第五章：把账本变成分布式

区块链技术的采用，为Q公司塑造了极好的口碑；如今，Q公司已成为技术创新的典范，更是传统游戏与最新技术融合的领头羊。但是与此同时，也把Q公司推到了风口浪尖上。一小部分质疑的声音始终存在，最主要的担忧就是怕Q公司会滥发Q币、审查交易，以及操纵交易内存池。

实际上Q公司早已经有了对策。在一段时间紧锣密鼓的开发之后，Q公司的技术工程师们将给用户带来一次史诗级的升级，彻底解决以上所有问题。这次升级也会让Q公司的服务架构再一次发生质的变化。到底是什么样的变化呢？不妨跟着本章一探究竟！

去中心化

我先直接揭晓答案，Q公司的这次升级可以用一个词来概括，那就是：去中心化。在此之前，不管是从密码模式切换到密钥模式，还是从账户模型切换到UTXO模型，都还没有脱离中心化的架构。但是为了彻底取得用户的信任，现在必须放弃传统的中心化架构了。说起来也简单，把之前的中心化架构复制N份，相互连接起来，我们就得到了去中心化架构，如下图所示（N=4）：

上图右侧的四组服务器，两两之间相互联系，看起来就像是一张网。这种没有中央服务器的架构叫做点对点（Peer-to-Peer，简称P2P）网络，其中每一组服务器都叫做一个节点（Node）。注意我们并不是只把数据分散到N个服务上去，而是把服务和数据都复制了N份。这两个都是分布式架构里常用的扩容模式，前者称为分片（Sharding），后者称为复制（Replication）。数据分片和复制的区别如下图所示：

由于数据和服务都复制了N份，优点和问题都是很明显的。先说优点。第一，单点故障的问题解决了。以上图为例，如果一组服务宕机了，其他三组服务很可能还是好的，所以整体服务还是正常的。第二，可以服务更多的用户了。我们可以近似地认为，服务复制了N份，可以同时处理的用户数量也扩大了N倍。这就好比某家餐厅可以同时容纳100人就餐，当它开成6家连锁店之后，理论上可以一起容纳600人同时就餐才对。

再深入看两个关键问题。其一，大量相互关联的服务间，数据一致性该如何保障？举个例子，可能某用户在服务1查询余额是1万，在服务2查询却显示2万，这种数据矛盾会让用户无所适从，这个问题非常难解。其二，要是所有服务依旧由Q公司掌控运营，那所谓的“去中心化”就只是表面形式，本质上还是中心化架构，相当于“披着羊皮的狼”。

上面第二个问题是相对好解决的，但是需要极大的决心。不过Q公司做到了：它把服务相关的源代码全部都公开了。任何人都可以运行一组服务，作为节点连接到整个服务网络中。不仅如此，现在整个社区可以一起改进这些代码。但是第一个问题，这些服务如何同步数据，有点难。我们把它分解为两个问题，各个击破，具体请看接下来的两个小节。

如果不开放源代码，Q链将归Q公司私有，只有Q公司能运行节点，这种区块链被称为私有链（Private Chain）。而开放源代码后，任何人都可参与其中、无准入门槛，这类区块链则是公有链（Public Chain）。此外还有一种中间形态：由几家公司或机构联合运行一条链，参与者需通过准入机制才能加入，这种区块链被称为联盟链（Consortium Chain）。

这里顺便说明一下，现在Q链已经是一个由众多节点构成的点对点分布式网络。与传统中心化服务不同，这类分布式网络的调试难度极高。为保障网络稳定运行与高效迭代，Q链被分为主网（Mainnet）和测试网（Testnet）两类。新功能或更新通常先在测试网上进行开发、测试与验证，待运行稳定后，再正式部署到主网。测试网的代币通常不具备价值，可以通过水龙头（Faucet）等服务自由领取。

数据传播

这一节我们先来讨论怎么把数据从一个节点扩散到整个网络上，暂时不考虑各个节点保存的数据是否一致。这个问题又可以分成两个更小的问题。第一，节点之间需要交换什么样的信息。第二，节点怎么把这些信息发送给其他所有节点。

