March 24, 2020

重新创造比特币14:交易的同步

作者：何岩，由 recreating.org发行。

0.前言 #

在上一篇中，中本聪和Gilfoyle搞定了最简单的点对点网络。但是无法正常运行，因为账本还没实现同步机制。为了解决账本的同步，需要先引出交易的同步。

1.账本不一致 #

咖啡馆，中本聪对着老板Bob说：“老板，这几天Bitcoin系统要升级，暂时无法用了”

Bob说：“我看到了，你们又是搬机器，又是写代码，这次升级动静够大的。”

中本聪说：“是啊，Bitcoin要发生质变了，对了，你家要是有不用的机器也搬过来，我们需要更多节点。”

Bob说：“好啊，我家还真有一台，不过运行Bitcoin我能得到什么好处呢？”

中本聪说：“好处……这个我得想想，暂时还没有，纯是友情支持。”

Bob说：“好吧，看在你是我的老客户，我去给你搬过来。”

中本聪说：“太好了！你真是个慷慨的老板！”

中本聪对Gilfoyle说：“我们将要有第3个节点啦！现在，我们来解决账本的同步问题吧！”

我们假设一个交易场景：

1.Alice账本中的余额是50，并且记账节点1和记账节点2的账本一致。

2.Alice的客户端连接的是记账节点1。

3.Carol的客户端连接的是记账节点2。

4.Alice向节点1发送一个交易消息：Alice to Bob 50

5.Carol向节点2发送一个交易消息：Carol to Alice 30

6.这时候的Alice的正确余额本应该是30。但是由于账本没有同步，所以在节点1中Alice的余额是0，在节点2中Alice的余额是80，都不正确。（见下图）

账本不一致

面对这个场景，应该如何解决账本不一致的问题呢？

中本聪解释到：“解决这个场景还算简单。只需要节点互相将自己的账本发送给对方节点，收到对方的账本后，找出自己账本中缺少的交易记录，然后将此交易记录补充到自己的账本，这样俩个节点的账本就又一致了。”
在上面这个场景中，

节点1补充进自己账本的交易记录是：Carol to Alice 30。

节点2补充进自己账本的交易记录是：Alice to Bob 50。

这样在俩个节点中的账本又恢复一致，Alice的余额都显示为30。（见下图）

账本的同步

Gilfoyle感叹到：“多亏了UTXO机制，由于没有账户模型，交易不会修改过去的记录，只会在账本中新增交易记录，所以，节点间账本不一致也只会缺失彼此的交易记录，而不会存在数据冲突”

中本聪笑到：“别高兴的太早，我感觉不会这么简单。”

中本聪的直觉是准确的，这个同步机制的确存在漏洞，那就是所谓的双花，这还是等后面问题发生了，我们再去讨论，现在我们看看现在的账本同步方案，有没有什么优化空间。

2.交易的同步 #

中本聪说：“每次节点接受到新的交易，都发送全量账本给对方节点，这样做太浪费网络资源了，其实只需要将新增的交易记录发送给对方节点就够了。对方节点只需要将这条交易记录补充到自己的账本即可。”

Gilfoyle说：“那就是不再同步账本，而只同步增量交易记录。”

中本聪说：“如果只考虑新增交易记录的同步，那么具体步骤应该是这样的。”

中本聪解释着详细的增量交易同步机制：

1.节点1接受到用户通过轻节点发来的最新交易：Alice to Bob 50

2.节点1将这条交易记录写入账本，同时将交易记录通过自己的Socket Server广播出去。（这里之所以将Socket Server发送消息说成是广播，是因为一个Socket Server会连接多个Socket Client，这个传播路径很像广播。而反过来看，Socket Client主动连接Socket Server的行为则是：订阅，就好像用户通过收音机订阅了一个广播频道一样。所以，每个记账节点即能广播又能订阅。）

3.节点2由于订阅了节点1，所以可以收到这条新增交易消息。

4.节点2不可以直接写入自己的账本，因为自己的账本中没准已经存在相同的交易记录。所以要验证这条交易记录是否已经在账本中存在。

Gilfoyle不解的问到：“为什么会存在相同交易记录呢？”

