来源 2017-02-28 张蕾 渡鸦区块链 不发行货币的区块链有意义吗?
作者：张蕾 渡鸦区块链专栏作者
随着比特币和区块链概念的热炒，越来越多的投资人、创业者、研发人员和政府机构进入这个领域，但是大家的关注重点是有差别的。
- 关注比特币的人，更关心价格的波动、钱包的安全和跨境的资产转移；
- 关注区块链的人，更关心底层的技术、加密的算法和行业的实际应用。
逐渐形成了两个圈子：“币圈”和“链圈”。
两个圈子之间，有一个持续已久的争论：
一个区块链，如果没有原始货币，还有意义吗？
本文，我从技术的角度进行解释。
首先，我有一个基本的观点，比特币区块链既是一项经济学的创新，也是一项计算机科学的创新。（这里的创新含义是广义的，包括对现有技术的重新组合也算一种创新）。因此，区块链本身，即使没有原始货币，对计算机科学发展而言都是有价值的，只是跟比特币对金融的价值不一样而已。
- 坚持“原生币”观点的人认为，如果区块链上没有了币的概念，就无法维持比特币特有的“共识机制”，并通过“工作量证明proof-of-work”来维护去中心化网络的安全性。
- 但是金额科技的一些巨头（区块链流派）对公有链（比特币流派）持有怀疑态度，认为比特币交易速度慢，交易成本高，不适合传统的金融业务需要。
我认为上面两种观点都正确。我要说，区块链对于组织内部的分散数据库的同步是非常有用的。当然，区块链还有其他技术特点，对于不完全信任的机构之间创建特定类型的交易是非常合适的。
下面，为了解释我的观点，我将从比特币的交易模式、数据库的多版本并发控制（MVCC）、多主数据库（multi-master database）复制的冲突问题讲起。我尽量用简单的语言进行解释，但是这是技术问题，难免比较晦涩。
1.比特币的交易模式
比特币的交易模式很简单也很强大。每一个比特币的交易都有一组输入（inputs）和一组输出（outputs）。每一个输入都“链接”着前一个交易的一个输出。所有的比特币都通过输入进入一个交易，再通过输出分散出去。这样所有的交易形成了“多分叉”的链条，最终这个链条在“coinbase”交易上结束，在这个交易中产生新的比特币。
比特币有一堆额外的规则，网络中的每个节点都要遵守：
- 一个交易中的每一个输入都必须证明，它有权利“链接”前一个交易的一个输出。这个权利是由输出中的内在的编码所限制的。
- 一个交易中，所有输入的比特币数量必须大于所有输出的比特币数量，唯一的例外是在“coinbase”交易中，因为它创造了新的货币单位。
- 每一个输出只能被“链接”一次，也就是只能和后一个交易的一个输入链接。就好比，你的一个币给了A，就不能再给B了。
正是因为最后一个规则，比特币网络必须要形成一种共识，用来决定哪些交易是有效的，哪些交易是无效的。而这正是区块链的作用所在。 重点解释一下：
如果两个交易的输入都试图链接前一个交易的同一个输出，这么这两个交易只有一个最终被接受。区块链作为一个统一的机制来检测和防止网络中的这些冲突。
区块链是一个线性链接的区块（block）组成链条，每一个区块包含了一组交易，这些交易之间互相不会冲突，也不会跟其他区块内的交易发生冲突。从理论上讲，比特币网络可以直接用交易的“多分叉”链条来运行，但是我们把多个交易分组后形成区块（block），是为了获得更高的效率，并且也更加实用。
那么区块链上的加密货币（比特币）是什么目的呢？它的存在主要是为了解决，在每个区块生成的时候，谁有决定权的问题。因为比特币网络是一个去中心化结构，没有所谓的管理员和绝对权威，只能通过其他的方式来进行决策和达成共识。
