区块链真的能构造“公平公正”的理想王国吗？

本文主要是介绍区块链真的能构造“公平公正”的理想王国吗？，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

出品 | 智识神工官方博客

贪污腐败、走私和非法贸易、偷税漏税、网络诈骗、生产销售假冒伪劣产品等行为是人类社会与经济系统的顽疾，这些问题造成了许多负面影响。每一起社会资源的暗箱交易都损害着公众的信任，不可追溯的不法金钱流动让受害者苦不堪言，人们期待着一个更加公平、透明、安全、高效的社会与经济系统。

在这个期盼之下，人们强化法律和执法、尽力提高透明度和公开度、完善举报制度、加强宣传教育。纵使如此，不法资金流动仍无法杜绝，社会根据被发现的问题不断地总结经验教训，不断改进和完善措施，没被发现的问题则只能期待后人的智慧。

由人组成的系统难免有疏漏，因此区块链想把分配的方法交给代码与机器，把交易记录和验证方法公开给所有参与者。在这种理念下，第一条区块链比特币发布了，作为一种“去中心化的分布式账本”被人们熟知。

公链——去中心化

比特币是一种用于记录交易的账本，去中心化是它显著的特征，即没有第三方公信机构来记录交易，每个参与者都可以获取这个账本，都有机会成为一笔新账的发布者。比特币属于区块链中的公链，即任何个体都可以随意地加入或退出。实现这样一个分布式账本有以下几个问题：

如何确定发布新账的人
如何保证新账是正确的
如何保证账本不被篡改
如何保证所有人的账本是一样的

弄明白这几个问题，就明白了比特币的原理。这几个问题涉及到共识算法、哈希函数、数字签名等方法，下文将分别介绍。

如何确定发布新账的人（也被称为“挖矿”）

谁来当发布新账（创建新区块）的人，显然需要取得群体共识。取得共识可以粗略地分为两种方式：先询问所有人，大多数人同意之后再发布；带着某种凭证直接发布，该凭证能被所有人确认。

比特币选择了第二种方式（公链都属于第二种），使用的是被称为PoW（Proof of Work，工作量证明）的共识算法。而PoW的核心在于哈希函数，这里简要介绍一下哈希函数的特性。

哈希函数是一种映射，能把任意长度的输入转换为固定长度的输出，通常记为 $H(x)$ 。一个良好的哈希函数要求：对于任意的输入 $x$ ，计算 $H(x)$ 都相对容易；从 $H(x)$ 推导出 $x$ 在计算上不可行；当 $x_{1}\neq x_{2}$ 时， $H(x_{1})\neq H(x_{2})$ 的概率可以忽略不计。

挖矿其实就是在不断计算哈希函数，算出符合要求的哈希值：

$H(B_{n})\leq targetHash$

$B_{n}=\left [ H(B_{n-1}),t_{n},Merkle_{n},nounce_{n} \right ]$

其中， $B_{n}$ 代表第 $n$ 个区块的关键参数， $t_{n}$ 代表第 $n$ 个区块产生的时间， $Merkle_{n}$ 代表一个哈希树的根，可以看作第 $n$ 个区块记录的所有交易的聚合哈希值， $nounce_{n}$ 代表一个随机数。矿工的任务就是猜出 $nounce_{n}$ 使得 $H(B_{n})\leq targetHash$ ，算力越大猜的越快，越有可能成功创建新区块。

$targetHash=\frac{targetMax}{Difficulty}$

$newDifficulty=oldDifficulty\times \frac{2016\times 10min}{Time_{2016}}$

$targetMax$ 是一个固定值， $Time_{2016}$ 指创建前2016个区块实际花费的时间。

如何保证新账是正确的

这里用到了数字签名的技术，只有交易的发起者具备签名的能力（私钥）。每一笔交易都有“输入”、“输出”两个部分。“输出”中包含了接收者的地址与接收金额，而“输入”必须与其它交易的“输出”对应。

打个比方，一个交易就像一个合同，合同上写着张三转给李四5块钱，合同上必须要有张三的签名。王五帮忙把这个合同和其它合同一起打包存起来，但王五没法篡改合同，因为他没法伪造张三的签名。那么，怎么确定张三有5块钱呢，必须在之前的区块链中找到另一个合同，比如赵六转给张三5块钱的合同，且这5块钱还未被其它合同使用。如此便可保证新区块中的交易是正确的。

如何保证账本不被篡改

假设最新的区块已经是第8888块了，而一个攻击者想要篡改第8000块区块，由于哈希函数的不可逆性，它无法创建一个能被第8001块区块认可的父区块替换掉原本的第8000块区块，它只能将第8000块之后的所有区块全部篡改掉。

