与者(对应比特币中的矿工)通过密码学技术以及内建的经济激励维护数据库安全。特点是完全公开、不受控制,依靠加密技术来保证安全。

私有链(privateBlockChains),参与的节点只有用户自己,可以是一个公司,也可以是个人,数据的访问和使用有严格的权限管理,是指存在一定的中心化控制的区块链,联盟链由于也存在一定的中心化控制,所以也属于私有链的范畴。私有链与其他分布式存储方式没有太大区别,相当于传统意义上的共享数据库用上Merkle Tree等方式试图说明数据的可校验。

联盟链(Consortium BlockChains),参与区块链的节点是事先选择好的,是多个预选的节点,节点间有很好的网络连接,这样区块链上可以采用非工作量证明的其他共识算法,联盟链可以很好地做到节点间的连接,只需要极少的成本就能运行,提供迅速的交易处理和低廉的交易费用,有很好的扩展性(但是扩展性会随着节点的增加而下降),数据可以有一定的隐私,三种区块链的对比分析见表1。

l 区块链特征

区块链有五个基本特征:多中心、开放性、自治性、信息不可篡改和匿名性。

1)多中心,指的是不存在中心化的硬件或管理机构,这是由于使用分布式核算和存储,使得任意节点的权利和义务都是均等的,最终系统中的数据块由整个系统中具有维护功能的节点来共同维护。

2)开放性,系统是开放的,除了交易各方的私有信息被加密外,其他链上的数据对所有人公开,这意味着任何人都可以通过公开的接口查询区块链数据和开发相关应用,因此整个系统信息高度透明。

3)自治性,区块链采用基于协商一致的规范和协议(比如一套开源的公开透明的算法)使得整个系统中的所有节点能够在去信任的环境自由安全地交换数据,使得对“人”的信任改成了对计算机的信任,任何人为的干预不起作用。

4)信息不可篡改,一旦经过验证并添加至区块链,信息就会被永久的存储起来,除非能够同时控制住系统中超过51%的节点,否则单个节点上对数据库的修改是无效的。因此区块链的数据稳定性和可靠性极高。

5)匿名性,由于节点之间的交换遵循固定的算法,通过区块链中的程序规则使得其数据交互是无需信任的,因此交易对手无需通过公开身份的方式让对方产生信任,对信用的累积非常有帮助。

区块链技术分析

l 区块链技术基础模型

区块链原本是比特币等加密货币存储数据的一种独特方式,是一种自引用的数据结构,用来存储大量交易信息,每条记录从后向前有序链接起来,具备公开透明、无法篡改、方便追溯的特点。实际上,这种特性也直接体现了整个比特币的特点,因此使用区块链来概括加密货币背后的技术实现是非常直观和恰当的。区块链是一项技术,加密货币是其开发实现的一类产品(含有代币,也有不含代币的区块链产品),不能等同或混淆。

所以广义区块链技术,是实现了数据公开、透明、可追溯的产品的架构设计方法。具体产品中的区块链技术,可以指类似比特币的数据存储方式,或许是数据库设计,或许是文件形式的设计,被称作狭义的区块链。广义的区块链技术,必须包含点对点网络设计、加密技术应用、分布式算法的实现、数据存储技术的使用等4个方面,其他的可能涉及到分布式存储、机器学习、VR、物联网、大数据等。狭义的区块链仅仅涉及到数据存储技术、数据库或文件操作等。本文的区块链,指的是广义的区块链。

2)  协议层

所谓的协议层,是指最底层的技术。这个层次通常是一个完整的区块链产品,类似于我们电脑的操作系统,它维护着网络节点,仅提供Api供调用。通常官方会提供简单的客户端(通称为钱包),这个客户端钱包功能也很简单,只能建立地址、验证签名、转账支付、查看余额等。这个层次是一切的基础,构建了网络环境、搭建了交易通道、制定了节点奖励规则,至于交易规则、交易方式它一概不过问,也过问不了。典型的例子就是比特币,还有各种二代币,比如莱特币等。

从用到的技术来说,协议层主要包括网络编程、分布式算法、加密签名、数据存储技术等4个方面,其中网络编程能力是大家选择编程语言的主要考虑因素,因为分布式算法基本上属于业务逻辑上的实现,什么语言都可以做到,加密签名技术是直接简单的使用,数据库技术也主要在使用层面,只有点对点网络的实现和并发处理才是开发的难点。所以对于那些网络编程能力强,对并发处理简单的语言,人们就特别偏爱。也因此,Node.js开发区块链应用,逐渐变得更加流行,Go语言也在逐渐兴起。

上面的架构设计图里,把这个层面进一步分成了存储层和网络层。数据存储可以相对独立,选择自由度大一些,可以单独来讨论。选择的原则是性能和易用性。系统的整体性能,主要取决于网络或数据存储的I/O性能,网络I/O优化空间不大,但是本地数据存储的I/O是可以优化的。比如,比特币选择的是谷歌的LevelDB,据说这个数据库读写性能很好,但是很多功能需要开发者自己实现。目前,困扰业界的一个重大问题是,加密货币交易处理量远不如现在中心化的支付系统(银行等),除了I/O,需要全方位的突破。

分布式算法、加密签名等都要在实现点对点网络的过程中加以使用,所以是网络层的事情,也是编码的重点和难点。也有把点对点网络的实现单独分开的,把节点查找、数据传输和验证等逻辑独立出来,而把共识算法、加密签名、数据存储等操作放在一起组成核心层。无论怎么组合,这两个部分都是最核心、最底层的部分,都是协议层的内容。

 3)  扩展层

这个层面类似于电脑的驱动程序,是为了让区块链产品更加实用。目前有两类,一是各类交易市场,是法币兑换加密货币的重要渠道,实现简单,来钱快,成本低,但风险也大。二是针对某个方向的扩展实现,比如基于亿书侧链,可为第三方出版机构、论坛网站等内容生产商提供定制服务等。特别值得一提的就是大家听得最多的“智能合约”的概念,这是典型的扩展层面的应用开发。所谓“智能合约”就是“可编程合约”,或者叫做“合约智能化”,其中的“智能”是执行上的智能,也就是说达到某个条件,合约自动执行,比如自动转移证券、自动付款等,目前还没有比较成型的产品,但不可否认,这将是区块链技术重要的发展方向。

