区块链核心技术演进之路－算法演进

回首2008年，由次贷危机引发的金融危机蔓延全球，11月份，一篇名为《Bitcoin:A peer-to-peer electronic cash system》的论文横空出世，当时只是在一小戳圈子里被讨论，大概没几个人知道论文的意义。时间的年轮很快转入新的一年，比特币第一版本代码发布，1月4日，创世块被挖出来，5天之后，第二个块产生，比特币网络正式启动，一个自称“中本聪”的人悄悄在互联网应用这片汪洋大海吹起一片涟漪，时至今日，这片涟漪已形成滔滔大浪。

当年能读懂大神论文的人，大多惊讶于这套系统的简洁和完美，甚至有人断言此物一出，开天辟地。如今近乎8年过去，当年看起来近乎完美的系统理念，在各个方面都有长足探索和发展。接下来我将写一系列文章，回顾区块链核心技术演进之路。包括算法演进，挖矿演进，共识机制演进，代币演进，隐私的演进，以及容量和速率的演进等。题目比较大，抛砖引玉，望读者指正和补充。

算法演进

关于“算法”一词，目前国内用户使用的比较模糊，有时指共识机制，比如POW算法，POS算法；有时指具体的Hash算法，比如SHA256，SCRYPT。应该说这是由于早期从外文资料翻译过来概念模糊导致的错误，后来人云亦云。共识机制（以前一般叫Proof，现在经常使用Consensus）和算法（Algorithm）在英文资料里语义清晰，不能混为一谈，两者都是区块链技术体系里的重要支柱。

因此当我们说“X币使用Y算法”的时候，其实具体指的是采用何种Hash算法，而且隐含的前提条件是这个币使用POW证明方式。只有在POW下讨论选取何种算法才有意义，算法的各种复杂设计才能体现其用处。为什么呢，中本聪在设计比特币的时候其实有很多地方用到Hash函数，比如计算区块ID，计算交易ID，构造代币地址等。我们说的算法具体是指用何种Hash函数计算区块ID，所谓算法创新也就是在这个地方下功夫。此外其他任何用到Hash函数的地方，对计算难度没有要求，而且应该选用可以快速运算的算法，尤其在计算交易ID时候，不然影响区块链同步速度。因此如果选用POS方式，计算区块ID也应该使用容易运算的算法。

Hash函数

如上所言，我们经常说的POW算法本质是一个Hash函数。Hash函数是一个无比神奇的东西，说他替中本聪打下了半壁江山一点不为过，学习比特币应该从学习Hash函数入手，理解了Hash函数再去学比特币原理将事半功倍，不然将处处感觉混沌，难以开窍。而中本聪也将Hash函数的所有特性使用得淋漓尽致：

已经有很多Hash函数被设计出来并广泛应用，不过Hash函数一般安全寿命都不长，被认为安全的算法往往没能使用多久就被成功攻击，新的更安全的算法相继被设计出来，而每一个被公认为安全可靠的算法都有及其严格的审计过程。在币圈中我们经常说某某币发明了某种算法，其实主要都是使用那些被认证过的安全算法，或是单独使用，或是排列组合使用。

SHA256

SHA (Secure Hash Algorithm，译作安全散列算法) 是美国国家安全局 (NSA) 设计，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 发布的一系列密码散列函数，经历了SHA-0，SHA-1，SHA-2，SHA-3系列发展。NSA于2007年正式宣布在全球范围内征集新新一代（SHA-3）算法设计，2012年公布评选结果， Keccak算法最终获胜成为唯一官方标准SHA-3算法，但还有四种算法同时进入了第三轮评选，分别是：BLAKE, GrøSTL, JH和SKEIN，这些算法其实也非常安全，而且经受审查，被各种竞争币频繁使用。

