LOCK:王嘉平：源碼解析區塊鏈的工作原理

從零開始搭建一個類似以太坊數字貨幣的最小化區塊鏈系統。

原文標題：《源代碼:一個最小化的區塊鏈系統》撰文：王嘉平，中科院計算所博士，曾帶領團隊在NSDI2019發表高性能并行分片區塊鏈系統的論文

近期有個國內著名技術協會的約稿，正好向技術圈分享一下我對區塊鏈系統的拙見。我發現一件有趣的事情，即使是有計算機背景，懂編程的同學，都也不怎么清楚區塊鏈到底是怎么回事。今天這里，我打算用計算機語言和大家溝通，爭取可以至少讓計算機背景的同學，徹底弄明白區塊鏈是咋回事，是怎么工作的。

不過在開始之前，需要明確的一件事情是，同之前的計算機技術不同，區塊鏈技術核心關乎的是一個計算系統的自動化監管和治理，而不是為了讓計算更高效或更大規模地發生。需要明確這個期望，才方便我們去理解，為什么區塊鏈是這樣設計的，這樣工作的。

我們將以最簡化的加密數字貨幣為例介紹區塊鏈的精確工作原理，為了便于理解將省略手續費，大部分優化，互操作性等層面的東西。這里會用到強類型的偽代碼，來精確定義其數據結構和執行邏輯。這里我們將從零開始實現一個類似以太坊數字貨幣那樣的區塊鏈系統，為了便于理解，我們將采用以太坊所采用的賬戶-狀態模型來表示賬簿，而不是比特幣的那種UTXO。

我們先從一系列基礎實體和原語的定義開始:

基礎數據類型

classString;//基礎字符串數據結構classBlob;//基礎二進制數據，用來表示對象序列化之后的線性二進制數據classCriticalSection;//臨界區，多線程互斥對象classBigInt;//區塊鏈中很多地方的數值采用大整數來表示，例如余額，挖礦難度等。//例如用一個32字節的無符號大整數，表示0到2^256-1的整數。

數字簽名原語

標準的非對稱加密系統里面的函數，公私鑰對可以在不聯網的情況下，任意生成，并且全球唯一。通常為32到64字節的無結構二進制數據。其中公鑰會公開，在區塊鏈系統中用來表明特定身份，供他人驗證其對特定賬戶的控制權。而私鑰則用來通過數字簽名來證明其對賬戶的控制。

BIGG 2023年Q1總營收150萬美元，目前持有150個比特幣:金色財經報道，加拿大數字資產公司BIGG公布2023年第一季度財務業績。總營業收入為150萬美元(環比增長28%)，其中子公司Netcoins為110萬美元(環比增長55%)，Blockchain Intelligence Group為40萬美元(環比下降14%)。凈虧損750,925美元，上一財年同期凈虧損5,534,090美元。TerraZero在2023年第一季度創造61.2萬美元的收入，同比增長130%，環比增長628%。BIGG目前擁有150個比特幣，價值約560萬美元，Netcoins目前擁有約6100萬美元的客戶托管資產。[2023/5/30 11:47:58]

VerifySignature原語，用來對于給定數據和簽名，驗證是不是對應的簽名者簽署的。

typedefBYTEPublicKey;//公鑰數據typedefBYTEPrivateKey;//私鑰數據typedefBYTESignature;//數字簽名數據voidSign(Blobdata,PrivateKeysk,Signaturesigdata);//數字簽名boolVerifySignature(Blobdata,PublicKeypk,Signaturesigdata);//檢查數字簽名是否正確

賬戶地址

在我們這里的例子中，所有哈希函數都采用SHA256，其將產生一個32字節的哈希值。地址是賬戶的標識符，是一個32字節的無結構二進制數據，由公鑰的哈希值SHA256(PublicKey)得到。那么也就是說每個公鑰，對應一個唯一的地址，對應一個唯一的賬戶。

typedefBYTEHashValue;//SHA256的哈希值typedefHashValueAddress;//賬戶地址HashValueSHA256(Blobdata);//SHA256哈希函數

智能合約(SmartContract)