扩展层使用的技术就没有什么限制了,可以包括很多,分布式存储、机器学习、VR、物联网、大数据等等,都可以使用。编程语言的选择上,可以更加自由,因为可以与协议层完全分离,编程语言也可以与协议层使用的开发语言不相同。这个层面与应用层更加接近,也可以理解为B/S架构的产品中的服务端(Server)。这样不仅在架构设计上更加科学,让区块链数据更小,网络更独立,同时也可以保证扩展层开发不受约束。

从这个层面来看,区块链可以架构开发任何类型的产品,不仅仅是用在金融行业。在未来,随着底层协议的更加完善,任何需要第三方支付的产品都可以方便地使用区块链技术;任何需要确权、征信和追溯的信息,都可以借助区块链来实现。

4)  应用层

这个层面类似于电脑中的各种软件程序,是普通人可以真正直接使用的产品,也可以理解为B/S架构的产品中的浏览器端(Browser)。在这个层面市场亟待出现这样的应用,引爆市场,形成真正的扩张之势,让区块链技术快速走进寻常百姓,服务于大众。大家使用的各类轻钱包(客户端),应该算作应用层最简单、最典型的应用。

限于当前区块链技术的发展,现在从协议层出发,把目标指向应用层,同时为第三方开发者提供扩展层的强大支持。这样做既可以避免贪多,又可以避免无法落地,是真正理性的开发路线。因为纯粹的开发协议层或扩展层,无法真正理解和验证应用层,会脱离实际,让第三方开发者很难使用。如果仅仅考虑应用层,市面上又找不到真正牢固、易用的协议层或扩展层的产品。

l 区块链核心技术分析

1)  比特币客户端

比特币核心,也叫“中本聪客户端”(satoshi client)。它实现了比特币系统的所有方面,包括钱包、对整个交易账簿(区块链)完整拷贝的交易确认引擎,和点对点比特币网络中的一个完整网络节点。

根据操作系统不同,可以下载不同的可执行安装工具。对于Windows,是一个ZIP归档文件或.exe格式的可执行文件。对于Mac OS,是一个.dmg格式的磁盘映像。Linux版本包括用于Ubuntu系统的PPA包,或是 tar.gz格式的压缩包。目前可以完整运行的客户端有Bitcoin Wallet、breadwallet、Mycelium、Green Address、Airbitz、Hive等。

第一次运行比特币核心时,它会开始下载整个区块链,比特币核心拥有交易账簿(区块链)的一份完整拷贝,里面记录了自2009年比特币网络被发明以来发生在比特币网络上的每一笔交易。这个数据集有几个GB(在2013年底大约是16GB),并且需要几天的时间完成增量形式的下载(从区块0顺次下载到最新区块)。在整个区块链数据集下载完成前,客户端将不能处理任何交易或是更新账户余额。

2)  密钥、地址、钱包

比特币的所有权是通过数字密钥、比特币地址和数字签名来确立的。数字密钥实际上并不是存储在网络中,而是由用户生成并存储在一个文件或简单的数据库中,称为钱包。存储在用户钱包中的数字密钥完全独立于比特币协议,可由用户的钱包软件生成并管理,而无需区块链或网络连接。密钥实现了比特币的许多有趣特性,包括多中心信任和控制、所有权认证和基于密码学证明的安全模型。

每笔比特币交易都需要一个有效的签名才会被存储在区块链。只有有效的数字密钥才能产生有效的数字签名,因此拥有比特币的密钥副本就拥有了该帐户的比特币控制权。密钥是成对出现的,由一个私钥和一个公钥所组成。公钥就像银行的帐号,而私钥就像控制账户的PIN码或支票的签名。比特币的用户很少会直接看到数字密钥。一般情况下,它们被存储在钱包文件内,由比特币钱包软件进行管理。

在比特币交易的支付环节,收件人的公钥是通过其数字指纹表示的,称为比特币地址,就像支票上的支付对象的名字(即“收款方”)。一般情况下,比特币地址由一个公钥生成并对应于这个公钥。然而,并非所有比特币地址都是公钥;他们也可以代表其他支付对象,譬如脚本。这样一来,比特币地址把收款方抽象起来了,使得交易的目的地更灵活,就像支票一样,这个支付工具可支付到个人账户、公司账户,进行账单支付或现金支付。比特币地址是用户经常看到的密钥的唯一代表,他们只需要把比特币地址告诉其他人即可。

a)  密钥

公钥加密发明于20世纪70年代。它是计算机和信息安全的数学基础。

自从公钥加密被发明之后,一些合适的数学函数被提出,譬如:素数幂和椭圆曲线乘法。这些数学函数都是不可逆的、就是说很容易向一个方向计算,但不可以向相反方向倒推。基于这些数学函数的密码学,使得生成数字密钥和不可伪造的数字签名成为可能。比特币正是使用椭圆曲线乘法作为其公钥加密的基础算法。

在比特币系统中,用公钥加密创建一个密钥对,用于控制比特币的获取。密钥对包括一个私钥,和由其衍生出的唯一的公钥。公钥用于接收比特币,而私钥用于比特币支付时的交易签名。

公钥和私钥之间的数学关系,使得私钥可用于生成特定消息的签名。此签名可以在不泄露私钥的同时对公钥进行验证支付比特币时,比特币的当前所有者需要在交易中提交其公钥和签名(每次交易的签名都不同,但均从同一个私钥生成)。比特币网络中的所有人都可以通过所提交的公钥和签名进行验证,并确认该交易是否有效,即确认支付者在该时刻对所交易的比特币拥有所有权。

一个比特币钱包中包含一系列的密钥对,每个密钥对包括一个私钥和一个公钥。私钥(k)是一个数字,通常是随机选出的。有了私钥,我们就可以使用椭圆曲线乘法这个单向加密函数产生一个公钥(K)。有了公钥(K),我们就可以使用一个单向加密哈希函数生成比特币地址(A)。

私钥就是一个随机选出的数字而已。一个比特币地址中的所有资金的控制取决于相应私钥的所有权和控制权。在比特币交易中,私钥用于生成支付比特币所必需的签名以证明资金的所有权。私钥必须始终保持机密,因为一旦被泄露给第三方,相当于该私钥保护之下的比特币也拱手相让了。私钥还必须进行备份,以防意外丢失,因为私钥一旦丢失就难以复原,其所保护的比特币也将永远丢失。

