深度解析區塊鏈的分布式模式_區塊鏈

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。

張江科學城：推動區塊鏈與現代生產制造、商務金融等領域深度融合:7月16日消息，上海市人民政府印發《上海市張江科學城發展“十四五”規劃》，《規劃》指出要大力培育數字經濟，以張江硬核科技為底色，推動區塊鏈等智能交互技術與現代生產制造、商務金融、教育健康和流通出行等深度融合。[2021/7/16 0:57:25]

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。

異步

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。

黃奇帆：數字金融公司要對大數據、云計算、人工智能、區塊鏈等都有深度研究:11月16日，在第三屆十字門金融周藍迪國際智庫專題報告會上，原重慶市市長、藍迪國際智庫專家委員會聯合主席、復旦大學特聘教授黃奇帆表示，產業互聯網和金融結合形成的數字金融，才是真正的普惠金融。產業互聯網和金融相結合形成的數字金融，要遵循以下五個原則。

第一，數字金融公司要對大數據、云計算、人工智能、區塊鏈等都有深度研究，并將研究成果應用在數字化平臺、數字金融系統中。

第二，數字金融公司要有金融的基因、性質，要按照金融的規則、金融防風險的宗旨來辦事，遵循金融業的基本制度。比如遵照巴塞爾協議，資本充足率要達標，要有風險準備金，風險撥備要到位，控制好信用杠桿風險。

第三，在產業互聯網基礎上發展起來的數字金融，既要解決融資難，也要解決融資貴難題。通過產業鏈上的“五全”信息，實現低成本高效獲客，就能降低貸款利息，這也是數字金融公司應該遵循的原則。第四，數字金融公司應利用好“五全”信息實現全社會的資源優化配置。

第五，數字金融平臺需要與專業銀行等金融機構強強聯合，實現資源優化配置，這是更合理的發展模式。（新華財經）[2020/11/16 20:58:54]

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：

ChainUP與日本孵化器BINARYSTAR達成深度戰略合作:今日，日本孵化器BINARYSTAR正式加入ChainUP全球超級節點合作伙伴，雙方達成深度戰略合作，共同助力日本企業區塊鏈技術應用與產業升級。

BINARYSTAR是日本一家以區塊鏈為核心的孵化器，坐落在東京市中心銀座。BINARYSTAR在日本、臺灣及東南亞地區有多個分部，推廣區塊鏈行業應用，同時作為專業運營咨詢機構，扶持區塊鏈初創企業品牌和業務發展。

作為全球領先的區塊鏈技術服務提供商，ChainUP實行集團化和全球化戰略，擁有多家子公司及獨立品牌，其中包含錢包技術服務品牌HiCoin、交易所流動性服務提供商BitWind、區塊鏈金融衍生品技術服務平臺EXUP。ChainUP在全球化進程中除新加坡總部之外已建立日本分公司、香港分公司，將全球區塊鏈技術經驗和產品進一步應用于本地化發展，為更多優質企業提供區塊鏈技術服務與支持。[2020/3/20]

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。

動態 | 北京市2020年將推動區塊鏈等前沿信息技術深度融合:1月12日，北京市十五屆人大三次會議開幕。審查北京市人民政府關于北京市2019年國民經濟和社會發展計劃執行情況與2020年國民經濟和社會發展計劃草案的報告。報告提到，2020年將大力發展數字經濟，推動區塊鏈和人工智能、大數據、物聯網、工業互聯網等前沿信息技術深度融合，建好國家網絡安全產業園區。（新京報）[2020/1/12]

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：

聲音 | 石家莊市委常委趙文鋒：加快區塊鏈等新興技術與制造裝備等產業的深度融合:石家莊市委常委、秘書長、高新區工委書記趙文鋒在高新區召開工委擴大會議。會議上，趙文鋒表示要聚焦全年目標任務，把推動經濟平穩較快運行作為落實省委、市委全會精神的緊迫任務，全面強化項目保障、手續辦理、服務質量等各項措施，確保經濟運行穩中有進、持續上行。要聚焦產業提質升級，認真落實“4+4”現代產業發展戰略，加快大數據、區塊鏈、人工智能等新興技術與生物醫藥、制造裝備等產業的深度融合，全面加快提質升級步伐，爭當全市改革發展排頭兵。（石家莊日報）[2019/11/15]

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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