January 17, 2020

重新创造比特币16:Block Chain

作者：何岩，由 recreating.org发行。

0.前言 #

Bitcoin的点对点网络架构中，已经实现了交易的同步和账本的同步。

虽然，账本的同步是一个依赖中心化单点Timestamp Server的临时方案，但是我们先不管它。

我们先来关注Gilfoyle想到的新点子，即，账本的拆解。

1.失控中的即兴 #

咖啡馆，Gilfoyle一进来就看到中本聪已经喝着咖啡在等他了。

中本聪说：“来来，我们继续讨论，昨天你提到的账本拆解的点子。”
Gilfoyle说：“好，等我也要杯咖啡去。”

老板Bob把咖啡端过来：“最近哥俩咖啡喝的挺频啊，来灵感啦？快点升级好，早点让Bitcoin恢复上线啊！”

中本聪说：“好好，我们正努力呢！你再等等，快好啦！”

中本聪嘴上说快了，其实心里一点谱都没有。

这一次系统的演进，可谓Bitcoin的质变，精确系统变成复杂系统，可谓物种级别的突变。

中本聪和Gilfoyle就像是两个探险家，在一片原始丛林中前行，没有地图，甚至没有道路，一切都要根据当下情况，即兴的选择路线。前方是否能走出去，是否存在陷阱，两人都无法预知，只能靠着直觉，在失控中走好下一步。

当然，中本聪喜欢这种失控感，因为失控中的控制力才是真正的控制力。这种体验就像是在悬崖上进行徒手攀岩，精微控制着身体，像壁虎一样吸附在镜面般的岩壁上，品尝着生与死的边缘，那才是真正活着的感觉。

to be or not to be that is a question.

2.一石二鸟 #

中本聪说：“你再把昨天说的点子详细说说呗，账本如何拆解？”

Gilfoyle说：“昨天我说到，账本现在是一个大文件：transaction.txt。频繁全网广播太浪费资源。我们可以将账本文件分割成多个小文件，每个小文件就是一个账页，账页按照顺序串连起来还等价于之前的账本。这样，每次同步只需要广播最新的账页即可。

不过，昨天回去我又有了些新的理解。

账本的本质是什么？

账本的本质是系统中过往交易数据的总和。所以账本代表着系统的过去。

而交易内存池中的数据是系统实时进行的行为，所以交易内存池代表着系统的当下。

记账这个动作，本质就是在做数据备份。

由于全网都要依赖这份数据备份，所以拥有记账权的节点责任重大。在这个10分钟内，它承载着系统的正确性。

所以，记账这个行为，也要记录在系统中。目的是可以追究记账者责任，当然除了追究责任，也可以给记账者一些利益，例如给记账者送几个Bitcoin作为奖励。这些都需要依赖这份行为记录。

那么记录在哪呢？

传统系统的设计思路，是将记账行为独立写入一个日志文件中，日志文件再与账本关联。

但是，我昨天晚上忽然明白了，我们可以借助账本的拆解，来实现记账行为的记录。

换句话说，账本的拆解可以一石二鸟。

既可以，避免全量数据传播的资源浪费。

又可以，让记账行为关联的责任和奖励有的放矢。”

3.账页的连接 #

中本聪赞叹到：“精彩！具体如何落地呢，账页如何顺序连接起来呢？”

Gilfoyle详细的解释起来。

我们把每个账页称为：Block，就是区块的意思。每个Block在物理上是一个独立文件：block.txt。

每个Block中装的是具体的交易记录，我们将交易记录抽象为：Item。(见下图)

账页

现在我们的目标是将Block按照顺序前后连接起来，这样就形成了一个类似珍珠项链一样的一条链，英文为：Chain。

如何实现连接呢？

我们自然会想到，唯一ID的关联，让后面的Block在自己文件的第一行写入前一个Block的唯一ID。这样后面的Block就伸手主动的抓住了前面的Block。一个抓一个就形成一条链了，直到创世区块：MetaBlock。

那么如何获得Block的唯一ID呢？

这就需要再次请出之前我们讨论过的概念：Hash（哈希）。

Hash算法是一个全世界公开的算法。任何人用任何编程语言都可以实现逻辑相同的Hash函数。

任何数据作为参数，输入到Hash函数中，函数运行，输出唯一且不变的Hash值，用公式表达，即，HashID=FuncHash(Block)

HashID可以看成为这段数据在宇宙中的唯一坐标，或者看成在宇宙中的唯一身份证号，再或者看成是这段数据的唯一指纹。

这里要注意一点，Hash函数是不可逆的，什么意思呢？

意思就是说，我们只能根据数据得到HashID，不能根据HashID反过来得到数据。

这就好比，我们无法根据一个人的指纹来创造出这个人的肉体。

但是，如果这个人站在我们面前，我们可以通过Hash函数瞬间得到他的指纹。

所以，一个人可以被任何人验证，某个指纹是不是属于他的。

例如：这个人将自己的指纹按在一个房产合同上，这样房子和这个人的实体产生了连接。

因为，指纹可以映射宇宙唯一的个人。所以，在文字符号的世界里，指纹就是实体在法律上的等价代理。

所以，关联了HashID，就等于在关系层面上关联了实体。

接下来我们看看如何落地

记账节点构建Block Chain的步骤：
1.记账节点获得记账权。
2.节点使用Hash函数，计算出前一个Block的HashID。具体做法是将前一个Block的文件（例如Block1.txt）作为参数，输入到Hash函数中，运行结果就是前Block的HashID。
3.节点创建一个新的Block文件（例如Block2.txt），然后将上一步骤中的HashID写入到当前Block文件（Block2.txt）的第一行。
4.节点从第二行开始，继续写入交易数据。
5.节点写完所有交易数据之后，将当前Block广播到记账网络。

