參考
https://www.zhihu.com/question/37290469
http://www.itdecent.cn/p/5fea30b25f0a
總覽
區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個去中心化的分布式賬本數(shù)據(jù)庫（在與比特幣相關(guān)的區(qū)塊鏈應(yīng)用中可使用這一術(shù)語，但區(qū)塊鏈技術(shù)可能并不包含“賬本”）。其本身是一串使用密碼學(xué)相關(guān)聯(lián)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊，每一個數(shù)據(jù)塊中包含了多次比特幣網(wǎng)絡(luò)交易有效確認(rèn)的信息。
這是區(qū)塊鏈的定義，因此要逐步了解區(qū)塊鏈，我們需要一步步了解如下東西。
去中心化
先來考慮一個中心化集中式處理的過程。你要在某寶上買一部手機(jī)，交易流程是：你將錢打給支付寶－支付寶收款后通知賣家發(fā)貨－賣家發(fā)貨－你確認(rèn)收貨－支付寶把錢打給賣家。
在這個過程中，雖然你是在和賣家交易，但是這筆交易還牽扯到了除了你和賣家的第三方，即支付寶，你和賣家的交易都是圍繞支付寶展開。因此，如果支付寶系統(tǒng)出了問題便會造成這筆交易的失敗。并且雖然你只是簡單的買了一個手機(jī)，但是你和賣家都要向第三方提供多余的信息。因此考慮極端情況，如果支付寶跑路了或者是拿了錢不卻不承認(rèn)你的交易或者是支付寶所在的城市因為開G20把所有人都趕走了，那么你就悲劇了。
而去中心化的處理方式就要顯得簡單很多，你只需要和賣家交換錢和手機(jī)，然后雙方都聲稱完成了這筆交易，就OK了。
可以看出在某些特定情況下，去中心化的處理方式會更便捷，同時也無須擔(dān)心自己的與交易無關(guān)的信息泄漏。
其實如果只考慮兩個人的交易并不能把去中心化的好處完全展示出來，設(shè)想如果有成千上萬筆交易在進(jìn)行，去中心化的處理方式會節(jié)約很多資源，使得整個交易自主化、簡單化，并且排除了被中心化代理控制的風(fēng)險。
去中心化是區(qū)塊鏈技術(shù)的顛覆性特點，它無需中心化代理，實現(xiàn)了一種點對點的直接交互，使得高效率、大規(guī)模、無中心化代理的信息交互方式成為了現(xiàn)實。
當(dāng)然，上述的例子有一個很大的潛在問題：沒有了權(quán)威的中心化代理，怎樣保證每筆交易的準(zhǔn)確性和有效性呢？比如：如果沒有了權(quán)威的中心化代理，張三某一天借了我100塊錢，但是不還錢還不承認(rèn)怎么辦？這里就引出了區(qū)塊鏈的其它特性。
兩個基礎(chǔ)難題
在去中心化以后，整個系統(tǒng)中沒有了權(quán)威的中心化代理，信息的可信度和準(zhǔn)確性便會面臨問題。
問題1：類兩軍問題
第一次聽說這個問題居然是在TCP的課上，大致說的是有兩個相距很遠(yuǎn)的軍隊要傳遞信息，紅軍派遣一個信使去跟藍(lán)軍說：“你他娘的把意大利炮拿出來！”。藍(lán)軍收到信息后又派了一個信使去紅軍說：“收到指令！”。然后紅軍又派一個信使去藍(lán)軍說：“知道你收到指令了！”。然后藍(lán)軍又派一個信使去紅軍說：“知道你知道我收到指令了！”。然后紅軍又派一個信使去藍(lán)軍說：“知道你知道我知道你收到指令了！”……然后就沒完沒了了。
在這種情況下，因為是點對點的通信，雙方不可能在這種情況下達(dá)到信息的一致性。嚴(yán)謹(jǐn)一點，就是“在分布式計算上，試圖在異步系統(tǒng)和不可靠的通道上達(dá)到一致性是不可能的”。
問題2：拜占庭將軍問題
拜占庭羅馬帝國在軍事行動中，采取將軍投票的策略來決定是進(jìn)攻還是撤退，也就是說如果多數(shù)人決定進(jìn)攻，就上去干。但是軍隊中如果有奸細(xì)（比如將軍已經(jīng)反水故意亂投票，或者傳令官叛變擅自修改軍令），那怎么保證最后投票的結(jié)果真正反映了忠誠的將軍的意愿呢？
