區(qū)塊鏈加密機制的不同算法及其原理解析

區(qū)塊鏈世界通過共識算法、加密、點對點網(wǎng)絡以及獎勵機制等，可以形成一個自治的社區(qū)，形成一個通過挖礦機制（POW）來達成一種不通過中心機構來達成的信任，最終實現(xiàn)點對點的價值流通。談到不同的共識機制，就有很多話題可以說了，甚至可以說區(qū)塊鏈的發(fā)展就一直伴隨著共識機制以及算法的改進，那我們就來介紹一下不同的共識機制、算法及其原理：其實關于共識機制和算法，現(xiàn)在經常被混于一談，但是要分辨開來的話，那就是機制主要是指POW，POS與DPOS，算法則主要指的是POW下的各種算法。在EKT中Token鏈是一個并行多鏈的結構，多鏈多共識，共享用戶基礎，這也意味著使用EKT公鏈，可以把Token鏈和Dapp鏈分離，并自由的選擇共識算法和加密算法。首先我們介紹一下POW機制里所采用的各種算法：

【Hash函數(shù)】

如上所言，我們經常說的POW算法本質是一個Hash函數(shù)。Hash函數(shù)是一個無比神奇的東西，說他替中本聰打下了半壁江山一點不為過，學習比特幣應該從學習Hash函數(shù)入手，理解了Hash函數(shù)再去學比特幣原理將事半功倍，不然將處處感覺混沌，難以開竅。而中本聰也將Hash函數(shù)的所有特性使用得淋漓盡致：已經有很多Hash函數(shù)被設計出來并廣泛應用，不過Hash函數(shù)一般安全壽命都不長，被認為安全的算法往往沒能使用多久就被成功攻擊，新的更安全的算法相繼被設計出來，而每一個被公認為安全可靠的算法都有及其嚴格的審計過程。在區(qū)塊鏈世界中我們經常說某某幣發(fā)明了某種算法，其實主要都是使用那些被認證過的安全算法，或是單獨使用，或是排列組合使用。

礦工在處理交易數(shù)據(jù)（對數(shù)據(jù)也是進行哈希）的同時不斷的進行哈希計算，求得一位前23位為0的哈希值，這個值成為nonce黃金數(shù)。當全網(wǎng)有一位礦工哈希出nonce時，他就會把自己打包的區(qū)塊公布出去，其他節(jié)點收到區(qū)塊驗證區(qū)塊后就會一致性認為這個區(qū)塊接到了區(qū)塊鏈上，就繼續(xù)進行下一個區(qū)塊的打包和哈希計算。在這個過程中，中本聰是通過算力的比拼犧牲了一部分最終一致性（因為會有分叉的產生）并且需要等待多個確認，但是這種簡單暴力的方法卻保證了整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的合法性，而且把區(qū)塊鏈系統(tǒng)的健壯性提升到極致，就算全網(wǎng)只剩下一個節(jié)點運行，這個區(qū)塊鏈系統(tǒng)還是會繼續(xù)運行下去。

最后POW也充分提高了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性，依靠51%攻擊理論去破壞區(qū)塊鏈系統(tǒng)是在以往被認為只有政府或者瘋子才會采取的方法。但最近似乎在比特黃金這個項目上，有人真的嘗試控制50%以上算力并改寫了。

【SHA256算法】

SHA （Secure Hash Algorithm，譯作安全散列算法） 是美國國家安全局 （NSA） 設計，美國國家標準與技術研究院 （NIST） 發(fā)布的一系列密碼散列函數(shù)，經歷了SHA-0，SHA-1，SHA-2，SHA-3系列發(fā)展。NSA于2007年正式宣布在全球范圍內征集新新一代（SHA-3）算法設計，2012年公布評選結果， Keccak算法最終獲勝成為唯一官方標準SHA-3算法，但還有四種算法同時進入了第三輪評選，分別是：BLAKE， Gr?STL， JH和SKEIN，這些算法其實也非常安全，而且經受審查，被各種競爭幣頻繁使用。比特幣采用SHA256算法，該算法屬于SHA-2系列，在中本聰發(fā)明比特幣時（2008）被公認為最安全最先進的算法之一。除了生成地址中有一個環(huán)節(jié)使用了REPID-160算法，比特幣系統(tǒng)中但凡有需要做Hash運算的地方都是用SHA256。

