阿里妹導(dǎo)讀：很多童鞋反饋，區(qū)塊鏈技術(shù)有點(diǎn)繞，有點(diǎn)晦澀，大都是一知半解，理解不夠通徹。但在阿里技術(shù)專家鄭吉看來，區(qū)塊鏈特別是比特幣本身，并沒有使用高大上復(fù)雜的新技術(shù)，只是對現(xiàn)有技術(shù)的組合。其天才的地方體現(xiàn)在系統(tǒng)的架構(gòu)上，體現(xiàn)在把金融學(xué)，貨幣學(xué)，博弈學(xué)，甚至是哲學(xué)思想體現(xiàn)在比特幣的系統(tǒng)架構(gòu)上。如果單純從系統(tǒng)中的技術(shù)點(diǎn)著手學(xué)習(xí)研究，那么往往就會覺得有點(diǎn)繞，有點(diǎn)晦澀。這就像我們在平時工作中了解某個系統(tǒng)，如果首先搞清楚業(yè)務(wù)本身，了解清楚系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計，再去看具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，從大局到面到點(diǎn)，那么就有豁然開朗的感覺。
今天，鄭吉將試著幫助大家轉(zhuǎn)換視角，從架構(gòu)的思維分析去解析比特幣，從而對區(qū)塊鏈技術(shù)有一個更深入的理解。

準(zhǔn)備工作

區(qū)塊鏈不是一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而是一個系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，使用一系列的技術(shù)組合用于完成去中心化的數(shù)據(jù)存儲。比特幣在區(qū)塊鏈之上融入了金融學(xué)，貨幣學(xué)，博弈學(xué)，甚至一定程度的哲學(xué)思想，用于電子貨幣的發(fā)行，運(yùn)行和交易。在學(xué)習(xí)區(qū)塊鏈之前有一些基礎(chǔ)知識需要提前掌握好，后面將不再對具體技術(shù)展開描述，而是從這個技術(shù)解決了什么問題，為什么要用這個技術(shù)這個角度去描述。

P2P

不可逆算法

不對稱加密算法

Merkle樹

CAP理論

最終一致性算法

比特幣要做什么？

如果你是一個架構(gòu)師，做一個系統(tǒng)的架構(gòu)，你首先要搞清楚這個系統(tǒng)要做什么？要解決一個什么問題？帶著這個問題進(jìn)行分析，設(shè)計系統(tǒng)整體的架構(gòu)。對于比特幣也一樣，首先搞清楚比特幣是要做什么，要解決什么問題？然后帶著這些問題去解析比特幣的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

如果用一句話來描述比特幣要做什么，那么可以這樣描述：做一個去中心化電子貨幣發(fā)行交易系統(tǒng)。這里有三個關(guān)鍵詞：

去中心化

電子貨幣發(fā)行

電子貨幣交易

分析和設(shè)計

本章針對上述比特幣的三個關(guān)鍵詞，去中心化，電子貨幣發(fā)行，貨幣交易，進(jìn)行分析和設(shè)計。

去中心化

當(dāng)今世界的所有貨幣交易都是有一個第三方可信任的金融機(jī)構(gòu)提供服務(wù)處理，任何人不能訪問由這個第三方機(jī)構(gòu)中心化存儲的數(shù)據(jù)，理論上來說如果這個金融機(jī)構(gòu)發(fā)生了欺詐或倒閉，那么存儲在這個機(jī)構(gòu)中的貨幣，以及所做的交易就會存在風(fēng)險。 當(dāng)然比特幣的去中心化，不是因為擔(dān)心這種風(fēng)險，而是根本就不需要這個第三方機(jī)構(gòu)了。這也是區(qū)塊鏈的強(qiáng)大顛覆性之一，凡是需要某個第三方可信任的機(jī)構(gòu)需要安全保存處理的數(shù)據(jù)，都可以去中心化安全存儲，所有人都可以訪問。

從技術(shù)角度分析，如何做到去中心化？

中心化對應(yīng)的就是分布式，去中心化就是分布式。把原先存儲在某個第三方機(jī)構(gòu)，中心化存儲的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分布式存儲。

分布式存儲要解決的3個基本問題

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)不可篡改性

最終一致性

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

去中心化的分布式存儲是指整個發(fā)行的電子貨幣，以及貨幣交易數(shù)據(jù)由不同機(jī)構(gòu)，不通個人的成千上萬的計算機(jī)共同存儲，共同維護(hù)了同一份相同的數(shù)據(jù)，只有共同維護(hù)的這份相同的數(shù)據(jù)才是認(rèn)為最終正確的數(shù)據(jù)，任何個人篡改自己的數(shù)據(jù)都沒有意義，并且存儲的數(shù)據(jù)所有人都可訪問。

