前言
10月快结束了。这个月一直在调试hyperledger sawtooth，坑太多了，填都填不过来。最近也需要在部门做这方面的介绍，所以索性把这篇自己对区块链的理解文章贴上来凑数。
文章主要还是基于bitcoin来分析，最核心的材料是中本聪写的<BitCoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System>。看过bitcoin，自己工作中用的是sawtooth，本质原理上区块链都是一致的，核心区别是consensus算法。
这篇文章是briefly的介绍。想说明白blockchain设计初衷，解释blockchain最初想解决的痛点。希望可以区分虚拟的币和区块链之间的关系。
为什么需要区块链?
当前互联网上的交易(购物/购票等消费)需要依赖可信的第三方支付机构(支付宝，Paypal等)。
这种支付模式在大多数情况下都挺好用的，它以信任的第三方为基础。因为基于的是中心化的模型，所以天生就有某些缺点。比如：
A. Non-reversible transactions.
Bitcoin强调要做到交易不可撤销。我搜索了国外刷信用卡交易的一些rules。他们为了保护消费者，在刷信用卡交易过程中如果发生争议，可以通过charge back来请求撤销交易。且消费者请求charge back时可以绕过商家，直接找支付机构，提供相关理由和证据。支付机构仲裁后便会把钱直接退给消费者的。
在正常情况下，这种操作可以一定程度上保护消费者。但它很容易被人恶意利用，这对商户来说就是潜在的交易风险。
B. Increases transaction costs.
增加交易成本。以支付宝为例，不论使用APP支付还是当面付，商户都有一个支付费率的问题。举个贴近生活的例子，你在淘宝中购买商品，在某些店家如果选择信用卡支付，买家需要额外承担一个信用卡的费率。这和支付宝给商家定的费率是一个的道理，会在无形中增加了交易成本。
C. Limiting the minimum transaction size.
限制交易最低金额。这个和支付费率有关，从前两幅图的支付费率看，目前支付宝并没有限制交易最低金额，但它事实上有能力去做这个。先以银行转账为例说明这个问题。比如银行之间跨行转账会收取转账费，最低要求2块/笔。如果你转账1块，还得额外再支付2块转账费。所以这直接限制了小额转账的发生。类似的，假如某个支付工具限制最低交易费率为0.1元/笔。那基本限制了0.1元以下商品的交易，会卖一件赔一件，甚至0.2或者0.5元的商品都会绝迹，因为这个交易费率会占掉小额商品利润的大头！因为这个原因，现实中肯定也没人会去跨行转账1块钱，怎么也得大几百起步。
D. Relay on financial institutions to provide stable service
依赖支付工具提供稳定的服务。正常情况下支付工具都能稳定工作，但外界的因素就无法保障了。比如下图蓝翔毕业生KO支付宝。而且这种模型造成的后果一般都比较严重，比如商户直接不能进行交易，或者账户信息不能同步。
为了解决上述传统中心化支付系统中的问题，“中本聪”提出了一种peer-to-peer的电子支付系统，Bitcoin。也就是说，bitcoin的诞生是想通过P2P的模式来解决现在这种中心化支付模式中的问题，而不是专门给大家挖矿的。甚至于有些区块链根本都不需要币，比如我最近用的sawtooth。所以啊，懂点技术可以防身啊，不容易被传销大妈忽悠去炒币。。。
2. Peer-to-Peer支付系统(blockchain)的实现
虽然blockchain把中心化的支付模式变成了P2P的模式，但本质仍然是电子支付。一般电子支付过程中都需要解决以下问题：1.验证 2.安全 3.历史记录。
Bitcoin的诞生，意味着在 p2p模式下找到了解决了上述问题的方法。
2.1 Transactions
Bitcoin使用数字签名来解决信任问题。数字签名使用public key很容易就能验证transaction的真实性。具体过程如下：
Owner transfers coin to next时会把前一次的交易以及next owner的public key进行hash算出摘要。然后current owner对这个摘要进行签名，最后把这个签名添加到transaction的末尾发送给next owner。Next owner收到transaction便可以用前一个owner的public key来验证本次交易的真实性。
2.2 Double-spending
数字货币(或电子支付)除了验证真实性，还需要解决double-spending的问题。
因为数字货币(电子支付)传输内容是数字信息，所以它更容易被复制或者伪造。传统的中心化支付模式是因为所有交易都需要经过支付机构，所以支付机构有能力根据历史交易等信息来解决double-spending的问题。
但如果是P2P的支付系统，因为没有中心化的支付机构，所以要解决double-spending的问题必须想办法记录下所有交易，并且需要让大多数node使用同一套交易历史记录。