隨著比特幣被更多人了解，大家開始好奇中本聰為何選擇了SHA256，同時對SHA256的安全性發(fā)表各種意見，SHA256妥妥經受了質疑，到目前為止，沒有公開的證據(jù)表明SHA256有漏洞，SHA256依然牢牢抗住保衛(wèi)比特幣安全的大旗。當然大家心里都明白，沒有永遠安全的算法，SHA256被替代是早晚的事，中本聰自己也說明了算法升級的必要和過程。

【SCRYPT算法】

后來隨著顯卡挖礦以及礦池的出現(xiàn)，社區(qū)開始擔心礦池會導致算力集中，違背中本聰“一CPU一票”的最初設計理念。在那段時間，中心化的焦慮非常嚴重，討論很激烈，比特幣一次又一次“被死亡”，直到現(xiàn)在，針對礦池是否違背去中心化原則的爭論仍在繼續(xù)。無論如何，有人將矛頭指向SHA256，認為是算法太容易導致礦機和礦池出現(xiàn)，并試圖尋找更難的算法。恰逢其時，使用SCRYPT算法的萊特幣（Litecoin）橫空出世。

據(jù)說SCRYPT是由黑客開發(fā)，由于沒有得到諸如SHA系列的嚴格的安全審查和全面論證，一直沒被廣泛推廣使用。與SHA256算法相比，SCRYPT占用的內存更多，計算時間更長，并行計算異常困難，對硬件要求很高。很顯然，SCRYPT算法具有更強的抵御礦機性，萊特幣還將區(qū)塊時間改為2.5分鐘，在那個山寨幣還鳳毛麟角年代，萊特幣依靠這兩點創(chuàng)新大獲成功，長期穩(wěn)坐山寨幣第一寶座位置。后來有人在SCRYPT的基礎上稍作修改形成Scrypt –N算法，改進思路都一樣，都是追求更大的內存消耗和計算時間，以有效阻止ASIC專用礦機。很快，萊特幣的成功催生了各種各樣的算法創(chuàng)新，2012至2014年間，算法創(chuàng)新一直都是社區(qū)討論的熱門話題，每一個使用創(chuàng)新算法的幣種出現(xiàn)，都能刮起一陣風波。

【串聯(lián)算法】

重新排列組合是人類一貫以來最常用的創(chuàng)新發(fā)明方法。很快，有人不滿足于使用單一Hash函數(shù)，2013年7月，夸克幣（Quark）發(fā)布，首創(chuàng)使用多輪Hash算法，看似高大上，其實很簡單，就是對輸入數(shù)據(jù)運算了9次hash函數(shù)，前一輪運算結果作為后一輪運算的輸入。

這9輪Hash共使用6種加密算法，分別為BLAKE， BMW， GROESTL， JH， KECCAK和SKEIN，這些都是公認的安全Hash算法，并且早已存在現(xiàn)成的實現(xiàn)代碼。這種多輪Hash一出現(xiàn)就給人造成直觀上很安全很強大的感覺，追捧者無數(shù)?，F(xiàn)今價格依然堅挺的達世幣（DASH，前身是暗黑幣，Darkcoin，）接過下一棒，率先使用11種加密算法（BLAKE， BMW， GROESTL， JH， KECCAK， SKEIN， LUFFA， CUBEHASH， SHAVITE， SIMD， ECHO），美其名曰X11，緊接著X13，X15這一系列就有人開發(fā)出來了。S系列算法實際是一種串聯(lián)思路，只要其中一種算法被破解，整個算法就被破解了，好比一根鏈條，環(huán)環(huán)相扣，只要其中一環(huán)斷裂，整個鏈條就一分為二。

【并聯(lián)算法】

有人串聯(lián)，就有人并聯(lián)，Heavycoin（HVC）率先做了嘗試。HVC如今在國內名不見經傳，當時還是名噪一時，首次實現(xiàn)鏈上游戲，作者是俄羅斯人，后來不幸英年早逝，在幣圈引起一陣惋惜。

