区块链达成什么

东林 4年前 (2019-11-21) 1456浏览

注：仅选译，原文发布于

作者：Arthur B. @ Tezos

区块链技术确实可能引领许多创新应用。但是，要利用它的好处，必须理解这些好处所解决的基本技术问题。

什么是区块链？

区块链的正式定义有争论。在本文，我采用以下：

区块链：一种数据结构，将共识记录演绎为一系列操作，一组参与者根据加密协议，将这些操作打包成区块，并对这些操作进行验证。其用于实现分布式及去中心化分类账。

区块链还有其他定义，其中一些定义，通过经济激励指定共识形成，另一些定义将共识机制进一步限制为由 Bitcoin 所引入的 proof of work 方案。这些定义没有错，“区块链”一词本身太新，不能断言某一种定义最合适。

分布式分类账解决什么问题，如何使用区块链来实现它们？为了回答第一个问题，我们将讨论一个论坛示例。这将概述“要求使用分布式分类账”的那些特定问题。

案例研究：论坛

想象一个典型在线论坛：消息由经过身份验证的用户发布，以响应其他消息，形成讨论 threads 。某些用户可能被许可在某些特定子论坛中发帖，或被禁止这样做，一些用户会看到自己的帖子被点赞，从而获得 karma 。

使用单个数据库来实现这样的系统非常简单。如果我们希望运营一个去中心化论坛，通过将由区块链驱动的去中心化分类账视为数据库，来进行实现，似乎合乎逻辑。但是，对去中心化论坛的性质做一个审查，可以发现，这种实现带来的好处很少或没有：

对于去中心化论坛而言，确实需要考虑以下实施：

  • 客户端连接到一个点对点网络，这个网络维护一个分布式哈希表。客户端 requests 来自其节点的消息 headers 列表。使用这些 headers ，客户端重建各种讨论 threads 。Censorship may be possible if 恶意节点将一个客户端与网络的其余部分相隔离，but that is also the case when using blockchains 。
  • 可通过在消息 headers 使用 a very nominal proof-of-work hash，或通过使用由 popular curators 维护的白名单和黑名单，来避免垃圾邮件。
  • 通过允许多个密钥解密消息内容，子论坛中的读取访问权限( Read access )的管理方式，非常类似于分布式分类账。
  • 最终，写入访问权限由每个查看者自行决定。如果一个查看者决定她想要忽略写入访问规则(write access rules )并阅读所有声称有效的消息，她可这样做而不影响其他任何人。但是，在大多数情况下，她可能想使用对准入的共识(agreed upon permissions)，来过滤消息。一个 K out of N 签名方案可授予及撤销此类准入权限。赞成票和反对票可视为特殊帖子。它们在点对点网络上传播，由每个客户端汇总，以确定某个用户的 karma 或一个帖子的可见性。

一个 DHT ，如 Cassandra, Chord, Kademlia 可驱动这个分布式论坛，没必要使用分布式分类账。

我们不需要区块链来实现以上这一切，原因是，我们在网络上正在表达的所有结构碰巧都是持久性数据结构（ persistent data structures ）（也称为不可变数据结构，或更不常见的说法是，仅附加数据结构[append-only data structures]）。在倾向避免使用可变变量的函数式编程语言中，这些结构非常普遍。

持久数据结构通常看起来像一棵树（更一般地说，是有向无环图[ directed acyclic graph ]）。例如，论坛中的一个 thread 可能如下所示：

在此图中，一个用户发布一条消息，指出该项目取得重大进展。因为存在错别字，该消息后来被编辑，然后有两个回复，其中一个回复被点赞。

注意，此图中没有回路（ loops）。所有对象都将自己自由地附加到先前对象上。一旦创建，消息自身就永远不会被修改，它们是不可变的。在一个论坛中，究竟是什么需要可变性？我想到三种可能性：

  • 用户名
  • 获许用户量上限( capping the number of permissioned users )
  • 消息的时间戳 ( time-stamping of messages )

