王嘉平：源码解析区块链的工作原理

从零开始搭建一个类似以太坊数字货币的最小化区块链系统。

原文标题：《源代码:一个最小化的区块链系统》撰文：王嘉平，中科院计算所博士，曾带领团队在NSDI2019发表高性能并行分片区块链系统的论文

近期有个国内著名技术协会的约稿，正好向技术圈分享一下我对区块链系统的拙见。我发现一件有趣的事情，即使是有计算机背景，懂编程的同学，都也不怎么清楚区块链到底是怎么回事。今天这里，我打算用计算机语言和大家沟通，争取可以至少让计算机背景的同学，彻底弄明白区块链是咋回事，是怎么工作的。

不过在开始之前，需要明确的一件事情是，同之前的计算机技术不同，区块链技术核心关乎的是一个计算系统的自动化监管和治理，而不是为了让计算更高效或更大规模地发生。需要明确这个期望，才方便我们去理解，为什么区块链是这样设计的，这样工作的。

我们将以最简化的加密数字货币为例介绍区块链的精确工作原理，为了便于理解将省略手续费，大部分优化，互操作性等层面的东西。这里会用到强类型的伪代码，来精确定义其数据结构和执行逻辑。这里我们将从零开始实现一个类似以太坊数字货币那样的区块链系统，为了便于理解，我们将采用以太坊所采用的账户-状态模型来表示账簿，而不是比特币的那种UTXO。

我们先从一系列基础实体和原语的定义开始:

基础数据类型

classString;//基础字符串数据结构classBlob;//基础二进制数据，用来表示对象序列化之后的线性二进制数据classCriticalSection;//临界区，多线程互斥对象classBigInt;//区块链中很多地方的数值采用大整数来表示，例如余额，挖矿难度等。//例如用一个32字节的无符号大整数，表示0到2^256-1的整数。

数字签名原语

标准的非对称加密系统里面的函数，公私钥对可以在不联网的情况下，任意生成，并且全球唯一。通常为32到64字节的无结构二进制数据。其中公钥会公开，在区块链系统中用来表明特定身份，供他人验证其对特定账户的控制权。而私钥则用来通过数字签名来证明其对账户的控制。

VerifySignature原语，用来对于给定数据和签名，验证是不是对应的签名者签署的。

typedefBYTEPublicKey;//公钥数据typedefBYTEPrivateKey;//私钥数据typedefBYTESignature;//数字签名数据voidSign(Blobdata,PrivateKeysk,Signaturesigdata);//数字签名boolVerifySignature(Blobdata,PublicKeypk,Signaturesigdata);//检查数字签名是否正确

上市公司Ether Capital2022年收入为370万美元:金色财经报道，加拿大上市公司Ether Capital Corporation（NEO：ETHC）公布其截至2022年12月31日止年度的经审计综合财务业绩报告。公司的收入从2021年的150万美元增加到2022年的370万美元，增长了149%，这主要是由于Staked Ether奖励的大幅增加。此外，公司从关联方Purpose Investments获得咨询费收入，该关联方与Purpose Investment的加密ETF（“加密资产管理规模”）管理的资产相关联。2022年12月31日资产负债表上的现金为44万美元，而2021年12月31日为340万美元。但是，增加的245万美元投资于现金等价物、有价证券。如上所述，在2022年期间，公司数字资产的估值发生了重大变化。数字资产价值减少1

//转账函数voidTransfer(Addresssigner,Addressfrom,Addressto,BigIntamount){if(signer!=from)return;if(amount>0&&_GetBalance(from)>=amount){_Ledger-=amount;amount=_GetBalance(to);_Ledger=amount;}}//挖矿奖励函数voidCoinBase(intheight,Addressminer){BigIntreward=5000000000;//这里简化为，每次奖励50个币if(reward>0){reward=_GetBalance(miner);_Ledger=reward;}}};

Holium Corporation宣布收购Urbit托管平台Third Earth:金色财经报道，Realm开发商Holium Corporation宣布收购Urbit托管平台Third Earth。在筹集了290万美元的种子资金后，Holium部署了资源来构建集成应用程序，如加密钱包、视频会议平台和协作文档创建。到目前为止，Holium团队已经推出了10个Urbit应用程序，不久还将推出更多应用程序，包括手机群组信使。[2023/2/21 12:18:41]

