高可用与多写
普通的存储系统（如MySQL），通常要解决 2 个的问题：非高可用、单点写入
高可用
高可用的方法论，其实就两个字：冗余。
即把数据复制几份，冗余到多个地方，就能保证高可用（MySQL的主从集群、磁盘的RAID等就是这个原理）
但数据冗余往往会有 2 个副作用：
- 数据一致性：例如MySQL主从集群，读写会有延时，会有一个短时间内的读写不一致
- 写入的效率：数据冗余往往会降低写入的效率，因为数据同步也是需要消耗资源的
注意：分库分表解决的不是高可用的问题，它解决的是数据量大的问题
多写
普通的存储系统，也可以多点写入，但多写可能引发数据一致性的问题：即写写冲突
例如 MySQL 也可以做一个双主的架构：两个节点可以同时写入
假设某表的主键是自增ID，目前 2 个主节点中的表数据都是 id=1/2/3/4，然后 A 节点写入了一条数据，此时 A.id=5
在 A.id=5 的数据同步到 B 节点的过程中，B 也写入了一条数据，B.id 也会变成 5，于是 B 也向 A 同步数据
当同步数据到达对方后，冲突了，于是同步失败，这就是写写的一致性冲突问题
避免方式就是：不依赖于数据库层面的自增ID，而是由应用层来生成这个ID（简单的场景也可以用不同步长的方法）
MySQL的众多HA方案中，有一种MMM(Multi Master Replication Manager)架构与之类似
大致思路就是：同样有 2 个主节点，但只有一个对外提供服务，另外一个 stand by（且二者在实时的双主同步）
同时，两个主节点使用相同的虚IP（即内网IP是相同的），然后通过类似于 Keepalived 的方式去探活
当发现主库有问题的时候，虚IP自动漂移到备用主库上（即流量打到另外一个主库上），保证了主库的高可用
而整个过程对于应用层是透明的
但这样能否消除数据不一致呢？答案是悲观的：在极限的情况下，仍可能引发数据不一致
这时，可以考虑以内网DNS探测的方式，来做缓解（可理解为双主同步完数据之后，再实施虚IP偏移），步骤如下：
- 使用内网域名连接数据库，例如：db.qss.com
- 主库 1 和主库 2 设置双主同步，不使用相同虚IP，而是分别使用 ip1 和 ip2
- 一开始 db.qss.com 指向 ip1
- 用一个小脚本轮询探测 ip1 主库的连通性
- ip1 主库发生异常时，脚本 delay 一个 x 秒的延时，待主库 2 同步完数据后，再将 db.qss.com 解析到 ip2
- 应用程序以内网域名进行重连，即可自动连接到 ip2 主库，并保证了数据的一致性
本质上，这是一个可用性与一致性的折衷（牺牲了 x 秒的高可用）
当写写发生了一致性冲突时，常见的处理方式有以下 3 种：
- 投票：集群中的多个节点来投票，以多数票的数据为准
- 时间戳：以时间戳最小的数据为准，即最早写入的那一条为准，后写入的放弃
但时间戳也要注意时钟同步的问题（毕竟多进程异步系统中，是没有全局绝对时钟的）
也有一些时钟同步的算法，比如这篇文章：巧妙测量服务器之间的时间差 - ID串行化：多点写入前，去同一个地方领取ID，再各自写入，写入时若发现业务属性冲突，就以最小ID为准
即时通讯中，群消息可以用到这个，能保证每个人看到的消息序列是相同的
而微信/QQ这种群消息，每个人看到的消息序列不同，也没多大问题（技术可以做到，业务未必必需）
区块链
区块链是一个去中心化的（没有中心节点和管理员）、每个节点都拥有全部数据的、高可用的、分布式存储系统
而，区块，就是一块可以存储数据的存储空间
再通过类似链表的方式，将各个区块串联起来，并约定了一系列算法来管理这些数据
这就组成了区块链，所以区块链的本质就是一个多点写入的存储管理系统
