元宇宙区块链 通俗易懂

Posted 2023-03-09 SmallTenMr

什么是区块链？比特币挖矿是什么？元宇宙是什么？

Web(万维网)的三权化进化：

基于此，介绍下“元宇宙”。1992年，美国作家史蒂芬森在《雪崩》一书中首次提出了“元宇宙(Metaverse)”的概念。元宇宙实际上就是一种虚拟现实技术，通过技术手段让用户进入到一个虚拟世界

构建元宇宙四大要素：

1. 显示技术(DISPALY): 连接现实世界和元宇宙世界。比如VR等

2.游戏(GAME): 为元宇宙提供内容支撑以及AI。Gamefi：Game+finance，游戏加金融，即游戏装备通过区块链实现金融化，所有的游戏都变成赚钱的游戏了。比如：《Axie Infinity》

3.区块链(BLOCKCHAIN): 去中心化保障元宇宙经济系统的稳定，安全不可篡改

4.网络通信(NETWORK):5G网络提供的带宽

2021年3月，随着游戏公司Roblox（罗布乐思）在纽交所上市，元宇宙从概念走向现现实，并迅速被各大互联网大厂和投资机构热捧

元宇宙标签：Identity（身份）、Friends（朋友）、Immersive（沉浸感）、Anywhere（随地）、Variety（多样性）、Low Friction（低延迟） 、Economy（经济）、 Civility（文明）

在1982年，来斯里. 兰伯特提出了一个点对点通信中的问题，也就是拜占庭将军问题，拜占庭是一个国家首都，地址位于最近发生地震的土耳其国家，是东罗马帝国的首都。当时拜占庭罗马帝国国土辽阔，地大物博，将军们分散在各地，如果打仗，需要统一命令，打还是撤。那时候没有高启强的小灵通，只能通过派人挨个的传达消息，但是中间难免会出现叛徒。所以，拜占庭将军问题的实质就是要寻找一个方法，使得将军们在一个有叛徒的非信任环境中建立对战斗计划的共识。这个问题引起了广泛巨大的讨论和各种计算

针对讨论的就结果，科学家们提出了有两个办法处理，但是这两个办法都存在不可抗拒弊端：

1.口头协议:如果有10个将军，将军们派人用口信传达消息,互相传递一轮后，那么每个将军都会收到10个消息。此时存在不同的意见，采用少数服从多数

问题：口头协议并不会告知消息的上一个来源是谁，也就是消息不可追根溯源，出现信息不一致也很难找到叛徒在哪

讨论的最终结果：当叛变者不超过1/3时，存在有效的算法，不论叛变者如何折腾，忠诚的将军们总能达成一致的结果。如果叛变者大于等于1/3,则无法保证一定能达到一致性

2.书面协议:假设10个将军，每个将军都可以派人向其他将军派信，约定 “2月14号，一起去打x国”。收到信的将军如果同意的话，就可以在原信上签名盖章，将军们能够使用签名技术，签名不可伪造，一旦篡改即可发现，也可以实现可追根溯源

问题：真正可信的签名体系难以实现，而且签名造假的问题也没法避免

讨论的最终结果：对于任意m，最多只有m个背叛者情况下，算法SM(m)能解决拜占庭将军问题。

但是在实际状况中，书面协议却会有一些问题，比如没考虑传输信息的延迟时间，书面协议的签名体系难以实现，而且签名消息记录的保存难以摆脱一个中心化机构而独立存在，最终完美解决这个问题的是中本聪，使用的就是区块链技术。继续沿用上面的例子，通俗的解释一下（解释的比较片面，只做理解使用）

1.以当前时代为背景。比如，现在这10个将军，他们都有手机，可以收发短信。系统选中一个将军，让其统一给其他9个将军发短信，其他的9个将军都听从这一个将军的消息，那就能保证信息唯一了（广播机制）