交易(Transaction)

一个交易表示对特定相关账户一次状态修改请求。交易中不携带任何逻辑代码，仅仅是指定这个交易将调用智能合约里面的哪个公开函数及其调用参数。当然在我们这个极度简化的系统中，只有一种交易，即前面的转账(Transfer)。交易的发起方必须为扣款方(from)，并且整个交易携带对交易内容的数字签名，以确信该交易由扣款方发起。基于我们这里的例子，一个交易至少含有以下结构:

structTransaction{StringInvokeFunctionName;//在我们这里始终为「Transfer」BlobInvokeArguments;//序列化之后的调用参数PublicKeySigner;//发起者的公钥，注意这里不是地址SignatureSignData;//由发起者的私钥对交易的签名};

区块(Block)

一个区块表示区块链接力执行中的一步，里面主要包含这一步中确认的一批交易，以及共识机制验证数据和块头元数据。一个最简化的定义可以是这样:

structBlock{intTimestamp;//出块时间HashValuePrevBlock;//上一个块的哈希值AddressMiner;//矿工地址intTxnCount;//这个块中包含的交易个数TransactionTxns;//完整的交易列表BigIntPowTarget;//工作量证明的目标(共识验证数据)intPowNonce;//工作量证明的Nonce值(共识验证数据。;

这里我们给出了最简化的工作量证明(Proof-of-Work)的验证数据结构，如果采用其他共识算法，这个部分会有变化。从这个结构可以看出，区块链之所以称为链，就是因为区块结构中包含一个指向上一个区块的「指针」，PrevBlock。任何一个被确认的区块，同时也意味着承认其全部的前驱区块，以及这些区块所携带的全部交易。一个区块被确认有三个条件:

Crypto

;

其中Collect原语用于挖矿时合成新的区块，从mempool中挑出一系列交易来填充Txns数组，最多挑TxnMaxCount个，并返回实际填充的个数。

区块归档数据库原语

借贷协议MahaLend已上线Goerli测试网:12月16日消息，MahaDAO近日宣布，旗下第三个产品MahaLend已上线Goerli测试网。据悉，MahaLend是与Aave类似的借贷协议，允许用户抵押资产借入ARTH。[2022/12/16 21:48:29]

区块链系统中的区块以及交易，在被确认之后，将从内存中移除，并写入归档数据库中。这个部分很容易用一个Key-valuestorage系统来实现，当然用SQL数据可也是可以的，就是效率低一些。

interfaceArchiveDatabase{voidArchive(Transactiontxns);voidArchive(Blockblk);voidHas(Transactiontxn);voidHas(Blockblk);}

有了这些定义之后，我们可以给出一个不考虑分叉情况下最简单的基于工作量证明的区块链系统的伪代码:

staticconstintTARGET_ADJUST_INTERVAL=256;//每隔256个块调整一次算力难度staticconstintBLOCK_CREATION_INTERVAL=600*1000;//每十分钟出一个块staticconstintTRANSCATION_PERBLOCK_MAX=1024;//每块最多包含1024个交易BroadcastNetwork*g_pNet=BroadcastNetwork::Create(...);Mempool*g_pMempool=Mempool::Create(...);ArchiveDatabase*g_pArchiDB=ArchiveDatabase::Create(...);MyCoing_MyLedger;//账簿//当前区块链的头Blockg_BlockHead=Block::GenesisBlock(6);//初始化为创始区块HashValueg_BlockHeadHash=SHA256(g_BlockHead);intg_BlockNextHeight=1;CriticalSectiong_BlockHeadCS;//下一个块的共识相关信息(工作量证明)PowTargetg_NextPowTarget=Block::InitialPowTarget();//初始挖矿难度intg_LastTargetAdjustedTime;//收到来自网络广播的交易g_pNet->OnRecvTransaction=(Transactiontxn){if(g_pMempool->Has(txn)||g_pArchiDB->Has(txn))return;//忽略已经存在的交易if(!VerifySignature(txn

;//收到来自网络广播的区块g_pNet->OnRecvBlock=(Blockblk){if(blk

//至此这个区块被确认g_pNet->Broadcast(txn);//确认之后，尽快接力这个区块的广播g_MyLedger

g_LastTargetAdjustedTime=blk

//更新区块链头在最新的这个块g_BlockHeadHash=h;g_BlockHead=blk;g_BlockNextHeight;}g_BlockHeadCS