如果做為架構(gòu)師，你會選擇什么樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)這個分布式存儲？一種方式是可采用類似Hadoop中HDFS的方式，由某個中心節(jié)點(diǎn)NameNode進(jìn)行協(xié)調(diào)訪問，但這種方式就會帶來單點(diǎn)風(fēng)險，破壞了中心節(jié)點(diǎn)，整個體系都將不可訪問。或者采用Cassandra無中心化投票機(jī)制維護(hù)整個集群狀態(tài)，但是這種方式在全球化開放式部署中會導(dǎo)致根本無法收斂。

所以比特幣采用了一種更加簡單直接的方式，利用P2P協(xié)議維護(hù)整個比特幣網(wǎng)絡(luò)集群，不需要某個中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的通信，不需要所有機(jī)器投票維護(hù)集群狀態(tài)。而是通過P2P協(xié)議進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，任何節(jié)點(diǎn)都可以隨時加入或者離開比特幣網(wǎng)絡(luò)集群，而不會對比特幣網(wǎng)絡(luò)集群產(chǎn)生影響，也不需要特意去修復(fù)這個集群中的故障機(jī)器。

利用P2P協(xié)議進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸主要有兩個功能點(diǎn)：

a. 把需要存儲的數(shù)據(jù)廣播到所有節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行儲存。
b. 查詢整個網(wǎng)絡(luò)集群中所有節(jié)點(diǎn)的最新數(shù)據(jù)，如果自己節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與大部分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)不一致，則更新自身的數(shù)據(jù)與大部分節(jié)點(diǎn)存儲的數(shù)據(jù)一致。

比特幣是去中心化存儲，最大的風(fēng)險是整個比特幣網(wǎng)絡(luò)集群被破壞，篡改了整個網(wǎng)絡(luò)存儲的數(shù)據(jù)。但是上述第二個功能點(diǎn)能夠有效的防止這種風(fēng)險，由于系統(tǒng)會自動更新為整個集群中大部分節(jié)點(diǎn)存儲的相同數(shù)據(jù)，所以要篡改數(shù)據(jù)，必須要同時篡改整個網(wǎng)絡(luò)一半以上的數(shù)據(jù)，這不是說做不到，但是比特幣利用區(qū)塊鏈的方式再加上利益博弈機(jī)制，當(dāng)你擁有這種能力的時候，也不需要去做篡改這種投入產(chǎn)出比這么低的事了，在數(shù)據(jù)不可篡改性一節(jié)中再詳細(xì)描述。

通過圖示看一下比特幣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行：

Jack把某一筆交易數(shù)據(jù)往A服務(wù)器上提交，A服務(wù)器驗證數(shù)據(jù)合法性后存儲到自身的數(shù)據(jù)庫中，同時把這筆交易數(shù)據(jù)點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸?shù)奖忍貛啪W(wǎng)絡(luò)集群的所有B，C，D，E節(jié)點(diǎn)上。A和所有其它的B，C，D，E節(jié)點(diǎn)保持點(diǎn)對點(diǎn)通信，自動更新為這個集群中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)維護(hù)的相同的數(shù)據(jù)。如果B，C，D三臺服務(wù)器保存的數(shù)據(jù)相同，但是與A，E不一致，則A和E自動更新為與B，C，D相同的數(shù)據(jù)。所以Jack的這筆交易，需要等待這個比特幣網(wǎng)絡(luò)集群中所有節(jié)點(diǎn)都接受到，并且認(rèn)為合法存儲后，才認(rèn)為這筆交易成功完成。當(dāng)然在現(xiàn)實(shí)情況下，不需要等待所有節(jié)點(diǎn)都確認(rèn)完成，通常只需要少數(shù)服務(wù)器確認(rèn)完成后即可認(rèn)為交易完成，因為每個服務(wù)器維護(hù)的自身與整個網(wǎng)絡(luò)集群的數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)少量服務(wù)器都認(rèn)為與整個集群一致時，此時從概率上就是一致的。在最終一致性一節(jié)中將繼續(xù)對這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的數(shù)據(jù)存儲進(jìn)行描述。