而由于创建区块的Difficulty限制，在全网算力下，平均每10分钟才能创建一个区块，攻击者的算力必须超过全网其它算力之和（即控制51%以上的算力），才有可能篡改出一条更长的链，因此篡改已确认的区块十分困难。

如何保证所有人的账本是一样的

当一个新区块被创建之后，如何把这个区块发送给其他人呢？

比特币选择的是gossip方法，每个节点都会维持几个与其它节点的连接，当节点A收到一个区块block并对其进行验证（它找到的随机数nounce的确可以使得哈希函数小于目标哈希）之后，会将该区块的相关信息包装成一个inv消息广播给其连接的节点，若节点B收到inv消息并且发现自己之前没有接收过这个区块，则向A节点请求这个区块的具体信息。B节点收到该区块后会继续验证并广播其inv消息。经过数轮传播之后，新区块便可以发送到全网。

一个新区块发送给全网半数节点需要时间，那就可能存在冲突，如果在某一时刻，节点A和节点B同时发现了新区块X和Y，那么部分节点会认证X，部分节点会认证Y，这就出现了区块链的“分叉”，哪一条才是主链呢？

为了解决冲突问题，比特币提出了最长链原则，如果认证过X矿工先发现了区块Z，X+Z的链长度大于Y，认证过Y的节点收到Z之后发现Z的链更长，就会抛弃Y，加入X+Z这条链，而区块Y就变成了“孤块”，Y上记录的奖励和交易都不会被认证。

当然，也可能出现更长的分叉，就是在X、Y之后恰好又同时分别生成了U、V，分叉的两条链的长度仍然相同。此时，两条链的速度竞争会一直持续下去，直到出现更长的链。一般来说，比特币交易被确认6个区块后，便被认为是非常安全的，极少出现分叉的情况，随着区块的增加，分叉的可能性逐渐减小，交易也变得越来越不可逆转。

综上所述，比特币具备去中心化、公开透明、不可篡改等优点，在公平、透明、安全、高效的愿景中它做到了三点，十分了不起。但由于这种全网记账与全网广播的架构与PoW的共识算法，它无法做到高效，只能记录少量重要的信息（比特币货币交易），且交易确认时间较长（几分钟到几十分钟），无法做到承载所有交易，杜绝不法资金流动，相反，它甚至几乎沦为金融投资品，滋生了许多恶性事件——用比特币进行黑市交易（比特币虽然交易透明，但是身份匿名，被不法分子所利用）、区块链交易所失窃（网络环境的不安全导致私钥存在被盗窃的风险，大量私钥的集中管理更容易遭到黑客针对）。

各种公链项目推出PoS（Proof of Stake）、DPoS（Delegated Proof of Stake）、PoA（Proof of Authority）等共识算法缓解了PoW的能源消耗问题，智能合约技术扩展了区块链的应用，使其不再局限于加密货币交易，逐步延伸到物联网、医疗、国际贸易等领域。但全网记账带来的高数据量（比特币全链：几百GB，以太坊全链：几TB）与私钥的安全威胁仍然亟待解决。

私链——分布式一致性

大企业内部由于对商业数据的隐私要求以及对效率的高要求，不适合使用公链，于是出现了用“公平”换取“高效”的私链。

私链十分依赖强调分布式一致性的共识算法（Paxos、Raft、ZAB），保障私链节点之间的数据同步。而这些分布式一致性算法并不依赖区块链，它们在区块链出现之前就在为互联网大企业服务了。互联网大企业用户数量多，单台服务器无法处理所有访问与数据更改请求，必须同时使用多台服务器处理业务，分布式一致性算法正是让多台服务器上的数据保持一致的手段，还能有效消除部分服务器宕机的影响。私链的加持为分布式一致性带来了不可篡改的安全，颇受同时注重效率与安全的金融行业青睐。

私链的所有节点都属于一个企业，不可篡改性只是针对入侵了几个节点的黑客，而掌握了所有节点的企业可以任意修改数据，因此私链的分布式系统被认为具有很高的中心化程度。

联盟链——拜占庭容错

出于对私链过度中心化的担忧，企业机构往往联合起来采用联盟链（超级账本Hyperledger、企业以太坊联盟 EEA），区块链节点归属于多家企业，增大了篡改数据的难度。与只需考虑宕机节点的私链不同，联盟链中还需要提防恶意节点，这便构成了拜占庭将军问题。