HVC算法細節(jié)：

a. 對輸入數(shù)據(jù)首先運行一次HEFTY1（一種Hash算法）運算，得到結果d1

b. 以d1為輸入，依次進行SHA256、KECCAK512、GROESTL512、BLAKE512運算，分別獲得輸出d2，d3，d4和d5

c. 分別提取d2-d5前64位，混淆后形成最終的256位Hash結果，作為區(qū)塊ID。

之所以首先進行一輪HEFTY1 哈希，是因為HEFTY1 運算起來極其困難，其抵御礦機性能遠超于SCRYPT。但與SCRYPT一樣，安全性沒有得到某個官方機構論證，于是加入后面的四種安全性已經得到公認的算法增強安全。對比串聯(lián)和并聯(lián)的方法，Quark、X11，X13等雖使用了多種HASH函數(shù)，但這些算法都是簡單的將多種HASH函數(shù)串聯(lián)在一起，仔細思考，其實沒有提高整體的抗碰撞性，其安全性更是因木桶效應而由其中安全最弱的算法支撐，其中任何一種Hash函數(shù)遭遇碰撞性攻擊，都會危及貨幣系統(tǒng)的安全性。

HVC從以上每種算法提取64位，經過融合成為最后的結果，實際上是將四種算法并聯(lián)在一起，其中一種算法被破解只會危及其中64位，四中算法同時被破解才會危及貨幣系統(tǒng)的安全性。比特幣只使用了一種Hash算法，假如未來某日SHA256被證明不再安全時，雖然可以更該算法，但考慮到如今“硬分叉猛于虎”的局面，屆時引發(fā)動蕩不可避免，但如果使用并聯(lián)算法，就可以爭取平靜的硬分叉過渡時間。

【EKT的選擇】

EKT的中心思想是設計一個社區(qū)的機制，讓開發(fā)者可以輕易的開發(fā)一個DAPP，其他的交給EKT來處理。由于貨幣需要一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，智能合約設計的越復雜出錯的可能性就越高，所以在早期中本聰認為貨幣系統(tǒng)是不需要圖靈完備的語言的，比特幣之所以不支持智能合約也是覺得貨幣需要極高的穩(wěn)定性。那么，如何運行區(qū)塊鏈里保持貨幣穩(wěn)定的同時又可以開發(fā)Dapp呢？有一種比較好的解決辦法就是把Token鏈和DApp鏈分開。 在EKT中Token鏈是一個并行多鏈的結構，多鏈多共識，共享用戶基礎。設計并行多鏈有兩個原因：

1. 每個Token發(fā)行者或者鏈的發(fā)行者對共識的要求是不同的，對去中心化程度要求比較高的可以選擇PoW，對TPS要求比較高的可以選擇DPOS，每個鏈的Token進行交易的時候消耗的是當前鏈的主幣作為交易費，也提高了發(fā)行鏈的靈活性。

2. 并行多鏈可以共享用戶，不同鏈的擁有者是一個互利關系，可以很方便的進行不同鏈的資產轉移，而且多鏈并行理論上整個網(wǎng)絡的TPS是沒有上限的。

在EKT中Token鏈是一個并行多鏈的結構，多鏈多共識，共享用戶基礎，這也意味著使用EKT公鏈，可以把Token鏈和Dapp鏈分離，并自由的選擇加密算法。 在項目初期，EKT 除了默認提供的 DPOS 共識算法以外，還會陸續(xù)支持工作量證明（POW）以及股權證明機制（POS）。 用戶在基于 EKT 主鏈的代碼部署自己的主鏈時，可以選擇使用哪種共識算法。在部署完以后再去 EKT 的客戶端中進行注冊。共識算法一旦選定就會記入 EKT 主鏈，不可更改。至于為何EKT在一開始就越過了POW算法，直接在主鏈上選擇了DPOS共識。