生成密钥的第一步也是最重要的一步,是要找到足够安全的熵源,即随机性来源。生成一个比特币私钥在本质上与“在1到2256之间选一个数字”无异。只要选取的结果是不可预测或不可重复的,那么选取数字的具体方法并不重要。比特币软件使用操作系统底层的随机数生成器来产生256位的熵(随机性)。

更准确地说,私钥可以是1和n-1之间的任何数字,其中n是一个常数(n=1.158 * 10^77,略小于2^256),并由比特币所使用的椭圆曲线的阶所定义。要生成这样的一个私钥,我们随机选择一个256位的数字,并检查它是否小于n-1。从编程的角度来看,一般是通过在一个密码学安全的随机源中取出一长串随机字节,对其使用SHA256哈希算法进行运算,这样就可以方便地产生一个256位的数字。如果运算结果小于n-1,我们就有了一个合适的私钥。否则,我们就用另一个随机数再重复一次。

通过椭圆曲线算法可以从私钥计算得到公钥,这是不可逆转的过程:K = k * G 。其中k是私钥,G是被称为生成点的常数点,而K是所得公钥。其反向运算,被称为“寻找离散对数”——已知公钥K来求出私钥k——是非常困难的,就像去试验所有可能的k值,即暴力搜索。

椭圆曲线加密法是一种基于离散对数问题的非对称(或公钥)加密法,可以用对椭圆曲线上的点进行加法或乘法运算来表达。

比特币地址是一个由数字和字母组成的字符串,可以与任何想给你比特币的人分享。由公钥(一个同样由数字和字母组成的字符串)生成的比特币地址以数字“1”开头。

b)  地址

在交易中,比特币地址通常以收款方出现。如果把比特币交易比作一张支票,比特币地址就是收款人,也就是我们要写入收款人一栏的内容。一张支票的收款人可能是某个银行账户,也可能是某个公司、机构甚至是现金支票。支票不需要指定一个特定的账户,而是用一个普通的名字作为收款人,这使它成为一种相当灵活的支付工具。与此类似,比特币地址的使用也使比特币交易变得很灵活。比特币地址可以代表一对公钥和私钥的所有者。比特币地址可由公钥经过单向的加密哈希算法得到。哈希算法是一种单向函数,接收任意长度的输入产生指纹摘要。加密哈希函数在比特币中被广泛使用:比特币地址、脚本地址以及在挖矿中的工作量证明算法。

c)  钱包

钱包是私钥的容器,通常通过有序文件或者简单的数据库实现。另外一种制作私钥的途径是确定性密钥生成。在这里你可以用原先的私钥,通过单向哈希函数来生成每一个新的私钥,并将新生成的密钥按顺序连接。

在最早的一批比特币客户端中,钱包只是随机生成的私钥集合。这种类型的钱包被称作零型非确定钱包。举个例子,比特币核心客户端预先生成100个随机私钥,从最开始就生成足够多的私钥并且每把钥匙只使用一次。这种类型的钱包有一个昵称“Just a Bunch Of Keys(一堆私钥)”简称JBOK。这种钱包现在正在被确定性钱包替换,因为它们难以管理、备份以及导入。随机钥匙的缺点就是如果你生成很多,你必须保存它们所有的副本,这就意味着这个钱包必须被经常性地备份。每一把钥匙都必须备份,否则一旦钱包不可访问时,钱包所控制的资金就付之东流。这种情况直接与避免地址重复使用的原则相冲突——每个比特币地址只能用一次交易。地址通过关联多重交易和对方的地址重复使用会减少隐私。0型非确定性钱包并不是钱包的好选择,尤其是当你不想重复使用地址而创造过多的私钥并且要保存它们。虽然比特币核心客户包含0型钱包,但比特币的核心开发者并不想鼓励大家使用。

确定性,或者“种子”钱包包含通过使用单项离散方程而可从公共的种子生成的私钥。种子是随机生成的数字。这个数字也含有比如索引号码或者可生成私钥的“链码”。在确定性钱包中,种子足够收回所有的已经产生的私钥,所以只用在初始创建时的一个简单备份就足以搞定。并且种子也足够让钱包输入或者输出,这就很容易允许使用者的私钥在钱包之间轻松转移输入。

3)  交易

比特币交易是比特币系统中最重要的部分。根据比特币系统的设计原理,系统中任何其他的部分都是为了确保比特币交易可以被生成、能在比特币网络中得以传播和通过验证,并最终添加入全球比特币交易总账簿(比特币区块链)。比特币交易的本质是数据结构,这些数据结构中含有比特币交易参与者价值转移的相关信息。比特币区块链是全球复式记账总账簿,每个比特币交易都是在比特币区块链上的一个公开记录。

一笔比特币交易的生命周期起始于它被创建的那一刻,也就是诞生。随后,比特币交易会被一个或者多个签名加密,这些签名标志着对该交易指向的比特币资金的使用许可。接下来,比特币交易被广播到比特币网络中。在比特币网络中,每一个节点(比特币交易参与者)验证、并将交易在网络中进行广播,直到这笔交易被网络中大多数节点接收。最终,比特币交易被一个挖矿节点验证,并被添加到区块链上一个记录着许多比特币交易的区块中。

一笔比特币交易一旦被记录到区块链上并被足够多的后续区块确认,便成为比特币总账簿的一部分,并被所有比特币交易参与者认可为有效交易。于是,被这笔交易分配到一个新所有者名下的比特币资金可以在新的交易中被使用——这使得所有权链得以延伸且再次开启一个新的比特币交易生命周期。

比特币交易可以被任何人在线上或线下创建,即便创建这笔交易的人不是这个账户的授权签字人。比如,一个负责应付账款的柜员在处理应付票据时可能会需要CEO签名。相似地,这个负责应付账款的柜员可以创建比特币交易,然后让CEO对它进行数字签名,从而使之有效。一张支票是指定一个特定账户作为资金来源的,但是比特币交易指定以往的一笔交易作为其资金来源,而不是一个特定账户。

一旦一笔比特币交易被创建,它会被资金所有者(们)签名。如果它是合法创建并签名的,则该笔交易现在就是有效的,它包含了转移这笔资金所需要的所有信息。最终,有效的比特币交易必须能接入比特币网络,从而使之能被传送,直至抵达下一个登记在公共总账薄(区块链)的挖矿节点。