要达到这个目标，那所有交易都应该publicly announced，如果是合法的，那么大多数node都会把这个block添加到chain中，让所有node都拥有相同的交易信息记录，并且保证block的order也是一样的。在这个系统中，block与block之间连成一条交易记录的chain，并且这个chain会随着交易不断进行而增长，这就是blockchain。
PS: double-spending的问题和中心化或者去中心化的模式无关。它是由于数字信息更容易产生或者被复制。比如群发的垃圾邮件，发送给所有接收者的内容是一样的，但接收者不一样，这就是个典型的double-spending问题。Bitcoin解决double-spending就是参考了处理垃圾邮件的办法。
2.3 How to keep order？(timestamp server)
Bitcoin使用Timestap来保证block的顺序。Timestamp由timestamp server提供。
一个block包含一组交易数据，bitcoin会将这个block加上timestamp进行hash。
这使得block被破解的难度加大。因为要产生相同的哈希，除了知道交易内容外，还需要保证时时间也一致。
一个合法的timestamp需要保证其值大于blockchain中，前11个block的timestamp里的中位数，且小于network-adjust time + 2 hours。
所谓network-adjust time是，所有和你连接节点返回给你的UTC里的中位数。节点之间建立连接时会获取对方的UTC，本地会算出它和本地UTC之前的offset，并保存。所以，最终本地可以算出所有连接节点里的UTC中位数offset。这个中位数offset + local UTC就是network adjust time。不过这个offset不能超过70 min，也就是network adjust time的调整范围不能超过70 min。
这里取中位数而非平均值是为了避免极值带来的影响。不过Bitcoin的timestamp依然算不上精准，精度只有1~2小时。
2.4 Who can add a block?(Proof-of-Work)
Timestamp也只是保证block能按照时间先后顺序链接起来。还需要确定由哪个node(timestamp server)来添加这个block，否则所有node都同时添加block的blockchain会出问题。Node的选择由PoW算法来决定。
Bitcoin的PoW算法参考了，https://en.wikipedia.org/wiki/Hashcash
Hashcash的原理是：在邮件正文前加一个hashcash stamp的header。这个hashcash stamp需要满足一定的规则，比如前20bit必须是0。发送方为了能算出符合要求的stamp必须通过穷举法来暴力破解。所以只要发送方发送的邮件header前由这个stamp，就意味着发送方投入了CPU time去做这个事情，也就是stamp是Proof of Work。
因为垃圾邮件发送者的商业模式是以极低的成本发送一封邮件，只要增加每封垃圾邮件的发送成本，发送者就无利可图了。
上图就是Hashcash的header细节。Bits记录header的hash值中前导0的个数，这个例子是20，表示hash值的前20 bit必须是0；Date记录邮件发送时间；Resource记录接收者的邮箱；rand是随机数；counter是每进行一次hash运行+1，直到找到合规的hash值。
对每个接受者来说，邮箱是唯一的。所以发给不同接收这的垃圾邮件都要重新计算这个hash值。并且header中还用日期来指明邮件的发送时间。所以同样的邮件在不同时间发送给同一个接收者也需要重新计算hash值。这就提高了每封垃圾邮件的发送成本。
在发送邮件之前，发送者先根据header内容计算出hash值。如果hash的前20 bit都是0，那么这个hash值就是合规的(换句话说header的内容也是合规的)。如果不是，那么counter +1之后继续运算hash，如此往复直到找到合规的hash(header)。
如果bits是20，采用的是160bit的SHA1算法，那么total的hash值有2160个，符合要求的hash值由2140个。所以找到符合要求的hash的概率是1/220，大约计算一百万次可以找到合规的hash和header。对现在的PC来说，一百万次hash运算大约需要花费1秒钟。普通用户可以接受这个时间，但对于需要发送大量垃圾邮件者来说，这个成本就提高了。
