區(qū)塊鏈的起源、原理

肖自強(qiáng)　倪榮　陳慧

摘要：區(qū)塊鏈技術(shù)憑借其獨(dú)有的魅力：去中心化、有匿名性、公開(kāi)透明、安全民主，作為數(shù)字貨幣的底層技術(shù)逐漸風(fēng)靡。然而有關(guān)區(qū)塊鏈技術(shù)的大規(guī)模用戶的商業(yè)應(yīng)用卻僅僅局限于數(shù)字貨幣、交易所。但它的未來(lái)卻不僅僅局限于此。文章簡(jiǎn)述區(qū)塊鏈技術(shù)，介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)的起源、原理。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;比特幣;密碼學(xué)原理;去中心化;共識(shí)機(jī)制

中圖分類號(hào)：TP319 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）14-0283-02

Abstract： Blockchain technology， with its unique charm： de-centered， anonymous， open and transparent， safe and democratic， as the underlying technology of digital money is becoming popular. However， the commercial application of large-scale users of blockchain technology is limited to digital currencies and exchanges. But its future is not limited to that. This paper briefly describes blockchain technology and introduces the origin and principle of blockchain technology.

Key words： blockchain; bitcoin; cryptography; de-centric; consensus mechanism

1 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈?zhǔn)俏磥?lái)的技術(shù)所在。什么是區(qū)塊鏈？其實(shí)區(qū)塊鏈并不是新鮮技術(shù)，而是一系列技術(shù)的集成，包括非對(duì)稱加密技術(shù)、時(shí)間戳、共識(shí)機(jī)制。區(qū)塊鏈也是一個(gè)去中心化的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的、可匿名的、公開(kāi)透明、自治民主的分布式的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

區(qū)塊鏈?zhǔn)侵谱餍湃蔚臋C(jī)器。區(qū)塊鏈?zhǔn)侨ブ行幕?、基于密碼學(xué)原理的系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間平等并且相互信任，無(wú)須任何中心機(jī)構(gòu)的監(jiān)督，節(jié)點(diǎn)自發(fā)性地監(jiān)督。區(qū)塊鏈更是被認(rèn)為是繼大型機(jī)、個(gè)人電腦、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)/社交網(wǎng)絡(luò)之后計(jì)算范式的第五次顛覆式創(chuàng)新，是人類信用進(jìn)化史上，繼血親信用、貴金屬信用、央行紙幣信用之后的第四個(gè)里程碑[1]。所以區(qū)塊鏈未來(lái)的應(yīng)用廣闊，盡管現(xiàn)在的區(qū)塊鏈技術(shù)的大規(guī)模用戶的商業(yè)應(yīng)用僅僅局限于數(shù)字貨幣、交易所。未來(lái)區(qū)塊鏈技術(shù)可能會(huì)與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等相結(jié)合。在未來(lái)，社會(huì)生產(chǎn)力是計(jì)算能力，生產(chǎn)資料是數(shù)據(jù)，一部分的人類智慧將變成算法，而區(qū)塊鏈則是鏈接人與人、人與物、物與物的紐帶。在未來(lái)，人的勞動(dòng)力將被解放，那是一個(gè)自動(dòng)化的時(shí)代。所有的商業(yè)模式將被改寫，所有價(jià)的值將被Token化，而數(shù)據(jù)交易、算力共享、算法分享等一系列更大程度協(xié)作將會(huì)釋放人類的創(chuàng)作力，與此同時(shí)，更加偉大的科技成果將問(wèn)世。

