BLO:王嘉平：源码解析区块链的工作原理_LOC

从零开始搭建一个类似以太坊数字货币的最小化区块链系统。

原文标题：《源代码:一个最小化的区块链系统》撰文：王嘉平，中科院计算所博士，曾带领团队在NSDI2019发表高性能并行分片区块链系统的论文

近期有个国内著名技术协会的约稿，正好向技术圈分享一下我对区块链系统的拙见。我发现一件有趣的事情，即使是有计算机背景，懂编程的同学，都也不怎么清楚区块链到底是怎么回事。今天这里，我打算用计算机语言和大家沟通，争取可以至少让计算机背景的同学，彻底弄明白区块链是咋回事，是怎么工作的。

不过在开始之前，需要明确的一件事情是，同之前的计算机技术不同，区块链技术核心关乎的是一个计算系统的自动化监管和治理，而不是为了让计算更高效或更大规模地发生。需要明确这个期望，才方便我们去理解，为什么区块链是这样设计的，这样工作的。

我们将以最简化的加密数字货币为例介绍区块链的精确工作原理，为了便于理解将省略手续费，大部分优化，互操作性等层面的东西。这里会用到强类型的伪代码，来精确定义其数据结构和执行逻辑。这里我们将从零开始实现一个类似以太坊数字货币那样的区块链系统，为了便于理解，我们将采用以太坊所采用的账户-状态模型来表示账簿，而不是比特币的那种UTXO。

我们先从一系列基础实体和原语的定义开始:

基础数据类型

classString;//基础字符串数据结构classBlob;//基础二进制数据，用来表示对象序列化之后的线性二进制数据classCriticalSection;//临界区，多线程互斥对象classBigInt;//区块链中很多地方的数值采用大整数来表示，例如余额，挖矿难度等。//例如用一个32字节的无符号大整数，表示0到2^256-1的整数。

数字签名原语

标准的非对称加密系统里面的函数，公私钥对可以在不联网的情况下，任意生成，并且全球唯一。通常为32到64字节的无结构二进制数据。其中公钥会公开，在区块链系统中用来表明特定身份，供他人验证其对特定账户的控制权。而私钥则用来通过数字签名来证明其对账户的控制。

Dovey Wan：加密货币市场结构发生转变 币价很难再会出现剧烈波动:金色财经现场报道，8月22日，在成都举办的“全球区块链算力大会暨新基建矿业峰会”的圆桌环节，Primitive Ventures创始合伙人Dovey Wan表示，加密货币市场结构已经发生了很大的变化，衍生品的价格会在波动中追稳，交易平台如果可以做到去中心化的话，币价不会再出现像“312”那样的剧烈波动。[2020/8/22]

VerifySignature原语，用来对于给定数据和签名，验证是不是对应的签名者签署的。

typedefBYTEPublicKey;//公钥数据typedefBYTEPrivateKey;//私钥数据typedefBYTESignature;//数字签名数据voidSign(Blobdata,PrivateKeysk,Signaturesigdata);//数字签名boolVerifySignature(Blobdata,PublicKeypk,Signaturesigdata);//检查数字签名是否正确

账户地址

在我们这里的例子中，所有哈希函数都采用SHA256，其将产生一个32字节的哈希值。地址是账户的标识符，是一个32字节的无结构二进制数据，由公钥的哈希值SHA256(PublicKey)得到。那么也就是说每个公钥，对应一个唯一的地址，对应一个唯一的账户。

typedefBYTEHashValue;//SHA256的哈希值typedefHashValueAddress;//账户地址HashValueSHA256(Blobdata);//SHA256哈希函数

智能合约(SmartContract)

这个有点像一个C的类，定义了一些状态，以及修改这些状态的函数。一个区块链系统中，可以有多个智能合约同时存在，但是每个仅会有一个实例。这里我们就数字货币给出一个极度简化的智能合约的例子：

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

声音 | Dovey Wan：当比特币价格回到2万美元，中国投资者会加大投入:PrimitivPrimitive Ventures创始合伙人Dovey Wan在Binance Podcast上表示，的算力占比可能超过70%到80%。不过，其承认，中国投资者对投资比特币非常谨慎。她认为，当比特币价格回到2万美元区间时，中国（投资者）将加大对比特币的投入。（Fxstreet）[2019/9/5]

//转账函数voidTransfer(Addresssigner,Addressfrom,Addressto,BigIntamount){if(signer!=from)return;if(amount>0&&_GetBalance(from)>=amount){_Ledger-=amount;amount=_GetBalance(to);_Ledger=amount;}}//挖矿奖励函数voidCoinBase(intheight,Addressminer){BigIntreward=5000000000;//这里简化为，每次奖励50个币if(reward>0){reward=_GetBalance(miner);_Ledger=reward;}}};

交易(Transaction)