拜占庭將軍問題反映到信息交換領(lǐng)域中來，可以理解為在一個去中心的系統(tǒng)中，有一些節(jié)點是壞掉的，它們可能向外界廣播錯誤的信息或者不廣播信息，在這種情況下如何驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。
區(qū)塊鏈技術(shù)的誕生
現(xiàn)在讓我們來一步一步在去中心化的系統(tǒng)中解決這些問題，見證區(qū)塊鏈技術(shù)雛形的誕生。
1
我們先來建立一個去中心化的系統(tǒng)，為了方便理解，我們來看一個簡單的去中心化借貸模型：如果A借了B 100塊錢，這個時候，A在人群中大喊“我是A，我借給了B 100塊錢！”，B也在人群中大喊“我是B，A借給了我100塊錢！”，此時路人甲乙丙丁都聽到了這些消息，因此所有人都在心中默默記下了“A借給了B100塊錢”。你看，這個時候一個去中心化的系統(tǒng)就建立起來了，這個系統(tǒng)中不需要銀行，也不需要借貸協(xié)議和收據(jù)，嚴(yán)格來說，甚至不需要人與人長久的信任關(guān)系（比如B突然又改口說“我不欠A錢！”，這個時候人民群眾就會站出來說“不對，我的小本本上記錄了你某天借了A100塊錢！”）。
2
可能你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，在上述的模型中，所謂的“100塊錢”已經(jīng)不重要了。換句話說，任何東西都可以在這個模型中交換，甚至你可以憑空杜撰一個東西，只要大家承認(rèn)，你就可以讓你杜撰的東西流通。比如：我在人群中高喊一聲“我創(chuàng)造了10個查克拉！”，我甚至不需要知道查克拉是什么，也不需要關(guān)心世界上是不是真的有查克拉，只要大家都聽到，然后在自己的小本本上記下“LaiW3n有10個查克拉”，于是我就真的有100個查克拉了。從此以后，我便可以聲稱我給了某人1個查克拉，只要路人甲乙丙丁都收到并且承認(rèn)了這一信息，那我就算完成了這次交易，哪怕世界上沒有查克拉。
你現(xiàn)在腦海中是不是浮現(xiàn)出了三個字——“比特幣”？由于真正的區(qū)塊鏈和比特幣比我上述的模型復(fù)雜太多，細(xì)節(jié)也豐富太多，因此以下還是以查克拉舉例，畢竟本文是Blockchain for Babies。
3
假設(shè)過了很長一段時間，我憑空創(chuàng)造的查克拉已經(jīng)在這個系統(tǒng)中流通了起來，大家都開始認(rèn)可了查克拉。但是這個系統(tǒng)中一共就只有10個查克拉，于是有人動了壞心思，他在人群中高呼“我有10個查克拉！”怎么辦？大家是直接在本本上記下他有10個查克拉么，這樣不是人人都可以偽造查克拉了么？
為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，我決定在我創(chuàng)造查克拉的時候給我的查克拉打上標(biāo)記（更準(zhǔn)確地說，我是給我喊的那句“我創(chuàng)造了10個查克拉”打上標(biāo)記，比如標(biāo)記為001），這樣以后在每一筆交易的時候，我在高喊“我給了某某1個查克拉！”的時候，會附加上額外的一句話：“這1個查克拉的來源是記為001的那條記錄，我的這句話標(biāo)記為002！”。我們再抽象一點，某人喊話的內(nèi)容的格式就變成了：“這句話編號xxx，上一句話的編號是yyy，我給了某某1個查克拉！”，這樣就解決了偽造的問題。其實上述模型就變成一個簡化的中本聰?shù)谝话姹忍貛艆^(qū)塊鏈協(xié)議：
一些問題
- “憑啥？”
你可能會問：“憑啥你喊一句話我就幫你記？我的小本本不要錢么？”。為了激勵大家?guī)臀覀髟捄陀涃~，我決定給第一個聽到我喊話并且記錄在小本本上的人一些獎勵：第一個聽到我喊話并記錄下來的人，你就憑空得到了1個查克拉，這個查克拉是整個系統(tǒng)對你幸苦記賬的報酬，而你記錄了這句話之后，要馬上告訴其它人你已經(jīng)記錄好了，讓別人放棄繼續(xù)記錄這句話，并給你自己的記錄編號讓別人有據(jù)可查，然后你再把我的話加上你的記錄編號一起喊出來，供下一個人記賬。