第一个问题，节点之间需要交换什么样的信息呢？答案是交易和区块数据。为了便于讨论，我们假设目前Q公司的服务器网络里只有两个节点，服务器1和服务器2，如下图所示：

上图展示了一个简化后的假想流程。假设某用户连接的是服务器1，他想发起一笔交易，那么：一，该用户先通过客户端生成一笔交易，然后发给服务器1。交易被服务器1接收后，会先进入它的交易内存池，等候处理。二，服务器1在收到交易之后，也会立即把它发给服务器2。毕竟产生一个块是需要时间的，也许服务器2那边的压力更小一些，这样用户的交易就能更快得到确认。三，服务器2的压力果然是小一些（可能性能也更好一些），它很快就打包出一个区块，而且用户的交易也在里面。四，服务器2把这个区块追加到整个区块链里，落到磁盘上。五，与此同时，服务器2也把这个新的区块告诉了服务器1。最后，服务器1接收到最新的区块，得知消息已被处理，于是从自己的内存池里把该消息删掉。

以上是一个极度简化后的流程，不过我们理解到这里就可以了。再来看第二个问题，节点之间怎么交换消息。最简单的办法就是广播。比如说某个节点收到一笔交易后，直接把它发送给其他所有节点。但这个做法效率也太低了。如果是一个庞大的网络（例如有几万个节点），那么某个节点可能要花很久才能把消息广播给其他所有节点。

实际上，节点之间会通过更复杂的协议来交换信息，可以快速把数据传播到整个网络。比如Q公司采用的是一个叫做“八卦”（Gossip）的协议。你可以想象一下，平时一些小道消息是怎么在人群之间传播的。采用Gossip协议的节点，深得人类的“八卦传播精髓”。这个协议的细节这里就不展开讨论了，好奇心强的读者可以自己深入学习。

共识机制

数据传播的问题解决了，那么怎么保证节点之间的数据是一致的呢？前面说过，这个问题是非常难解的。但是天才的中本聪把这个难题给破解了！他的解法有两个核心要素。第一，我们在前一章讨论过的工作量证明，也就是PoW。第二，最长链共识算法，马上会介绍。

我们先来复习一下工作量证明。这个机制起初是为了防止Q公司随意删除区块里的交易而引入的，但它也有一个很明显的副作用，导致交易从实时处理变成了延迟确认。这个延迟时间主要是用来计算满足条件（前面必须有一定数量的0）的区块哈希的。恰恰是这个延迟时间，给了交易和区块在各个节点之间传播的机会。

如果一个交易已经被某个节点打包成块，这个块也传播给其他节点了，那么其他节点收到这个块之后，会做些什么呢？当某节点接收到这个新的区块后，它首先要校验这个区块里面的所有交易，如果其中任意一笔交易不合法（比如说同样的输出被使用了两次），那么它就会直接丢掉这个区块。此外，它还要对比这个区块的“前一个区块哈希值”跟自己本地存储的区块链的最高块的哈希是否一致，如果不一致也丢掉这个区块。如果这两个检查都没问题，那么这就是一个合法的区块，节点会把它追加到自己的本地区块链上，完成同步。假设新区块链的高度是2026，这个过程如下图所示：

但是当网络中有很多节点的时候，有没有可能有两个节点在差不多的时间同时产生了不同的新块？当然有可能，而且节点越多，可能性越大。我们接着上面的例子，比如说某节点接收到了来自不同节点的两个合法但内容不同（比如包含的交易不一样）的新区块，高度都是2026，它该听谁的？答案是，“让子弹飞一会儿”。这个服务器会暂时把这两个新区块都接纳，然后像有两条链一样继续工作，直到一段时间后，其中一条链比另外一条更长，然后丢掉较短的那条链，如下图所示：

上图看起来就像，区块链在#2025之后裂开了：高度#2026上出现了两个不同版本的区块（#2026a和#2026b），进而形成两条临时链，这种情况就叫做分叉（Fork）问题。解决分叉问题的核心办法是最长链原则 —— 这里的“最长”实际指“累计工作量最大”，节点之间会达成一致：优先保留累计工作量最大的链，其他分叉则全部丢弃。这种基于“工作量证明 + 最长链”的协议称为共识协议，它由中本聪提出。为致敬他，我们将这套共识机制命名为“中本聪共识”（Nakamoto Consensus）。

上面这种分叉是临时性的，最终总会通过最长链原则自动消解，不会影响Q链的底层规则，我们把它叫做临时分叉。而节点丢掉较短的那条链、改用较长的那条链的过程，叫做链重组（Chain Reorganization，简称Reorg）。还记得上一章讲的双花攻击吗？它钻的正是链重组的空子：付款交易所在的区块被重组掉了，那笔Q币也就又能拿去买别的东西了。这也是为什么大额交易一定要多等几个确认。