我们也许可以使用“民主”的模式，也就是让比特币网络中的每个节点参与投票的方式，然后获得大多数同意的获胜。不幸的是，任何网络民主投票都可以证实，因为存在网络伪装（也被称为女巫攻击），代议制的民主无法在网络上实现，一个黑客可以控制成千上万的电脑，并且决定他们如何投票，从而操控投票的结果，我们甚至都感觉不到就已经发生了。
为了解决这个问题，比特币网络通过“挖矿”的过程，故意增加了一个区块生成的难度。要想创建一个区块，你需要先要计算一个毫无意义的数学难题，这就意味着大量计算能力的消耗（因此就需要电力和其他费用的支出）。同时，你还必须要有一定运气，因为全世界还有很多其他的矿工在和你竞争。即使买一台更高性能的计算机，你也不能长期保持领先，因为比特币网络经常地调整问题的难度，保证每10分钟能稳定地产生一个区块。
既然，产生参与比特币网络中，又困难又费钱，谁傻才去做这种苦差事？答案就是比特币的“奖金”：一个成功的矿工产生一个新的区块，就能控制“coinbase”交易，从中获得25个比特币的奖励（每四年降低一半），目前的市场价值人民币135000多元，矿工们支付了电费等必须的费用外，还有一定的利润。（矿工们也能获得一定的交易费用，但是目前比重还很小）。
这样，比特币就利用“工作量证明proof-of-work”形成了一种共识机制，这也是坚持“原生币”观点的人一贯主张，如果区块链上没有了币的概念，就无法激励矿工们的工作，也就无法保护比特币网络的安全，无法防止假冒交易对比特币的攻击，因此，黑客就可能控制比特币网络上的交易数据，使得整个比特币毫无价值。
我对此是赞同的，就好比一个选举投票，没有了计票员和唱票员（他们的作用类似于矿工）的参与，选举结果肯定是没有意义的。
2.多版本并发控制（MVCC）
下面我们讨论一些不相关的话题，继续进行分析。
数据库是一项成熟的计算机技术，用来存储结构化的数据。数据库中的信息首先根据内容分成组，叫做“数据表”，每个表中又有很多列，叫做“数据项”。举一个例子，我们在银行的账户就是一张表，其中最重要的有两列：账号和金额。假设你的账号金额是2000元，今天你的信用卡要还款1500元，银行会自动从你账号中划走，同时你还想在ATM上提取现金800元。不幸的是，你的账号金额不足，肯定有一项交易要失败。
信用卡还款和ATM取现两笔操作是在不同的系统中进行的，但是它们都需要对你的银行账户进行操作，我们把这个操作过程分为：读取账号金额、判断是否足够执行操作、完成具体操作（划款或取现）、验证操作是否成功、计算余额并写入数据库中。
如果信用卡还款和ATM操作不重叠的话，那么交易逻辑非常简单。第一个操作可以顺利完成，第二个操作因为余额不足而终止。就看真实的操作顺序如何，也许你会收到信用卡中心的催款电话，业务你在ATM屏幕上会看到余额不足的提示。
如果这两个操作碰巧同时发生会出现怎样的结果？在这种情况下，每一个操作都要读取账号金额，判断金额都是足够的，然后各自完成自己的操作。信用卡划款后，重新计算余额是500元，并写入数据库中；ATM取款后，重新计算余额是1200元，并写入数据库。其中一个写入数据库余额会覆盖另一个写入数据库的余额。看你的幸运程度了，你相当于从银行获得了1500或800元的额外好处，如果你发现了这个秘密，你以后肯定会在信用卡还款的那一天去ATM取钱，这样你就发财了。
当然，在真实的银行交易中是不会发生的，因为数据库有一项“并发控制”的技术。并发控制保持我们的数据（尤其是金融）的正常和安全。它有许多形式，基本思路是把多个数据库操作分组后，形成数据库的“存储过程”，这意味着这些数据库操作必须作为一个整体，或者全部成功或者全部失败。当一个存储过程操作数据时，并发控制将对数据库（或其中的一部分）的进行锁定，以防止其他存储过程对信息的操作而造成冲突。
