這是一篇從程序員視角看區塊鏈的文章，將區塊鏈落地為程序員能夠理解的概念，比如圖靈狀態機，而狀態機是一種狀態模式，是事件驅動建模的核心。本文適合區塊鏈入門閱讀：

不對稱密碼已經存在了很長一段時間，密鑰有公鑰和私鑰之分。我們使用公鑰進行加密并使用私鑰解密。或相反亦然。你無法從一個密鑰中獲得另外一個密鑰。因此，如果使用不對稱加密技術，我可以向某人發送一條信息，比如“我轉賬100美元”，并且每個人都會知道它是由我發送的，并且沒有任何改動。

假設有十個人都同意每個人擁有一百萬單位的新貨幣。他們每個人都可以確保（并且每個人都可以確信）是有某人發送了三十萬個單位。但是X是否真的擁有這些三十萬個單位貨幣卻還不得而知。為了找到答案，我們可以了解每個人的余額情況。為此，我們只需將所有收入交易加起來并扣除所有費用進行計算。由此，我們就需要有關收入和支出的信息，這就是公共賬本。它可以讓我們識別某個人是否真的可以發出30萬個單位的貨幣。

比特幣：開始

還有一個問題 - 如果我把我所有的錢同時寄給兩個人怎么辦？這被稱為雙重支出。如果讓這兩個人彼此溝通以找出誰最終獲得付款是不方便的；查看時間戳以確定我首先將資金發送誰了？這種辦法非fail-safe的。這里有一個解決方案 - 我們需要流線化交易，在這種流線化交易模式下，很明顯能看出第一筆付款已經發給了約翰，根本無法再將這筆付款發給第二個人，因為我沒有更多的錢了。

流線型交易主要是對交易進行排序，但是現在還不清楚怎么來決定交易的順序。在銀行和其他集中系統中，銀行自身代表了受托人，是單點風險點，也是單點信任點。該銀行可以出面澄清說，某某的錢先寄給了誰。但是在區塊鏈中，沒有單個受托人。它可能是網絡的大部分參與者（當然，這意味著整個網絡，因為你不能相信每一個參與者，因為其中肯定有一些騙子）。這里的假設前提是網絡不受任何一個人的控制，并且大多數參與者嚴格按照利于自己的經濟利益行事（自利）。

但是流線型交易的一致性問題仍然沒有徹底解決 - 這就要求我們在網絡參與者中實現一種稱之為“共識”的機制。這個問題是由一個共識算法處理的，這是每個區塊鏈中的一個關鍵算法。

在我們討論一個特定的共識算法之前，先說說區塊鏈的塊。塊是一種技術措施，是批量處理（稱為批處理）的一個實例，因此許多交易能在一個“批量”內計算以達成共識，并且網絡的間接費用可以跨多個交易中“分攤”。塊內交易的順序是由網絡參與者（即生成該塊的人員（也稱為“礦工”））定義的。但塊之間的順序由共識算法確定。共識算法存在相當長的一段時間。例如包括多主NoSQL系統中的Paxos和Raft等算法。但這些算法并不適合擁有一百萬對參與者的網絡。

比特幣在它出現的時候代表了相當革命性的東西 - 一種工作證明（PoW）共識的算法。許多網絡參與者（礦工）會同時生成很多新塊。因此有必要決定這些塊中的哪一個塊能夠被真正用作區塊鏈的下一塊。

為了使自己產生的塊成為區塊鏈中真正的下一個塊，礦工必須執行特別挑選且非常耗時的哈希計算。當一個哈希數值計算到一個大數字，且必須符合某些條件，比如必須前面包含10個零。這就會需要數十億次哈希計算，這個計算量就代表礦工能“證明”其塊的確實存在的證據。同時，檢查這項工作是否正確完成是非常容易的 - 您只需要一次哈希操作。必須了解到的是：平均而言，整個網絡（其中包括成千上萬的礦工！）在10分鐘內就可以生成一個區塊（比特幣生成區塊的平均間隔）！ 。這大大降低了曠工之間碰撞的可能性，即就不可能同時有兩個礦工提供兩個或更多的塊作為下一個塊。

但是，發生碰撞的可能性還是可能存在的。因此，存在這樣規則 - 網絡參與者接受形成最長鏈的塊（當有兩個塊同時生成時，選擇其中一個更長的鏈的塊）。

事實上，它不是一個鏈，而是一個有許多分支和有向無環圖（DAG）的鏈，而鏈通常被稱為“共同歷史”（它是最長的鏈）。既然共識不能立即達成，你就必須等待一段時間直到出現幾個塊之后。為了防止比特幣的雙重支出，人們通常會等待六個塊（在比特幣里需要花費一個小時）。

除了事務之外，塊還包括前一個塊的哈希。因此，過去歷史就不可能被修改，因為這會使隨后的所有哈希無效。同時，連接到同一個塊，您會獲得挖礦獎勵，這會給您帶來新的收益！否則，就無法將新資金引入這個系統中 - 資金將不得不發放給某人，這會使這個人變得特殊，這與分權的想法會形成矛盾。為挖礦發錢似乎是一種合乎邏輯和可接受的解決方案。