这样记账网络中就通过节点轮流记账，构建出了一个，基于HashID关联的Block Chain，即，区块链。（见下图）

Block Chain

4.区块奖励 #

中本聪赞叹到：“精彩！继续说说第二只鸟，在哪记录节点的记账行为？”
Gilfoyle说：“我们可以借鉴现实中的会计记账。

现实中账本的每一页都会分为两个部分：

通常，这一页纸的上半部分通常都会保留一个空间，用来记录记账人的姓名，记账时间，还要按手印呢。

然后，下半部分才记录具体的业务数据，即账目数据。

我们也可这样来设计Block，给Block文件划分为2个部分：

第一个部分叫做区块头：Block Header，用来记录非业务数据：系统数据。

第二个部分叫做交易集：Transactions，用来记录业务数据：交易记录。（见下图）

Block

Gilfoyle说：“Transactions中的数据很单一，就是交易记录。

Header中数据还需要设计一下，究竟要记录哪些数据？”

中本聪说：“关联前Block的HashID就可以放入Header中。”

Gilfoyle说：“对，只要是非交易数据，都可以放入Header部分。”

中本聪说：“还有，能够描述记账行为的数据，例如记账时间，记账的节点IP。”

Gilfoyle说：“对，这些也要放进来。我在思考，如何描述对记账者的奖励。

如果能实现记账的奖励机制，那么Bitcoin系统就可以吸引到越来越多的节点加入。

这样一来，Bitcoin系统就真的可以称为一个“永动机”了。”

中本聪说：“这个思路太棒了！之前老板Bob还问我提供机器能得到什么好处呢！好处就是获得Bitcoin的奖励啊！”

那么如何表示节点获得Bitcoin呢？

能够表示节点的现在只有IP，IP是没法接收Bitcoin的，只有公钥地址可以接受Bitcoin。

中本聪忽然灵感闪现：“只要让每个节点都拥有公钥地址就行啦，节点记账的时候，凭空创建出来一条交易记录，给自己的地址转50个Bitcoin。”

Gilfoyle说：“牛牛牛！凭空创造交易，而不是引用之前的UTXO，这在本质上岂不是在铸币和货币发行嘛，又是一个一石二鸟！即解决了吸引节点加入的激励问题，又解决了铸币和发行的问题。”

中本聪说：“对啊，今天咱倆运气爆棚了，收获了这么多意外之喜！

这样一来货币的发行就不再使用之前的丑陋方案了。

之前的临时方案是，将2100万个Bitcoin一次性的写死在Satoshi的地址中，由Satoshi来单点发行货币。

改为区块奖励机制之后，货币发行就由单点变成多点，货币的铸币和发行就会越来越分散，Bitcoin就好像散落在地下的黄金，无中生有的被随机开采出来，流入民间。”

Gilfoyle问：“那么如何让节点关联公钥地址呢？”

中本聪说：“我们在代码中加入一个配置文件，节点的拥有者部署代码之前，先手工改一下这个配置文件，将自己的公钥地址写入进去，这样节点启动后读取这条地址，就可以当成是自己的记账奖励要转入的地址了。”

Gilfoyle继续问：“这条无中生有的交易记录，写在Block Header里吗？”

中本聪思考了一下说：“我感觉写到Header不合适，因为虽然是对记账行为的奖励，但是本质上也是一笔交易，是交易就应该属于业务数据，就应该写入到Transactions中。这样，我们就约定，每次节点获取记账权，开始写Transactions部分时候，第一条都无中生有的创建一条50Bitcoin的区块奖励转账给自己的公钥地址。”（备注：为了保证2100万个Bitcoin的总量上限，区块奖励减半的策略大家应该都耳熟能详，就不在文章中啰嗦了。）

Gilfoyle说：“可以，这样看上去很flow了。还有一点差点忘了，交易记录中的手续费也应该奖励给记账节点，否则手续费就会凭空消失了，Bitcoin就等于在慢慢燃烧，越来越少。”

中本聪说：“对对，还好你提醒我了，创建区块奖励这笔交易时候，先计算下所有交易的手续费总和，也要和那50个Bitcoin一起转给自己。”（见下图）

区块字段

具体的字段：

Header部分：
1.前区块的HashID：Previous Block Hash
2.记账的时间戳：Time
3.记账节点的IP：IP（备注：真实世界的Bitcoin没有此字段）

Transactions部分：
1.第1条交易为区块奖励，交易记录中的不引用过去的UTXO，而是在in部分加一个字段coinbase来表示此UTXO是无中生有的铸币。
2.第2条之后为正常的交易记录。
（备注：这里的字段描述做了简化处理，具体技术细节请参考arron67'blog：[学习笔记] 比特币的区块和区块链-https://aaron67.cc/2019/01/05/bitcoin-blockchain/）

5.后记 #

本篇完，直到这篇，我们才引出Block Chain区块链这个概念，可以看出来，区块链的地位在整个系统中并不是那么核心。

正是由于账本的拆解，我们可以有机会来表达对于记账行为的奖励。记账的奖励将会激励更多的陌生节点加入，我们将会遇到网络发现，陌生节点作恶等难题。

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