区块链相关名词解释（一）

前言

此篇主要是一些知识点的讲解，大部分来源于维基百科和前人总结。

图灵完备

图灵机

首先要理解图灵完备就要了解图灵机。以下解释摘自维基百科：

图灵机（英语：Turing machine），又称确定型图灵机，是英国数学家艾伦·图灵于1936年提出的一种抽象计算模型，其更抽象的意义为一种数学逻辑机，可以看作等价于任何有限逻辑数学过程的终极强大逻辑机器。

图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程看作下列两种简单的动作：

在纸上写上或擦除某个符号；
把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置；

而在每个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于（a）此人当前所关注的纸上某个位置的符号和（b）此人当前思维的状态。

为了模拟人的这种运算过程，图灵构造出一台假想的机器，该机器由以下几个部分组成：

一条无限长的纸带TAPE。纸带被划分为一个接一个的小格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，字母表中有一个特殊的符号(blank)表示空白。纸带上的格子从左到右依次被编号为0, 1, 2, ...，纸带的右端可以无限伸展。

一个读写头HEAD。该读写头可以在纸带上左右移动，它能读出当前所指的格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。

一套控制规则TABLE。它根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态，按照以下顺序告知图灵机命令：
写入（替换）或擦出当前符号；

移动 HEAD， 'L'向左， 'R'向右或者'N'不移动；

保持当前状态或者转到另一状态

一个状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且有一个特殊的状态，称为停机状态。

什么是图灵完备

简单判定图灵完备的方法就是看该语言能否模拟出图灵机。简单的说就是一切可计算的问题都能计算，就称为图灵完备。

图灵完备性是针对一套数据操作规则而言的概念。数据操作规则可以是一门编程语言，也可以是计算机里具体实现了的指令集。当这套规则可以实现图灵机模型里的全部功能时，就称它具有图灵完备性。

图灵不完备的语言常见原因有循环或递归受限(无法写不终止的程序,如 while(true){}; ), 无法实现类似数组或列表这样的数据结构(不能模拟纸带)。这会使能写的程序有限。

BTC和ETH

两者的核心区别就在于ETH脚本是图灵完备的，而BTC不是。比特币脚本语言不是图灵完备的，具有一定的局限性，它没有循环语句和复杂的条件控制语句。由于语言存在这种局限性，我们也就没办法使用这种语言写一些死循环或者一些能够导致DOS攻击的恶意代码，从而也就避免了比特币网络受到DOS攻击。每一个全节点，都会对交易进行验证。具有这种局限性的脚本语言，使人们无法把这种验证机制看成一个攻击比特币网络的缺陷。

这导致了在BTC仅能满足简单的金融类合约，如建立token，建立多重签名钱包等；而ETH是图灵完备的，理论上可以用来编写一切现代计算机语言能编写的程序，这也为其发展去中心化应用及智能合约奠定了良好的基础。

共识算法

POW：Proof of Work，工作证明。

比特币在Block的生成过程中使用了POW机制，一个符合要求的Block Hash由N个前导零构成，零的个数取决于网络的难度值。要得到合理的Block Hash需要经过大量尝试计算，计算时间取决于机器的哈希运算速度。当某个节点提供出一个合理的Block Hash值，说明该节点确实经过了大量的尝试计算，当然，并不能得出计算次数的绝对值，因为寻找合理hash是一个概率事件。当节点拥有占全网n%的算力时，该节点即有n/100的概率找到Block Hash。

打个比方得到这个合理的hash相当于掷骰子，这个骰子有无所多个面，然后大家都疯狂的掷骰子，当掷出的值小于某个数时，即表示你赢得了胜利。而掷骰子是一个概率事件，所以大家比拼的就是谁掷的次数多，谁中的概率也大。也就是在单位时间内大家一共掷了100次，而你掷了n次，那你中的概率就是n/100。

POS：Proof of Stake，股权证明

POS：也称股权证明，类似于财产储存在银行，这种模式会根据你持有数字货币的量和时间，分配给你相应的利息。简单来说，就是一个根据你持有货币的量和时间，给你发利息的一个制度，在股权证明POS模式下，有一个名词叫币龄，每个币每天产生1币龄，比如你持有100个币，总共持有了30天，那么，此时你的币龄就为3000，这个时候，如果你发现了一个POS区块，你的币龄就会被清空为0。你每被清空365币龄，你将会从区块中获得0.05个币的利息(假定利息可理解为年利率5%)，那么在这个案例中，利息 = 3000 * 5% / 365 = 0.41个币，这下就很有意思了，持币有利息。

