作者 | 谭磊

　　责编 | 仲培艺

　　区块链是互联网未来十年中举足轻重的技术

　　区块链（Blockchain），或者说分布式账本（DLT, Distributed Ledger Technology）最早是起源于比特币的一个重要概念，其本质上是一个去中心化的数据库。区块链系统能够大幅度降低成本，减少风险和管理成本，提升流动性，增加创新产品和服务的机会。可以说，和大数据、云计算、人工智能一样，区块链是未来十年中举足轻重的技术。

　　从笔者的角度来看，区块链在未来最大的价值并不是在虚拟货币这个领域，而是用以取代原先需要中间人和第三方验证的系统中，以对于数字系统的信任来取代对于人的信任的领域。

　　《程序员》已经多次讲述过区块链领域的概念，在此不复赘言。

　　区块链系统和CAP、ACID和BASE

　　为什么我们说区块链系统其实是一个分布式数据库系统？

　　ACID

　　传统的数据库都满足ACID原则。我们首先来看一个“事务”（transaction）的概念。事务是一个操作序列，是一个不可分割的基本工作单位。在一个传统的数据库管理系统（DBMS）中，事务应该具有四个特性：

原子性（Atomicity）

一致性（Consistency）

隔离性（Isolation）

持久性（Durability）

　　取这四个英文单词的首字母缩写，我们得到的是ACID。

　　原子性指事务是一个不可分割的最基本工作单位，事务中的操作要么都执行，要么都不执行；一致性是指数据库的完整性约束不会被任何事务的发生破坏，也就是说数据库的事务不能破坏数据的完整性；隔离性是说多个事务并发访问时，事务之间是被隔离开的，一个事务不应该影响其他事务的运行效果；持久性则意味着在事务完成以后，该事务所对数据库做的更改便被永久保存在数据库之中，即使系统本身发生了事故也不会更改。

　　从ACID的四个特性来看，我们发现其实比特币区块链系统几乎具有这些特点：

一个区块要么被全部记录进入区块链，要么不被认可，不可能有中间状态；

一个区块在加入区块链之后，原本区块链的系统依然保持完整性；

每次只有一个区块可以被加入到区块链中，所以隔离性是当然的；

而在区块被写入链条之后，新的区块链会被复制到所有的区块链节点上，被永久保存。

在区块链系统上有一个特殊情况，如果两个不同的节点差不多同时申请挖币的奖励，那么它们中会有一个节点计算出的区块在最终会被抛弃，因而ACID特性中的D（持久性）其实是不满足的。

　　BASE

　　因为区块链节点处于地球各处，而这些节点又是由不同用户维护的，所以其实我们并不能保证每次访问区块链的系统时都能获取到数据，而这恰恰又对应了互联网时代分布式数据系统的一个特性，可以称之为为BASE。BASE是一个很怪异的词语的缩写：Basically Available，Soft-state，Eventual Consistency（基本上是可访问的、软状态、最终一致性）。

　　在BASE理念中，基本可用是指系统在出现不可预知的故障时，允许损失部分可用性；软状态是指允许系统中的数据存在中间状态，不过该中间状态的存在并不会影响系统的整体可用性；最终一致性指的是所有的数据副本，在经过一段时间的同步之后，最终都能够达到一致。

　　和ACID概念的强一致性相比，BASE理念面向的是可扩展的分布式系统，BASE通过牺牲强一致性来获得可用性，并允许数据在一段时间内是不一致的。不过两者的共同点是最终会达到一致状态。我们可以认为区块链系统符合分布式数据系统的BASE理念。

　　CAP

　　我们再来看区块链系统和分布式数据系统上的CAP理论之间的关系。在分布式数据系统中，有三种重要的属性，分别是：

一致性（Consistency）：数据一致性，任何一个读操作总是能读取到之前完成的写操作结果，也就是在分布式环境中，多点的数据是一致的。

可用性（Availability）：好的响应性能，每一个操作总是能够在确定的时间内返回，也就是系统随时都是可用的。

分区容忍性（Tolerance of network Partition）：可靠性，在出现网络分区（比如断网）的情况下，分离的系统也能正常运行。

　　CAP原理解释了关于这三种属性的关系。CAP原理的意思是：一个分布式系统不能同时满足一致性、可用性和分区容错性这三个需求，最多只能同时满足两个。CAP原理是由美Berkerly的Brewer教授提出。

　　

　　图1 CAP原理的示意图

　　如图1所示，CAP原理指出一致性、可用性、分区容忍性不可三者兼顾。因此在进行分布式架构设计时，必须做出取舍。而对于分布式数据系统，分区容忍性是基本要求，否则就失去了价值。因此设计分布式数据系统，就是在一致性和可用性之间取一个平衡。

　　牺牲一致性而换取高可用性，也是大多数分布式数据库产品的方向。

　　笔者在比特币区块链系统中看到了“一致性”被牺牲的情况。当一个新的区块被部分节点接受时，如果用户访问的是还没有更新的节点，那么用户获取的数据是不一致的，所以从分布式数据系统的角度来看，比特币区块链系统其实是一个AP系统，也就是说，它保持了可用性和分区容忍性，不过放弃了一致性。

　　区块链有哪些特性

　　在区块链进入大家的视野之前，分布式数据系统也一直是学术界关注的一个方向。不过在区块链概念出现之后，大家发现原来分布式系统还可以有新的处理方式。

　　基于区块链的数据系统特征

去中心化或者多中心化（Distributed or Decentralized）

　　区块链最大的特性就是使用分布式计算和存储，从而减少甚至消除中心化的硬件或管理机构。在区块链上，任意节点的权利和义务都是均等的，系统中的数据块由整个系统中具有维护功能的节点来共同维护。

开放性（Open）

　　系统是开放的，除了交易各方的私有信息被加密外，区块链的数据对所有人公开，任何（有权限的）人都可以通过公开的接口查询区块链数据和开发相关应用，因此整个系统信息高度透明。

自治性（Autonomous）

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