比特币采用SHA256算法，该算法属于SHA-2系列，在中本聪发明比特币时（2008）被公认为最安全最先进的算法之一。除了生成地址中有一个环节使用了REPID-160算法，比特币系统中但凡有需要做Hash运算的地方都是用SHA256。随着比特币被更多人了解，大家开始好奇中本聪为何选择了SHA256，同时对SHA256的安全性发表各种意见，SHA256妥妥经受了质疑，到目前为止，没有公开的证据表明SHA256有漏洞，SHA256依然牢牢抗住保卫比特币安全的大旗。当然大家心里都明白，没有永远安全的算法，SHA256被替代是早晚的事，中本聪自己也说明了算法升级的必要和过程。

SCRYPT

后来随着显卡挖矿以及矿池的出现，社区开始担心矿池会导致算力集中，违背中本聪“一CPU一票”的最初设计理念。在那段时间，中心化的焦虑非常严重，讨论很激烈，比特币一次又一次“被死亡”，直到现在，针对矿池是否违背去中心化原则的争论仍在继续。
无论如何，有人将矛头指向SHA256，认为是算法太容易导致矿机和矿池出现，并试图寻找更难的算法。
恰逢其时，使用SCRYPT算法的莱特币（Litecoin）横空出世。据说SCRYPT是由一位著名的黑客开发，由于没有得到诸如SHA系列的严格的安全审查和全面论证，一直没被广泛推广使用。与SHA256算法相比，SCRYPT占用的内存更多，计算时间更长，并行计算异常困难，对硬件要求很高。很显然，SCRYPT算法具有更强的抵御矿机性，莱特币还将区块时间改为2.5分钟，在那个山寨币还凤毛麟角年代，莱特币依靠这两点创新大获成功，长期稳坐山寨币第一宝座位置。
后来有人在SCRYPT的基础上稍作修改形成Scrypt –N算法，改进思路都一样，都是追求更大的内存消耗和计算时间，以有效阻止ASIC专用矿机。
很快，莱特币的成功催生了各种各样的算法创新，2012至2014年间，算法创新一直都是社区讨论的热门话题，每一个使用创新算法的币种出现，都能刮起一阵波澜。

串联算法

重新排列组合是人类一贯以来最常用的创新发明方法。很快，有人不满足于使用单一Hash函数，2013年7月，夸克币（Quark）发布，首创使用多轮Hash算法，看似高大上，其实很简单，就是对输入数据运算了9次hash函数，前一轮运算结果作为后一轮运算的输入。这9轮Hash共使用6种加密算法，分别为BLAKE, BMW, GROESTL, JH, KECCAK和SKEIN，这些都是公认的安全Hash算法，并且早已存在现成的实现代码。
这种多轮Hash一出现就给人造成直观上很安全很强大的感觉，追捧者无数。现今价格依然坚挺的达世币（DASH，前身是暗黑币，Darkcoin，）接过下一棒，率先使用11种加密算法（BLAKE, BMW, GROESTL, JH, KECCAK, SKEIN, LUFFA, CUBEHASH, SHAVITE, SIMD, ECHO），美其名曰X11，紧接着X13，X15这一系列就有人开发出来了。
S系列算法实际是一种串联思路，只要其中一种算法被破解，整个算法就被破解了，好比一根链条，环环相扣，只要其中一环断裂，整个链条就一分为二。

并联算法

有人串联，就有人并联，Heavycoin（HVC）率先做了尝试。HVC如今在国内名不见经传，当时还是名噪一时，首次实现链上游戏，作者是俄罗斯人，后来不幸英年早逝，在币圈引起一阵惋惜。
HVC算法细节：

1. 对输入数据首先运行一次HEFTY1（一种Hash算法）运算，得到结果d1
2. 以d1为输入，依次进行SHA256、KECCAK512、GROESTL512、BLAKE512运算，分别获得输出d2,d3,d4和d5
3. 分别提取d2-d5前64位，混淆后形成最终的256位Hash结果，作为区块ID。

