脱离特定物理计算设备的图灵机

1936年艾伦·图灵提出了图灵机这个高度抽象的计算模型，开启了计算机科学时代篇章。1945年，冯·诺伊曼在图灵机的基础上给出了工程上可以实现冯·诺伊曼架构，直到现在，大多数的计算机从CPU到GPU，从Intel到ARM都是遵从这一架构，并藉由半导体技术将其的规模、速度以及性能-功耗比提高到了当年不可想象的高度。但是其基本原理始终是下图的结构。

如果我们用计算机体系结构的视角去看待区块链，他是一个冯·诺伊曼架构的延伸。

在区块链中，「输入」是未定序未确认的交易，「输出」是有序的经过确认的交易，而「内存」中则是账簿的状态。其中央处理器执行的是硬编码（hardcoded）在区块链节点软件中的交易逻辑，或者是第三方部署的智能合约。

我这里从这个视角展现区块链，是为了用最简洁的方式介绍区块链的工作原理，并不是想说区块链本身也是一个通用计算机，或者说世界大计算机。

冯·诺伊曼架构最初是在一个完全中心化的设定下给出的，现在的计算机单机、大型机乃至集群和云服务，本质上都是这样的一个模型。他们关心的是高效地完成计算，是状态被正确更新，得出预期的输出。整个系统的输入、执行逻辑和原始状态都被可信的单一方控制。

而区块链是在一个去中心化的设定下给出的，整个计算系统不被任何一方长期控制。区块链关心的是这个计算是如何完成的，系统的输入是否合法，执行逻辑是不是被篡改。至于其承载的实际计算量，用一台单机就可以分分钟计算完这十年的所有历史交易。现有的冯·诺伊曼架构的计算系统，其计算过程始终在一个固定的物理计算设备上完成，并且这个计算设备有单一的控制方。可能是一个手机，一台电脑，甚至一个数据中心。对于这个系统的控制者，只要防好黑客，他是可以相信这个计算系统的。而其他人则没有信任的依据，系统的控制者也无法向第三方证明系统是可信的，即使开源了也不行，即使用上了SGX技术也没什么帮助。

而这正是区块链所攻克的问题。区块链将冯·诺伊曼架构的计算架构进一步拓展，使其同特定的物理计算设备分离，才能从根本上避免计算过程被单一的控制方掌控，让所有人都可以信赖这个计算系统。无论是工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）或者拜占庭容错（BFT）等共识机制，上述计算过程的实际步骤在全球不同的物理基础（节点）上完成。而不同共识算法的本质就是给出一个依次选择这些物理基础的方案，保证其公允，保证其安全。同时在数据传递层面（提交输入，获取输出），藉由既有的点对点网络技术，使得通讯没有一个固定的接入点，不依赖于特定的IP地址。从而使得这个计算系统能够在所有人的监督下，可信地完成计算过程，很难被篡改，也很难被阻止。

为了脱离特定的物理计算设备，区块链在性能上付出了重大的代价。在不同的节点上间歇完成计算步骤，需要每个节点都准备好计算所需要的上下文和输入数据。在一个计算步骤完成之后，需要每一个节点都获取到最新的输出数据，并更新上下文。期间涉及到大量的冗余的信息传递和存储以及相应的计算。当然后续有非常多的优秀团队，改进这一设计，提升其性能和容量，但无论设计如何优化，这些冗余的通讯、存储和计算是不可能彻底避免的。不过这些代价是值得的，它给冯·诺伊曼架构赋于了全新的计算本质：一个可以脱离特定物理基础的计算方式，一个可被任一第三方信赖的计算过程。

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编译者/作者：月明风清

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