用户名

Zooko 三角假设。Namecoin 似乎是此三角的一个例外，但其安全性取决于参与者（矿工）的行为，而非数学原理。

在区块链出现之前，此问题有两种解决方法：

  • 放弃对“拥有对一个特定密钥的所有者的共识”的要求（ Drop the requirement of having a consensus over the owner of a specific key ）。对于每个参与者而言，你可依靠信任网络自行决定密钥和身份之间的关联，或你可以只是接受第一次连接期间建立的密钥值，如 SSH 所鼓励。至关重要的是，与数字货币不同，此处共识的缺乏不太重要。如果我决定，我真的希望在我的机器上，www.google.com 指向 Microsoft 的 Bing IP 地址，此操作不会影响其他任何人。
  • 放弃对去中心化的要求，依靠传统证书颁发机构。参与者可轻松地审核此证书颁发机构，如察觉其注册表的任何无效更改，将其视为欺诈。

现在，我们可以使用区块链如 Namecoin 来确保一单个密钥与一个给定名称相关联。如果我们能够容忍很多人声称对一单个用户名的所有权，区块链就完全没有必要了。

Lesson：区块链可以计数（如“合计”，在这种情况下，计数为 1），DHT 不能计数（blockchains can count [as in “tally”, and in this instance, count to one] DHTs cannot.）

向一定数量的人授予权限（ Giving permissions to a set amount of people ）

现在应该清楚，为什么使用仅附加数据结构，将特定准入权限授予一定数量的人，是无法实施的：这些图中的节点无法计算其子级。在大多数论坛中，管理员可将读取访问权限自由授予或拒绝任意数量的人。但是，可以想像这样一种情况——预计有一定数量的人获得这项权利（ where a set number of people is expected to receive this right ）。在这种情况下，将需要区块链。任何三个管理员可选出一个新的管理员，这样的论坛，可用 DHT 可实现，但如果我们要求不超过比如 10 个管理员，则需要一个分布式分类账。

时间戳

根据应用的不同，准确可信的消息时间戳可能很微妙。虽然在讨论 thread 中，消息自然地进行了排序，但人们可能想知道两个回复中的哪个首先提交于一个 thread 中。这可通过一个可信时间戳服务或区块链来实现。时间戳能力不属于区块链维护参与者验证的共享状态的能力范畴（ 此句翻译存疑：The ability to timestamp falls out of blockchains’ ability to maintain a shared state validated by the participants ）。

表示可变数据结构

变量突变（Variable mutation ）本质上是一种物理行为：当一个程序使用可变变量而不是不可变变量时，在物理层，会发生不同现象。实际上，突变会破坏信息（先前值），因此必须遵循热力学第二定律释放热量。Landauer 原理断言，擦除 1 bit 信息所需最小能量为 kT log 2，其中，T 为系统温度，k 为玻尔兹曼常数。擦除 1 bit 是不可逆操作，它必须提升宇宙的熵。

幸运的是，计算机科学家发明了一种技巧，无需真正进行突变，就能模拟突变。不删除旧值，我们只是保留它，但在其之上添加新值。例如，在以下示例，值“ Abc”已替换为值“ Def”。我们使用仅附加数据结构表示了变异。这也被称为 monad 。实际上，我们已经用链表替换了可变变量。

只是有一个问题，我们的链表实际上是一棵树。实际上，可以创建以下结构，特别是，如果多个参与方试图同时引入突变。在这种情况下，列表有多个“heads”，或者树中有多个“leaves”。

寻找共识

如果我们只跟踪列表的“head”，将非常方便，但是这样做将需要实现突变，因为该 head 在不断变化。我们回到了我们前面所描述的相同问题：我们需要一个 head ，一单个共识值。

比特币解决此问题的方法是，在每个区块上附加一个 proof-of-work 。拥有最多 work 量的分支，被视为具有权威性（ canonical ）的分支。协议附有经济激励措施，以吸引矿工达成共识并在同一分支开展工作。

如何选出一个具有权威性的分支，人们可能会考虑许多其他规则。人们可能选择由最大数量的stakeholders 签署的分支，拥有最多交易活动的分支，或者只是由 K out of N 个受信方签署的分支。本质上，区块链算法的特征是，在它选择代表分支的共识的这个选择过程中，所遵循的程序（What characterizes a blockchain algorithm is essentially the procedure by which it picks the consensus representing branch）。

结论

区块链不只是分布式数据库。它们是一种数据结构，可用来表示一个共享，可变的单值（singleton）。共享，是因为有多方可访问它；可变，是因为它们可修改它；单，是因为有一个这样的确切值（singleton because there is exactly one such value）。

译文仅供参考。

原文：https://ex.rs/what-do-blockchains-accomplish/
作者：Arthur B.
编译：东林