还有另外一类分叉，和临时分叉完全不是一回事，它源自规则本身的变化。由于Q链的代码是开源的，任何人都可以获取并修改其核心参数，比如调整区块大小、改变出块奖励或修改代币发行规则等。如果新规则比老规则更严格，那么按新规则产生的区块，在还没升级的老节点看来也是合法的，两拨节点还能待在同一条链上。这种向后兼容的规则升级，叫做软分叉（Soft Fork）。反过来，如果新规则和老规则互不兼容，老节点会拒绝新区块，新节点也不认老区块，两拨节点最终会各走各的，彻底分裂成两条独立的链。这种不兼容的规则升级，就叫做硬分叉（Hard Fork）。

数字淘金

等等，看起来好像哪里不太对劲。我们说Q公司开放了服务器的源代码，大家都可以来当节点，这没问题。但是运行节点也是要花钱的，更何况每出一个块还要做大量的哈希运算，这可费不少电。这种出力不讨好的事情，谁会去干？

这个问题Q公司也想到了。还记得区块链在启动的时候，有一笔Q公司的铸币交易吗？很多用户担心Q公司以后会随意铸币，导致游戏内的通货膨胀。为了奖励节点，也为彻底取得用户的信任，Q公司把这个规则给改了。新的规则是这样的：每一个块的第一笔交易可以凭空铸造50枚Q币。也就是说，我们允许每个区块的第一笔交易没有输入，有且只有一个输出，产生50枚Q币。我们把这样的铸币交易叫做Coinbase交易，如下图所示：

从现在开始，Q币不再是Q公司发行了，而是靠整个网络共同产生。Q币也不再由Q公司定价，而是由供需情况决定。Q公司也关闭了Q币的充值与提现业务，用户需要Q币的时候只能去第三方市场购买。这个巨变在游戏圈带来了轰动，不仅Q公司的游戏玩家数量暴增，还有大量的个人爱好者和公司开始运行节点，加入Q公司的服务网络，争相计算哈希，争抢出块权。

这个热潮简直就是19世纪美国旧金山淘金热的电子版。只不过当时是矿工付出自己的努力，淘到金子。而现在是节点付出一定的工作量（计算区块哈希），获得一定报酬（Q币）。由于这个原因，大家也把节点打包区块计算哈希的过程叫做挖矿（Mining），把这些节点叫做矿工（Miner），把计算区块哈希的硬件叫做矿机（Mining Machine）。

总供应量

和之前一样，解决旧问题就会带来新麻烦。现在摆在眼前的至少有两个问题。第一，原来Q币是Q公司承诺一次性铸造的，只要Q公司不乱来（虽然有些人不相信），Q币的总量就不会变。但是现在每个区块都会铸造一定数量的Q币，也就是说Q币是无限增发的。第二，原来的挖矿难度是固定的，Q公司也不会随意去调整，所以出块时间是稳定的。但现在大量矿工涌入之后，开始研究新型硬件，导致出块速度越来越快，威胁到了整个网络的安全。这一小节我们来看第一个问题是怎么解决的，下一个小节讨论第二个问题。

前面说每个区块可以增发50枚Q币。为了避免Q币总量无限增加，Q公司引入了减半机制，同时也把出块时间从原来的十秒钟放慢到了十分钟。为什么要放慢？因为现在出块的不再只有Q公司一家，而是遍布各地的众多节点，得给新区块留出足够的时间传播到全网，否则大家各出各的块，分叉会多到无法收拾。于是Q公司期望大约每十分钟出一个区块，然后规定每21万个块（大约四年），奖励减半。

你还记得吗？计算机是无法精确表示小数的，而且用小数计算也会产生误差。虽然说是游戏币，但是Q公司还是采用了传统银行的做法，使用整数来表示Q币的数量，精度是8。也就是说，当我们说某人有50枚Q币的时候，他实际上有50亿（5,000,000,000）个最小单位的Q币。作为纪念，Q公司的游戏玩家们把这个最小单位叫做“聪”（简称Sat）。

由于Q币的数量是用整数来表示的，减半要用整除法（舍弃余数），所以减半过程不可能无限进行下去。简单计算一下就可以知道，经过33次减半（也就是大约132年）以后，区块奖励就会变成零，Q币也就被全部开采完毕了。由此可以算出，Q币总发行量的上限接近2100万枚，下面是公式：

$$\sum _{i=1}^{33}\frac{210000\times 50}{2^{i-1}}$$

这是本书为数不多的数学公式之一。如果你连这个公式也不想看，我可以告诉你，Q币的总供应量在刚开始是增长很快的。大约20年以后，增长就相当缓慢了。我们假设新版Q币是在2009年开始发行的，它的总供应量的增长速度如下图所示：