逾300萬美元NFT在4月被盜，環比下降68%:金色財經報道，PeckShield監測顯示，2023年4月，價值約323萬美元NFT被盜，環比下降68%。半數被盜的NFT在2小時內迅速在市場上售出。大約70%的被盜NFT首先在Blur上出售，27.94%在OpenSea上出售。[2023/5/1 14:37:16]

這個有點像一個C的類，定義了一些狀態，以及修改這些狀態的函數。一個區塊鏈系統中，可以有多個智能合約同時存在，但是每個僅會有一個實例。這里我們就數字貨幣給出一個極度簡化的智能合約的例子：

classMyCoin{//internalstatehash_map<Address,BigInt>_Ledger;//internalfunctionBigInt_GetBalance(Addressaddr){if(_Ledger

//轉賬函數voidTransfer(Addresssigner,Addressfrom,Addressto,BigIntamount){if(signer!=from)return;if(amount>0&&_GetBalance(from)>=amount){_Ledger-=amount;amount=_GetBalance(to);_Ledger=amount;}}//挖礦獎勵函數voidCoinBase(intheight,Addressminer){BigIntreward=5000000000;//這里簡化為，每次獎勵50個幣if(reward>0){reward=_GetBalance(miner);_Ledger=reward;}}};

交易(Transaction)

一個交易表示對特定相關賬戶一次狀態修改請求。交易中不攜帶任何邏輯代碼，僅僅是指定這個交易將調用智能合約里面的哪個公開函數及其調用參數。當然在我們這個極度簡化的系統中，只有一種交易，即前面的轉賬(Transfer)。交易的發起方必須為扣款方(from)，并且整個交易攜帶對交易內容的數字簽名，以確信該交易由扣款方發起。基于我們這里的例子，一個交易至少含有以下結構:

香港Web3Hub基金行政總裁：準備發起1億美元的Web3生態基金:4月14日消息，在2023香港Web3嘉年華分會場四《MetaEra x BitMart專場：Metaverse的機遇在哪里》分論壇中，香港Web3Hub基金行政總裁黃俊瑯先生發表致辭稱，將發起規模為1億美元的Web3生態基金，立足于香港，投資全球的完善項目，還將推動全球Web3規范發展。此外，在此前宣布的香港1000萬美元Web3Hub生態加速器中，會在第一期中投入100萬美元來支持各位創業者，開放申請時間為4月14日到5月14日。在過去兩個月中已經有350家Web3企業來到香港注冊，已經有100個戰略合作伙伴，預計將創造超過1000個就業機會。[2023/4/14 14:03:59]

structTransaction{StringInvokeFunctionName;//在我們這里始終為「Transfer」BlobInvokeArguments;//序列化之后的調用參數PublicKeySigner;//發起者的公鑰，注意這里不是地址SignatureSignData;//由發起者的私鑰對交易的簽名};

區塊(Block)

一個區塊表示區塊鏈接力執行中的一步，里面主要包含這一步中確認的一批交易，以及共識機制驗證數據和塊頭元數據。一個最簡化的定義可以是這樣:

structBlock{intTimestamp;//出塊時間HashValuePrevBlock;//上一個塊的哈希值AddressMiner;//礦工地址intTxnCount;//這個塊中包含的交易個數TransactionTxns;//完整的交易列表BigIntPowTarget;//工作量證明的目標(共識驗證數據)intPowNonce;//工作量證明的Nonce值(共識驗證數據。;

這里我們給出了最簡化的工作量證明(Proof-of-Work)的驗證數據結構，如果采用其他共識算法，這個部分會有變化。從這個結構可以看出，區塊鏈之所以稱為鏈，就是因為區塊結構中包含一個指向上一個區塊的「指針」，PrevBlock。任何一個被確認的區塊，同時也意味著承認其全部的前驅區塊，以及這些區塊所攜帶的全部交易。一個區塊被確認有三個條件:

“美聯儲傳聲筒”Nick Timiraos：難以預測美聯儲加息幅度:2月1日消息，有“美聯儲傳聲筒”之稱的華爾街日報記者 Nick Timiraos 在社交媒體上表示，很難預測美聯儲的加息幅度，尤其是對其未來行動的預測。美聯儲在去年的七次會議上均提高了利率。一次上調 25 個基點，兩次上調 50 個基點，四次上調 75 個基點。美國銀行去年預測美聯儲在 2022 年的 7 次 FOMC 會議上均加息 25 個基點，當時被視為一種“不可能”的預測。這在當時將使美聯儲的基準利率達到 1.9%。而在去年年底，基準利率為 4.4%。

據悉，美聯儲將在北京時間 2 月 2 日凌晨 3:00 公布利率決定上限，美聯儲主席鮑威爾將在 3:30 分召開貨幣政策新聞發布會。[2023/2/1 11:40:20]

這個區塊的共識驗證要滿足其特定共識算法的要求。在工作量證明算法中，PowTarget必須小于當前挖礦難度的要求，同時((BigInt&)SHA256(Block))<Block::PowTarget。這個塊所包含的交易必須沒有被之前的區塊包含過，并且每個交易必須能夠保證其數字簽名能夠被其Signer的公鑰正確驗證。至于交易所執行的邏輯是否正確，是否出錯則無關緊要。在所有分叉塊中，即具有相同PrevBlock的塊，只有優先的塊會被確認。這一點不同的共識算法有不同的情況。P2P通訊原語

區塊鏈的網絡層僅用到了P2P網絡技術中簡單的部分，用基于TCP長連接的Gossip協議實現一個數據塊的全網廣播(Flooding)。我們這里將其抽象下面的通訊原語:

interfaceBroadcastNetwork{template<typenameT>voidBroadcast(constT&object);//將對象序列化并廣播出去functionOnRecvBlock;//接收到一個區塊的回調函數functionOnRecvTransaction;//接收到一個交易的回調函數};

內存池(Mempool)原語

三箭資本的CryptoPunks和Starry Night NFT將被清算:金色財經報道，Starry Night Capital表示，屬于Three Arrows Capital通過Starry Night Capital基金的NFT現在由清算人Teneo掌握，清算人計劃出售資產以支付Three Arrows的債務。Starry Night Capital花費了數千萬美元收購高價值的NFT，如Art Blocks、CryptoPunks和Rare Pepe資產。

商業咨詢公司Teneo在一份聲明中說，它現在擁有Starry Night Capital的NFT，該基金由Three Arrows Capital和假名投資者Vincent Van Dough在2021年成立。大部分資產在過去兩天被轉移到新錢包。（Decrypt）[2022/10/6 18:40:36]

內存池在區塊鏈系統中用來記錄尚未被確認的交易，很容易用比如哈希表來實現。

interfaceMempool{boolHas(Transactiontxn);voidInsert(Transactionnew_txn);voidRemove(Transactiontxns);intCollect(Transactiontxns);};

其中Collect原語用于挖礦時合成新的區塊，從mempool中挑出一系列交易來填充Txns數組，最多挑TxnMaxCount個，并返回實際填充的個數。

區塊歸檔數據庫原語

區塊鏈系統中的區塊以及交易，在被確認之后，將從內存中移除，并寫入歸檔數據庫中。這個部分很容易用一個Key-valuestorage系統來實現，當然用SQL數據可也是可以的，就是效率低一些。

interfaceArchiveDatabase{voidArchive(Transactiontxns);voidArchive(Blockblk);voidHas(Transactiontxn);voidHas(Blockblk);}

有了這些定義之后，我們可以給出一個不考慮分叉情況下最簡單的基于工作量證明的區塊鏈系統的偽代碼:

staticconstintTARGET_ADJUST_INTERVAL=256;//每隔256個塊調整一次算力難度staticconstintBLOCK_CREATION_INTERVAL=600*1000;//每十分鐘出一個塊staticconstintTRANSCATION_PERBLOCK_MAX=1024;//每塊最多包含1024個交易BroadcastNetwork*g_pNet=BroadcastNetwork::Create(...);Mempool*g_pMempool=Mempool::Create(...);ArchiveDatabase*g_pArchiDB=ArchiveDatabase::Create(...);MyCoing_MyLedger;//賬簿//當前區塊鏈的頭Blockg_BlockHead=Block::GenesisBlock(6);//初始化為創始區塊HashValueg_BlockHeadHash=SHA256(g_BlockHead);intg_BlockNextHeight=1;CriticalSectiong_BlockHeadCS;//下一個塊的共識相關信息(工作量證明)PowTargetg_NextPowTarget=Block::InitialPowTarget();//初始挖礦難度intg_LastTargetAdjustedTime;//收到來自網絡廣播的交易g_pNet->OnRecvTransaction=(Transactiontxn){if(g_pMempool->Has(txn)||g_pArchiDB->Has(txn))return;//忽略已經存在的交易if(!VerifySignature(txn