數(shù)據(jù)不可篡改性

在設(shè)計了比特幣系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之后，需要考慮數(shù)據(jù)的不可篡改性，因為這種數(shù)據(jù)存儲是去中心化的，任何人都可以訪問，那么就容易被篡改，上節(jié)描述了在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行機(jī)制下，要篡改數(shù)據(jù)，必須同時更改這個網(wǎng)絡(luò)集群上一半以上的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如果每個節(jié)點(diǎn)沒有一個安全的保護(hù)機(jī)制的話，那是很容易做到被同時修改網(wǎng)絡(luò)集群中一半以上節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

先想想，如果你是架構(gòu)師，你會如何設(shè)計這個保護(hù)機(jī)制，確保存儲的數(shù)據(jù)無法被篡改？在傳統(tǒng)上，我們把交易數(shù)據(jù)一條記錄一條記錄的保存在數(shù)據(jù)庫表中，數(shù)據(jù)庫放在某個第三方機(jī)構(gòu)的服務(wù)器上，這個第三方機(jī)構(gòu)給服務(wù)器所處的網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫設(shè)置了嚴(yán)格的訪問限制用于數(shù)據(jù)的安全性。但是在一個去中心化，沒有一個機(jī)構(gòu)或者一個人可以控制系統(tǒng)的訪問權(quán)限的情況下，如何去保護(hù)數(shù)據(jù)的安全性？

一種方式是每個人把自己的插入的這條數(shù)據(jù)hash后用自己的密鑰進(jìn)行簽名，然后附帶上自己的公鑰，系統(tǒng)可以用簽名和公鑰驗證插入的數(shù)據(jù)是否被修改過。如果把數(shù)據(jù)庫表比喻為一本帳本，表中的每一條數(shù)據(jù)就認(rèn)為是賬本中記錄的每一筆交易。這里還有兩個問題，第一，不能隨意插入數(shù)據(jù)，如果你沒有比特幣，但還是插入一條轉(zhuǎn)帳給某人的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要發(fā)現(xiàn)是不合法的，拒絕此次插入請求。第二，除了不能隨意插入和修改外，也需要防止刪除數(shù)據(jù)，上述把每條記錄進(jìn)行簽名并不能阻止被惡意刪除。帶著這些問題，如果你是架構(gòu)師，你會做什么樣的架構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)這些需求？

這里就開始要引出區(qū)塊鏈的設(shè)計了。上面把數(shù)據(jù)庫表比喻為一本帳本，如果系統(tǒng)中只有一張表，也就是一本帳本，那么這本帳本中的數(shù)據(jù)很容被更改。如果讓系統(tǒng)每10分鐘自動生成一張表，也就是生成一本新帳本，新的交易記錄都記錄在新帳本中。 并且創(chuàng)建這個新帳本需要一定的條件，用當(dāng)前帳本的順序號，上一個帳本的所有記錄的hash值，系統(tǒng)時間戳（10分鐘一個維度)，再找一個隨機(jī)值，幾個數(shù)據(jù)加在一起Hash后滿足一定的條件，比如開始多少位都是0，那么系統(tǒng)就接收這個新帳本。產(chǎn)生的新帳本通過帳本順序號串在上個帳本之后，形成一個帳本的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，新的帳本依賴于上一個帳本的數(shù)據(jù)和當(dāng)前系統(tǒng)時間戳，因此一旦新帳本產(chǎn)生后，歷史帳本的數(shù)據(jù)就無法被篡改，因為一旦篡改，就與之后的帳本對不上，帳本被破壞，按照上節(jié)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中描述的自動更新為網(wǎng)絡(luò)集群中大部分節(jié)點(diǎn)維護(hù)的相同的帳本。

一旦形成了鏈?zhǔn)綆け竞缶蜔o法去更改某個歷史帳本中的數(shù)據(jù)，更改了某個歷史帳本，那么在它之后的所有帳本都需要更改，但是每個帳本都是根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)時間戳驗證hash值是否滿足條件才能接收，所以無法去篡改歷史帳本的數(shù)據(jù)。所能做的只能另外投入非常大的代價再構(gòu)建一個比特幣集群，這個集群超過當(dāng)前的集群，那么數(shù)據(jù)就自動按照新構(gòu)建的集群為準(zhǔn)。這就是多個帳本的相互保護(hù)機(jī)制比單個帳本更難以被篡改。后續(xù)貨幣的發(fā)行和交易中再會描述，當(dāng)你有能力重新構(gòu)建一個新的比特幣網(wǎng)絡(luò)集群用于去攻擊篡改數(shù)據(jù)時，你獲得的收益將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于你投入的成本。