首先,一笔交易需要传递至比特币网络,才能被传播,也才能加入区块链中。本质上,一笔比特币交易只是300到400字节的数据,而且它们必须被发送到成千上万个比特币节点中的任意一个。只要发送者能使用多于一个比特币节点来确保这笔交易被传播,那么发送者并不需要信任用来传播该笔交易的单一节点。相应地,这些节点不需要信任发送者,也不用建立发送者的“身份档案”。由于这笔交易是经过签名且不含任何机密信息、私钥或密码,因此它可被任何潜在的便利网络公开地传播。信用卡交易包含敏感信息,而且依赖加密网络连接完成信息传输,但比特币交易可在任意网络环境下被发送。只要这笔交易可以到达能将它广播到比特币网络的比特币节点,这笔交易是如何被传输至第一个节点的并不重要。

一旦一笔比特币交易被发送到任意一个连接至比特币网络的节点,这笔交易将会被该节点验证。如果交易被验证有效,该节点将会将这笔交易传播到这个节点所连接的其他节点;同时,交易发起者会收到一条表示交易有效并被接受的返回信息。如果这笔交易被验证为无效,这个节点会拒绝接受这笔交易且同时返回给交易发起者一条表示交易被拒绝的信息。

比特币网络是一个点对点网络,这意味着每一个比特币节点都连接到一些其他的比特币节点(这些其他的节点是在启动点对点协议时被发现的)。整个比特币网络形成了一个松散的连接、且没有固定拓扑或任何结构的“蛛网”——这使得所有节点的地位都是同等的。比特币交易相关信息(包括交易和区块)被传播——从每一个节点到它连接的其他节点。一笔刚通过验证且并被传递到比特币网络中任意节点的交易会被发送到三到四个相邻节点,而每一个相邻节点又会将交易发送到三至四个与它们相邻的节点。以此类推,在几秒钟之内,一笔有效的交易就会像指数级扩散的波一样在网络中传播,直到所有连接到网络的节点都接收到它。

比特币交易的基本单位是未经使用的一个交易输出,简称UTXO。UTXO是不能再分割、被所有者锁住或记录于区块链中的并被整个网络识别成货币单位的一定量的比特币货币。比特币网络监测着以百万为单位的所有可用的(未花费的)UTXO。当一个用户接收比特币时,金额被当作UTXO记录到区块链里。这样,一个用户的比特币会被当作UTXO分散到数百个交易和数百个区块中。实际上,并不存在储存比特币地址或账户余额的地点,只有被所有者锁住的、分散的UTXO。“一个用户的比特币余额”,这个概念是一个通过比特币钱包应用创建的派生之物。比特币钱包通过扫描区块链并聚合所有属于该用户的UTXO来计算该用户的余额。

一笔比特币交易可以有任意数值,但必须从用户可用的UTXO中创建出来。用户不能再把UTXO进一步细分,就像不能把一元纸币撕开而继续当货币使用一样。用户的钱包应用通常会从用户可用的UTXO中选取多个可用的个体来拼凑出一个大于或等于一笔交易所需的比特币量。

被交易消耗的UTXO被称为交易输入,由交易创建的UTXO被称为交易输出。通过这种方式,一定量的比特币价值在不同所有者之间转移,并在交易链中消耗和创建UTXO。一笔比特币交易通过使用所有者的签名来解锁UTXO,并通过使用新的所有者的比特币地址来锁定并创建UTXO。

对于输出和输入链来说,有一个例外,它是一种特殊的交易类型,称为Coinbase交易。这是每个区块中的首个交易。这种交易存在的原因是作为对挖矿的奖励而产生全新的可用于支付的比特币给“赢家”矿工。这也就是为什么比特币可以在挖矿过程中被创造出来。

每一笔比特币交易创造输出,输出都会被比特币账簿记录下来。除特例之外几乎所有的输出都能创造一定数量的可用于支付的比特币,也就是UTXO。这些UTXO被整个网络识别,并且所有者可在未来的交易中使用它们。给某人发送比特币实际上是创造新的UTXO,注册到那个人的地址,并且能被他用于新的支付。

UTXO被每一个全节点比特币客户端在一个储存于内存中的数据库所追踪,该数据库也被称为“UTXO集”或者“UTXO池”。新的交易从UTXO集中消耗(支付)一个或多个输出。

简单地说,交易输入是指向UTXO的指针。它们指向特定的UTXO,并被交易哈希和在区块链中记录UTXO的序列号作为参考。若想支付UTXO,一个交易的输入也需要包含一个解锁脚本,用来满足UTXO的支付条件。解锁脚本通常是一个签名,用来证明对于在锁定脚本中的比特币地址拥有所有权。当用户付款时,他的钱包通过选择可用的UTXO来构造一笔交易。

大多数交易包含交易费,这是为了在网络安全方面给比特币矿工一种补偿。交易费可当作是为了包含(挖矿)一笔交易到下一个区块中的一种鼓励,也可当作是对于欺诈交易和任何种类的系统滥用,在每一笔交易上通过征收一笔小成本的税而造成的一种妨碍。交易费被挖出这个区块的矿工得到,并且记录在这个交易的区块链中。

交易费基于交易的尺寸,用千字节来计算,而不是比特币的价值。总的来说,交易费基于市场所设置,生效于比特币网络中。矿工依据许多不同的标准,按重要性对交易进行排序,这包括费用,并且甚至可能在某种特定情况下免费处理交易。交易费影响处理优先级,这意味着有足够费用的交易会更可能地被包含在下一个挖出的区块中;与此同时,交易费不足或者没有交易费的交易可能会被推迟,基于尽力而为的原则在几个区块之后被处理,甚至可能根本不被处理。交易费不是强制的,而且没有交易费的交易也许最终会被处理,但是,包含交易费将提高处理优先级。

随着时间的过去,交易费的计算方式和交易费在交易优先级上的影响一直在发展。起初,交易费是网络中的一个固定常数。渐渐地,交易费的结构被放宽了,以便被市场基于网络容量和交易量而强制影响。目前最小交易费被固定在每千字节0.0001比特币,或者说是每千字节万分之一比特币,最近一次改变是从千分之一比特币减少到这个数值的。大多数交易少于一千字节,但是那些包含多个输入和输出的交易尺寸可能更大。在未来的比特币协议修订版中,钱包应用预计会使用统计学分析,基于最近的几笔交易的平均费用,来计算最恰当的费用并附在交易上。

