区块链相对于传统计算模式具有哪些优势？

区块链是一种全新的计算模式，其中数据和应用不是由中心化的中介机构，而是由去中心化的计算机网络保护的。由于其无许可的性质，区块链使任何人都可以选择加入，并开始独立地验证计算的完整性，从而在用户和网络运营商之间形成了一个制衡系统。

从创建具有程序化货币政策的新数字货币（如比特币）到执行可编程的信任最小化应用程序（如以太坊），区块链作为一种新的数字基础设施正在迅速进入公众意识。然而，虽然区块链的总体价值主张被许多人认可，但关于区块链基础信任模式的细微差别往往会被误解。

本文将通过观察自我验证的全节点的作用来解释区块链的信任模式与传统计算的区别。

传统计算模式的局限性

目前大多数应用程序使用的计算模式涉及到了客户端-服务器模型，其中请求被发送到集中式数据库服务器中。传统计算模式的参与者可以分为以下几类：

客户端：终端用户通常通过个人设备生成请求，这些请求通过TCP/IP经由互联网被发送到中央数据库服务器，并等待响应。客户端信任数据库服务器会忠实地响应请求。

数据库服务器：通常采用集中式云提供商的形式提供信息或访问特定服务的远程计算机。后端数据库服务器通常是传统机构集中管理的计算机集合。

▵ 在传统的计算模型中，用户必须信任不透明的集中式数据库。

这种计算模式通常被称为“Web2”，它使开发人员能够按需快速启动和扩展应用程序。由于数据中心提供的低延迟和高吞吐量计算，用户还可以获得无缝的用户体验。虽然托管在中央数据库上的应用程序为全球数十亿用户提供了巨大的价值，但它们也有一定的局限性。

最值得注意的是，终端用户无法验证生成请求响应所涉及的计算是否合法，或者数据库条目是否被操纵。此类应用程序实际上是在黑箱中运行，这意味着用户必须完全信任第三方中间人会以他们的最佳利益行事。

与集中托管的应用程序相关的信任假设会对用户产生负面影响，用户可能会经历财务审查、社交媒体去平台化、个人数据泄露、操纵性的内容选择算法、调节成本增加、数据损坏和数据丢失，以及总体上缺乏问责制。最终的结果是社会信任的崩溃和经济协调成本的增加。

区块链计算模式

区块链不信任中心化中介的诚信度，而是通过以下方式引入了信任最小化和可信中立性：

使用加密技术来验证数据/资产所有权和交易的完整性

通过去中心化共识以建立交易秩序并执行协议规则

利用财政激励确保网络账本的不变性及其持续运作

重要的是，区块链是开放的网络——世界上任何人都可以作为主动贡献者或被动受众加入。这使得终端用户可以亲自验证网络产生的任何输出是否有效，且分类帐条目有没有被篡改。区块链的透明度还降低了不透明性带来的风险，消除了信息不对称，并确保所有参与者都能获得有关风险敞口的信息。

▵ 在区块链计算模型中，终端用户可以选择加入网络并验证正在执行的计算。

区块链参与者的角色

为了确保区块链的正常运行，有各种（通常是重叠的）类别的网络参与者各自发挥着关键作用。

区块生产者(BP)：负责将交易排序并打包成被称为区块的离散数据结构，然后将其提交给网络进行验证的实体。如果在同一区块高度产生了两个有效的区块，BP将负责决定哪个版本的区块链是规范的。共识算法用于确定哪个BP负责生成区块链中的下一个区块，其中工作证明（矿工）和股权证明（验证者）是最流行的两种模式。

全节点：区块链网络的核心。全节点下载并自我验证由BP提出的每个区块。如果发现该区块是有效的（即遵守了协议规则），那么该区块将被添加到全节点的个人分类帐副本中，并应用状态更改。任何不符合协议规则的无效区块都会被忽略，并因此被丢弃，而不会发生任何状态变化。

归档节点：存储与全节点相同的所有信息，但也计算和存储区块链的先前状态。归档节点对于查询任意历史数据非常有用，比如用户过去在特定区块高度的账户余额。请注意，一个完整的节点可以在任何时候被转换成一个存档节点，而无需从网络下载任何额外的信息。归档节点通常有很高的硬件要求，通常由服务提供商（如区块浏览器）运行。

轻客户端：全节点的一种有限形式，只下载区块头(即小型独特的加密指纹)。轻客户端可以验证一个交易是否包含在区块内，但由于他们不下载或执行区块内的所有交易，他们默认相信大多数区块生产者是诚实的。轻客户端也被称为简单支付验证(SPV)客户端，在最初的比特币白皮书中首次被描述。

RPC服务提供者：促进其他网络参与者连接到区块链读写访问的全节点。RPC(远程程序调用)节点经常被那些没有或不能运行自己的全节点或轻客户端的人使用，这大大减少了访问区块链的摩擦。由于没有自我验证，任何连接到RPC服务提供者的用户都默认相信服务提供者的诚实性。