為了防止上個帳本的數(shù)據(jù)被篡改，產(chǎn)生新的帳本需要依賴于上一個帳本中的所有交易記錄的hash值，這樣一旦上個帳本的數(shù)據(jù)發(fā)生變化就與新帳本對應(yīng)不上。但是帳本中所有交易記錄計算hash值是一件耗時的計算，因此比特幣采用了merkle樹對某個帳本中的所有交易記錄進(jìn)行hash計算。它主要是解決帳本中交易記錄hash計算的效率問題。如下圖HA,HB…HP是具體的交易記錄，每相臨的兩條交易記錄向上形成一個Hash值，再與相鄰的節(jié)點(diǎn)再往上形成hash值，一直到樹根形成所有交易記錄的唯一hash值。

之前描述的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和本節(jié)描述的帳本鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，本質(zhì)上都是用于解決去中心化的數(shù)據(jù)安全存儲。

最終一致性

是分布式存儲就繞不開CAP理論，比特幣也一樣，比特幣采用P2P協(xié)議進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，放棄了CAP中的Consistency，采用了AP兩個維度。如果放棄了Consistency這個屬性，那么就產(chǎn)生了拜占庭將軍問題，這么多節(jié)點(diǎn)如何達(dá)成數(shù)據(jù)一致性。拜占庭軍隊都是一個個小分隊組成，每個小分隊都有一個將軍負(fù)責(zé)，將軍們通過號令兵傳達(dá)一系列行動，但是當(dāng)中出現(xiàn)一些叛將，故意破壞號令怎么辦？

分布式存儲系統(tǒng)和拜占庭將軍問題一樣，做到一致性是很難的，在比特幣開放式的全球化部署的系統(tǒng)集群更是如此。所以比特幣放棄了強(qiáng)一致性，并且通過P2P點(diǎn)對點(diǎn)通信，沒有中心節(jié)點(diǎn)，整個集群中的服務(wù)器故障，離開，加入集群都不會對整個集群產(chǎn)生影響。

上節(jié)中描述了帳本的產(chǎn)生基本機(jī)制，用當(dāng)前帳本的順序號，上一個帳本的所有記錄的hash值，系統(tǒng)時間戳（10分鐘一個維度)，再找一個隨機(jī)值，幾個數(shù)據(jù)加在一起Hash后滿足一定的條件，比如開始多少位都是0，那么系統(tǒng)就接收這個新帳本，這就是這個集群中所有節(jié)點(diǎn)的共識，所有節(jié)點(diǎn)只接收這樣的帳本，而尋找這個隨機(jī)值是需要龐大的計算能力。在比特幣中稱它為Proof-of-Work（POW）挖礦。

當(dāng)每隔10分鐘找到這個值，就是生成了新的帳本。但網(wǎng)絡(luò)集群都是開放的，可能同時找到了兩個值，在集群中少部分節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生了2個帳本，針對這種情況比特幣系統(tǒng)設(shè)計為：整個網(wǎng)絡(luò)集群采用少數(shù)服從多數(shù)原則，集群中大部分采用了哪個帳本，少數(shù)節(jié)點(diǎn)服從多數(shù)節(jié)點(diǎn)，丟棄沒被大多數(shù)采用的帳本，達(dá)到最終一致性。

電子貨幣發(fā)行

上一章節(jié)去中心化中，主要描述了一個去中心化系統(tǒng)，如何做到安全的數(shù)據(jù)存儲，不被篡改。它主要采用了P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)＋區(qū)塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)解決了數(shù)據(jù)的安全存儲。但是對于一個貨幣，還需要解決一個貨幣的發(fā)行，如何發(fā)行，發(fā)行給誰？如何讓比特幣系統(tǒng)能夠讓所有的人自發(fā)的運(yùn)行下去？貨幣的發(fā)行需要公平，公開，公正，而且貨幣不能發(fā)行到某個第三方機(jī)構(gòu)中，任何人只要符合一定的條件就能獲取發(fā)行的貨幣。想一想，如果你是架構(gòu)師，你會如何設(shè)計系統(tǒng)去發(fā)行貨幣？

本質(zhì)上講，比特幣系統(tǒng)自身就可以尋找一個隨機(jī)值，產(chǎn)生新的帳本。但是比特幣把發(fā)行貨幣和尋找新帳本背后的計算力結(jié)合在一起。尋找新帳本需要消耗計算力，誰找到了符合新帳本條件的隨機(jī)值，代表了他消耗了大量的計算力，新帳本一旦被系統(tǒng)接收，那么系統(tǒng)自動在該新帳本中記錄一條轉(zhuǎn)帳給他一定個數(shù)比特幣的紀(jì)錄，就完成了貨幣的發(fā)行。