4)  比特币网络

比特币采用了基于国际互联网(Internet)的P2P(peer-to-peer)网络架构。P2P是指位于同一网络中的每台计算机都彼此对等,各个节点共同提供网络服务,不存在任何“特殊”节点。每个网络节点以“扁平(flat)”的拓扑结构相互连通。

在P2P网络中不存在任何服务端(server)、中央化的服务、以及层级结构。P2P网络的节点之间交互运作、协同处理:每个节点在对外提供服务的同时也使用网络中其他节点所提供的服务。P2P网络也因此具有可靠性、多中心,以及开放性。早期的国际互联网就是P2P网络架构的一个典型用例:IP网络中的各个节点完全平等。当今的互联网架构具有分层架构,但是IP协议仍然保留了扁平拓扑的结构。

“比特币网络”是按照比特币P2P协议运行的一系列节点的集合。除了比特币P2P协议之外,比特币网络中也包含其他协议。例如Stratum协议就被应用于挖矿、以及轻量级或移动端比特币钱包之中。网关(gateway)路由服务器提供这些协议,使用比特币P2P协议接入比特币网络,并把网络拓展到运行其他协议的各个节点。例如,Stratum服务器通过Stratum协议将所有的Stratum挖矿节点连接至比特币主网络、并将Stratum协议桥接(bridge)至比特币P2P协议之上。“扩展比特币网络(extended bitcoin network)”指代所有包含比特币P2P协议、矿池挖矿协议、Stratum协议以及其他连接比特币系统组件相关协议的整体网络结构。

每个节点都参与全网络的路由功能,同时也可能包含其他功能。每个节点都参与验证并传播交易及区块信息,发现并维持与对等节点的连接。一些节点保有一份完整的、最新的区块链拷贝,这样的节点被称为“全节点”。全节点能够独立自主地校验所有交易,而不需借由任何外部参照。另外还有一些节点只保留了区块链的一部分,它们通过一种名为“简易支付验证(SPV)”的方式来完成交易验证。这样的节点被称为“SPV节点”,又叫“轻量级节点”。挖矿节点通过运行在特殊硬件设备上的工作量证明(proof-of-work)算法,以相互竞争的方式创建新的区块。一些挖矿节点同时也是全节点,保有区块链的完整拷贝;还有一些参与矿池挖矿的节点是轻量级节点,它们必须依赖矿池服务器维护的全节点进行工作。

在比特币P2P协议中,除了这些主要的节点类型之外,还有一些服务器及节点也在运行着其他协议,例如特殊矿池挖矿协议、轻量级客户端访问协议等。

在比特币发展的早期,所有节点都是全节点;当前的比特币核心客户端也是完整区块链节点。但在过去的两年中出现了许多新型客户端,它们不需要维持完整的区块链,而是作为轻量级客户端运行。完整区块链节点保有完整的、最新的包含全部交易信息的比特币区块链拷贝,这样的节点可以独立地进行建立并校验区块链,从第一区块(创世区块)一直建立到网络中最新的区块。完整区块链节点可以独立自主地校验任何交易信息,而不需要借助任何其他节点或其他信息来源。完整区块节点通过比特币网络获取包含交易信息的新区块更新,在验证无误后将此更新合并至本地的区块链拷贝之中。

并非所有的节点都有能力储存完整的区块链。许多比特币客户端被设计成运行在空间和功率受限的设备上,如智能电话、平板电脑、嵌入式系统等。对于这样的设备,通过简化的支付验证(SPV)的方式可以使它们在不必存储完整区块链的情况下进行工作。这种类型的客端被称为SPV客户端或轻量级客户端。随着比特币的使用热潮,SPV节点逐渐变成比特币节点(尤其是比特币钱包)所采用的最常见的形式。

SPV节点只需下载区块头,而不用下载包含在每个区块中的交易信息。由此产生的不含交易信息的区块链,大小只有完整区块链的1/1000。SPV节点不能构建所有可用于消费的UTXO的全貌,这是由于它们并不知道网络上所有交易的完整信息。SPV节点验证交易时所使用的方法略有不同,这个方法需依赖对等节点“按需”提供区块链相关部分的局部视图。打个比方来说,每个全节点就像是一个在陌生城市里的游客,他带着一张包含每条街道、每个地址的详细地图。相比之下,SPV节点就像是这名陌生城市里的游客只知道一条主干道的名字,通过随机询问该城市的陌生人来获取分段道路指示。虽然两种游客都可以通过实地考察来验证一条街是否存在,但没有地图的游客不知道每个小巷中有哪些街道,也不知道附近还有什么其他街道。没有地图的游客在“和平街23号”的前面,并不知道这个城市里是否还有其他若干条“和平街23号”,也不知道面前的这个是否是要找的那个。对他来说,最好的方式就是向足够多的人问路,并且希望其中一部分人不是要试图抢劫他。

简易支付验证是通过参考交易在区块链中的深度,而不是高度,来验证它们。一个拥有完整区块链的节点会构造一条验证链,这条链是由沿着区块链按时间倒序一直追溯到创世区块的数千区块及交易组成。而一个SPV节点会验证所有区块的链(但不是所有的交易),并且把区块链和有关交易链接起来。

比特币网络中几乎每个节点都会维护一份未确认交易的临时列表,被称为内存池或交易池。节点们利用这个池来追踪记录那些被网络所知晓、但还未被区块链所包含的交易。例如,保存用户钱包的节点会利用这个交易池来记录那些网络已经接收但还未被确认的、属于该用户钱包的预支付信息。

随着交易被接收和验证,它们被添加到交易池并通知到相邻节点处,从而传播到网络中。

有些节点的实现还维护一个单独的孤立交易池。如果一个交易的输入与某未知的交易有关,如与缺失的父交易相关,该孤立交易就会被暂时储存在孤立交易池中直到父交易的信息到达。

当一个交易被添加到交易池中,会同时检查孤立交易池,看是否有某个孤立交易引用了此交易的输出(子交易)。任何匹配的孤立交易会被进行验证。如果验证有效,它们会从孤立交易池中删除,并添加到交易池中,使以其父交易开始的链变得完整。对新加入交易池的交易来说,它不再是孤立交易。前述过程重复递归寻找进一步的后代,直至所有的后代都被找到。通过这一过程,一个父交易的到达把整条链中的孤立交易和它们的父级交易重新结合在一起,从而触发了整条独立交易链进行级联重构。