终端用户：希望在区块链网络上进行交易处理的普通用户。这一类别可以包括运行全节点或轻客户机的参与者，以及连接到RPC服务提供者的参与者。区块链的存在是为了服务于终端用户，除此之外该网络没有其他存在的理由。

虽然这些网络参与者在区块链生态系统中都发挥着关键作用，但全节点是区块链网络的核心，它们是负责维护网络账本完整副本的实体。区块生产者和轻客户端等其他网络参与者连接到全节点以随时了解网络状态。由此产生的网络拓扑图如下图所示：

区块生产者的有限权力

关于区块链的一个常见误解是，由于区块生产者负责生成包含交易的新区块，因此他们必须单方面控制区块链。换句话说，如果大多数BP被破坏或串通(通常称为51%攻击)，那么网络就会完全被破坏，所有有价值的东西都可能被不可挽回地摧毁。在现实中，BP的权力范围有限，只能进行特定类型的恶意活动。

区块生产者可以做什么：

审查交易：BP决定哪些交易被包含在其创建的区块中，这允许他们有选择地忽略特定的交易。虽然串通的BP可以阻止交易被包含在他们创建的区块中，但只要有一个诚实的BP，交易就可以被包含在有效的区块中。

重写链：如果大多数BP串通一气(例如51%攻击)，那么之前创建的有效区块可以通过一个名为区块重组(reorg)的流程从网络中分叉出来，在这个过程中，新的区块链将成为正统。

▵ 区块重组使用一组新的有效区块来恢复以前接受的有效区块。

区块生产者无法做的：

更改协议规则：BP不能随意更改协议规则，如添加/删除功能(如操作码)，增加/减少最大允许的区块大小或区块时间间隔，或增加/减少为产生区块而发放的区块奖励。

窃取用户资金：BP不能从他们没有私钥的地址消费代币，因为这种交易的加密签名将是无效的。请注意，虽然区块链重组可能会导致双重花费攻击，但这只涉及从区块链的分类账中删除由私钥持有者签名的交易，而不是伪造交易签名。

为了理解BP的能力为什么本质上有限，理解BP和自我验证的全节点之间的关系是很重要的。

全节点如何使区块生产者负有责任

虽然BP通过提议新的区块来确保区块链的活性，但它们并不代表网络来确定区块的有效性。相反，全节点的作用是独立验证每个区块，并执行其中包含的所有交易，以确定协议的规则是否得到遵守。

其结果是一个制衡系统，其中全节点通过仅接受有效区块而忽略不符合协议规则的区块来对BP负责。因此，BP在经济上受到激励，只生产有效区块，否则他们会因为生产无效的区块而浪费经济资源，并丧失他们可以获得的任何区块奖励和交易费用。即使其他BP在无效区块的基础上建立了有效区块，这些区块也都会被全节点忽略，从而导致这些BP将自己从网络中分叉出去。

全节点由区块链生态系统中的关键经济行为者操作，其中包括加密货币交易所、稳定币发行机构、oracle、第二层验证者、RPC服务提供者、托管钱包提供商、大型加密资产持有者和普通用户。通过自我验证区块链的分类帐，这些关键的经济行为者不会被骗去接受无效的区块。全节点也不需要相互协调/通信来确定一个区块是否有效。相反，通过在检查区块时遵循协议的规则，他们都将得出关于区块有效性的相同结论。

▵ 无效的区块会被遵循有效区块链的全节点拒绝。

在许多区块链中，协议规则是由社区在链下决定的，这一过程被称为社区共识。它通常涉及一个正式的流程(例如以太坊改进提案或EIPs)，其中社区在各种社交渠道上讨论协议规则更改的优点。一旦达成了粗略的链下共识，区块链核心开发人员就会编写一个新版本的区块链软件客户端，以实现这些更改。然后，全节点和BP可以选择是否运行这个新软件，通过硬分叉(非向后兼容的更改)或软分叉(向后兼容的更改)来升级网络。

如果硬分叉升级存在争议，那么网络可能会经历创建并分别维护两个不同版本的区块链的分裂。一旦发生分裂，每个区块链将拥有从genesis区块到发生分裂的特定区块高度的共享历史。2017年的Bitcoin/Bitcoin Cash硬分叉就体现了这一点，当时在如何扩大交易吞吐量方面出现了分歧。在2016年的Ethereum/Ethereum Classic硬分叉中也出现了这种情况，当时在如何处理DAO攻击上出现了分歧。

▵ Bitcoin Cash是围绕着如何扩大交易吞吐量的差异而产生的比特币区块链的一个分叉。

与链下共识相反，其他区块链选择通过链上治理来处理升级，由代币持有者治理的去中心化自治组织(DAO)决定协议规则的变更。任何一种促进协议升级的方法都有其独特的好处和挑战，所使用的方法取决于社区的需求。

全节点的低硬件要求

如果运行一个全节点的硬件要求太高(例如需要非消费级硬件)，那么很少有实体能够或愿意运行全节点，而是依赖于集中式解决方案对区块链进行读写。这可能导致区块链网络更容易被BP利用。