比特幣的運(yùn)行必須依賴于新帳本的產(chǎn)生，而誰找到新帳本，誰就能獲得系統(tǒng)自動生成的轉(zhuǎn)帳紀(jì)錄，也就是獲得了一定數(shù)量的比特幣，這就是挖礦。這也就激勵了人們不斷的投入到挖礦中，不斷的挖出新帳本，通過激勵維持著比特幣系統(tǒng)的運(yùn)行。

這里體現(xiàn)設(shè)計天才的地方是，比特幣融入了金融學(xué)，貨幣學(xué)，博弈學(xué)，通過系統(tǒng)形成了一定的運(yùn)行機(jī)制，激勵著人們讓這個系統(tǒng)能夠自發(fā)的運(yùn)行下去。

電子貨幣交易

上節(jié)電子貨幣發(fā)行一節(jié)中描述了，誰通過算力找到了新的帳本，系統(tǒng)就會自動記一筆賬，轉(zhuǎn)一定數(shù)量的比特幣給誰，他也就獲得了比特幣。那么如何確認(rèn)記錄的這筆交易是屬于你的，而不被別人拿走呢？做為架構(gòu)師的你如何解決這個問題？

比特幣采用了非對稱加密技術(shù)對用戶的帳戶操作，公鑰就是用戶的帳戶號碼，誰找到了新帳本，系統(tǒng)自動往新帳本發(fā)現(xiàn)者的公鑰帳戶，記一條特定數(shù)量比特幣的紀(jì)錄。當(dāng)用戶要消費(fèi)比特幣時，需要用私鑰進(jìn)行簽名，系統(tǒng)會用帳戶號碼也就是公鑰驗證簽名是否正確，并且根據(jù)用戶的帳戶號碼從歷史的交易中計算出當(dāng)前帳戶中的真實(shí)金額，確保用戶操作的資金在帳戶真實(shí)金額之內(nèi)。這里的設(shè)計有兩個要點(diǎn)：

插入的每一條紀(jì)錄都需要用私鑰簽名，系統(tǒng)用帳戶號碼也就是公鑰進(jìn)行驗證簽名是否正確，驗證正確則認(rèn)為合法。

如果滿足第一個條件，則驗證插入的紀(jì)錄中轉(zhuǎn)帳金額是否正確，驗證的方式是對該公鑰以往的所有交易紀(jì)錄進(jìn)行計算得出該帳戶當(dāng)前的金額，如果不超過該金額值則為合法。圖示如下：

這種機(jī)制能夠保證只能對自己的帳戶進(jìn)行操作，再結(jié)合P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的最終一致性原則，以及帳本的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，一個攻擊者需要建立超過目前比特幣網(wǎng)絡(luò)集群，并且算力超過目前的集群下才能創(chuàng)建另外一個帳本分之，而且也只能更改自己的帳戶，所以這種攻擊投入和產(chǎn)出的收益極低，而對于比特幣系統(tǒng)來說，你構(gòu)建了龐大的集群以及強(qiáng)大的算力，即使攻擊成功了，獲得了一部分的收益，反過來卻讓比特幣系統(tǒng)更加的穩(wěn)健了。

區(qū)塊鏈的應(yīng)用

比特幣系統(tǒng)解決了去中心化的安全存儲問題，解決了貨幣的發(fā)行問題，解決了貨幣交易的帳戶安全問題后，就構(gòu)建了一個當(dāng)前的比特幣電子虛擬貨幣系統(tǒng)了。而比特幣使用的區(qū)塊鏈被認(rèn)為是一個顛覆性的技術(shù)，革命性的技術(shù)，那他的顛覆性體現(xiàn)在什么地方呢？它不是技術(shù)上面的顛覆，主要是在思想層面上的，商業(yè)運(yùn)作模式層面上的革命性。就比如一個國家從集權(quán)式的到民主式的轉(zhuǎn)變，對這個國家和社會就是一個革命性的變化。而區(qū)塊鏈技術(shù)帶來兩個基本功能：

去中心化的數(shù)據(jù)存儲

保證帳戶的安全性

理論上讓原先需要通過某個第三方機(jī)構(gòu)提供的數(shù)據(jù)服務(wù)，都可以革命性更改為去中心化的方式提供服務(wù)，比如比特幣可以替代各個國家的法幣使用。區(qū)塊鏈這種特性也會衍生出各行各業(yè)的商業(yè)模式顛覆性的變化。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的如何用架构师思维解读区块链技术？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。