之所以首先进行一轮HEFTY1 哈希，是因为HEFTY1 运算起来极其困难，其抵御矿机性能远超于SCRYPT。但与SCRYPT一样，安全性没有得到某个官方机构论证，于是加入后面的四种安全性已经得到公认的算法增强安全。
对比串联和并联的方法，Quark、X11，X13等虽使用了多种HASH函数，但这些算法都是简单的将多种HASH函数串联在一起，仔细思考，其实没有提高整体的抗碰撞性，其安全性更是因木桶效应而由其中安全最弱的算法支撑，其中任何一种Hash函数遭遇碰撞性攻击，都会危及货币系统的安全性。
HVC从以上每种算法提取64位，经过融合成为最后的结果，实际上是将四种算法并联在一起，其中一种算法被破解只会危及其中64位，四中算法同时被破解才会危及货币系统的安全性。
比特币只使用了一种Hash算法，假如未来某日SHA256被证明不再安全时，虽然可以更该算法，但考虑到如今“硬分叉猛于虎”的局面，届时引发动荡不可避免，但如果使用并联算法，就可以争取平静的硬分叉过渡时间。

PRIMECOIN

正当一部分人在算法探索之路上进行的如火如荼之时，另一部分人的声音也非常刺耳，那就是指责POW浪费能源（彼时POS机制已经实现）。POW党虽极力维护，但也承认耗费能源这一事实。这一指责打开了另一条探索之路，即如果能找到一种算法，既能维护区块链安全，这些Hash运算又能在其他方面产生价值，那简直更完美。

在这条探索之路上最让人振奋人心的成果来自于Sunny King（这大神之前已经开发了Peercoin，点点币）发明的素数币（Primecoin）。素数币算法的核心理念是：在做Hash运算的同时寻找大素数。素数如今已被广泛应用于各个领域，但人类对他的认识还是有限。素数在数轴上不但稀有（相对于偶数而言），而且分布不规律，在数轴上寻找素数只能盲目搜索探测，这正是POW的特征。
POW还有另一个要求是容易验证，这方面人类经过几百年探索已经获得一些成果。素数币使用两种方法测试，首先进行费马测试（Fermat Test），通过则再进行欧拉-拉格朗日-立夫习兹测试（Euler-Lagrange-Lifchitz Test），还通过测试则被视为是素数。需要指出的是，这种方法并不能保证通过测试的数百分百是素数，不过这并不影响系统运行，即便测试结果错误，只要每个节点都认为是素数就行。
素数币其实找的是素数链-坎氏链，存在三个特定类型的坎氏素数链：第一类坎氏链，第二类坎氏链和双坎氏链。

举第一类来说明，规则是：素数链中每个数都是前一个数的两倍减一，比如：
1531，3061，6121，12241，24481
数列的下一个数48961(24481*2-1)不是素数，因而这个坎氏链的长度是5，素数币的目标就是探索更长的坎氏链（以上三类都可以）。
那么现在最重要的问题来了，如何用坎氏链来验证一个区块是否合格呢？素数币实现的细节是这样的：

1. 计算中本聪区块头Hash，hashBlockHeader = SHA256(BlockHeader)
2. 通过变换获得坎氏链的第一个数：originNum = hashBlockHeader * Multiplier

获取originNum之后就可以测试并计算素数链长度的整数部分，小数部分的计算与坎氏链最后一个非素数的跨度相关。
每个区块的乘积因子Multiplier各不相同，计算过程和hashBlockHeader相关，素数币为此对区块头进行修改，专门增加一个字段（bnPrimeChainMultiplier）来存放这个乘积因子。但是以上第一步计算hashBlockHeader时输入数据并不包含这个乘积因子，这也是为啥特别指出中本聪区块头。
由于素数在数轴上分布不均匀，且根据目前掌握的知识来看，数越大，素数越稀有，寻找难度并不是线性递增，耗时也就不可预估，但是区块链要求稳定出块。正因为这点，素数币算法没有得到热捧，但这种探索并非没有意义，利用POW工作量的“幻想”并没有停止，探索还在继续。