为了支持一个健康的全节点网络，许多区块链有意将网络的交易吞吐量限制为社区希望自我验证账本的最低规格计算机的交易吞吐量。低硬件要求不仅可以帮助那些希望在正常操作中运行全节点的人，而且还可以在区块链受到BP串通攻击时更容易启动一个新的自我验证的全节点。保持与网络完全同步所需的确切硬件要求因区块链而异，然而，普通消费级硬件比较普遍。

▵ 一个在低规格微型计算机Raspberry Pi上运行的比特币全节点的例子

以下逻辑描述了低硬件需求如何带来区块链的核心价值主张：

硬件要求低→验证区块的成本低→可以运行全节点的实体更多→更强的抗BP攻击能力→网络安全性提高→可信度提高→采用率提高

虽然在区块链协议的规则中没有明确定义能够运行全节点的最低硬件要求(硬件/软件效率不断提高)，但区块链的交易吞吐量规则(通常由区块的大小和频率决定)被调整为针对设备规格的特定范围。

虽然以普通消费级硬件为目标是一种常见的方法，但一些区块链选择将更强大的服务器级硬件作为验证的最低硬件要求，以提高交易吞吐量。这是因为人们认识到，虽然能够使用自托管设备自我验证账本的实体可能更少，但仍有足够数量的关键经济参与者可能拥有运行全节点所需的资源。

降低区块链验证的成本

尽管每个人都能运行自己的全节点来自我验证区块链是一个理想的目标。然而在实践中，启动一个全节点所需的时间和资源可能会给许多终端用户带来过多摩擦。随着区块链被越来越广泛地采用，熟悉信任中心化服务提供商的用户可能会发现，设置全节点的过程太过繁琐，他们更希望能够立即开始与链上应用程序进行互动。

因此，如今广泛使用的区块链的大多数终端用户并不运行他们自己的全节点，而是连接并默认地信任RPC服务提供者，将交易中继到网络，并告知他们区块链的当前状态。这些用户可能无法享受到区块链全部的自我验证优势，网络的安全性也没有达到应有的水平，但与传统的计算模型相比，它在信任最小化方面仍有一个数量级的提升。

这个问题的中间解决方案可能需要将轻客户端集成到区块链钱包中。虽然通过减少对RPC服务提供者的信任，这将是对现状的改进，但轻客户端仍然默认地相信大多数BP正在生成有效的区块，并且区块内的所有交易数据都已公开可用。

为了使轻客户端能够验证BP的工作而无需简单地下载和执行整个区块(即运行一个全节点)，轻客户端实现的技术改进可以增加它们的信任最小化属性，从而产生所谓的“信任最小化轻客户端”。这些技术改进包括：

欺诈证明：由全节点生成的加密证明，可以被发送给轻客户端来证明区块无效并违反协议规则，而轻客户端无需重新执行整个区块。

有效性证明：生成零知识证明的欺诈证明的一种替代方案，允许区块生产者直接向轻客户端证明区块有效且遵循协议规则。

数据可用性抽样(DAS)：一种概率抽样技术，验证一个区块中的所有数据是否已经提供给网络，而不需要轻客户下载整个区块。

▵ 信任最小化的轻客户端不需要下载或执行整个区块就可以验证区块生产者的工作。

随着更多的信任最小化技术被创建并在生产中成功部署，在不下载和执行整个区块的情况下验证区块生产者的工作的成本和摩擦得到了改善，这带来了更安全的区块链网络。值得注意的是，创建信任最小化的轻客户端的方法甚至可以促进更可扩展的区块链网络的出现。

在保持自我验证的同时扩展区块链

扩展区块链通常被认为等同于增加交易吞吐量。然而，更全面的解释是在增加交易吞吐量的同时，保持较低的验证成本。由于信任最小化轻客户端的特性，可以在区块链网络的吞吐量增加(例如增加块大小和/或块间隔时间)的同时仍然保留保持BP负责所需的低验证成本。

此外，rollup等第二层扩展解决方案利用了与信任最小化轻客户端类似的技术，通过使用加密证明来证实交易的有效性，而无需区块链网络执行每个交易。在这种情况下，区块链会为第二层rollup运行一个受保护的信任最小化的轻客户端。通过结合交易批处理和在链上存储交易数据以实现数据可用性，交易吞吐量可以提升几个数量级，同时对底层区块链施加最小甚至为0的额外验证成本。

▵ 第2层rollup使用区块链作为信任最小化的轻客户端来增加交易吞吐量。

结论

区块链是高度安全、可信中立且透明的仅附加分类账，为计算提供了一种新的范式。通过在区块生产者和全节点之间纳入制衡系统，区块链可以满足其社区的需求，并随着时间的推移不断发展，同时也能保持对操纵的抵抗。虽然还需要进行更多的努力来降低验证成本，但区块链在信任最小化方面仍然比传统计算模式高出了一个数量级。