（可以说，区块链有两个很大的特点：存储数据少，数据写入慢）
区块的组成
一个区块，由区块头和区块体组成
- 区块体：存储交易数据
- 区块头：存储区块的元数据，如上一个区块的哈希值，本区块生成时的时间戳和随机数等等
如上图所示，区块头存储了上一个区块的哈希值，本区块生成时的时间戳和随机数等等
一个区块，它的唯一标识就是这个区块的哈希值（好似链表一样，每个链表节点的唯一标识就是它的指针）
于是，通过每个区块的哈希值，将所有的区块链起来（跟链表很像），就组成了区块链
区块的特性
- 历史区块无法改变
- 只能在最新的区块后面，生成新区块（所以必须同步了全网最新的区块，才能启动生成新区块的工作）
- 新区块很难生成，必须满足特定条件
比特币
比特币（BitCoin）就是基于区块链这个分布式存储系统，在其上层实现的一个电子货币的应用
作为电子货币，比特币的业务场景与区块链技术是及其匹配的：
- 高可用：系统永远不会挂
- 去中心：没有人能控制整个系统的运行
- 防篡改：交易一旦写入区块链，则是永久的，是不能够被修改的，所以也不可能存在假币
- 一致性：只要交易确认，最终交易数据一定会达成一致，不可能产生任何纠纷
- 透明性：所有的交易和规则对所有人透明，没有人能够随意发行和隐瞒
因此，市面上除了比特币，还有莱特币、以太坊等等电子货币
貌似至今为止，除了电子货币，好像没有其他非常成熟的上层应用是基于区块链弄的
所以很多人就产生了误解：以为区块链就是比特币，比特币就是区块链，其实完全不是的
比特币与区块链的关系，就好似微信与 MySQL 的关系（MySQL 做底层存储，微信是 MySQL 上层的应用）
挖矿
生成一个区块，并链入区块链的过程，就是挖矿
而挖矿的人，就是矿工
挖到矿（生成新区块）必须满足以下 2 个条件，才算成功：
- 需要对新生成的区块头，进行 2 次 SHA256
- 得到的哈希结果，高 48bit 必须是 0x00000000FFFF
由于每一个区块头都记录了前一个区块的哈希值，所以新区块能变的其实只有时间戳和随机数等等
由于哈希是不可逆的，所以也不能通过哈希结果的高48bit是0x00000000FFFF来反推时间戳和随机数
可以认为哈希的结果是完全随机的，即区块链以及挖矿的一切基础：哈希不可逆性！
要得出前48bit是一个给定的bit，就如同连续抛48次硬币，每次得到的都是想要的结果，这个概率非常非常小
就好比在一座山上随机捡起了一块石头，这块石头又正好是一块金子，概率非常非常小
可能就是因为这个，才称它为挖矿吧，因为一旦成功生成了一块，就等于是捡到了金子
如果逆推不行，唯一使用的方法，就是正向的穷举法，伪代码如下
byte[32] = PrevBlockHash; // 上一个区块的哈希
for(int i=0 to 2^32){ // 遍历所有整数
long time = now(); // 时间戳
blockHeader = new(byte[32], time, i); // 生成区块头
hashResult = SHA256(SHA256(blockHeader)); // 计算哈希值（两次SHA256）
if(hashResult>>208 == 0x00000000FFFF){ // 哈希符合预期
echo "bingo"; // 挖到矿啦
}
}
那么，是不是执行的时间足够久，就一定能挖到矿呢？
并不是！
如果别人的计算能力比你强，在你挖到矿之前，别人先挖到了一个矿，并把他挖到的矿广播到区块链的全链路
此时你本地就不是最新的区块链了，你必须要同步别人先挖到的矿，你才能够在尾部继续挖
所以，你要不断的向网络同步最新的数据，并继续或重新开始挖矿
提升挖矿速度
从架构的角度，通常会考虑以下三种方法：