2.那么如何挑选出来这个将军呢，没错，最公平的办法就是随机。随机选中谁，谁来发短信（比特币场景是采用工作量证明机制）

3.那如果随机到的这个将军是个叛徒，怎么办？所以我们假设有一个腾讯支持多人编辑的文档，文档里有10个sheet，10个将军分别在sheet页上编写自己的想法，是打还是不打，并且各个将军只能编辑自己的sheet页数据，同时也能查看其他将军sheet页的数据，每个sheet页记录了每个将军想法，是打还是不打，亦或者是其他各种想法（签名加密技术）

4.当这9个将军在收到短信时，他们都会看自己的sheet页的数据，来对手机收到的短信结果，进行投票，选择同意还是不同意。如果结果超过半数同意，少数服从多数，就采用当前将军的短信方案。如果结果不同意，则重新随机选发短信的将军，重新执行这个流程（详细了解可以参考:最长链选择机制）

中本聪

所以区块链技术，完善了口头协议与书面协议的缺点，完美解决了拜占庭将军问题

区块链目的是在解决分布式下，数据真实有效且保持一致性的核心原理。分布式、去中心化、记账本是区块链核心要素，保证数据难以篡改，实现安全性、匿名性、独立性、开放性

区块链起源于比特币，2008年11月1日，一位自称中本聪（Satoshi Nakamoto）的人发表了《比特币：一种点对点的电子现金系统》一文，阐述了基于P2P网络技术、加密技术、时间戳技术、区块链技术等的电子现金系统的构架理念，这标志着比特币的诞生。两个月后理论步入实践，2009年1月3日第一个序号为0的创世区块诞生。几天后2009年1月9日出现序号为1的区块，并与序号为0的创世区块相连接形成了链，标志着区块链的诞生

很多人一开始并不了解区块链，都是从比特币价格的飙升，才开始关注比特币，并且了解区块链，10几年前，我周边朋友，也有人参加了挖矿。那么所谓的比特币挖矿，到底在挖什么？

1.应该有人听说过，使用比特币买披萨的例子，比特币就像我们银行账户里面的金额一样。既然产生了交易，那么就会产生数据，实际上比特币系统一直都在产生交易。比特币系统会将一段时间内的交易数据打成的一个包，称为区块，每一个区块都链接到上一个区块，依次相连形成区块链。比特币全网平均每10分钟产生一个区块

2.区块从1开始编号，因此节点A连接节点B后，只要检查双方的区块编号高度，就能方便地同步交易数据。例如节点A自己的区块高度是100，发现节点B的区块高度是110，则只要向B请求同步101~110这10个区块即可

3.为保证有节点打包比特币交易的数据，比特币规则规定：负责打包交易的节点将获得比特币作为酬劳

4.既然有酬劳，那就使得有大量节点想打包交易。但是为保证区块链的唯一性，比特币规则规定：每一个节点都来使用做题的方法争夺交易打包权。系统会出一个计算题，节点会进行不断的计算，谁首先计算出结果，谁就能获得这个区块的交易打包权，以及这个区块的打包奖励，也就是比特币的奖励

5.计算题在实现上是计算机做一次哈希（SHA-256）运算，并检查运算结果，错误之后，就会再次重复的计算，再次验证结果，直到正确。节点获胜的唯一诀窍是提高计算效率，提高试错的次数，一个每秒能计算100亿次的节点（做100亿次哈希计算）的节点，抢到打包权的概率是每秒计算1亿次哈希节点的100倍

6.一旦有某个节点扔出符合系统规则的硬币结果，他就会立即将这段时间搜集到的交易打包成一个区块，附上计算出的哈希结果、当前的区块序号、上一区块关系等附加信息广播出去，其它节点一旦收到区块信息并验证无误，就会停止计算，停止抢这一区块，转而在这一区块的基础上开始计算抢下一区块

7.节点大量进行哈希计算需要计算机设备，并消耗大量电力，这个过程在本质上和金矿挖矿很相似（通过挖矿设备，消耗能源换取黄金）。比特币总量恒定，产量越来越少的产生方式也和黄金很相似。因此人们形象地将比特币抢打包权的过程称为挖矿，将抢打包权的比特币节点称为矿工

