近期有个国内知名技术协会的约稿，正好向技术圈共享一下我对区块链系统的拙见。我找到一件有意思的事情，即使是有计算机背景，不懂编程的同学，都也不怎么确切区块链究竟是怎么回事。今天这里，我想用计算机语言和大家交流，谋求可以最少让计算机背景的同学，完全摸明白区块链是咋回事，是怎么工作的。
不过在开始之前，必须具体的一件事情是，同之前的计算机技术有所不同，区块链技术核心牵涉到的是一个计算出来系统的自动化监管和管理，而不是为了让计算出来更加高效或更加大规模地再次发生。必须具体这个希望，才便利我们去解读，为什么区块链是这样设计的，这样工作的。伪代码参杂了C++和Javascript的语法，一点内乱，青睐大家来改良 (逃亡 ...================= 预警分割线 ==============好吧，这里开始，前方高能。我们将以最修改的加密数字货币为事例讲解区块链的准确工作原理，为了便于解读将省略手续费，大部分优化，互操作性等层面的东西。
这里不会中用强劲类型的伪代码，来准确定义其数据结构和继续执行逻辑。这里我们将从零开始构建一个类似于以太坊数字货币那样的区块链系统，为了便于解读，我们将使用以太坊所使用的账户-状态模型来回应账簿，而不是比特币的那种UTXO。我们再行从一系列基础实体和原语的定义开始:基础数据类型class String; // 基础字符串数据结构class Blob;// 基础二进制数据，用来回应对象序列化之后的线性二进制数据class CriticalSection; // 临界区，多线程物理地址对象class BigInt; // 区块链中很多地方的数值使用大整数来回应，例如余额，挖矿可玩性等。
// 例如用一个32字节的无符号大整数，回应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，给定分解，并且全球唯一。
一般来说为32到64字节的无结构二进制数据。其中公钥不会公开发表，在区块链系统中用来指出特定身份，可供他人检验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掌控。VerifySignature原语，用来对于等价数据和亲笔签名，检验是不是对应的签名者签订的。
typedefBYTE PublicKey[32]; //公钥数据typedefBYTE PrivateKey[64];//私钥数据typedefBYTE Signature[64]; //数字签名数据voidSign(Blob data, PrivateKey sk, Signature sigdata); //数字签名boolVerifySignature(Blob data, PublicKey pk, Signature sigdata); //检查数字签名否准确账户地址在我们这里的例子中，所有哈希函数都使用SHA256，其将产生一个32字节的哈希值。地址是账户的标识符，是一个32字节的无结构二进制数据，由公钥的哈希值 SHA256(PublicKey) 获得。那么也就是说每个公钥，对应一个唯一的地址，对应一个唯一的账户。
typedefBYTE HashValue[32]; //SHA256的哈希值typedefHashValue Address; //账户地址HashValueSHA256(Blob data); // SHA256 哈希函数智能合约 (Smart Contract)这个类似于一个 C++的类，定义了一些状态，以及改动这些状态的函数。一个区块链系统中，可以有多个智能合约同时不存在，但是每个仅有不会有一个实例。这里我们就数字货币得出一个极为修改的智能合约的例子：class MyCoin{// internal statehash_mapAddress, BigInt _Ledger;// internal functionBigInt _GetBalance(Address addr){if(_Ledger.has(addr))return _Ledger[addr];else return 0;}// 账户函数void Transfer(Address signer, Address from, Address to, BigInt amount){if(signer != from)return;if(amount0_GetBalance(from) = amount){_Ledger[from] -= amount;amount += _GetBalance(to);_Ledger[to] = amount;}}// 挖矿奖励函数void CoinBase(int height, Address miner){BigInt reward = 5000000000; // 这里修改为，每次奖励50个币if(reward0){reward += _GetBalance(miner);_Ledger[miner] = reward;}}};交易 (Transaction)一个交易回应对特定涉及账户一次状态改动催促。
交易中不装载任何逻辑代码，意味着是登录这个交易将调用智能合约里面的哪个公开发表函数及其调用参数。当然在我们这个极为修改的系统中，只有一种交易，即前面的账户(Transfer)。
交易的发起方必需为扣款方(from)，并且整个交易装载对交易内容的数字签名，以相信该交易由扣款方发动。基于我们这里的例子，一个交易最少所含以下结构:struct Transaction{StringInvokeFunctionName;// 在我们这里 一直为 "Transfer"BlobInvokeArguments; // 序列化之后的调用参数PublicKeySigner; // 发起者的公钥，留意这里不是地址SignatureSignData; // 由发起者的私钥对交易的亲笔签名};区块 (Block)一个区块回应区块链接力赛继续执行中的一步，里面主要包括这一步中证实的一批交易，以及共识机制检验数据和块头元数据。