由于貨幣需要一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，智能合約設計的越復雜出錯的可能性就越高，所以在早期中本聰認為貨幣系統(tǒng)是不需要圖靈完備的語言的，比特幣之所以不支持智能合約也是覺得貨幣需要極高的穩(wěn)定性。在上面我們了解了EKT中的Token鏈是一個并行多鏈的結構，多鏈多共識，共享用戶基礎，這也意味著使用EKT公鏈，可以把Token鏈和Dapp鏈分離，并自由的選擇共識算法和加密算法。用戶在基于 EKT 主鏈的代碼部署自己的主鏈時，可以選擇使用哪種共識算法。本篇我們將繼續(xù)探討為何EKT從一開始就越過了POW算法，直接在主鏈上選擇了DPOS共識。我們繼續(xù)回顧POW機制里所采用的一些算法：

【有價值的POW挖礦？】

正當一部分人在越來越復雜的算法探索之路上越走越遠時，另一部分“環(huán)保人士”也提出了尖銳的批評，那就是指責POW浪費能源。雖然彼時POS機制已經實現(xiàn)，但顯然所有礦工都不愿意輕易承認自己的礦機/顯卡正在干一件毫無意義的蠢事。POW黨雖極力維護，但也承認耗費能源這一事實。這一指責打開了另一條探索之路，即如果能找到一種算法，既能維護區(qū)塊鏈安全，這些Hash運算又能在其他方面產生價值，那簡直完美在這條探索之路上最讓人振奮人心的成果來自于Sunny King（這個人之前已經開發(fā)了Peercoin，即著名的點點幣）發(fā)明的素數(shù)幣（Primecoin）。

素數(shù)幣算法的核心理念是：在做Hash運算的同時尋找大素數(shù)。素數(shù)如今已被廣泛應用于各個領域，但人類對他的認識還是有限。質數(shù)在數(shù)學界中，存在著很多的疑難問題，比如著名的哥德巴赫猜想、黎曼猜想、孿生質數(shù)猜想、費馬數(shù)、梅森質數(shù)等等，這些問題的解決，可以對人類的科學技術的發(fā)展，起到非常重要的促進作用。素數(shù)在數(shù)軸上不但稀有（相對于偶數(shù)而言），而且分布不規(guī)律，在數(shù)軸上尋找素數(shù)只能盲目搜索探測，這正是POW的特征。質數(shù)幣發(fā)布以后，憑借其全新的創(chuàng)意和對數(shù)學學術界帶來的貢獻，引起電子貨幣行業(yè)極大關注。質數(shù)幣是全世界第一個為數(shù)學問題而提出的電子貨幣，號稱挖礦運算有實用科研貢獻的加密貨幣。

POW還有另一個要求是容易驗證，這方面人類經過幾百年探索已經獲得一些成果。素數(shù)幣使用兩種方法測試，首先進行費馬測試（Fermat Test），通過則再進行歐拉-拉格朗日-立夫習茲測試（Euler-Lagrange-Lifchitz Test），依次通過測試則被視為是素數(shù)。需要指出的是，這種方法并不能保證通過測試的數(shù)百分百是素數(shù)，不過這并不影響系統(tǒng)運行，即便測試結果錯誤，只要每個節(jié)點都認為是素數(shù)就行。

由于素數(shù)在數(shù)軸上分布不均勻，且根據(jù)目前掌握的知識來看，數(shù)越大，素數(shù)越稀有，尋找難度并不是線性遞增，耗時也就不可預估，但是區(qū)塊鏈要求穩(wěn)定出塊。正因為這點，素數(shù)幣算法沒有得到熱捧，但這種探索并非沒有意義，利用POW工作量的“幻想”并沒有停止，探索還在繼【以太坊的選擇】以太坊（Ethereum）其實在一開始就計劃使用POS方式，但由于POS設計存在一些問題，開發(fā)團隊決定在以太坊1.0階段使用POW方式，預計在Serenity階段轉入POS（CasperFFG）。