该问题假设一个场景：一个将军向他的下属军官们下达命令，以决定是进攻还是撤退，共同进攻才能获得胜利，共同撤退也能保存实力，都属于达成共识，获得成功。但如果一部分进攻，一部分撤退，整个军团将全军覆没。在统一共识的目标下，命令的传递过程充满曲折，比如，命令不能到达，命令乱序，更可怕的是，下属军官们中存在叛徒，他们不仅会篡改命令，甚至还会阴奉阳违，声行不一，最最可怕的是，也许将军本人就是那个叛徒，它向不同的军官下发不同的命令，故意使军团覆灭。即，战场上任意一个做决策的人，都可能是叛徒，会任意篡改命令。在这样的外部条件下，是否存在一种算法，使得整个军团可以达成一致的共识，获得成功呢？

1982年Lamport等人证明了该问题有解的条件：当叛徒人数为 $f$ 时，总人数 $n$ 必须满足 $n\geq 3f+1$ 。可以通俗地解释为：一个军官必须收到 $2f+1$ 个投票（投票上有签名认证身份）才能做出决定，以保证发出投票的忠臣多于叛徒，而如果 $n-f< 2f+1$ ，叛徒则可以全体不发送投票，导致没有人能收齐 $2f+1$ 个投票，即使收到 $f+1$ 个相同投票也是没有用的，因为不能确定这 $f+1$ 个人中是否有叛军投票给A行动却执行B行动。所以 $n$ 必须大于等于 $3f+1$ 。

目前解决拜占庭问题的共识算法有PBFT、dBFT、HoneyBadger、HotStuff等。下面介绍几个使用了联盟链的项目。

NEO是一个开源的智能合约区块链平台，旨在为数字资产的数字化、智能合约的执行和分布式应用的开发提供基础设施。dBFT是NEO区块链平台所采用的共识算法之一，用于确保网络上所有节点对区块的顺序和内容达成一致，以避免双重支付等问题。在dBFT中，网络中的节点被划分为记账人（也称为验证人或委员会成员）和普通节点。记账人负责确认交易并打包区块，而普通节点则参与投票选择记账人。每个记账人都有确定的轮次来产生区块，其他记账人会对其提出的区块进行投票，如果超过三分之二的记账人都同意该区块，则认为达成共识，并将其添加到区块链上。NEO之所以选择dBFT作为其共识算法，是因为dBFT具有较高的性能和扩展性，能够在快速确认交易的同时确保网络的安全性。与其他共识算法相比，如比特币的PoW（工作量证明）和以太坊当前采用的PoS（权益证明），dBFT能够提供更快的交易确认时间和更低的能源消耗，从而适用于更广泛的商业应用场景。
Facebook的Diem（前名Libra）是一个全球数字货币项目，旨在为全球用户提供一种稳定、安全且低成本的数字货币解决方案。Diem项目在设计共识机制时选择了HotStuff的改进算法作为其核心算法，用来确保网络上的节点之间达成共识，并确认有效的交易和区块。HotStuff的高性能、高吞吐量和快速确认特性使得它非常适合应用于数字货币项目，可以支持大规模的交易处理。通过HotStuff共识算法，可以实现快速确认交易和高度的容错性，即使在存在恶意节点或网络故障的情况下，共识机制仍然能够保持网络的安全和稳定，这对于数字货币项目非常重要。

公平、透明、安全、高效

公链、私链、联盟链在去中心化、安全、效率上不断权衡。公链去中心化程度最高、篡改数据的难度也最高，私链生成区块的效率最高，联盟链则比较均衡。目前公链公平、透明、安全的性质最受青睐，得到了最多的关注，不断涌现的新设计都在试图改进公链的效率，同时催生了一批区块链应用（Defi、NFT、Dapp），但区块链应用的代码开源，导致它们更容易遭受黑客的攻击，此外，各种区块链技术都面临着私钥失窃的威胁，网络安全环境与安全意识亟待提高。

为了克服这类脆弱性，智识神工给出了“数据+通信+网络”三位一体的信息安全技术全方案，其中主研SPU（安全处理器）提供了底层硬件安全环境，包括安全存储私钥、缓解开源组件安全漏洞的威胁等功能，加强了整体安全性。

区块链与共识算法的技术发展还有很长的路要走，我们期盼用技术实现一个更公平、更透明、更安全、更高效的系统，让权利分配恰如其分，让系统的运行规则公开透明，让数据与隐私都得到保护，让各种服务流畅运行。愿各位同行一起在这条路上砥砺前行。

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