一个最修改的定义可以是这样:struct Block{intTimestamp; // 出块时间HashValuePrevBlock; // 上一个块的哈希值AddressMiner; // 矿工地址intTxnCount; // 这个块中包括的交易个数Transaction Txns[TxnCount]; // 原始的交易列表BigIntPowTarget; // 工作量证明的目标 (共识检验数据)intPowNonce; // 工作量证明的Nonce值 (共识检验数据)};这里我们得出了最修改的工作量证明(Proof-of-Work)的检验数据结构，如果使用其他共识算法，这个部分不会有变化。从这个结构可以显现出，区块链之所以称作链，就是因为区块结构中包括一个指向上一个区块的"指针"，网卓新闻网，PrevBlock。
任何一个被证实的区块，同时也意味著否认其全部的前驱区块，以及这些区块所装载的全部交易。一个区块被证实有三个条件:1. 这个区块的共识检验要符合其特定共识算法的拒绝。在工作量证明算法中，PowTarget必需大于当前挖矿可玩性的拒绝，同时 ((BigInt)SHA256(Block))Block::PowTarget。2. 这个块所包括的交易必需没被之前的区块包括过，并且每个交易必需需要确保其数字签名需要被其Signer的公钥准确检验。
至于交易所继续执行的逻辑否准确，否错误则无关紧要。3. 在所有末端块中，即具备完全相同PrevBlock的块，只有优先的块会被证实。
这一点有所不同的共识算法有有所不同的情况。P2P通讯原语区块链的网络层仅有中用了P2P网络技术中非常简单的部分，用基于TCP长相连的Gossip协议构建一个数据块的全网广播(Flooding)。我们这里将其抽象化下面的通讯原语:interface BroadcastNetwork{templatetypename Tvoid Broadcast(const T object); // 将对象序列化并广播过来functionOnRecvBlock; // 接管到一个区块的消息传递函数functionOnRecvTransaction; // 接管到一个交易的消息传递函数};内存池(Mempool)原语内存池在区块链系统中用来记录仍未被证实的交易，很更容易用比如哈希表来构建。
interface Mempool{boolHas(Transaction txn);voidInsert(Transaction new_txn);voidRemove(Transaction txns[count]);intCollect(Transaction txns[max_count]);};其中Collect原语用作挖矿时制备新的区块，从mempool中挑一系列交易来填满Txns数组，最少滚TxnMaxCount个，并回到实际填满的个数。区块文档数据库原语区块链系统中的区块以及交易，在被证实之后，将从内存中去除，并载入文档数据库中。
这个部分很更容易用一个Key-value storage系统来构建，当然用SQL数据可也是可以的，就是效率较低一些。interface ArchiveDatabase{voidArchive(Transactiontxns[count]);voidArchive(Block blk);voidHas(Transaction txn);voidHas(Block blk);}有了这些定义之后，我们可以得出一个不考虑到末端情况下最简单的基于工作量证明的区块链系统的伪代码:static const int TARGET_ADJUST_INTERVAL = 256; // 间隔256个块调整一次算力可玩性static const int BLOCK_CREATION_INTERVAL = 600*1000; //每十分钟出有一个块static const int TRANSCATION_PERBLOCK_MAX = 1024; // 每块最多包括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); // 初始化为创立区块HashValueg_BlockHeadHash = SHA256(g_BlockHead);intg_BlockNextHeight = 1;CriticalSection g_BlockHeadCS;// 下一个块的共识涉及信息 (工作量证明)PowTargetg_NextPowTarget = Block::InitialPowTarget(); // 初始挖矿可玩性intg_LastTargetAdjustedTime;// 接到来自网络广播的交易g_pNet- OnRecvTransaction = [](Transaction txn) {if(g_pMempool-Has(txn) || g_pArchiDB-Has(txn))return; // 忽视早已不存在的交易if(!VerifySignature(txn.InvokeFunctionName + txn.InvokeArguments +txn.Signer,txn.Signer,txn.Signature))return;// 检验亲笔签名否准确g_pNet-Broadcast(txn); // 基本检验合法之后，接力赛这个交易的广播g_pMempool-Insert(txn);};// 接到来自网络广播的区块g_pNet- OnRecvBlock = [](Block blk) {if(blk.PrevBlock != g_BlockHeadHash)return; // 忽视乱序抵达的块，忽视末端块if(blk.PowTargetg_NextPowTarget)return; // 忽视不符合当前算力拒绝的块if(blk.TxnCountTRANSCATION_PERBLOCK_MAX)return; // 