當(dāng)這個規(guī)則定下以后，這個系統(tǒng)中一定會出現(xiàn)一批人，他們開始豎著耳朵監(jiān)聽周圍發(fā)出的聲音，以搶占第一個記賬的權(quán)利。對的，你腦海中是不是又浮現(xiàn)出了“比特幣挖礦”的字眼？
- “聽誰的？”
在這個系統(tǒng)中，如果我和另一個人C幾乎同時地喊出一句：“為了艾澤拉斯！”。由于聽眾所處的位置不同，一定會有人先聽到我說的那句話，而另外一些人則先聽到C的那句話，如果我們規(guī)定只能有一個人說出這句話，那到底這句話是誰說的？
如果不加任何條件，那么上述的情況一定會這樣發(fā)展：一部分人認(rèn)為這句話是我說的，在聽到這句話之后開始記賬，之后他們所做的所有事情都是基于這個事實，并且隨著這個信息一次次的傳下去，這條信息鏈會越來越深；而另外一群認(rèn)為是C先說這句話的人，也會按照這樣的趨勢發(fā)展。這樣，原本是一條唯一的信息鏈，在我們喊出“為了艾澤拉斯”這句話之后，分叉了！？
這會導(dǎo)致怎樣的情況呢？按照我們的設(shè)想，應(yīng)該每個人的小本本上記錄的東西都是一樣的，都是一條可以把所有信息串聯(lián)起來的鏈條。但是在這一刻，他們小本本上記錄的東西不一樣了！這還玩毛?。恳院筮€怎么確定交易和信息的真實性！？
為了解決這個問題，我又追加了新的規(guī)則：每個人在記錄小本本的時候，需要脫鞋然后用腳拿筆，在小本本上用正楷體書寫！有了這個規(guī)定，由于用腳寫字難度很大，每個人至少需要10分鐘才能寫完，而且由于每個人用腳寫字的熟練度不通，寫完這句話所用的時間也不同，因此一定會有人先寫完然后高呼“我寫完了！那句話是LaiW3n喊的！”，這樣其它正在寫這句話的人便會停筆，然后在小本本上重新開始寫“那句話是來文寫的，上一句的編號是xxx”。
如果你對上述我的解決方法感興趣，你可以對照我上面的比喻去了解以下知識：
“聽誰的”——中本聰破解“拜占庭將軍問題”的算法
“在小本本上記錄”——比特幣挖礦
“脫鞋用腳寫字”——比特幣挖礦難度
“脫鞋寫字速度”——算力
“新的規(guī)則”——工作量證明鏈
PS：中本聰與拜占庭將軍問題
拜占庭帝國即中世紀(jì)的土耳其，擁有巨大的財富，周圍10個鄰邦垂誕已久，但拜占庭高墻聳立，固若金湯，沒有一個單獨的鄰邦能夠成功入侵。任何單個鄰邦入侵的都會失敗，同時也有可能自身被其他9個鄰邦入侵。拜占庭帝國防御能力如此之強(qiáng)，至少要有十個鄰邦中的一半以上同時進(jìn)攻，才有可能攻破。
然而，如果其中的一個或者幾個鄰邦本身答應(yīng)好一起進(jìn)攻，但實際過程出現(xiàn)背叛，那么入侵者可能都會被殲滅。
于是每一方都小心行事，不敢輕易相信鄰國。這就是拜占庭將軍問題。
在拜占庭問題里，各鄰國最重要的事情是：所有將軍如何能過達(dá)成共識去攻打拜占庭帝國。
達(dá)成共識并非坐下來開個會那么簡單，有的將軍心機(jī)深不可測，口是心非，如果有叛徒，可能會出現(xiàn)各種問題：
叛徒可能欺騙某些將軍自己將采取進(jìn)攻行動。
叛徒可能慫恿其他將軍行動。
叛徒可能迷惑其他將軍，使他們接受不一致的信息，從而感到迷惑。
針對拜占庭問題的深入研究，科學(xué)家們得出一個結(jié)論：如果叛徒的數(shù)量大于或等于1/3，拜占庭問題不可解。
解釋過程可以用一個副官模型來解釋：
假設(shè)只有3個人，A、B、C，三人中如果其中一個是叛徒。當(dāng)A發(fā)出進(jìn)攻命令時，B如果是叛徒，他可能告訴C，他收到的是“撤退”的命令。這時C收到一個“進(jìn)攻”，一個“撤退“，于是C被信息迷惑，而無所適從。
如果A是叛徒。他告訴B“進(jìn)攻”，告訴C“撤退”。當(dāng)C告訴B，他收到“撤退”命令時，B由于收到了司令“進(jìn)攻”的命令，而無法與C保持一致。
正由于上述原因，在只有三個角色的系統(tǒng)中，只要有一個是叛徒，即叛徒數(shù)等于1/3，拜占庭問題便不可解。