交易池和孤立交易池(如有实施)都是存储在本地内存中,并不是存储在永久性存储设备(如硬盘)里。更准确的说,它们是随网络传入的消息动态填充的。节点启动时,两个池都是空闲的;随着网络中新交易不断被接收,两个池逐渐被填充。

有些比特币客户端的实现还维护一个UTXO数据库,也称UTXO池,是区块链中所有未支付交易输出的集合。“UTXO池”的名字听上去与交易池相似,但它代表了不同的数据集。UTXO池不同于交易池和孤立交易池的地方在于,它在初始化时不为空,而是包含了数以百万计的未支付交易输出条目,有些条目的历史甚至可以追溯至2009年。UTXO池可能会被安置在本地内存,或者作为一个包含索引的数据库表安置在永久性存储设备中。

交易池和孤立交易池代表的是单个节点的本地视角。取决于节点的启动时间或重启时间,不同节点的两池内容可能有很大差别。相反地,UTXO池代表的是网络的突显共识,因此,不同节点间UTXO池的内容差别不大。此外,交易池和孤立交易池只包含未确认交易,而UTXO池之只包含已确认交易。

5)  区块链

区块链是由包含交易信息的区块从后向前有序链接起来的数据结构。它可以被存储为flat file(一种包含没有相对关系记录的文件),或是存储在一个简单数据库中。区块被从后向前有序地链接在这个链条里,每个区块都指向前一个区块。区块链经常被视为一个垂直的栈,第一个区块作为栈底的首区块,随后每个区块都被放置在其他区块之上。对每个区块头进行SHA256加密哈希,可生成一个哈希值。通过这个哈希值,可以识别出区块链中的对应区块。同时,每一个区块都可以通过其区块头的“父区块哈希值”字段引用前一区块(父区块)。也就是说,每个区块头都包含它的父区块哈希值。这样把每个区块链接到各自父区块的哈希值序列就创建了一条一直可以追溯到第一个区块(创世区块)的链条。

虽然每个区块只有一个父区块,但可以暂时拥有多个子区块。每个子区块都将同一区块作为其父区块,并且在“父区块哈希值”字段中具有相同的(父区块)哈希值。一个区块出现多个子区块的情况被称为“区块链分叉”。区块链分叉只是暂时状态,只有当多个不同区块几乎同时被不同的矿工发现时才会发生。最终,只有一个子区块会成为区块链的一部分,同时解决了“区块链分叉”的问题。尽管一个区块可能会有不止一个子区块,但每一区块只有一个父区块,这是因为一个区块只有一个“父区块哈希值”字段可以指向它的唯一父区块。由于区块头里面包含“父区块哈希值”字段,所以当前区块的哈希值因此也受到该字段的影响。如果父区块的身份标识发生变化,子区块的身份标识也会跟着变化。当父区块有任何改动时,父区块的哈希值也发生变化。父区块的哈希值发生改变将迫使子区块的“父区块哈希值”字段发生改变,从而又将导致子区块的哈希值发生改变。而子区块的哈希值发生改变又将迫使孙区块的“父区块哈希值”字段发生改变,又因此改变了孙区块哈希值,等等以此类推。一旦一个区块有很多代以后,这种瀑布效应将保证该区块不会被改变,除非强制重新计算该区块所有后续的区块。正是因为这样的重新计算需要耗费巨大的计算量,所以一个长区块链的存在可以让区块链的历史不可改变,这也是比特币安全性的一个关键特征。

区块链里的第一个区块创建于2009年,被称为创世区块。它是区块链里面所有区块的共同祖先,这意味着你从任一区块,循链向后回溯,最终都将到达创世区块。创世区块包含一个隐藏的信息。在其Coinbase交易的输入中包含这样一句话“The Times 03/Jan/2009 Chancellor onbrink of second bailout forbanks.”这句话是泰晤士报当天的头版文章标题,引用这句话,既是对该区块产生时间的说明,也可视为半开玩笑地提醒人们一个独立的货币制度的重要性,同时告诉人们随着比特币的发展,一场前所未有的世界性货币革命将要发生。该消息是由比特币的创立者中本聪嵌入创世区块中。

比特币的完整节点保存了区块链从创世区块起的一个本地副本。随着新的区块的产生,该区块链的本地副本会不断地更新用于扩展这个链条。当一个节点从网络接收传入的区块时,它会验证这些区块,然后链接到现有的区块链上。为建立一个连接,一个节点将检查传入的区块头并寻找该区块的“父区块哈希值”。

区块链中的每个区块都包含了产生于该区块的所有交易,且以Merkle树表示。Merkle树是一种哈希二叉树,它是一种用作快速归纳和校验大规模数据完整性的数据结构。这种二叉树包含加密哈希值。在比特币网络中,Merkle树被用来归纳一个区块中的所有交易,同时生成整个交易集合的数字指纹,且提供了一种校验区块是否存在某交易的高效途径。生成一棵完整的Merkle树需要递归地对哈希节点对进行哈希,并将新生成的哈希节点插入到Merkle树中,直到只剩一个哈希节点,该节点就是Merkle树的根。在比特币的Merkle树中两次使用到了SHA256算法,因此其加密哈希算法也被称为double-SHA256。当N个数据元素经过加密后插入Merkle树时,你至多计算2log2(N)次就能检查出任意某数据元素是否在该树中,这使得该数据结构非常高效。Merkle树被SPV节点广泛使用。SPV节点不保存所有交易也不会下载整个区块,仅仅保存区块头。它们使用认证路径或者Merkle路径来验证交易存在于区块中,而不必下载区块中所有交易。

6)  挖矿和共识

挖矿是增加比特币货币供应的一个过程。挖矿同时还保护着比特币系统的安全,防止欺诈交易,避免“双重支付”,“双重支付”是指多次花费同一笔比特币。矿工们通过为比特币网络提供算力来换取获得比特币奖励的机会。矿工们验证每笔新的交易并把它们记录在总帐簿上。每10分钟就会有一个新的区块被“挖掘”出来,每个区块里包含着从上一个区块产生到目前这段时间内发生的所有交易,这些交易被依次添加到区块链中。包含在区块内且被添加到区块链上的交易称为“确认”交易,交易经过“确认”之后,新的拥有者才能够花费他在交易中得到的比特币。