如果我们不需要并行运行存储过程，我们在可以一个存储过程运行时，对整个数据库进行锁定，但是这在实际运营环境中是不现实的。一个好的并发控制方案应该允许多个存储过程并行运行，锁定尽可能少的数据、锁定尽可能短的时间。在上面的例子中，最好的解决方案是，只有你的账号被锁定，其他人的账号不被锁定；只有当账号最终检查结果与金额扣减发生冲突的时刻被锁定，其他时刻不锁定。这样并行的存储过程不会为了锁定-解锁而等待太长的时间，效率才能提高。
一种比较流行的并发控制技术叫做多版本并发控制（MVCC）。每一个存储过程看到的都是在某个特定时间点的数据的快照。快照隔离的属性保证。
在背后，MVCC通过维持多个数据版本而发挥作用，每一个版本都有一个时间戳（timestamp）代表每个版本最后被修改的时间。在MVCC中修改一个数据，将当前版本标记为删除，然后在一个新的版本中执行修改操作，并附带一个更新后的时间戳。从数据存储的视角看，没有数据修改发生。每一个存储过程启动时，都准确地知道最后一个时间戳标识的数据版本。一旦没有存储过程可能使用这些数据版本，旧版本的快照就会从存储空间删除。
我阐述这些关键的目的是说，MVCC有效地防止了写操作之间的冲突。重点解释一下：
如果两个存储过程试图删除同一数据版本，那么这些存储过程中只有一个将最终被接受。MVCC作为一个统一的机制来检测和防止数据库中的这些冲突。
3.多主数据库复制（Multi-master database replication）
现在我们讨论一下数据库的复制，也就是数据库需要多个备份。很多应用场景需要用到数据库的复制：
- 为了增加系统可靠性。当一个数据库丢失时（数据意外删除或硬盘故障），我们可以立即切换到备份的数据库上；
- 增强系统的吞吐量，特别是当交易量过大，超过了单台服务器的荷载时；
- 降低延迟，针对一切全球性或跨区域的业务，通过在多地部署数据库降低系统的延迟。
如果只涉及到数据库的“读操作”时，数据库的复制是一种理想的解决方案，因为所有复制的数据库都包含相同的数据信息。但是当涉及到数据库的“写操作”时，问题就变得非常棘手，因为我们需要决策，写操作应该在哪里执行以及如何同步到其他数据库中。
最常用的解决思路是使用“主-从”数据库复制模式（master-slave），其中一台数据库（主数据库）被认为是绝对权威的，对数据的任何修改都只能在主数据库上进行，然后通过交易日志的模式，将数据修改同步到其他所有的从数据库上。这使得所有的数据库立即保持同步。
问题是，如果主数据库的修改特别频繁，那么主数据库就成为一个瓶颈，我们希望使用主-从模式解决的可靠性、吞吐量、延迟的问题仍然无法解决。
一个更复杂的解决方案是多主数据库复制模式（multi-master replication），也就是所有的数据库都可以是主数据库，每个数据库都可以执行“写操作”。这种模式下，各个数据之间通过peer-to-peer的方式保持同步。
理论上听起来好像很简单，但是多主数据库模式带来一个新的问题就是冲突可能会出现。如果两个数据库同时对同一个信息进行修改时，如何交换相互的更新信息呢？两个数据库都注意到了一个更新操作的冲突将要发生，它们必须商定一个策略来解决这个冲突。这个东西比较复杂，可以参考MYSQL，SQL Server或Oracle的一些冲突解决策略的案例。
这两个话题（MVCC和multi-master），给我们一个新的启发：
如果我们用多版本并发控制（MVCC），用来防止多主数据库复制（multi-master）发生的冲突，岂不是很好？
嗯，我想这会是非常好的。我相信这正是区块链技术正在做的。
区块链作为一种MVCC
让我们把前面我写的两段话对比一下：
如果两个存储过程试图删除同一数据版本，那么这些存储过程中只有一个将最终被接受。MVCC作为一个统一的机制来检测和防止数据库中的这些冲突。