當(dāng)然，只要叛徒數(shù)小于1/3，問題還是可解的。
科學(xué)家們提出了口頭信息方案和書面協(xié)議兩個方案。
解決方案一：用口頭信息
口頭信息即使將軍們派人用口信傳達(dá)消息，口頭傳達(dá)消息的實際含義指的是：
- 每個被發(fā)送的消息都能夠被正確投遞
- 信息接受者知道消息是誰發(fā)的
- 沉默（不發(fā)消息）可以被檢測
口頭協(xié)議的算法很簡單，如果其中一個節(jié)點，比如1發(fā)布消息出去，210都接受到1的消息，然后210也分別轉(zhuǎn)告給其他的節(jié)點，每個節(jié)點都是信息的轉(zhuǎn)達(dá)者，一輪下來，每個節(jié)點手上都會有10個信息（進(jìn)攻或者撤退），有叛徒的話，那信息可能有進(jìn)攻或者不進(jìn)攻的不一致消息。每個人相當(dāng)于手里有一本消息的賬本，該怎么決策呢？如果有一半以上的人說進(jìn)攻，那么采取進(jìn)攻行動就是能成功的，所以這時即便有叛徒，只要聽大部分人的，少數(shù)服從多數(shù)來行動即是有利的。
這種口頭協(xié)議的算法也存在明顯的缺點：口頭協(xié)議并不會告知消息的上一個來源是誰，也就是消息不可追根溯源，出現(xiàn)信息不一致也很難找到叛徒在哪。
解決方案二：用書面協(xié)議
可以假設(shè)10個國家，每個國家都可以派人向各個國家派信，比如一起約定 “某天早上六點，大家一起進(jìn)攻拜占庭，同意就簽個字”。收到信的國家如果同意的話，就可以在原信上簽名蓋章。
書面協(xié)議相比口頭協(xié)議，實際說的是在這個多人的將軍模型中加了了個隱含條件：
- 將軍們能夠使用簽名技術(shù)，簽名不可偽造，一旦篡改即可發(fā)現(xiàn)。
- 同時任何人都可以驗證簽名的可靠性。
書面協(xié)議相比口頭協(xié)議，所有的消息都是有記錄的，解決了追根溯源的問題。
但在現(xiàn)實中仍然可能面臨各種問題：
- 中世紀(jì)的鄰邦之間溝通只能靠信使騎馬，將軍們互不信任，也不可能親自聚在一起開會，物理距離導(dǎo)致信息傳輸延遲。
- 真正可信的簽名體系難以實現(xiàn)。簽名造假的問題也沒法避免。
- 簽名消息記錄的保存難以擺脫中心化的機(jī)構(gòu)。
另外，倘若每個國家都各自向其他9個國家派出信使，在這個網(wǎng)絡(luò)即需要90次的傳輸才能完成一輪信息交流，但是每個國家可能回饋不同的進(jìn)攻時間，在這種異步通信的條件下，要能協(xié)商一致是個大問題。
也就是如果能夠依賴中心化可信的機(jī)構(gòu)，也許能通過多方的簽名記錄整合在一起，更容易地實現(xiàn)9個國家的意見統(tǒng)一，但這是個偽假設(shè)，因為前提是這個網(wǎng)絡(luò)就是互不信任的。
這就是一個由互不信任的各個鄰邦國家所構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)，要獲得最大的利益，又必須一起努力才能完成，如何達(dá)成一致的共識，變成了一個難題。
萊斯利·蘭伯特提出了“拜占庭將軍問題”，但真正解決這以難題的是——中本聰。
終極解決方案：區(qū)塊鏈技術(shù)
互聯(lián)網(wǎng)的存在，首先降低了信息的流通成本。每個將軍配一臺電腦，就解決了”書面協(xié)議“中騎馬通訊造成時間延遲的問題。
如果10個將軍中的幾個同時發(fā)起消息，勢必會造成系統(tǒng)的混亂，造成各說各的攻擊時間方案，行動難以一致。
誰都可以發(fā)起進(jìn)攻的信息，但由誰來發(fā)出呢？中本聰巧妙地在個系統(tǒng)加入了發(fā)送信息的成本，即：一段時間內(nèi)只有一個節(jié)點可以傳播信息。
它加入的成本就是”工作量“——節(jié)點必須完成一個計算工作才能向各城邦傳播消息，當(dāng)然，誰第一個完成工作，誰才能傳播消息。