矿工们在挖矿过程中会得到两种类型的奖励:创建新区块的新币奖励,以及区块中所含交易的交易费。为了得到这些奖励,矿工们争相完成一种基于加密哈希算法的数学难题,这些难题的答案包括在新区块中,作为矿工的计算工作量的证明,被称为 “工作量证明”。该算法的竞争的机制以及获胜者有权在区块链上进行交易记录的机制,这二者是比特币安全的基石。

新比特币的生成过程被称为挖矿是因为它的奖励机制被设计为速度递减模式,类似于贵重金属的挖矿过程。比特币的货币是通过挖矿发行的,类似于中央银行通过印刷银行纸币来发行货币。矿工通过创造一个新区块得到的比特币数量大约每四年(或准确说是每210,000个块)减少一半。开始时为2009年1月每个区块奖励50个比特币,然后到2012年11月减半为每个区块奖励25个比特币。之后将在2016年的某个时刻再次减半为每个新区块奖励12.5个比特币。基于这个公式,比特币挖矿奖励以指数方式递减,直到2140年。届时所有的比特币(20,999,999,980)全部发行完毕。换句话说在2140年之后,不会再有新的比特币产生。

矿工们同时也会获取交易费。每笔交易都可能包含一笔交易费,交易费是每笔交易记录的输入和输出的差额。在挖矿过程中成功“挖出”新区块的矿工可以得到该区块中包含的所有交易“小费”。目前,这笔费用占矿工收入的0.5%或更少,大部分收益仍来自挖矿所得的比特币奖励。然而随着挖矿奖励的递减,以及每个区块中包含的交易数量增加,交易费在矿工收益中所占的比重将会逐渐增加。在2140年之后,所有的矿工收益都将由交易费构成。

“挖矿”这个词有一定的误导性。它容易引起对贵重金属采矿的联想,从而使我们的注意力都集中在每个新区块产生的奖励上。尽管挖矿带来的奖励是一种激励,但它最主要的目的并不是奖励本身或者新币的产生。挖矿是一种将结算所多中心的过程,每个结算所对处理的交易进行验证和结算。挖矿保护了比特币系统的安全,并且实现了在没有中心机构的情况下,也能使整个比特币网络达成共识。

挖矿这个发明使比特币变得很特别,这种多中心的安全机制是点对点的电子货币的基础。铸造新币的奖励和交易费是一种激励机制,它可以调节矿工行为和网络安全,同时又完成了比特币的货币发行。

通过创造出新区块,比特币以一个确定的但不断减慢的速率被铸造出来。大约每十分钟产生一个新区块,每一个新区块都伴随着一定数量从无到有的全新比特币。每开采210,000个块,大约耗时4年,货币发行速率降低50%。在比特币运行的第一个四年中,每个区块创造出50个新比特币。

2012年11月,比特币的新发行速度降低到每区块25个比特币,并且预计会在2016年的某个时刻,在第420,000个区块被“挖掘”出来之后降低到12.5比特币/区块。在第13,230,000个区块(大概在2137年被挖出)之前,新币的发行速度会以指数形式进行64次“二等分”。到那时每区块发行比特币数量变为比特币的最小货币单位——1聪。最终,在经过1,344万个区块之后,所有的共2,099,999,997,690,000聪比特币将全部发行完毕。换句话说,到2140年左右,会存在接近2,100万比特币。在那之后,新的区块不再包含比特币奖励,矿工的收益全部来自交易费。

区块链可以看作是一本记录所有交易的公开总帐簿(列表),比特币网络中的每个参与者都把它看作一本所有权的权威记录。但在不考虑相信任何人的情况下,比特币网络中的所有参与者如何达成对任意一个所有权的共识呢?所有的传统支付系统都依赖于一个中心认证机构,依靠中心机构提供的结算服务来验证并处理所有的交易。比特币没有中心机构,几乎所有的完整节点都有一份公共总帐的备份,这份总帐可以被视为认证过的记录。区块链并不是由一个中心机构创造的,它是由比特币网络中的所有节点各自独立竞争完成的。换句话说比特币网络中的所有节点,依靠着节点间的不稳定的网络连接所传输的信息,最终得出同样的结果并维护了同一个公共总帐。

中本聪的主要发明就是这种多中心的自发共识机制。这种自发,是指没有经过明确选举或者没有固定达成的共识的时间。换句话说,共识是数以千计的独立节点遵守了简单的规则通过异步交互自发形成的产物。所有的比特币属性,包括货币、交易、支付以及不依靠中心机构和信任的安全模型等都是这个机制的衍生物。

比特币的多中心共识由所有网络节点的4种独立过程相互作用而产生:

a) 每个全节点依据综合标准对每个交易进行独立验证

b) 通过完成工作量证明算法的验算,挖矿节点将交易记录独立打包进新区块

c) 每个节点独立的对新区块进行校验并组装进区块链

d) 每个节点对区块链进行独立选择,在工作量证明机制下选择累计工作量最大的区块链

在区块链中,共识可以使各个节点维护相同内容和顺序的交易记录。在 PoW 机制中,各节点独立构造自己的区块,并通过求解数学难题竞争记账权,最先计算出答案的节点将自己的区块发送至其他节点。PoW 的优势在于,某个节点若打算使已经被确认的区块失效,必须具备超过 50%的算力,这通常是难以做到的此外,采用 PoW 机制的比特币是一个开放的系统,任何节点都能够自由地加入和退出比特币网络。但是,PoW 机制具有一定的局限性。首先,为了降低区块链分叉的概率,区块的生成频率不能过快,这直接影响了交易的处理速度。例如,比特币每秒仅能将7笔交易写入区块链。其次,为了防止新产生的区块因为分叉而失效,网络中各节点必须等待足够长的时间,才能确认区块的有效性。由于交易包含在区块之中,一笔交易在提交后,需要等待很长的时间才能够确认交易有效。最后,由于 PoW 机制采用求解数学难题的方式,会消耗一定的计算资源,造成资源浪费。