一个交易表示对特定相关账户一次状态修改请求。交易中不携带任何逻辑代码，仅仅是指定这个交易将调用智能合约里面的哪个公开函数及其调用参数。当然在我们这个极度简化的系统中，只有一种交易，即前面的转账(Transfer)。交易的发起方必须为扣款方(from)，并且整个交易携带对交易内容的数字签名，以确信该交易由扣款方发起。基于我们这里的例子，一个交易至少含有以下结构:

structTransaction{StringInvokeFunctionName;//在我们这里始终为「Transfer」BlobInvokeArguments;//序列化之后的调用参数PublicKeySigner;//发起者的公钥，注意这里不是地址SignatureSignData;//由发起者的私钥对交易的签名};

丹华资本Dovey Wan：区块链投资对是风险投资的最佳诠释:丹华资本董事总经理Dovey Wan在3点钟创始群与网易科技总监杨霞清对话时表示，区块链投资是最好定义venture capital（VC：风险投资）的行为。Dovey Wan认为，VC要做的事情是不管在什么技术浪潮下都做一样的判断–对人性的判断和对大势的判断，在对的时间投对的团队做对的事情；而要保证足够低的成本，好的VC需要有和主流声音差异性足够大的正确判断，这样才能在某样事物价值足够低的时候入场下重注。对于区块链，Dovey Wan认为目前有不少VC里脑子里还是中心化对公司控制的观念，“上来就要20%-30%，现在很多crypto项目最多给你5%都不错了，这个是我看到最大需要VC去适应的东西。”[2018/3/24]

区块(Block)

一个区块表示区块链接力执行中的一步，里面主要包含这一步中确认的一批交易，以及共识机制验证数据和块头元数据。一个最简化的定义可以是这样:

structBlock{intTimestamp;//出块时间HashValuePrevBlock;//上一个块的哈希值AddressMiner;//矿工地址intTxnCount;//这个块中包含的交易个数TransactionTxns;//完整的交易列表BigIntPowTarget;//工作量证明的目标(共识验证数据)intPowNonce;//工作量证明的Nonce值(共识验证数据。;

这里我们给出了最简化的工作量证明(Proof-of-Work)的验证数据结构，如果采用其他共识算法，这个部分会有变化。从这个结构可以看出，区块链之所以称为链，就是因为区块结构中包含一个指向上一个区块的「指针」，PrevBlock。任何一个被确认的区块，同时也意味着承认其全部的前驱区块，以及这些区块所携带的全部交易。一个区块被确认有三个条件:

这个区块的共识验证要满足其特定共识算法的要求。在工作量证明算法中，PowTarget必须小于当前挖矿难度的要求，同时((BigInt&)SHA256(Block))<Block::PowTarget。这个块所包含的交易必须没有被之前的区块包含过，并且每个交易必须能够保证其数字签名能够被其Signer的公钥正确验证。至于交易所执行的逻辑是否正确，是否出错则无关紧要。在所有分叉块中，即具有相同PrevBlock的块，只有优先的块会被确认。这一点不同的共识算法有不同的情况。P2P通讯原语

一家名为TraDove的创业公司启动基于区块链的最初的B2B社交网络:TraDove打算使用基于以太坊的智能合约建立一个智能平台，通过社交网络连接业务合作伙伴。而社交B2B网络是通过使用智能合约来执行安全的B2B全球互动、验证、审核和审查买卖双方的。同时TraDove的加密货币BBcoin将会为国际贸易提供更好的支付工具，这个货币成为市场上第一个B2B令牌。这开启了企业对数字货币的需求，并提升了公司的销售、营销和交易需求。 BBCoin也将被用作信用B2B交易的支付工具，特别是国际贸易。据TraDove官网介绍：雀巢，塔塔汽车，华为，丰田，沃尔玛，通用电气，波音，西门子，福特等国际巨头已经加入B2B网络。[2018/1/23]

区块链的网络层仅用到了P2P网络技术中简单的部分，用基于TCP长连接的Gossip协议实现一个数据块的全网广播(Flooding)。我们这里将其抽象下面的通讯原语:

interfaceBroadcastNetwork{template<typenameT>voidBroadcast(constT&object);//将对象序列化并广播出去functionOnRecvBlock;//接收到一个区块的回调函数functionOnRecvTransaction;//接收到一个交易的回调函数};

内存池(Mempool)原语

内存池在区块链系统中用来记录尚未被确认的交易，很容易用比如哈希表来实现。

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

其中Collect原语用于挖矿时合成新的区块，从mempool中挑出一系列交易来填充Txns数组，最多挑TxnMaxCount个，并返回实际填充的个数。

GEM承诺向Unizen投资2亿美元:6月27日消息，Global Emerging Markets（GEM）承诺向Unizen投资2亿美元，以加速其交易聚合系统的开发。投资资金将基于里程碑和绩效发放，以确保资金得到充分利用。

这些资金将用于改善Unizen的系统、壮大其团队、营销其产品并加速其内部聚合系统，该系统旨在寻找不同中心化交易所和去中心化交易所（如Binance、Uniswap和PancakeSwap）之间最有效的交易路径。（CoinDesk）[2022/6/28 1:34:45]

区块归档数据库原语

区块链系统中的区块以及交易，在被确认之后，将从内存中移除，并写入归档数据库中。这个部分很容易用一个Key-valuestorage系统来实现，当然用SQL数据可也是可以的，就是效率低一些。