8.矿工将一定数量的交易打包到同一个区块，然后共同去计算同一道数学题来决定以谁的结果为准，并且决定谁赢得新发行的比特币和交易费。这种靠竞争来解决交易共识的问题，避免了单一节点垄断整个网络的风险，让整个网络形成了良性竞争的局面

上图中，密密麻麻的都是AMD高性能显卡，在不停的挖矿。我们已知，所谓的挖矿就是通过一种算法，来不停的计算哈希值并循环验证，计算量虽然很大，但计算方法确很简易。想提高效率， 增加线程即可，而这正符合GPU的工作原理。目前高性能的CPU最多是128、256进程，而GPU都是上千的进程，并且GPU都只能进行相应的测算，正好符合这一原理

根据区块链网络中心化程度的不同，分化出3种不同应用场景下的区块链：

1.公有链:全网公开，无用户授权机制的区块链，称为公有链。比如：BTC-比特币、ETH-以太坊币等

2.联盟链:允许授权的节点加入网络，可根据权限查看信息，往往被用于机构间的区块链，称为联盟链或行业链，比如：蚂蚁链，星火链等

3.私有链:所有网络中的节点都掌握在一家机构手中，称为私有链

要想深入了解区块链，一定要知道共识机制、共识算法

什么是共识机制? 对中心的数据库操作，为保证数据一致性，同时只可以有一个节点操作（串行）。通过一个算法筛选出具有代表性的节点，这个机制就是共识机制。所谓的共识就是在人人平等的社会里需要大家共同形成一个共识，产生一个操作者、临时决策者，代表大家来进行中心化的操作

什么是共识算法？为了实现分布式一致性协议而产生的一系列流程与规则。当分布在不同地域的节点都按照这套规则进行协商交互之后，最终总能就某个/某些问题得到一致的决策，从而实现分布式系统中不同节点的一致性。共识算法种类近30多种，我只说常用的几个：

2. 工作量证明PoW（在公有链中，常见的选择是通过工作量证明算法（PoW）来防止拜占庭攻击,比如:比特币(BTC)、以太坊(ETH)、莱特币(LTC)

2.权益证明PoS,比如:点点币(ppc)

3.委托权益证明DPOS,比如:比特股( Bitshare)

4.拜占庭共识算法系列PBFT/DBFT机制（在联盟链中，常见的选择是通过理论完备的BFT共识算法来防止拜占庭攻击）

具体解释一下工作量证明算法(PoW):

PoW本质上就是在求一个概率题，谁先算出来就算谁赢，奖励就归谁。难度随着答题的速度会动态调整，而这个难度就是由上面的难度目标值决定，这样就能保证平均每10分钟完成一次挖矿

说工作量证明怎么来之前我们先说下Hash算法，Hash算法有一个特性，通过hash加密的文本或文件，哪怕只有一个字节改变，Hash的值就完全不相同。在区块链中，需要找出一个Nonce，Nonce的值和区块上的信息拼接后进行SHA256哈希运算，当hash值满足给定条件时候，那么第一个找出nonce值的节点获得记账权

假设我们区块上的信息是 blockchain ,我们要找出一个Nonce随机数和blockchain拼接,最后计算的Hash值结果以6个0开头(或者小于某个值)， 率先找到随机数的节点就获得此次记账的唯一记账权。Nonce一般从0开始递增计算，所以Nonce计数器可以统计总共计算了多少次，有了Nonce值，这样别的矿工就可以根据Nonce数字大小再一次印证这个矿工是否有作弊

工作量证明算法(POW)机制好处：工作量证明其实相当于提高了做叛徒（发布虚假区块）的成本，这也不会产生做叛徒的动机

工作量证明算法(POW)机制存在明显的弊端：一是浪费大量的算力，只用来竞争挖矿权，并没有更多实际或科学价值。二是它并不完全公平，当计算机硬件升级到一定程度，比如量子计算机可能几秒就计算出了Hash值。