上面这张图的呈现效果还不够直观，尤其是从2040年左右开始，曲线几乎接近直线了，难以清晰观察变化。下面的表格汇总了Q币前五次减半的数据，能让我们更清晰地看到Q币总发行量的增长速度变化：

减半次数	减半高度	减半前区块奖励	减半后区块奖励	减半时开采量	减半时开采率
第1次（2012）	210,000	50.0000	25.0000	10,500,000	50.000%
第2次（2016）	420,000	25.0000	12.5000	15,750,000	75.000%
第3次（2020）	630,000	12.5000	6.2500	18,375,000	87.500%
第4次（2024）	840,000	6.2500	3.1250	19,687,500	93.750%
第5次（2028）	1,050,000	3.1250	1.5625	20,343,750	96.875%

很显然，在Q币全部开采完毕之前，每个区块都会产出新的Q币，这使得其发行量持续增加，因此Q币在此阶段属于通胀模型。但按照当前的开采规则，等到一百多年后Q币全部开采完成，其总量就会固定不再增长。而到了那个时候，一方面会有大量用户因丢失私钥导致持有的Q币永久无法流通，另一方面部分项目会主动将Q币转入无法转出的黑洞地址，这两类情况都会让市场中的可用Q币数量逐渐减少，最终使Q币从通胀模型过渡到通缩模型。

无限增发问题算是解决了，但按下葫芦浮起瓢。按照现在的设计，若干年后，随着奖励减半，矿工们挖矿能够得到的Q币也许就非常少了。那时候咋办，谁还愿意来提供服务？而眼前还有一个问题：如果黑客发送大量交易试图让服务器瘫痪，该怎么办？这种捣乱方式，我们马上会提到，叫做“粉尘攻击”（Dust Attack）。

这些问题Q公司早已考虑到，因此制定了规则：每次转账时，输出的Q币总和要比输入的总和略少一点，差额部分会作为手续费分配给矿工，我们把这个费用叫做矿工费（Miner Fee）。这样一来，即便未来出块奖励大幅减少，矿工的主要收入也能逐步过渡到交易手续费，从而继续维持网络服务。这个差额也有一个最低的限度，以此来抵抗粉尘攻击。

这也恰好解决了另外一个遗留问题：节点内存池里的交易按什么来排序。现在这个问题就简单了，矿工追求的自然是利益最大化，谁给的手续费高，他们就先处理谁的交易。交易手续费的概念如下图所示：

还剩下一个问题没解决，怎么让出块时间稳定在10分钟左右。我们马上来讨论。

哈希竞赛

我们想让出块时间稳定在10分钟左右，可是随着Q币的持续火爆，越来越多的人加入到了挖矿的队伍中。我们知道，哈希函数的输出像是随机数，要想得到前缀带有N个0的哈希值，只能不停地尝试。换句话说，这是一个概率问题。我们要求的零越多，计算同样的次数能算出来满足要求的哈希值的概率就越低。要想提高概率只有两条路可走。第一，让矿机变得越来越强大，同样的时间可以计算更多次的哈希值。第二，买更多的矿机，同一时间让很多机器并行计算。

很不幸，以上两点注定都要发生。我们把单位时间内，某台矿机能够计算哈希值的次数叫做这台机器的哈希算力（Hashrate），简称算力。如果全网算力一直飙升，那么出块时间就会越来越短，整个Q币体系也会崩塌。为了预防这件事情的发生，Q公司规定，Q币的挖矿难度会动态调整。如果一段时间内全网算力持续飙升导致平均的出块时间变低，网络就会提高出块难度（要求前缀有更多的0），否则就会降低出块难度（要求前缀有更少的0）。调整出块难度可以间接调整出块时间，这样就可以让总的平均出块时间基本稳定。

然而，也许Q公司也没有想到市场会如此的狂热。刚开始，Q币爱好者们是使用自己的个人电脑，通过CPU（中央处理器）来挖矿。很快这个方式就行不通了，因为有人开始使用他们打游戏的高配电脑，通过GPU（图形处理器）来挖矿。然后没过多久就有专业人士开始使用FPGA（现场可编程门阵列）编程，甚至设计专门的ASIC（专用集成电路）芯片来挖矿。后来，市面上出现了专业的硬件公司，专门生产Q币矿机。此时个人再想通过普通电脑挖到Q币已经是不可能的事情了。

