區塊鏈-NFT 的實現原理

指尖下的幽靈發表於2021-08-20
區塊鏈

作者：林冠巨集 / 指尖下的幽靈。轉載者，請: 務必標明出處。

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出版的書籍：

NFT (Non-Fungible Token)，這2年又火了起來，早在18年已經火過一波。

本文只從寫程式碼實現NFT的技術方案層面去介紹 NFT，不從其金融意義、案例，等層面去談，因為這類內容可以隨便在瀏覽器搜尋到，而我接下來要談的內容，淺層搜尋下，數量不多。

第一步: 製作id

製作id，這是把物質製作成 NFT 的第一步。物質有哪些？一段文字、一張圖片，一件衣服等，誇張的說，現實世界的物質，無論是虛擬的(遊戲裝備)或實質物質，都可以被通證化。

如何操作？

通過第三方技術手段獲取物質的唯一標誌性中間產物。

因此製作 NFT 第一步，廣義於下面等式：

  • id = F(I)
    1. I = 輸入的物質
    2. F = 處理函式，代表一種方法
    3. id 唯一標誌性的中間產物

最簡單的例子就是雜湊函式，不考慮雜湊碰撞，它就可以根據不同的內容輸出不同的雜湊值。思維在這裡不要侷限於雜湊函式。

獲取圖片的唯一id

這裡用圖片代表一系列的檔案類資料。

  1. 我們可以將圖片轉換成 []byte 位元組陣列，然後計算其雜湊值。這種操作雖然比較簡單，但是圖片別人卻不能訪問，看不到；
  2. 如果我們想向外部任何人提供圖片的讀許可權，在計算完 id 後，有兩種做法：
    1. 上傳圖片到檔案伺服器，任何人可以通過 url 連結訪問。這裡的伺服器是中心化的；
    2. 增加區塊鏈屬性。上傳檔案到 IPFS (ipfs是什麼，自行搜尋)，如此一來，檔案別人能訪問，同時還具備了區塊鏈的去中心化等屬性。其中 IPFS 會在上傳完檔案後，會使用它的演算法，幫你計算好雜湊值返回，可以直接用它的作為id。

獲取衣服的唯一id

這裡用衣服來代表一系列的實際物質。如果獲取它們的唯一id呢？做法可以放飛思維去思考，比如可以：

  • 衣服的出廠資訊、掃描內容、照片，等系列關於它的資訊，資料化，然後用這些資料製作成檔案，最後參考圖片的做法。

第二步：通證化

第一步中獲取了物質的id，現在要把它們通證化。切記一點：目前公認的 NFT 都是基於區塊鏈公鏈的，那麼以後是不是會一直這樣呢？不一定，說不準出來了新的共識。

基於不同公鏈的流程

通證化的流程如下：

  1. 選擇一條區塊鏈公鏈。這裡的選擇會決定後面智慧合約等系統元件的技術棧，這一點很核心；
  2. 在所選的公鏈上開發智慧合約；
  3. 所開發的智慧合約需要遵循一些基礎約定，比如至少能保證物質的id能達到驗證去重，什麼意思呢？意思是，如果 A 在今天上傳了 id=1 到鏈上，明天 B 也上傳同個 id=1 到鏈上，合約要能告訴 B，你不能上傳了，id 已經存在；
  4. 部署智慧合約到鏈上，此時它變成 DApp；
  5. 通過發交易的方式，呼叫該智慧合約的方法，將id等相關資料儲存到鏈上。

NFT 的智慧合約

NFT 智慧合約可以基於不同的公鏈開發，它不侷限於任何一條公鏈。不同公鏈的智慧合約方案實現也不同，下面以 以太坊 公鏈舉例說明。

在以太坊上面，開發 NFT 智慧合約，已經有很多標準，比如 ERC-721 \1155 \998，各有各的特點，但它們的特點是在基礎屬性上擴充而來的。(各標準文件: https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-721)

如果選擇 ERC-721 標準開發 NFT 智慧合約，在後設資料儲存部分，就有 tokenUrl 這項，它相當於物質的唯一id，像下面的樣子, _tokenURIs 儲存的就是通證當前計數id與其對應的 tokenUrl，這裡的tokenUrl 是字串格式，一般是檔案url，儲存在 IPFS 或其他服務上面的檔案的連結，但不侷限於連結，也可以是其它的內容。