;//收到來自網絡廣播的區塊g_pNet->OnRecvBlock=(Blockblk){if(blk

//至此這個區塊被確認g_pNet->Broadcast(txn);//確認之后，盡快接力這個區塊的廣播g_MyLedger

g_LastTargetAdjustedTime=blk

//更新區塊鏈頭在最新的這個塊g_BlockHeadHash=h;g_BlockHead=blk;g_BlockNextHeight;}g_BlockHeadCS

;

這里涉及到一個上面沒有定義的算法，PowTargetAdjustment是用來根據近期出塊速度來調整出塊算力難度要求，從而使得出塊的平均間隔的期望可以大體穩定在一個預先設定的值(BLOCK_CREATION_INTERVAL)。這是一個和工作量證明共識算法有關的算法，并不是所有區塊鏈系統都有。這個算法的一個最簡化定義如下:

算力難度調整

BigIntPowTargetAdjustment(BigIntcur_target,intnth_block_interval){returncur_target*nth_block_interval/(BLOCK_CREATION_INTERVAL*TARGET_ADJUST_INTERVAL);}

到這里一個不出塊的區塊鏈節點，即全節點就可以工作了。全節點是區塊鏈網絡中的大多數節點，是區塊鏈底層P2P網絡得以穩定魯棒運行的保障，同時也實現了區塊數據和交易數據的高度冗余的全網存儲。雖然不出塊，全節點不同于互聯網架構的客戶端。一個全節點不需要信賴其他節點，更不存在一個服務器。全節點能夠獨立自主地驗證區塊鏈完整的歷史演進過程，進而重構其上的狀態(例如一個賬戶的余額)，而不是去向一個需要信賴的服務器查詢。

當然，區塊鏈網絡計算接力過程是由出塊節點完成了，也就是所謂的礦工節點。這些少數節點，和大量的全節點混在一起，大部分節點收到最新的區塊是來自于其他全節點的接力廣播，而不是直接來自于一個出塊節點。當然，作為接受方，也無從判斷發送方是中繼的全節點，還是剛剛出塊的礦工節點。這也有效地保護了真正出塊節點的安全性，避免暴露礦工節點的物理IP地址。

一個出塊節點，首先是一個全節點，除了上面定義的這些行為之外，還需要一個額外的過程，運行在一個或者多個線程上。我們定義最簡化的出塊過程如下:

voidMining(){while(g_KeepMining){//構造新的塊，這個部分需要和區塊鏈頭更新代碼互斥g_BlockHeadCS.Lock();{intnext_height=g_BlockNextHeight;Blocknew_block;new_block.Timestamp=os::GetCurrentTime();new_block.PrevBlock=g_BlockHeadHash;//指向最新的塊new_block.Miner=g_MyAddress;new_block.TxnCount=g_pMempool->Collect(new_block.Txns);new_block.PowTarget=g_NextPowTarget;new_block.PowNonce=os::Random<Int64>();//隨機初始值}g_BlockHeadCS.Unlock();//開始挖礦while(next_height==g_BlockNextHeight){if(((BigInt64&)SHA256(new_block))<new_block.PowTarget){//挖礦成功g_pNet->Broadcast(new_block);//立即廣播出去g_pNet->OnRecvBlock(new_block);//更新本節點的區塊鏈頭break;//開始去挖下一個塊}new_block.PowNonce;//嘗試下一個Nonce}//大多數情況下，其他節點出了新的塊，并更新了區塊高度//則挖礦被打斷，去挖更新之后的下一個塊}}

來源鏈接：zhuanlan.zhihu.com

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