;

拉丁美洲电子商务巨头Mercado Libre在巴西推出加密货币:金色财经报道，拉丁美洲市值最大的电子商务公司Mercado Libre(MELI)宣布开始在巴西推出自己的加密货币Mercado Coin，Mercado Coin可用于在Mercado Libre上进行购买，并将其作为返现奖励。Mercado Libre预计，该加密货币将在8月底之前向其在巴西的8000万用户提供，并表示计划“很快”将其引入其他国家，但未提供更多细节。Mercado Coin基于以太坊区块链的ERC-20代币标准开发，在第一阶段用户将无法将其转移到外部钱包。（CoinDesk）[2022/8/19 12:35:24]

这里涉及到一个上面没有定义的算法，PowTargetAdjustment是用来根据近期出块速度来调整出块算力难度要求，从而使得出块的平均间隔的期望可以大体稳定在一个预先设定的值(BLOCK_CREATION_INTERVAL)。这是一个和工作量证明共识算法有关的算法，并不是所有区块链系统都有。这个算法的一个最简化定义如下:

算力难度调整

BigIntPowTargetAdjustment(BigIntcur_target,intnth_block_interval){returncur_target*nth_block_interval/(BLOCK_CREATION_INTERVAL*TARGET_ADJUST_INTERVAL);}

到这里一个不出块的区块链节点，即全节点就可以工作了。全节点是区块链网络中的大多数节点，是区块链底层P2P网络得以稳定鲁棒运行的保障，同时也实现了区块数据和交易数据的高度冗余的全网存储。虽然不出块，全节点不同于互联网架构的客户端。一个全节点不需要信赖其他节点，更不存在一个服务器。全节点能够独立自主地验证区块链完整的历史演进过程，进而重构其上的状态(例如一个账户的余额)，而不是去向一个需要信赖的服务器查询。

当然，区块链网络计算接力过程是由出块节点完成了，也就是所谓的矿工节点。这些少数节点，和大量的全节点混在一起，大部分节点收到最新的区块是来自于其他全节点的接力广播，而不是直接来自于一个出块节点。当然，作为接受方，也无从判断发送方是中继的全节点，还是刚刚出块的矿工节点。这也有效地保护了真正出块节点的安全性，避免暴露矿工节点的物理IP地址。

一个出块节点，首先是一个全节点，除了上面定义的这些行为之外，还需要一个额外的过程，运行在一个或者多个线程上。我们定义最简化的出块过程如下:

voidMining(){while(g_KeepMining){//构造新的块，这个部分需要和区块链头更新代码互斥g_BlockHeadCS.Lock();{intnext_height=g_BlockNextHeight;Blocknew_block;new_block.Timestamp=os::GetCurrentTime();new_block.PrevBlock=g_BlockHeadHash;//指向最新的块new_block.Miner=g_MyAddress;new_block.TxnCount=g_pMempool->Collect(new_block.Txns);new_block.PowTarget=g_NextPowTarget;new_block.PowNonce=os::Random<Int64>();//随机初始值}g_BlockHeadCS.Unlock();//开始挖矿while(next_height==g_BlockNextHeight){if(((BigInt64&)SHA256(new_block))<new_block.PowTarget){//挖矿成功g_pNet->Broadcast(new_block);//立即广播出去g_pNet->OnRecvBlock(new_block);//更新本节点的区块链头break;//开始去挖下一个块}new_block.PowNonce;//尝试下一个Nonce}//大多数情况下，其他节点出了新的块，并更新了区块高度//则挖矿被打断，去挖更新之后的下一个块}}

来源链接：zhuanlan.zhihu.com

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以太坊

以太坊

开放的分布式区块链应用平台，通过其专属加密货币Ether以太币提供去中心化的虚拟机，处理点对点合约。允许任何人建立和使用通过区块链技术运行的去中心化应用，没有任何欺诈、审查、第三方监管。以太坊的概念首次在2013至2014年由维塔利克·布特林VitalikButerin受比特币启发后提出，旨在共同构建一个更全球化、更自由、更可靠的互联网。以太坊EthereumETH以太坊区块链以太坊发展企业以太坊联盟以太坊入门新手ERC20ERC-20ERC20ERC721ERC-721以太坊2.0以太坊2.0以太坊社区基金查看更多

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