- 缓存：无效（因为每个区块的哈希值、时间戳、随机值都也不一样，所以无法通过查表的方式来节省时间）
- Scale up：有效（即提升单机能力：增强单 cpu 的计算能力，用 gpu 替代 cpu，用特殊的芯片计算 sha256d 等）
- Scale out：有效（即水平扩展：一台机器不行，就搞集群。想跟别人拼算力，往往都是这样来提升本地算力的）
下图就是西藏高原上的一个比特币矿场，它通过风力和太阳能发电，所以电力比较便宜
所有的矿机都是在进行 sha256 计算，尝试同步全球最新的区块数据，并挖到矿
提升系统性能，不管是区块链还是做系统架构，无外乎这 2 个方法：scale up、scale out
一种是提升软件性能，一种是提升硬件性能
软件：比如发现有一个性能瓶颈，那就优化代码（无锁的方式、并发的方式、巧妙的算法、巧妙的数据结构等）
硬件：由于单节点的软件性能的优化一定是有上限的，你没办法做到无穷，那么还可以提高单机的硬件性能
但是，单机硬盘、CPU核数、内存也不可能无限大，所以最终想无限性能，理论上还是 scale out 的方式
矿的匀速机制
2008 年中本聪在设计比特币网络时，把每个区块的大小限定在了 1 MB
这也就意味着每个区块里能存储的信息最多也只有 1MB（目前比特币的区块链大小已经超过了 300 GB）
以承载比特币的区块链为例：平均每 10 分钟产出一个区块，这个速度基本上是不变的
也就是说，虽然大家都在挖矿，虽然计算能力越来越强、计算节点越来越多、哈希速度越来越快
但产出矿的速度基本是不变的，是因为这里面有一套动态调节的机制，来保证生成区块的速度是均匀的
- 统计机制：假设期望比特币全球区块链每 10 分钟生成一个区块，故首先需要一个统计机制，比如 2 周做一次统计
如果统计的结果是最近 2 周平均每 5 分钟就生成了一个区块，说明生成的速度太快了，需要变慢 50%
如果统计的结果是最近 2 周平均每 2 0分钟就生成了一个区块，说明生成的速度太慢了，需要加速一倍 - 调节机制：区块链中有一个难度系数来调节生成区块速度的快与慢
难度系数影响的是区块头的哈希结果有多少比特必须符合预期，才算挖矿成功
比如，原计划哈希结果高 48bit 符合预期，才算挖矿成功
现在改为 49bit 符合预期，才算挖矿成功，这时，预期哈希的概率就降低了，整体挖矿的速度就变慢了
相反，若改为 47bit 哈希结果符合预期，才算成功，这样得到预期哈希的概率就变高了，挖矿就变快了
即：区块链匀速生成区块的方式，是通过调节 sha256 哈希生成的结果有多少位符合预期，来做到的
注意：区块链的限速没有人为干预，都是写在程序里面的，如果生成太快了，它会自动的调节区块哈希比对的位数
获取比特币收益
空手套白狼获取比特币的唯一方式就是挖矿
每当矿工挖到矿，会生成一个新的区块，就能够得到相应的区块奖励
这里面有两部分收益：
- 区块补贴：在进行了大量的计算，挖到新的区块时，会一次性奖励若干的比特币，这些比特币是凭空多出来的
- 交易费用：持有比特币的人，如果要进行比特币交易，它的交易转账记录就要写到某个账本上，即写到区块体里 那么该区块所属人就可以收取一笔交易费用，如 0.5 比特币，这些比特币是交易比特币的人给矿工的
在比特币的系统设计里，比特币的单位是：中本聪（Satoshi Nakamoto），它的换算方式如下：
1 BTC = 1000 中
1 中 = 1000 本
1 本 = 100 聪（Satoshi）
而区块补贴，是凭空生成比特币的唯一方式，但它有一个折半规则：
挖出前 21 万个区块，补贴 50 BTC，后续每生成 21 万个区块（大约 4 年），补贴减半
当补贴低于 1 Satoshi 时，区块补贴就会停止发放，这时大约是 2140 年左右