// 虛擬碼
contract MyERC721 is IERC721Metadata, ... {
    ...
    mapping(uint256 => address) private _tokenOwner;
    mapping(uint256 => string) private _tokenURIs;
    
    uint256 public tokenCounter; // 計數，當前總的 NFT 的數量，累增
    
    constructor () public ERC721 ("name", "symbol"){
        tokenCounter = 0;
    }
    // 外部呼叫方，呼叫這個函式，傳引數：tokenURI 即物質的id，tokenURI 唯一
    function createNFT(string memory tokenURI) public returns (uint256) {
        uint256 tokenId = tokenCounter;
        _mint(msg.sender, tokenId); // 將交易傳送者和當前的 tokenId 繫結
        _setTokenURI(tokenId, tokenURI); // tokenId 對映到 tokenUrl
        tokenCounter = tokenCounter + 1; // 累加
        return tokenId;
    }
    // _exists 函式判斷 tokenId 是否存在，_tokenOwner[tokenId]
    // 根據 id 讀取對應的 url
    function tokenURI(uint256 tokenId) external view returns (string memory) {
        require(_exists(tokenId));
        return _tokenURIs[tokenId];
    }
    // 根據 tokenId 和 url 建立 map 資料關係
    function _setTokenURI(uint256 tokenId, string memory uri) internal {
        require(_exists(tokenId)); // _exists
        _tokenURIs[tokenId] = uri;
    }
    ... // 省略系列介面，包含讀介面
}

上面的 tokenUrl 是標準要求的儲存資料項。整個合約具備下面約束功能：

  1. NFT 持有者，即 msg.sender(owner) 和 tokenId 一對多關係，代表一個人可以擁有多個 NFT；
  2. tokenId 和 tokenUrl 一對一關係，代表每份資料一個鏈上的唯一id，同時 tokenUrl 沒要求是唯一，但在呼叫方，一般會把 tokenUrl 設定唯一，即使不唯一也沒關係，衝突的時候，tokenId 越小的，其當初被設定的時間就越早；
  3. NFT 持有者在將資料寫入鏈上後，能夠獲取 NFT 的鏈上唯一 id，後續可以根據 id 進行系列的讀寫操作。

一般來說，我們常規的 NFT 有一個和資料建立關係的項就足夠了，但並不侷限於此，合約在實現了標準要求的介面後，完全可以自己新增自定義資料項及其讀寫函式。

第三步：展示與修改

展示 NFT 內容

所謂展示，就是對 NFT 的資料進行讀取再展示。一般的流程如下：

  1. 根據當初設定 NFT 資料到鏈上時獲得的 id 去智慧合約讀取資訊；
  2. 將獲得的資訊通過某介質應用還原出原始的 NFT 資料。

比如將圖片 NFT 展示出。(藉助上面的 721 合約標準和 IPFS 結合為例)

  1. 假設呼叫合約儲存資料時候得到的 tokenId 是 3，那麼使用這個 tokenId 去呼叫合約的讀資料方法；
  2. 執行完 1 步驟，可以得到 tokenUrl，即檔案儲存在 IPFS 中所得到的連結；
  3. 直接將 tokenUrl 連結在瀏覽器開啟，看到圖片。

修改 NFT 內容

修改是一項 NFT 智慧合約的擴充功能，可有可無，具體是怎樣的方式，完全看需求的實現。比如：

  1. 允許重置 tokenId 所對應的內容；
  2. 在 NFT 原資料中增加其他欄位內容，再允許修改這些欄位；
  3. 轉讓 NFT，可以把某 tokenId 對應的 NFT 資訊轉讓給其他 owner，達到轉讓目的；
  4. 出售 NFT、拍賣 NFT 等操作....

所有權共識

目前 NFT，非同質化通證。本質是想借助區塊鏈的屬性來標示一種資產的所有權證明。

比如曾拍賣出6000多萬美金的數字作品(圖片)《Everydays: The First 5000 Days》，中標者能獲得原圖 和 該圖的 NFT。這兩樣東西，一樣是實質的作品，一樣是它的所有權者的證明。

我們假設下，如果持有某作品的人，是一位匿名者A，過了多年後，該作品本身不小心被盜並被找回。那麼如何證明 A 是真正的擁有者，此時 A 只需要展示他對該作品的 NFT 擁有權，就可以證明。

那麼 NFT 是不是類似於我們現實中的證照？不全是，分兩點：

  1. NFT 和證照都能證明某資產的所有權；
  2. 對比的儲存介質 與 永恆時效：
    1. 證照可能要找個保險櫃保養放著，但它終究佔據一方土地，僅受一方土地容納的保險櫃保證安全，在時過境遷的影響下，持續性儲存下去的時間會較短；
    2. NFT 儲存在區塊鏈上，受整個網際網路的鏈節點所保護。它能夠存活到整個鏈網路垮掉那天，對於節點數量眾多的公鏈來說，這個概率幾乎等同於網際網路終結那天。

第三方平臺

現在已經有很多的第三方的 NFT 製作與釋出平臺。比如 opensea、rarible 等，這些平臺自己實現了 NFT 的智慧合約 和 NFT 展示應用(介質應用---網站)，方便大眾 0 程式碼基礎體會 NFT。但也有一些門檻，需要具備錢包和發交易的油費。

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