共识(Consensus)过程是一个非常有趣的过程。在我们的日常生活中,几乎所有的事情都是达成共识的过程。达成共识越分散的过程,其效率就越低,但满意度越高,因此也越稳定;相反,达成共识越集中的过程,效率越高,也越容易出现独裁和腐败现象。达成共识常用的一种方法就是通过物质上的激励以对某个事件达成共识;但是这种共识存在的问题就是容易被外界其它更大的物质激励所破坏。还有一种就是群体中的个体按照符合自身利益或整个群体利益的方向来对某个事件自发地达成共识;当然形成这种自发式的以维护群体利益为核心的共识过程还是需要时间和环境因素的,但是一旦达成这样的共识趋势,其共识结果也越稳定,越不容易被破坏。

比特币实现这个共识的方法主要包括两个部分:

激励,即通过每个区块产生一定量的新比特币来激励参与者。

引入外部资源确保安全;即通过大量的外部计算来确保共识的安全性,也就是工作量证明(Proof of Power)。

这也是几乎所有PoW币种所采用的方法。而这套方法要能持续长期运行下去的前提就是:这种激励对参与者要有足够的吸引力,也就是说比特币要一直涨价,才能吸引参与者持续参与挖矿计算,以维护整个网络的运行,否则就会导致参与的人减少,破坏网络安全,没有外部攻击;由于比特币引入了外部计算来确保安全,因此只要有足够的挖矿算力(超过维护系统算力的51%)就能对系统成功进行攻击,这也是比特币长期存在的安全隐患之一,因为只要有钱,就能买到设备和算力。

正是由于比特币存在的问题,例如消耗大量的资源、外部51%攻击等,出现了PoS(Proof of Stake)共识机理。总体上,PoS共识理论和实践目前仍处在探索阶段。

最原始的PoS机理就是用股权代替PoW中的挖矿算力,来模拟比特币的挖矿过程。请注意,这个过程没有引入外部资源,而是仅仅依靠自身的币种股份来维护网络安全,因此其不需要消耗大量能源来进行计算;而且由于其没有引入外部的资源,因此不会担心外部攻击,例如外界的算力攻击。

看起来PoS是很完美的,但是它存在一个严重漏洞。PoS存在内部的Nothing-at-Stake攻击。什么是Nothing-at-Stake(常写作N@S)攻击?假设系统中出现了两个分支链,那么对于持有币的“挖矿者”来讲,最佳的操作策略就是同时在两个分支上进行“挖矿”,这样,无论哪个分支胜出,对币种持有者来讲,都会获得本属于他的利益,即不会有利益损失。而且由于不需要算力消耗,因此PoS中在两个分支上挖矿是可行的。这导致的问题是,只要系统存在分叉,“矿工们”都会同时在这几个分支上挖矿。因此在某个情况下,发起攻击的分叉链是极有可能成功的,因为所有人也都在这个分叉链上达成了共识,而且甚至不用持有51%的币量,就可以成功发起分叉攻击;而这在PoW中是不可行的,因为挖矿需要消耗算力,矿工只能在一个分支上进行挖矿。第二个问题是重写历史攻击,即攻击者可以通过购买原始持有币种的账户来从头发起攻击,重新分叉一个区块链。因为原始的币种持有者可以将币转移至其它账户,因此他是可以在没有损失的情况下将原始账户出售给攻击者的,攻击者需要的就是有足够数量币的原始账户。当然了,这也只是概率问题,因为有可能原始账户持有者不会出售他们的账户,但是理论上确实存在这种攻击。第三个问题是,尽管PoS中的挖矿不用消耗算力,运行成本很低,但是也存在如何激励矿工的问题。因为一般的PoS系统是没有新币产生的,矿工只能赚取交易费,而且在交易费不高的情况下,对矿工的激励也是很有限的。

从以上可以看出,无论是PoW还是PoS机理的共识过程,其必要条件有两个:信息公开共享和个体参与。以现实为例,事件的信息越透明,所涉及到的人员参与度越高,最终形成的共识也就越稳定、越持久,这与区块链共识是一致的。

a)区块链中的典型共识算法

(1)POW:Proof of Work,工作量证明

比特币在Block的生成过程中使用了POW机制,一个符合要求的Block Hash由N个前导零构成,零的个数取决于网络的难度值。要得到合理的Block Hash需要经过大量尝试计算,计算时间取决于机器的哈希运算速度。当某个节点提供出一个合理的Block Hash值,说明该节点确实经过了大量的尝试计算,当然,并不能得出计算次数的绝对值,因为寻找合理hash是一个概率事件。当节点拥有占全网n%的算力时,该节点即有n/100的概率找到Block Hash。

(2)POS:Proof of Stake,股权证明

POS:也称股权证明,类似于财产储存在银行,这种模式会根据你持有数字货币的量和时间,分配给你相应的利息。 

简单来说,就是一个根据你持有货币的量和时间,给你发利息的一个制度,在股权证明POS模式下,有一个名词叫币龄,每个币每天产生1币龄,比如你持有100个币,总共持有了30天,那么,此时你的币龄就为3000,这个时候,如果你发现了一个POS区块,你的币龄就会被清空为0。你每被清空365币龄,你将会从区块中获得0.05个币的利息(假定利息可理解为年利率5%),那么在这个案例中,利息 = 3000 * 5% / 365 = 0.41个币,这下就很有意思了,持币有利息。

(3)DPOS:Delegated Proof of Stake,委任权益证明

比特股的DPoS机制,中文名叫做股份授权证明机制(又称受托人机制),它的原理是让每一个持有比特股的人进行投票,由此产生101位代表 , 我们可以将其理解为101个超级节点或者矿池,而这101个超级节点彼此的权利是完全相等的。从某种角度来看,DPOS有点像是议会制度或人民代表大会制度。如果代表不能履行他们的职责(当轮到他们时,没能生成区块),他们会被除名,网络会选出新的超级节点来取代他们。DPOS的出现最主要还是因为矿机的产生,大量的算力在不了解也不关心比特币的人身上,类似演唱会的黄牛,大量囤票而丝毫不关心演唱会的内容。

(4)PBFT:Practical Byzantine Fault Tolerance,实用拜占庭容错算法

PBFT是一种状态机副本复制算法,即服务作为状态机进行建模,状态机在分布式系统的不同节点进行副本复制。每个状态机的副本都保存了服务的状态,同时也实现了服务的操作。将所有的副本组成的集合使用大写字母R表示,使用0到|R|-1的整数表示每一个副本。为了描述方便,假设|R|=3f+1,这里f是有可能失效的副本的最大个数。尽管可以存在多于3f+1个副本,但是额外的副本除了降低性能之外不能提高可靠性。



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