由于比特幣的PoW算法是計算困難型，所以導致了ASIC專業(yè)礦機的出現(xiàn)，從而導致了挖礦中心化。以太坊吸取了比特幣的教訓，專門設計了Ethash，它是內存困難型算法，它的特點是挖礦的效率與計算關聯(lián)度不大，而與內存的性能正相關。雖只是一個過渡算法，但開發(fā)團隊一點也不含糊，采取了一種非常繁瑣的設計風格。Ethash 是Dagger-Hashimoto改良算法，是Hashimoto算法結合Dagger算法產成的一個新變種。

該算法的基本流程如下：

1）通過掃描區(qū)塊頭得到一個種子seed；

2）通過該種子產生一個16M的偽隨機緩存；

3）基于緩存生成大約1GB的數(shù)據(jù)集（內存），稱為DAG。DAG中的每一個元素由緩存中的某幾個元素計算產生，也就是說，只要有緩存，就可以快速地計算出DAG中指定位置的元素；

4）“礦工”從DAG中隨機選擇元素并對其進行Hash運算，DAG是一個完整的搜索空間，挖礦的過程就是從DAG中隨機選擇元素（類似比特幣挖礦中試探合適nonce的過程）進行Hash運算。

5）驗證者只需要利用緩存就可以驗證Hash運算的正確性。

注：緩存和DAG中每增加30000個區(qū)塊（即5.2天）更新一次，所以Ethash的主要時間消耗在從DAG中讀取數(shù)據(jù)，而DAG一般存儲在內存，所以主要瓶頸在內存性能以及它的帶寬。以太坊初期100%采用PoW挖礦，但是挖礦的難度除了因為算力增長而增加之外，還有一個額外的難度因子呈指數(shù)級增加，這就是難度炸彈（Difficulty Bomb）。

由于PoS的運用將會降低挖礦的門檻，因為礦工不需要再去購買價格高昂的硬件礦機，只需要購買一定數(shù)量的ETH，將其作為保證金通過權益證明的方式驗證交易有效性，即可拿到一定的獎勵。因此，對礦工來說他們花高價購買的礦機將無用武之地，這勢必會引起礦工的不滿。為了防止PoW轉PoS的過程中礦工聯(lián)合起來抵制，從而分叉出兩條以太坊區(qū)塊鏈，難度炸彈被引入。難度炸彈指的是計算難度時除了根據(jù)出塊時間和上一個區(qū)塊難度進行調整外，加上了一個每十萬個區(qū)塊呈指數(shù)型增長的難度因子。

2017年10月，由于以太坊基金會還在為過渡到其混合PoS系統(tǒng)Casper奠定基礎，以太坊將拆除“難度炸彈”的計劃推遲了一年。但是隨著以太坊轉POS的日程漸進，一旦以太坊轉移到PoS，ETC的網(wǎng)絡（已于5月30日，在5900000區(qū)塊高度硬分叉移除了“難度炸彈”）可能會有希望以當前形式繼承大部分專供ETH的挖礦哈希算力。當大量算力涌入ETC，而其區(qū)塊產出不變時，有可能會因為挖礦成本的上升而引起幣價躍升。

【零知識證明】

加密貨幣世界里，實現(xiàn)“全匿名”的，風頭最勁的莫過于Zcash，該幣種最大的特點是使用零知識證明實現(xiàn)隱私交易。Zcash對于算法的選擇非常慎重，在先后考量了SHA256D，SCRYPT，CUCKOO HASH以及LYRA2等算法后，最終選擇Equihash。Equihash算法由Alex Biryukov 和 Dmitry Khovratovich聯(lián)合發(fā)明，其理論依據(jù)是一個著名的計算法科學及密碼學問題——廣義生日悖論問題。零知識證明能夠成立需要具備三個要素，即完整性、可靠性和零知識。

舉個例子來說就是，假設有一個環(huán)形走廊，出口和入口相鄰但不互通（在目測距離之內），在這個環(huán)形走廊中間的某處有一道鎖起來的門，只有擁有鑰匙的人才可以通過；這時A要向B證明自己擁有打開這道門的鑰匙，用零知識量證明來解決就是，B看著A走進入口并在出口等待，如果A從入口進入通過走廊并從出口走出，則可以證明其擁有打開中間那扇門的鑰匙，而在這個過程中，他完全不用向B提供鑰匙的具體信息。所以零知識證明實際上是一種概率證明而非確定性證明。

