比特幣:深度解析區塊鏈的分布式模式

本文從分布式系統角度討論了區塊鏈中的幾種創新模式：不可變模式、異步和共識以及網絡容錯可靠性。

不可變模式

區塊鏈是不可變的。分布式系統已經在相當一段時間內依靠不變性來消除異常。比如日志結構的文件系統、日志結構的合并樹和Copy-On-Write是分布式系統中用于模擬不可變數據結構的常見模式/技巧。區塊鏈以類似于事件溯源EventSourcing的方式來處理事務，這是分布式計算中用于處理事實和操作的常用技術。不是用最新數據覆蓋舊數據，而是創建一個包含所有事件/行動的只能不斷追加append-only的日志。

帕特·赫蘭德在他重要的流行論文“不變性改變一切”中描述了不變性：

會計師不能使用橡皮擦;否則他們舊可能蹲監獄。分類流水賬中的所有條目都保留。可以進行更正，但只能在分類帳中新增要進行更正的條目。正如當公司的季度業績公布時，會包括上一季度的小幅修正，這種小修正是屬于追加性質的，因為上一季度的數據已經公布，無法改變，只能在本季度進行數據修正，這種修正從時間角度看實際是新增追加。

Coinhub與Mars Ecosystem達成深度合作:據官方消息，Coinhub與Mars達成深度合作并將于今日21:00上線XMS對Cake的單幣池，未來將聯合為雙方社區帶來空投。目前在Coinhub質押XMS即可賺得Cake。Cake無需線性釋放，Harvest之后即可獲得。

Coinhub是數字資產管理服務平臺，掌管多鏈數字資產，服務于全球DeFi項目及投資者，提供去中心化生態數據。

Mars Ecosystem是一個去中心化穩定幣協議。目前，Mars Ecosystem已經成功籌集了200萬美元的種子資金，總鎖倉量已突破1.6億美金。[2021/9/19 23:36:59]

區塊鏈是簡單的分布式會計分類帳，因此名稱稱為DistributedLedgerTechnology，簡稱DLT。

聲音 | 人民日報：著力推動區塊鏈等現代科技與社會治理深度融合:2月19日，人民日報刊文《為社會治理提供有力科技支撐（有的放矢）》。文章表示，在新一輪科技革命和產業變革加速演進、新技術新產業新業態層出不窮的當今時代，加強和創新社會治理，必須敏銳把握世情國情變化和科技發展動態，主動識變應變求變，依托建設科技強國、網絡強國、數字中國、智慧社會，做好運用科技支撐社會治理的頂層設計。做好頂層設計，關鍵是在社會治理體制改革中著力推動大數據、人工智能、區塊鏈等現代科技與社會治理深度融合，打造數據驅動、人機協同、跨界融合、共創分享的智能化治理新模式，實現對社會運行的精確感知、對公共資源的高效配置、對異常情形的及時預警、對突發事件的快速處置，提升社會治理的科學化精細化智能化水平。[2020/2/19]

異步

動態 | TopChain深度布局斯里蘭卡戰略資源產業:據悉，拓撲鏈TopChain于前不久赴斯里蘭卡與當地政府展開會談并達成國家戰略資源開發合作意向。本次會談中，雙方圍繞斯里蘭卡當地寶石礦產開發、房地產及特色農業等重要產業進行了合作方案討論，旨在通過拓撲鏈TOPC深度打開礦產、房產和農 業市場，面向亞洲地區廣泛招商引資。作為該國新任總統戈塔巴雅·拉賈帕克薩的朋友及重要合作伙伴，拓撲鏈創始人焦光明曾多次參與斯里蘭卡國際貿易合作和戰略資源開發，他表示TopChain將 持續推進雙方各領域的密切協作使TOPC成為上述產業投資憑證，實現取長補短、多方共贏。[2020/2/16]

區塊鏈可能運行在距離數千英里的各種服務器上。在這種異步網絡中想保證各種訂單交易的前后順序性是分布式系統經典問題。所有不可能的理論如像FLP定理(分布式系統的共識(consensus)算法)和CAP定理都適用于區塊鏈。

聲音 | 電信甘南分公司：推進區塊鏈等技術與各領域的深度融合:金色財經報道，1月16日，甘南藏族自治州大數據服務中心授(揭)牌儀式暨5G+甘南州大數據服務應用創新建設合作框架協議簽訂儀式在電信甘南分公司舉行。電信甘南分公司將推進5G、云計算、大數據、區塊鏈等新技術與政務、旅游、教育、農牧、精準扶貧、電子商務、數字鄉村等各領域的深度融合，全面賦予甘南州文化旅游、政務服務、基礎教育、生態畜牧、社會治理、鄉村振興等領域的高質量發展。[2020/1/23]

如同分布式系統一樣，區塊鏈塊中沒有“現在”概念，分布式系統中的不同節點的時鐘可能會相互隔離，因此，在全局所有機器上的對事件進行全局性的實時排序并不簡單，因為所有節點時鐘不能始終處于同步之中，因此使用機器本地時間戳將不再有幫助，除此之外，消息的延遲可以達到任意時間，可以是毫秒或秒級，甚至達到分鐘甚至幾天的數量級，對于比特幣區塊鏈，創始人中本聰設計了一種巧妙的方式來排序訂單交易，以防止雙重支出的問題，在沒有全局時鐘情況下使用了分布式Timestamp服務器。中本聰的比特幣白皮書中說：