你以为故事到这里就结束了？并没有。因为大量的矿机进入市场，自己买台矿机单打独斗（俗称SOLO）挖矿也几乎挖不到Q币了。市面上出现了专业的挖矿服务，它们把大量的矿机联合起来，共同挖矿，共享Q币奖励。这种服务通常被称为矿池（Mining Pool）。整个Q币矿机的进化简史如下图所示：

前面讲过，Q币的共识算法基于工作量证明和最长链原则。如果某个机构（比如某个大型矿池）垄断了算力，是不是中心化的一些问题又回来了？的确是这样。实际上，这个机构只要拥有超过全网一半的算力，就可以干很多坏事，例如回滚一个区块（以及里面的交易）。这种攻击行为叫做51%算力攻击。这个问题是无解的，我们只能寄希望于Q币算力尽可能地分散，不要过于集中。

顺带提一句，在写作本书时，“Q链”的全网哈希算力达到了惊人的1.2 ZH/s（Zetta-Hashes per Second），即每秒钟大约可以进行 $1.2\times {10}^{21}$ 次哈希运算；而其区块的哈希值（表示成二进制共256位），前面大概有80个零。

没有银弹

到这里，Q链已完成去中心化转型，成为一条无准入许可的公有链。但没有银弹（这个词源于西方传说，指能一次性解决复杂难题的完美方案），区块链技术也无法解决所有问题。继中本聪之后的区块链领域领军人物维塔利克・布塔林（Vitalik Buterin）提出了著名的“不可能三角”理论。他明确指出，区块链系统无法同时满足可扩展性（Scalability）、安全性（Security）与去中心化（Decentralization）这三大核心特性，三者之间存在天然的权衡关系，如下图所示：

这里的可扩展性，指的是区块链处理交易的能力，具体包括高交易吞吐量和低延迟，直接关乎用户体验；安全性，指的是网络抵抗恶意攻击的能力，比如防范双花攻击、51%算力攻击等风险，确保交易的不可篡改性；去中心化，则是指网络呈现无中心化的分布式结构，所有节点地位平等，需共同参与网络决策与维护。

传统的中心化服务会完全牺牲去中心化特性，且安全性较弱（易遭受攻击），以此换取极高的性能，例如一些大型应用动辄能实现每秒数万笔交易的处理能力。而现在的Q链已实现完全去中心化，安全性较强（网络难以被篡改和攻击），但相应地，其TPS相对较低（每秒仅能处理几十笔交易），且交易确认时间也更长（大额交易往往需要等待几十分钟）。

如何在保证去中心化和安全性的同时尽可能提高性能，目前已有一些缓解办法，例如侧链（Sidechain）、状态通道（最著名的就是闪电网络，即Lightning Network）、Plasma、Rollups（包括Optimistic Rollups，简称OP Rollups，以及Zero Knowledge Rollups，简称ZK Rollups）等。这些技术均不改变区块链主网的底层架构与核心规则，而是在主网之外搭建独立的处理层，承担大部分交易计算与数据处理工作，仅将关键结果同步回主网，因此被称为二层网络（Layer Two，简称L2）。由于理解这些技术需要较强的技术背景，这里我们就不展开讨论了。

本章小结

在这一章，Q公司把服务架构改成了去中心化，让整个网络一起管理一个分布式账本，共同铸币。这就彻底杜绝了滥发Q币、审查交易等隐患，使得Q公司得到了玩家空前的信任。而随着减半机制以及动态难度调整等策略的引入，Q币也完成了它从不值一提的游戏虚拟币到“数字黄金”的蜕变。不仅如此，由于Q币矿机的良性发展，整个芯片行业也有了长足的进步。

我们现实生活中的经济是有周期的，只是捉摸不定。而四年一次的挖矿奖励减半机制直接导致了一个数字版的经济周期，Q币的价格跟着这个周期起起伏伏。这其中充满了机遇和挑战，无数人为之着迷。然而问题也还是有的，质疑声永远都不会停止。这里我们只举一个例子。

我们知道，Q币的挖矿就是计算哈希值，这个过程需要消耗大量的计算机算力，也就是电力。有些人认为这合情合理，是电能到Q币的转化。也有人认为这会抢占社会资源，浪费大量能源，甚至污染环境等等。虽然大家有不同意见，但这个问题还是引起了Q币社区足够的重视。人们开始讨论PoW的替代方案，例如权益证明（Proof of Stake，简称PoS）等。不过这些都不是本书讨论的重点，因此这里一笔带过，感兴趣的读者可以通过搜索引擎或者AI机器人继续深入了解。