當(dāng)某個節(jié)點發(fā)出統(tǒng)一進(jìn)攻的消息后，各個節(jié)點收到發(fā)起者的消息必須簽名蓋章，確認(rèn)各自的身份。中本聰在這里引用現(xiàn)代加密技術(shù)為這個信息簽名。
這種加密技術(shù)——非對稱加密完全可以解決古代難以解決的簽名問題：
- 消息傳送的私密性
- 能夠確認(rèn)身份
- 簽名不可偽造、篡改
由此，一個不可信的分布式網(wǎng)絡(luò)變成了一個可信的網(wǎng)絡(luò)，所有的參與者可以在某件事在達(dá)成一致。
寫到這里，同時終于明白了工作量證明（Proof Of Work）的意義。有人說挖礦浪費了巨大的社會資源，但建立信任的成本可不是0，挖礦是維護(hù)比特幣網(wǎng)絡(luò)可靠性的最好辦法。
工作量證明，簡單的理解就是一份證明，現(xiàn)實中的畢業(yè)證、駕駛證都屬于工作量證明，它用以檢驗結(jié)果的方式證明你過去所做過了多少工作。
在拜占庭的系統(tǒng)里，加入工作量證明，其實就是簡單粗暴地引入了一個條件：大家都別忙著發(fā)起消息，都來做個題，看誰最聰明，誰就有資格第一個發(fā)起消息。
這個題必須是絕對公平的，中本聰在設(shè)計比特幣時，它采用了一種工作量證明機(jī)制叫哈?，F(xiàn)金，在一個交易塊這要找到一個隨機(jī)數(shù)，計算機(jī)只能用窮舉法來找到這個隨機(jī)數(shù)，可以說，能不能找到全靠運氣，所以對于各個節(jié)點來說，這個世界上，只有隨機(jī)才是真正的公平，實現(xiàn)隨機(jī)的最好辦法是使用數(shù)學(xué)，所有的將軍在尋找共識的過程，借助了大家都認(rèn)可的數(shù)學(xué)邏輯。
如果不同的將軍先后解出了題，各自先后向這個網(wǎng)絡(luò)發(fā)布消息，于是各個節(jié)點都會收到來自不同節(jié)點發(fā)起的進(jìn)攻或者不進(jìn)攻的消息，那怎么辦的？只有時間最早的發(fā)起者才是有效的。中本聰巧妙的設(shè)計了一個時間戳的東西，為每個將軍在解好題的時間（出塊時間）蓋上時間印章。
將軍們那又憑什么要一起做工作量證明呢？中本聰也完全可以設(shè)置一個獎勵機(jī)制，比特幣的獎勵機(jī)制是每打包一個塊，目前是獎勵25個比特幣，當(dāng)然，拜占庭將軍問題的獎勵機(jī)制可以是瓜分拜占庭獲得的利益。
對了，如果有出現(xiàn)背叛怎么辦？
在這個分布式網(wǎng)絡(luò)里：
- 每個將軍都有一份實時與其他將軍同步的消息賬本。
- 賬本里有每個將軍的簽名都是可以驗證身份的。如果有哪些消息不一致，可以知道消息不一致的是哪些將軍。
- 盡管有消息不一致的，只要超過半數(shù)同意進(jìn)攻，少數(shù)服從多數(shù)，共識達(dá)成。
由此，在一個分布式的系統(tǒng)中，盡管有壞人，壞人可以做任意事情（不受protocol限制），比如不響應(yīng)、發(fā)送錯誤信息、對不同節(jié)點發(fā)送不同決定、不同錯誤節(jié)點聯(lián)合起來干壞事等等。但是，只要大多數(shù)人是好人，就完全有可能去中心化地實現(xiàn)共識（Consensus）。
區(qū)塊鏈上的共識機(jī)制主要解決由誰來構(gòu)造區(qū)塊，以及如何維護(hù)區(qū)塊鏈統(tǒng)一的問題。
拜占庭容錯問題需要解決的也同樣是誰來發(fā)起信息，如何實現(xiàn)信息的統(tǒng)一同步的問題。
到這里也可以知道了，基于互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)塊鏈技術(shù)，它克服了口頭協(xié)議與書面協(xié)議的種種缺點，使用消息加密技術(shù)、以及公平的工作量證明機(jī)制，創(chuàng)建了一組所有將軍都認(rèn)可的協(xié)議，這套協(xié)議的出現(xiàn)，拜占庭將軍問題也就完美的得到了解決。
偉大的創(chuàng)新往往是站在前人的肩膀上，中本聰就是各種前沿技術(shù)的整合者，古老的疑難雜癥在這種整合創(chuàng)新下，就變得不再是問題了。