Zcash現(xiàn)在采用的Equihash是一個內存（ARM）依賴型算法，機器算力大小主要取決于擁有多少內存，根據(jù)兩位發(fā)明者的論文描述，該算法執(zhí)行至少需要700M內存，1.8 GHz CPU計算30秒，經Zcash項目優(yōu)化后，目前每個挖礦線程需要1G內存，因此Zcash官方認為該算法在短時間內很難出現(xiàn)礦機（ASIC）。此外，Zcash官方還相信該算法比較公平，他們認為很難有人或者機構能夠對算法偷偷進行優(yōu)化，因為廣義生日悖論是一個已經被廣泛研究的問題。此外，Equihash算法非常容易驗證，這對于未來在受限設備上實現(xiàn)Zcash輕客戶端非常重要。

【EKT的選擇】

那么什么是DPoS呢？ 首先我們知道在POS陣營里，你獲得幣的量是由你之前獲得幣的量來確定的。DPoS機制它的原理是讓每一個持有幣的人進行投票，由此產生K位代表 ， 我們可以將其理解為K個超級節(jié)點或者礦池，而這K個超級節(jié)點彼此的權利是完全相等的。從某種角度來看，DPOS有點像是議會制度或人民代表大會制度。如果代表不能履行他們的職責（當輪到他們時，沒能生成區(qū)塊），他們會被除名，網(wǎng)絡會選出新的超級節(jié)點來取代他們。

這種機制可以說是目前比較好的兼容了公平于效率的辦法。EKT的中心思想是設計一個社區(qū)的機制，讓開發(fā)者可以輕易的開發(fā)一個DAPP，其他的交給EKT來處理。而EKT的主鏈就選取了DPoS的機制來確保其長期的穩(wěn)定性和高性能。由于貨幣需要一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，智能合約設計的越復雜出錯的可能性就越高，所以在早期中本聰認為貨幣系統(tǒng)是不需要圖靈完備的語言的，比特幣之所以不支持智能合約也是覺得貨幣需要極高的穩(wěn)定性。

目前主流的區(qū)塊鏈性能瓶頸問題突出， 區(qū)塊鏈處理能力受制于單個節(jié)點的處理能力，這限制了區(qū)塊鏈的處理速度，也浪費了整個網(wǎng)絡大量的處理能力，隨著更多的節(jié)點加入到網(wǎng)絡， 網(wǎng)絡流量增加會使系統(tǒng)性能顯著降低。那么，如何運行區(qū)塊鏈里保持貨幣穩(wěn)定的同時又可以開發(fā)Dapp呢？有一種比較好的解決辦法就是把Token鏈和DApp鏈分開。那么如何能建立一個正反饋的，良性運行的社區(qū)呢？最關鍵的特性指標其實在于TPS和延遲。

平日大家吐槽最多的是TPS，其實在比特幣或者以太坊上，即使TPS上去了，延遲也下不來。因為POW挖礦的原因，全網(wǎng)同步區(qū)塊總是需要一段時間。在EKT中，允許一些執(zhí)行順序不同對全局一致性沒有影響的事件可以在區(qū)塊打包前執(zhí)行（其實應用中大部分都是這樣的事件），然后對時序性有要求的事件區(qū)塊打包后執(zhí)行，這樣可以實現(xiàn)大部分事件的秒級確認和執(zhí)行。其實就是把一些事件先異步執(zhí)行，然后區(qū)塊打包的時候進行一致性校驗。這樣就能較好的降低延遲。

在項目初期，EKT 除了默認提供的 DPOS 共識算法以外，還會陸續(xù)支持工作量證明（POW）以及股權證明機制（POS）。 用戶在基于 EKT 主鏈的代碼部署自己的主鏈時，可以選擇使用哪種共識算法（會陸續(xù)支持包括前文提到的任意一種）。在部署完以后再去 EKT 的客戶端中進行注冊。以上就是我對區(qū)塊鏈加密機制的一些思考，和一些在設計EKT的多鏈多共識，Token鏈和DAPP鏈分離的解決思路。