如果两个交易的输入试图链接同一个输出，那么这些交易中只有一个将被最终接受。区块链作为一个统一的机制来检测和防止网络中的这些冲突。
这两句话基本是一致的，所以我对区块链有个新的定义：（技术上）
区块链提供了一种分布式的多版本并发控制机制。
当然我并不是说，区块链是解决分布式数据库同步问题的一个伟大的通用技术，因为还有其他技术，如Paxos、Raft等都运行的不错。但是我相信，区块链作为一个应用系统有很多闪光的特点：
1）我们接受交易之间的一个短暂的延迟，也就是交易的确认需要一定的时间（这个应该是秒级别的，而不是比特币的10分钟）；
2）如果系统正常运行，冲突的交易是永远不会发生的；
3）每一个交易的容量有限（否则区块链交易就会有一堆数量庞大的输入了）；
4）每个数据库的结构都不大（防止我们区块链不断膨胀）。
上面这几条都是金融（财务）系统普遍采用的标准。金融交易和最终结算通常都有延迟（最长需要3天）。在防止冲突方面，它有合同和规定，以检测欺诈行为，否则其后果可能是严重的。在每一笔交易中涉及的数据量是相当小的，考虑到上面的银行帐户例子。
到目前为止，我分析演示的是区块链作为分布式数据库的另外一种同步的机制。我们再看看区块链其他的特点。
区块链超越MVCC
比特币的交易模式不仅仅是一个输入对应一个输出，即使是最简单的比特币交易都有两个额外的目的。
首先，一个交易是否有效，判断规则中包含了我们的数据库的一些应用逻辑。在一个交易的输入比特币的总数量必须大于输出的总数量。翻译成数据库应用的逻辑，就是数据库事务（与coinbases除外）不允许增加数据库中的比特币总量。这种约束超出常规数据库存储过程的功能，因为它不能解决这个问题。
第二，回顾一下，每一个比特币交易输出中包含编码，它决定哪一个输入可以连接到这个输出上。对于常规的比特币的一个输出，这个编码是基于公钥密码，也就是一个公共地址被嵌入到输出的“脚本”内，它只能使用对应于公共地址的私钥来使用。如果我们认为这是一个数据库某一行数据，我们所拥有的是一个基于公共密钥加密的权限的数据库。此外，每一笔交易提出了一个公开的审计证明了它的创造者有权删除/修改。我相信这是一个真正的新颖的数据库技术。
这两个功能对金融财务系统是非常有用的。
币哪里去了？
比特币是一个美丽的P2P模式的金融系统，但是我们前面讲到了区块链的特点其实并没有依赖“币”而产生。如果我们将交易中的数据信息用来代表一个（或多个）资产，而不是区块链的原生货币，那么区块链就可以完全摆脱“货币”的名义，实现对任何资产的金融应用的安全和共识的达成。
但是只有一个小问题，谁来采矿产生这种共识？在比特币的网络中，匿名的矿工必须进行昂贵的计算，以获得区块链的原生货币（比特币）的奖励，我们还有其他选择吗？
我有一个解决方案，即对矿工采取“雇佣制”，通过支付报酬的方式，授权一部分矿工有采矿的权利。只要矿工的数量足够多，分布足够广，就可能维护区块链的共识的形成。同时，我们也会通过其他规则设计，防止挖矿被少数人控制，并且通过法律合同的约束，防止他们形成团伙。这在比特币网络中是不可能的，但是在高度管制的金融系统是，确实非常现实的。
总结
我希望我说清楚了自己的观点，一个区块链即使没有发行原生货币，也是很有价值的，特别是在真实的金融应用系统中价值将会越来越明显，甚至超越比特币的地位，对于研究企业级区块链的项目实际应该有借鉴意义。
虽然它们有不同的权限模型和经济激励，但是它们在“共享账单”的技术上是一致的，都提供了在一个分布式数据库上，通过区块形成的链的结构形成共识。
作者简介：****张蕾
比特币和区块链研究者
“积分币”创始人
目前从事区块链的项目咨询、项目研发，并开展网络视频教学，网络视频课程《比特币和数字加密货币技术》正在招生。