DPOS：Delegated Proof of Stake，委任权益证明

比特股的DPoS机制，中文名叫做股份授权证明机制（又称受托人机制），它的原理是让每一个持有比特股的人进行投票，由此产生101位代表 , 我们可以将其理解为101个超级节点或者矿池，而这101个超级节点彼此的权利是完全相等的。从某种角度来看，DPOS有点像是议会制度或人民代表大会制度。如果代表不能履行他们的职责（当轮到他们时，没能生成区块），他们会被除名，网络会选出新的超级节点来取代他们。DPOS的出现最主要还是因为矿机的产生，大量的算力在不了解也不关心比特币的人身上，类似演唱会的黄牛，大量囤票而丝毫不关心演唱会的内容。

拜占庭容错

拜占庭将军问题（Byzantine Generals Problem），是由莱斯利·兰波特在其同名论文中提出的分布式对等网络通信容错问题。

在分布式计算中，不同的计算机通过通讯交换信息达成共识而按照同一套协作策略行动。但有时候，系统中的成员计算机可能出错而发送错误的信息，用于传递信息的通讯网络也可能导致信息损坏，使得网络中不同的成员关于全体协作的策略得出不同结论，从而破坏系统一致性。拜占庭将军问题被认为是容错性问题中最难的问题类型之一。

拜占庭将军问故事描述如下：

一组拜占庭将军分别各率领一支军队共同围困一座城市。为了简化问题，将各支军队的行动策略限定为进攻或撤离两种。因为部分军队进攻部分军队撤离可能会造成灾难性后果，因此各位将军必须通过投票来达成一致策略，即所有军队一起进攻或所有军队一起撤离。因为各位将军分处城市不同方向，他们只能通过信使互相联系。在投票过程中每位将军都将自己投票给进攻还是撤退的信息通过信使分别通知其他所有将军，这样一来每位将军根据自己的投票和其他所有将军送来的信息就可以知道共同的投票结果而决定行动策略。

系统的问题在于，将军中可能出现叛徒，他们不仅可能向较为糟糕的策略投票，还可能选择性地发送投票信息。假设有9位将军投票，其中1名叛徒。8名忠诚的将军中出现了4人投进攻，4人投撤离的情况。这时候叛徒可能故意给4名投进攻的将领送信表示投票进攻，而给4名投撤离的将领送信表示投撤离。这样一来在4名投进攻的将领看来，投票结果是5人投进攻，从而发起进攻；而在4名投撤离的将军看来则是5人投撤离。这样各支军队的一致协同就遭到了破坏。

由于将军之间需要通过信使通讯，叛变将军可能通过伪造信件来以其他将军的身份发送假投票。而即使在保证所有将军忠诚的情况下，也不能排除信使被敌人截杀，甚至被敌人间谍替换等情况。因此很难通过保证人员可靠性及通讯可靠性来解决问题。

假始那些忠诚（或是没有出错）的将军仍然能通过多数决定来决定他们的战略，便称达到了拜占庭容错。在此，票都会有一个默认值，若消息（票）没有被收到，则使用此默认值来投票。

上述的故事映射到计算机系统里，将军便成了计算机，而信差就是通信系统。虽然上述的问题涉及了电子化的决策支持与信息安全，却没办法单纯的用密码学与数字签名来解决。因为不正常的电压仍可能影响整个加密过程，这不是密码学与数字签名算法在解决的问题。因此计算机就有可能将错误的结果提交去，亦可能导致错误的决策。

而区块链想解决的就是这个问题，但是并没有真正意义上解决拜占庭问题，只是借助密码学、POW共识等技巧在每个参与者足够理性、想让自己利益最大化、并且掌握算力不到 50% 的情况下，依概率收敛到达到一个共识。如果某人想要传递错误的信息，就需要掌握超过50%的算力，这样很可能就会得不偿失。

就比如那个叛变的将军需要给其他将军抵押100万两金子，人家才相信你，但是你叛变成功只能得到80万两金子，就算叛变成功也要损失20万两金子，那这个将军也就不会叛变了。当然也不排除人家不要利益，就想叛变玩玩的情况，所以说BTC里的区块链机制只是基于经济学上解决了一个拜占庭将军问题。

参考

什么是图灵完备

[区块链]共识算法