中本聪解释到：“可能是Alice通过客户端同时在向节点1和节点2发起相同的交易请求。

也可能节点1发送同步消息的时候发重复了，这样第一遍节点2就已经将其写入账本了。”

5.如果本交易记录已经存在于节点2的账本中，则什么都不做，结束本次同步行为。

6.如果本交易记录不存在于节点2的账本中，则将其写入账本，同时将这条交易记录广播出去。提供给其它订阅自己的节点，让其它节点进行增量交易的同步。

Gilfoyle问：“为什么节点2还要再次广播这条同步记录，这条消息源头就是节点1给节点2的，节点2如果再广播出去，不就又到了节点1这里，这样不就形成消息的无限循环了吗？”

中本聪解释到：“不会循环的，因为你看第5条，如果发现交易记录之前存在，就会终止。”

中本聪继续解释到：“而节点2为什么要再次广播呢？这是因为，如果节点3加入到了记账网络中，而节点3只订阅了节点2，没有订阅节点1，那么就需要节点2作为一个传话筒，将自己订阅节点1的同步消息传递给节点3。”（见下图）

节点3只订阅了节点2

Gilfoyle说：“明白了，这样就严谨了，在点对点的网络中，节点的角色即是消费者，又是服务者。真是人人为我，我为人人啊！”

中本聪说：“对，这样任何一个节点，广播任何一条消息，都可以一瞬之间传遍整个网络，一石激起千层浪。”

Gilfoyle说：“这让我想到，上周在我家后院看到了一个飞行中的蜂群，蜂群中没有任何一个蜜蜂发出中心化的指令，但是任何蜜蜂根据自己前方的外界环境刺激，发出的信号可以瞬间传遍整个蜂群中的每个个体，使得蜂群可以像一只灵活的动物一样精准的躲避树木等障碍物。这个飞行的怪物看上去智商还很高呢！这就是点对点网络的精髓之处，网络中的每个个体只需要遵守简单的底层规则，大家连接在一起就可以通过平等的协作涌现极其复杂的行为！”

蜂群即网络

中本聪说：“简单规则衍生复杂行为，群系统很神奇吧！”

3.交易内存池 #

中本聪说：“既然账本不用频繁同步了，我们可以再优化一下，在记账节点中创建一个交易的内存池。将每次收到的新增交易第一时间放入交易内存池中，而不是写入账本。等内存池中的交易积累了一段时间（例如每隔10分钟），再一次性的写入到账本中。”

Gilfoyle说：“这么做的目的是什么？减少硬盘的频繁写入吗？”

中本聪说：“对，减少频繁写硬盘，因为账本是文件，写文件就是在写硬盘。内存访问速度就要比硬盘访问速度快上10万倍以上。”

这就像什么呢？内存就好似人的短期记忆，比如我们在马路上搭讪了一个美女，问人家要电话号，人家告诉你之后，你先记在脑子里，然后继续和美女聊家常，这样搭讪的节奏才flow。等美女走了，你马上要将刚才脑子里记住的电话号码写在小本子上，以免自己忘了。这就好像交易内存池和账本的关系。

记在脑子里的电话号，方便快捷，不会打断你的搭讪动作连续性，但不稳固，没准一个节点断电重启就丢了。而写在小本子上就很麻烦笨重，但很稳固，节点断电也不会丢。

另外，不光是用户的新增交易，节点间的交易同步也会先写入到交易内存池。

这样，就引出了“交易内存池”这个概念。（见下图）

加入交易内存池

4.后记 #

虽然加入了交易的同步机制，但是现在的同步机制还是有很多漏洞，需要账本的同步来填补漏洞。

本篇重点讨论了交易的同步，并引出了点对点网络的广播机制和交易内存池等概念，下一篇将要讨论账本的同步。

下一篇：重新创造比特币15:账本的同步

重新创造比特币14:交易的同步

0.前言 #

1.账本不一致 #

2.交易的同步 #

3.交易内存池 #

4.后记 #

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