聲音 | 王小云：密碼技術將深度融合5G、區塊鏈等技術，為物聯網安全保駕護航:2019物聯網密碼應用專題峰會在無錫召開。密碼學家、中國科學院院士王小云在會上表示，物聯網絡設施，是經濟社會運行的神經中樞，也是可能遭到重點攻擊的目標，而密碼是保障物聯網網絡安全的核心技術和基礎支撐。密碼學是集數學、信息科學、計算機科學和物理學等于一體的深度交叉與融合的學科。密碼技術將深度融合5G、區塊鏈、人工智能、衛星通信等技術，為物聯網安全保駕護航。（經濟參考報）[2019/9/12]

我們的解決方案是基于時間戳服務器，時間戳服務器的工作就是通過獲取要被時間戳標識的某個區塊的條目的哈希值，然后廣泛發布這個哈希值，例如在報紙或BBS帖子中，總是附加具體的發布時間，這個時間戳提供了當時數據存在的證明。每個當前時間戳包含之前的時間戳哈希，由此形成一個鏈條，這樣一個時間戳相當于有兩份存在證明，更加堅固可靠。

這類似于DBMS中通過事務日志記錄保存所有對數據庫的寫入操作事件。在這種情況下，區塊鏈本質上是一個分布式事務日志。

共識

在沒有全局同步時鐘的情況下，決定訂單交易順序的唯一方法是通過分布式共識。就像在分布式機器上對事件/事務進行排序達成共識一樣，但是在分布式系統中達成共識很困難：

FLP表明，在異步網絡中，消息可能被延遲但不會丟失，如果至少有一個節點發生故障停機了，那么就不可能達到所有機器獲得共識一致。

能夠對網絡的崩潰故障進行容錯的算法有：Paxos，Zab，Raft，Viewstamped復制，這些網絡容錯算法能夠在流程或機器可能發生崩潰或導致消息傳遞延遲的情況下達成共識一致性。上述算法通常在一個可控的組織內實現分布式系統。

區塊鏈工作在更加復雜的條件下，用來處理稱為“拜占庭將軍問題”的故障類型，其中一些節點可能是惡意的，因為節點是由不相互信任的不同實體/組織運行。區塊鏈假設是你自己的網絡并不在你身邊。因此，您需要拜占庭容錯算法才能在區塊鏈中達成共識。拜占庭容錯算法已經在分布式系統文獻中存在很長期的研究了。1999年，MiguelCastro和BarbaraLiskov介紹了實際拜占庭容錯算法，該算法提供了高性能拜占庭狀態機復制，每秒處理數千個請求，延遲時間為毫秒級。雖然這篇文章是在1999年寫就的，但是直到比特幣在2008年使用“工作證明”算法，還沒有其他BFT算法的已知實踐實現,只是在一些系統中用來限制垃圾電子郵件。區塊鏈引起了對BFT算法重新研究的興趣，并在學術界積極努力下催生了大量新的BFT算法，一些應用案例包括ProofOfStake,Bitcoin-NG,Tendermint和HoneyBadger.。

網絡可靠性

與普通人大眾想法不同的是：網絡默認是不可靠。分布式系統工程師必須處理這個冷酷事實。比特幣和其他加密貨幣被建立在互聯網上工作，其中網絡分區和消息丟失/重新排序是常見的。有趣的是，區塊鏈數據結構本身是檢測消息丟失和重新排序的一種聰明的方法。每個塊都有一個指向前一個塊的指針，類似于一個鏈表，可以很容易地檢測到丟失的塊。再次引用中本聰語錄：

新的交易不一定需要廣播到達所有節點。只要能到達大多數節點即可，這些新交易很快進入一個區塊中。堵塞廣播也能容忍消息的丟棄。如果一個節點沒有收到一個塊，它會在接收到下一個塊時，如果意識到那塊被忽略了就會重新請求它。

這個原理類似于復制交易日志或日志傳送，這是用于保持副本同步的常用技術。當一個交易日志被訂閱關注時，就會提供了一個簡單的機制來檢測差距和修復副本。類似地，可以通過檢查區塊中的merkle根來驗證塊鏈中每個塊的完整性。因此，很容易發現缺少的交易。提醒一下，merkle樹是在復制同步技術anti-entropy中非常常用的技術。

區塊鏈是一個令人興奮的技術突破。讓我們首次擁有一個在不相互信任的實體之間實現的分布式數據庫。我們還處在這個有趣技術的早期階段，類似于當初編寫第一個分布式的NoSQL數據庫，如亞馬遜的Dynamo或Google的BigTable時期。這些分布式數據庫為我們展示了構建大型數據庫的新途徑，并且開辟了新的設計模式和數據結構。NoSQL數據庫現在已經被商品化了。如果您聽到有關新的NoSQL數據庫，90％的模式和算法是一樣的。DLT也正在經歷類似的階段，最終將成為商品化。但是現在還是早期階段，我們正在挖掘建立它們的最佳模式。

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