順便說一句，關于挖礦。你需要明白，礦工的主要工作是猛烈地哈希計算出新塊; 這里沒有非對稱加密技術，因為這里僅僅需要在交易加入塊之前檢查交易。比特幣使用SHA-256哈希; 在以太坊中，它是采取Keccak-256。如果你是單獨開采，那么在你生成一個區塊之前，需要準備好長時間（每十分鐘產生一個區塊，你的競爭者數量達到數百成千上萬的！）。如果礦工聚集在一起。在一個池中，參與者之間的獎勵是以各種方式分配的（有不同的方法），這意味著您可以更經常地獲得獎金（盡管數量比較少）。在這種情況下，風險和收益都是成正比的。

到目前為止，我們主要處理的是網絡參與者之間的數據交換，而沒有深入細節。牢記數據通過網絡對等進行交換是非常重要的。

這就是比特幣區塊鏈技術。

智能合約和ICO

在比特幣的每個賬戶上執行兩個操作（加法和減法），并且可以由任何人檢查，當然主要由礦工檢查。但是如果我們將一個內部變量添加到帳戶（存儲），它是用來進行操作比較的，假設我積累了1000萬美元時，我想讓我的帳戶停止接受資金 - 這意味著代碼實現上不僅要將資金能夠增加到我的帳戶中，還要為這種增加再添加一定的條件。通過開發這個角度看過去，我們看到的是一個圖靈機，一種確定性的類型（每個人仍然可以檢查我的賬戶）。因此，我們有了一個智能合約。在下文中，智能合約指的是以太坊網絡中的智能合約，因為它是目前最受歡迎的合約。

確定性意味著，在有相同的交易參數和存儲的初始狀態相同的情況下，我們最終會得到相同的結果，以及存儲中同樣的更改動作（banq注：操作事件）。只有在這些條件下，網絡才能就每筆交易達成一致。

這里必須明白，由于要求確定性，可驗證性和分散性，智能合約與外部世界相當孤立。例如，它不能觸發分散式Web API（有解決方案，即所謂的“oracles”，但這些都很復雜，需要分別處理）。

另外，合同對外界的控制也非常有限。例如，要了解智能合同執行結果（新余額或存儲的更改動作），網絡節點必須執行該合同規定的操作。在多個節點上進行計算不是沒有成本的。因此，以太坊引入了gas 的概念，以避免加密貨幣硬編碼進行計算帶來的成本，并允許用戶計算計算次數并設置其價格。這種結構提供了一個額外的間接層，它允許用戶在低成本交易和快速交易之間進行選擇。

當資金被發送到合約賬戶（通過簡單地使用地址）時，它觸發回調函數，這是默認設置。與前面比特幣的帳戶類型不同，智能合約的合約中有多個輸入點 - 這些是可以接受參數的方法。要修改合約（無論輸入點是什么），您必須將交易發送到網絡才能進行更改。但是，如果您只想以只讀模式查看某些內容，則可以通過使用實時更新的區塊鏈在本地執行此操作。另外與賬戶不同的是，智能合約沒有私鑰。您不能直接從余額中提取資金 - 這可以通過使用明確定義的方法來完成，當然這些方法應該有安全限制，例如檢查試圖訪問資金的用戶的地址。

最后，我們在比特幣風格的區塊鏈上獲得了智能合約技術。

許多加密貨幣或所謂的“代幣tokens”都基于以太坊智能合約。是的，通常這種加密貨幣只是以太坊中的一個合同（一個！）。余額通常是智能合約存儲中的map數據類型的一個數據條目，并且從一個參與者轉移貨幣到另一個參與者如下：

map［Alice］ –= payment;

map［Bob］ += payment;

他們不需要自己的曠工和網絡 - 他們可以使用以太坊的基礎設施。在以太坊，ICO / ITO實際就是加密貨幣（tokens）的以太網交換（以太坊網絡的加密貨幣）。

未來發展

除了智能合約之外，基于區塊鏈的基本概念之上還有很多其他想法，比如“零知識證明”和“自律網絡”。

零知識證明是基于密碼協議的同名家族，實質上，它被設計為證明對象的所有權但不完全暴露它。例如，如果我能夠回答關于某文件的各種隨機位置中有關字節的十個問題，我就可以證明我擁有一個特定的1 GB文件。顯然，在這種情況下，我只需公開1 GB中的10個字節即可。

這意味著可以讓任何人檢查我的帳戶余額是否正確，同時卻沒有必要透露我的帳戶上有多少錢！通過構建這個想法，我們可以創建一個包含余額和支付隱私信息的加密貨幣（實際上，它已經存在了;參見Zcash），并且完全隱藏了智能合約中計算參數。

區塊鏈有寫入網絡客戶端程序代碼的網絡通用設置，例如包含在該區塊中的交易數量。通常，更改它們需要網絡上所有參與者接受這些更改（以代碼更新的形式出現），這會帶來網絡分支的威脅（當一些參與者決定不接受更改并繼續與“舊”碼）。Self-regulation試圖解決這些問題（例如，參見Tezos或EOS區塊鏈）。這種想法的本質是，對于每一次變更，您都可以用自己的資金進行投票（當然不會失去這些資金）。