ETHASH

以太坊（Ethereum）一开始就打算使用POS方式，但由于POS设计存在一些问题，开发团队决定在以太坊1.0阶段使用POW方式，预计在Serenity阶段转入POS。

以太坊POW算法叫Ethash，虽只是一个过渡算法，但开发团队一点也不含糊，一如既往发扬其“简单问题复杂化，繁琐细节秀智商”的设计风格。Ethash 是最新版本的 Dagger-Hashimoto改良算法，是Hashimoto算法结合Dagger算法产成的一个新变种。Ethash设计时就明确两大目标：

1. 抵御矿机性能（ASIC-resistance），团队希望CPU也能参与挖矿获得收益。
2. 轻客户端可快速验证（Light client verifiability）。

基于以上两个目标，开发团队最后倒腾出来的Ethash挖矿时基本与CPU性能无关，却和内存大小和内存带宽成正相关。不过在实现上还是借鉴了SHA3的设计思路，但是使用的”SHA3_256” ,”SHA3_512”与标准实现很不同。
Ethash基本流程是这样的：对于每一个块，首先计算一个种子（seed），该种子只和当前块的信息有关；然后根据种子生成一个32M的随机数据集（Cache）；紧接着根据Cache生成一个1GB大小的数据集合（DAG），DAG可以理解为一个完整的搜索空间，挖矿的过程就是从DAG中随机选择元素（类似于比特币挖矿中查找合适Nonce）再进行哈希运算。可以从Cache快速计算DAG指定位置的元素，进而哈希验证。此外还要求对Cache和DAG进行周期性更新，每1000个块更新一次，并且规定DAG的大小随着时间推移线性增长，从1G开始，每年大约增长7G左右。

EQUIHASH

最近在国内发展势头最猛的莫过于Zcash，该币种最大的特点是使用零知识证明实现隐私交易。距离发布还有几天，但从社区讨论来看，各方矿工都已在磨刀霍霍。Zcash对于算法的选择非常慎重，在先后考量了SHA256D，SCRYPT，CUCKOO HASH以及LYRA2等算法后，最终选择Equihash。
Equihash算法由Alex Biryukov 和 Dmitry Khovratovich联合发明，其理论依据是一个著名的计算法科学及密码学问题——广义生日悖论问题。Equihash是一个内存（ARM）依赖型算法，机器算力大小主要取决于拥有多少内存，根据两位发明者的论文描述，该算法执行至少需要700M内存，1.8 GHz CPU计算30秒，经Zcash项目优化后，目前每个挖矿线程需要1G内存，因此Zcash官方认为该算法在短时间内很难出现矿机（ASIC）。此外，Zcash官方还相信该算法比较公平，他们认为很难有人或者机构能够对算法偷偷进行优化，因为广义生日悖论是一个已经被广泛研究的问题。此外，Equihash算法非常容易验证，这对于未来在受限设备上实现Zcash轻客户端非常重要。
Zcash官方团队选择Equihash完全出于抵御矿机性能的需求，他们在官方博客中也承认并不敢确保Equihash一定是安全的，并表示如果发现Equihash存在问题，或者发现更优算法，Zcash会改变POW算法。

总结

随着比特币、莱特币矿机相继出现，大家已经认识到没有不能开发矿机的算法，想通过改进算法来彻底阻止矿机和矿池的出现是不可能的。另外，从近几年的发展来看，矿池也没有之前想的那么可怕，甚至已经有人论证了矿池并没有破坏去中心化。但除了安全性，POW往往伴随分发代币功能，从这个角度来说，CPU算法更具公平性，用户门槛更低，这也是算法创新的驱动，从Ethash以及Equihash设计来看，目前的算法创新仍然是以追求内存高消耗为主。以此同时，社区在共识机制的探索之路上也取得很多成果。纵观当前区块链核心技术发展全局，算法创新热潮已经有所消退，但也未停止，于比特币，于区块链，于算法探索而言，都还在路上。