Bitcoin的PoW类似于Hashcash，但还是由区别。Hashcash中通过rnd和counter来猜hash值，Bitcoin中只用一个nonce。如果hash没有猜中，nonce +1后进行下一轮hash运算。合规的hash值由网络中所有node共享的target来指定。这个target是一个前导为指定个数0的hash值中的最大值。比如要求前导两个0，target就是0x00FFFFxxxx，要求前导6个0，target就是0x000000FFFFxxxx。由于硬件的发展等原因，整个网络的算力是动态调整的。所以Bitcoin为了控制网络中block的添加速度，需要动态调整target，也就是调整target前导0的个数。通过控制0的个数，hash计算难度就会成指数倍的变化。比如Bitcoin初始化时，要求前hash的前32bit为0。到了2017年8月，已经变成前72bit为0。
由于只有猜中了hash值后，nonce才不会变，否则nonce会一直累加，所以nonce也等于CPU的工作量证明。
并且这个nonce值会添加到block中。假如有恶意者想修改block中的内容，他必须重新计算这个hash值，而因为每个block都把之前的block hash include进来，所以想修改一个历史block，除了重新计算这个block本身，还需要计算这个block之后的所有block的hash。
2.5 Network
Bitcoin的运行过程如下：
- 向网络中所有node广播一个新的transactions。
- 每个node把收到的transactions打包到block中。
- 每个node进行PoW运算来找到合规的hash值。
- 找到hash值的node将block广播到所有node。
- 接受到block的node开始验证transaction的合法性。
- Node把这个block记到账本中，然后基于这个block的hash计算下个hash值。
2.5.1 Chain split
Chain还需要解决分叉的问题。
所有node都把最长的chain作为是正确的chain，并把产生的block加到这条chain上。但有可能在同一时间点，两个node都各自算出了一个block，然后它们被同时广播到Bitcoin网络中。这样一部分节点可能会收到这个block，另一部分会收到另外一个block。在这何种情况下，node就把先收到的block添加到chain上，并且也会暂时把另外一个block保存起来。如果最后，基于另一个block的chain变得更长了，那么node会切换到更长的那条chain上。
2.5.2 Transaction or block dropped
新的transaction也并不需要保证必须到达所有node。因为有可能在它到达其它node之前，它就已经被添加到block中了。同样，Block也可以drop。如果一个node没有收到一个block，那当它收到next block时很容易发现node缺少一个pre hash。此时，它会向网络请求这个丢失的block。
2.6 Incentive
为了鼓励node以honest的方式运行，Bitcoin设置了奖励规则。Block中的第一个transaction必须是 coinbase transaction或者叫generation transaction。它用来保存添加block成功的奖励，或者block中其他transaction支付的transaction fee，它由创建block的node自己创建。一个block可以包含一个或多个transactions，但第一个transaction必须是coinbase transaction。
Transaction中coin的流向如下图所示。transaction的支出来源于之前transaction的收入，所以每个transaction的output作为下一笔transaction的input。
一个transaction中可以创建多个output给不同的地址。为了避免double-spending的问题，每个output只能做一次input。
如果input的小于output，这是一个无效的transaction。但是input可以大于output，多余的作为transaction fee给添加block成功的那个node。上图中的transaction fee就是10K。
Node从Coin base中获取的coin有锁定期，必须等到添加100 block之后才能使用。这样做是为了解决blockchain fork问题。因为这个block在将来可能会因为分叉问题而被丢弃，如果block丢弃，coinbase的coin应当是无效的。
2.7 disk space
随着Block的不断添加，blockchain的size会不断增长，Bitcoin通过merkle tree来减轻磁盘存储空间的压力。
交易以hash值的方式保存在merkle tree中，Block Header中只存放一个root hash。删减历史交易信息并不会改变root hash。如图删除了tx0~2的交易。默克尔树的原理可以参考其他资料。
2.8 简便验证
根据默克尔树的特性，Bitcoin可以实现简便验证(这是比特钱包的基础)。一个节点可以删除交易信息，所以它没有办法自己做验证，它做验证需要连接到full node上(保存历史信息)。具体不展开分析了。