50 + 25 + 12.5 + … = 2100W
即比特币最多发行 2100 万个，它不会像纸币一样通货膨胀，这一切都是区块链底层的程序控制的
区块链的分叉
全球每个区块链的节点都包含全部的数据，大家都在最新区块链数据的基础之上挖符合条件的区块
如果两个节点同时挖到矿，都把自己挖到的节点，链到本地的区块链上，于是就出现了区块链分叉
这时，局部的节点会以为自己在最新链上挖到了矿，并会将挖到矿的信息传播给附近的区块链节点
以便于其它的节点先同步完最新的数据，再在最新的数据基础之上继续挖矿
（此时，大家都以为自己是在最新的节点上的，并继续挖矿）
如上图所示：
离中国节点比较近的节点，会同步中国链，并在此链的基础上继续挖，此链会继续增长
离美国节点比较近的节点，可能先同步到美国链，并在此链的基础上继续挖
如果还有一个节点，与中国美国两个链的距离差不多，它又同时收到了这两个冲突的区块链信息
那么它会判断此时哪个链条更长，会以长度更长的区块链为准（即以中国链为准）
因为要挖出更长的区块链，你消耗的算力更多，整体的原则是：不能让绝大部分矿工白干
如此迭代，最终全球的区块链会达成一致，以最长的区块链为准
如果不遵守规则，成为少数派的节点，你继续在少数派的节点上挖，最终不会被多数派承认，等于是白干了
所以在区块链的系统里，遵守规则是所有节点的最佳策略
除非有一个人掌握了全球 51% 的算力，他才能够为所欲为，但这不就相当于中心化了吗
变成了有一个中心化的节点了，它可以控制整个数据的走向
以承载比特币应用的区块链为例：一般我们认为 1 个区块后面链了 6 个区块后，就不可能被颠覆了
故基于比特币的区块链，一般生成新的区块，需要 6 次确认
所以，对于一个矿工来说，挖到一个新的区块，别高兴的太早，等后面生成了 6 个其它的区块
进行了 6 次确认之后，基本上才可以认为你生成的这个区块成功了
（承载比特币的区块链平均每 10 分钟生成一个区块，6 次确认大概需要 1 个小时）
软分叉
当区块链系统升级后，所有的节点的升级节奏其实是不一样的
在所有节点升级到最新的版本之前，由于程序版本的差异可能导致分叉
只要升级到最新的版本，分叉就会消失，这就是软分叉
也就是说，软分叉其实是临时的，等大家的软件版本都升级上来，软分叉就会自动消失
硬分叉
有一些节点玩家头硬，他就是不按照规则来，拉了一个分支
以道德或者法律的名义说我这个分支为准，号召区块链玩家承认自己的链，这样就会形成永久的分叉，即硬分叉
历史上最出名的硬分叉，要属以太经典（ETC）和以太坊（ETH）的分叉
事件起因是：有黑客利用技术手段盗取了大概 6000W 美元的合约币
以太坊开发团队修改了源代码
强行的把 192W 个区块的资金转移到另外一个地址（到另外一个区块上），以夺回黑客控制的合约币
绝大部分的矿工认同了这个修改（觉得这个黑客把币盗走了不行，所以就认同了这个强行修改源码的硬分叉）
一部分矿工不认同这个修改，于是最终就形成了两条链，新的链是以太坊，原来的链路就是以太经典
大家都在自己的认可的链路上继续挖矿
所以，硬分叉其实本质上违背了区块链不能修改的技术本质，采用人为的手段强行回滚
虽然，理论上任何人都可以修改程序，升级版本，你挖你自己的，但就看有没有人陪你玩了
如果你挖到的矿大家都不认可，那就纯属浪费电了
还是那句话，在区块链的世界里，遵守规则才能让矿工的利益最大化
关于分叉，总结起来就是：
- 区块链分叉，本质是一个 “ 高可用存储，数据一致性 ” 的问题（临时出现了数据不一致，但最终会达成一致）
- 探测到分叉时，会以更长的链为准（不能让绝大部分矿工白干）
- 软分叉，本质是软件版本不一致导致的分叉，当软版本一致时，软分叉会消失
- 硬分叉，本质是 “ 强制回滚 ”
- 在区块链的世界里， “ 遵守规则 ” 是最佳策略