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

有了这些定义之后，我们可以给出一个不考虑分叉情况下最简单的基于工作量证明的区块链系统的伪代码:

staticconstintTARGET_ADJUST_INTERVAL=256;//每隔256个块调整一次算力难度staticconstintBLOCK_CREATION_INTERVAL=600*1000;//每十分钟出一个块staticconstintTRANSCATION_PERBLOCK_MAX=1024;//每块最多包含1024个交易BroadcastNetwork*g_pNet=BroadcastNetwork::Create(...);Mempool*g_pMempool=Mempool::Create(...);ArchiveDatabase*g_pArchiDB=ArchiveDatabase::Create(...);MyCoing_MyLedger;//账簿//当前区块链的头Blockg_BlockHead=Block::GenesisBlock(6);//初始化为创始区块HashValueg_BlockHeadHash=SHA256(g_BlockHead);intg_BlockNextHeight=1;CriticalSectiong_BlockHeadCS;//下一个块的共识相关信息(工作量证明)PowTargetg_NextPowTarget=Block::InitialPowTarget();//初始挖矿难度intg_LastTargetAdjustedTime;//收到来自网络广播的交易g_pNet->OnRecvTransaction=(Transactiontxn){if(g_pMempool->Has(txn)||g_pArchiDB->Has(txn))return;//忽略已经存在的交易if(!VerifySignature(txn

;//收到来自网络广播的区块g_pNet->OnRecvBlock=(Blockblk){if(blk

//至此这个区块被确认g_pNet->Broadcast(txn);//确认之后，尽快接力这个区块的广播g_MyLedger

g_LastTargetAdjustedTime=blk

//更新区块链头在最新的这个块g_BlockHeadHash=h;g_BlockHead=blk;g_BlockNextHeight;}g_BlockHeadCS

;

这里涉及到一个上面没有定义的算法，PowTargetAdjustment是用来根据近期出块速度来调整出块算力难度要求，从而使得出块的平均间隔的期望可以大体稳定在一个预先设定的值(BLOCK_CREATION_INTERVAL)。这是一个和工作量证明共识算法有关的算法，并不是所有区块链系统都有。这个算法的一个最简化定义如下:

算力难度调整

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

到这里一个不出块的区块链节点，即全节点就可以工作了。全节点是区块链网络中的大多数节点，是区块链底层P2P网络得以稳定鲁棒运行的保障，同时也实现了区块数据和交易数据的高度冗余的全网存储。虽然不出块，全节点不同于互联网架构的客户端。一个全节点不需要信赖其他节点，更不存在一个服务器。全节点能够独立自主地验证区块链完整的历史演进过程，进而重构其上的状态(例如一个账户的余额)，而不是去向一个需要信赖的服务器查询。

当然，区块链网络计算接力过程是由出块节点完成了，也就是所谓的矿工节点。这些少数节点，和大量的全节点混在一起，大部分节点收到最新的区块是来自于其他全节点的接力广播，而不是直接来自于一个出块节点。当然，作为接受方，也无从判断发送方是中继的全节点，还是刚刚出块的矿工节点。这也有效地保护了真正出块节点的安全性，避免暴露矿工节点的物理IP地址。

一个出块节点，首先是一个全节点，除了上面定义的这些行为之外，还需要一个额外的过程，运行在一个或者多个线程上。我们定义最简化的出块过程如下:

voidMining(){while(g_KeepMining){//构造新的块，这个部分需要和区块链头更新代码互斥g_BlockHeadCS.Lock();{intnext_height=g_BlockNextHeight;Blocknew_block;new_block.Timestamp=os::GetCurrentTime();new_block.PrevBlock=g_BlockHeadHash;//指向最新的块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>();//随机初始值}g_BlockHeadCS.Unlock();//开始挖矿while(next_height==g_BlockNextHeight){if(((BigInt64&)SHA256(new_block))<new_block.PowTarget){//挖矿成功g_pNet->Broadcast(new_block);//立即广播出去g_pNet->OnRecvBlock(new_block);//更新本节点的区块链头break;//开始去挖下一个块}new_block.PowNonce;//尝试下一个Nonce}//大多数情况下，其他节点出了新的块，并更新了区块高度//则挖矿被打断，去挖更新之后的下一个块}}

来源链接：zhuanlan.zhihu.com

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以太坊

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开放的分布式区块链应用平台，通过其专属加密货币Ether以太币提供去中心化的虚拟机，处理点对点合约。允许任何人建立和使用通过区块链技术运行的去中心化应用，没有任何欺诈、审查、第三方监管。以太坊的概念首次在2013至2014年由维塔利克·布特林VitalikButerin受比特币启发后提出，旨在共同构建一个更全球化、更自由、更可靠的互联网。以太坊EthereumETH以太坊区块链以太坊发展企业以太坊联盟以太坊入门新手ERC20ERC-20ERC20ERC721ERC-721以太坊2.0以太坊2.0以太坊社区基金查看更多

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