忽视过分大的块HashValue h = SHA256(blk);if( ((BigInt)h) = blk.PowTarget )return; // 忽视并未超过当前标称算力拒绝的块// 校验全部块中的交易for(Int32 i=0; iblk.TxnsCount; i++){auto txn = blk.Txns[i];if( g_pArchiDB-Has(txn) || // 包括之前早已被证实过的交易!VerifySignature(txn.InvokeFunctionName + txn.InvokeArguments +txn.Signer,txn.Signer,txn.Signature ) // 包括验签告终的交易)return;}// 自此这个区块被证实g_pNet-Broadcast(txn); // 证实之后，尽早接力赛这个区块的广播g_MyLedger.CoinBase(g_BlockNextHeight, Miner); // 继续执行出块奖励for(auto txn : blk.Txns) // 继续执行每一条交易，然后文档{// 调用交易中登录的函数g_MyLedger[txn.InvokeFunctionName](txn.Signer, txn.InvokeArguments…);g_pArchiDB-Archive(txn);g_pMempool-Remove(txn); // 从内存池中移除，如果不存在的话}g_pArchiDB-Archive(g_BlockHead); // 文档上一个区块// 改版区块链头，这部分代码必须和挖矿过程中结构新的块的步骤物理地址g_BlockHeadCS.Lock();{if(g_BlockNextHeight%TARGET_ADJUST_INTERVAL == 1){// 展开算力调整，周期为 TARGET_ADJUST_INTERVAL 个区块if(g_BlockNextHeight1){g_NextPowTarget = PowTargetAdjustment(g_NextPowTarget,blk.Timestamp - g_LastTargetAdjustedTime);}g_LastTargetAdjustedTime = blk.Timestamp;}// 改版区块链头在近期的这个块g_BlockHeadHash = h;g_BlockHead = blk;g_BlockNextHeight++;}g_BlockHeadCS.Unlock();};这里牵涉到到一个上面没定义的算法，PowTargetAdjustment是用来根据近期出块速度来调整出块算力可玩性拒绝，从而使得出块的平均值间隔的希望可以大体平稳在一个预先原作的值(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。这个算法的一个最修改定义如下:算力可玩性调整BigInt PowTargetAdjustment(BigInt cur_target, int nth_block_interval){return cur_target*nth_block_interval/(BLOCK_CREATION_INTERVAL*TARGET_ADJUST_INTERVAL);}到这里一个不出有块的区块链节点，即全节点就可以工作了。
仅有节点是区块链网络中的大多数节点，是区块链底层P2P网络以求平稳鲁棒运营的确保，同时也构建了区块数据和交易数据的高度校验的全网存储。虽然不出有块，仅有节点不同于互联网架构的客户端。一个仅有节点不必须信赖其他节点，更加不不存在一个服务器。
仅有节点需要独立自主地检验区块链原始的历史演变过程，进而重构其上的状态 (例如一个账户的余额)，而不是下落一个必须信赖的服务器查找。当然，区块链网络计算出来接力赛过程是由出块节点已完成了，也就是所谓的矿工节点。
这些少数节点，和大量的全节点混合在一起，大部分节点接到近期的区块是来自于其他仅有节点的接力赛广播，而不是必要来自于一个出块节点。当然，作为接受方，也不得而知辨别发送到方是中继的全节点，还是刚出块的矿工节点。
这也有效地维护了确实出块节点的安全性，防止曝露矿工节点的物理IP地址。一个出块节点，首先是一个仅有节点，除了上面定义的这些不道德之外，还必须一个额外的过程，运营在一个或者多个线程上。我们定义最修改的出块过程如下:void Mining(){while(g_KeepMining){// 结构新的块，这个部分必须和区块链头改版代码物理地址g_BlockHeadCS.Lock();{int next_height = g_BlockNextHeight;Block new_block;new_block.Timestamp = os::GetCurrentTime();new_block.PrevBlock = g_BlockHeadHash; // 指向近期的块new_block.Miner = g_MyAddress;new_block.TxnCount = g_pMempool-Collect(new_block.Txns[TRANSCATION_PERBLOCK_MAX]);new_block.PowTarget = g_NextPowTarget;new_block.PowNonce = os::RandomInt64(); // 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 ){// 挖矿顺利g_pNet-Broadcast(new_block); // 立刻广播过来g_pNet-OnRecvBlock(new_block); // 改版本节点的区块链头break; // 开始去挖下一个块}new_block.。
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