本文介紹了區(qū)塊鏈的含義、特點(diǎn)、重大意義與未來(lái)。

2 區(qū)塊鏈的起源

談起區(qū)塊鏈，不得不說(shuō)的一個(gè)人是中本聰。中本聰是比特幣的開(kāi)發(fā)者兼創(chuàng)始人，2008年11月1日，中本聰在密碼朋克組織發(fā)表了比特幣白皮書——《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》。值得一提的是2008年爆發(fā)的美國(guó)金融危機(jī)，刺痛了人們對(duì)主流金融的不信任的神經(jīng)，也導(dǎo)致了人們對(duì)于金融公司以及理應(yīng)監(jiān)管它們的政府機(jī)構(gòu)失去了信心。在此背景下，中本聰致力于研發(fā)一套應(yīng)用于貨幣領(lǐng)域基于密碼學(xué)原理的去中心化的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交易系統(tǒng)。區(qū)塊鏈作為比特幣的底層技術(shù)，其實(shí)起源于貨幣。最早的時(shí)候，人們用貝殼、金銀等稀有的物品來(lái)進(jìn)行價(jià)值交換。接著又出現(xiàn)了金屬貨幣。由于這些物品不易攜帶與傳輸，制作成本高，紙幣出現(xiàn)了。紙幣憑借國(guó)家的信用背書，使人們相信了紙幣的價(jià)值。由于紙幣需要制作成本，不方便運(yùn)輸。銀行推出了電子貨幣，電子貨幣雖然方便、通用、增加社會(huì)效益，但是本質(zhì)上還是依賴于國(guó)家的信用背書。這些法幣的構(gòu)建基礎(chǔ)是國(guó)家機(jī)器。從社會(huì)成本的角度來(lái)看，執(zhí)法所需的費(fèi)用，軍隊(duì)的日常開(kāi)支，都是法幣的社會(huì)成本。進(jìn)一步說(shuō)維系法幣的可持續(xù)發(fā)展所需的技術(shù)、人力、監(jiān)管、設(shè)備以及審計(jì)等方面的投入，也都是法幣的社會(huì)成本。那如何建立一個(gè)低成本、可持續(xù)發(fā)展的貨幣系統(tǒng)呢？中本聰將區(qū)塊鏈技術(shù)成功的運(yùn)用于比特幣。這套系統(tǒng)是去中心化的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的、基于密碼學(xué)原理的安全可靠的系統(tǒng)。更是自成長(zhǎng)、自激勵(lì)、自運(yùn)維的完全民主的系統(tǒng)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是平權(quán)的。2009年1月3日，中本聰在芬蘭首都赫爾辛基的小型服務(wù)器挖出了第一個(gè)區(qū)塊——?jiǎng)?chuàng)世區(qū)塊，并獲得50個(gè)比特幣的獎(jiǎng)勵(lì)。此后10年間，如此規(guī)模龐大的比特幣系統(tǒng)從未出現(xiàn)過(guò)一次錯(cuò)，也從未宕過(guò)一次機(jī)。這是一次偉大的技術(shù)變革。數(shù)字貨幣系統(tǒng)可以說(shuō)是最低成本且最為成功的貨幣系統(tǒng)。

3 區(qū)塊鏈的原理

一開(kāi)始的時(shí)候，出現(xiàn)的是中心化的數(shù)字貨幣，但都以失敗告終。后來(lái)去中心化的數(shù)字貨幣出現(xiàn)了，但也面臨著兩大技術(shù)挑戰(zhàn)。一是貨幣偽造，二是重復(fù)支付。

為了杜絕貨幣偽造，中本聰?shù)姆椒ㄊ怯涗浰胸泿诺牧魍ㄐ畔?，即全網(wǎng)總賬本。每進(jìn)行一次交易，就要對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行廣播，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有全網(wǎng)總賬本。每一個(gè)貨幣都可以追根溯源，也就無(wú)法進(jìn)行貨幣偽造。為了防止一個(gè)貨幣的重復(fù)支付，中本聰采用的是工作量證明機(jī)制。每發(fā)生一筆交易，就會(huì)對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行廣播。如果重復(fù)支付，就意味著一個(gè)貨幣的多次廣播。節(jié)點(diǎn)將其收到的某一次交易放到區(qū)塊A內(nèi)進(jìn)行一次耗時(shí)計(jì)算，如果計(jì)算成功，就向全網(wǎng)進(jìn)行廣播。如果另一個(gè)在區(qū)塊A的基礎(chǔ)上完成區(qū)塊B的驗(yàn)證，那么區(qū)塊B就會(huì)掛在區(qū)塊A之后。以此類推，就會(huì)形成區(qū)塊鏈。如果重復(fù)支付，就會(huì)形成區(qū)塊鏈分叉，但只有最長(zhǎng)的區(qū)塊鏈才是有效的，其他分叉將被認(rèn)定為無(wú)效。這樣，一個(gè)貨幣只能被支付一次。

通過(guò)工作量證明機(jī)制，比特幣還杜絕非法篡改歷史交易的可能性。除非篡改者擁有大于其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之和的計(jì)算能力，否則分叉永遠(yuǎn)也沒(méi)有主支長(zhǎng)，這樣的篡改是無(wú)效的。

這樣比特幣就是安全的了，那么比特幣在沒(méi)有中心化節(jié)點(diǎn)的情況下又是如何發(fā)行的呢？

其實(shí)，比特幣的發(fā)行也源于自身。由于比特幣的每筆交易都需要驗(yàn)證。對(duì)區(qū)塊創(chuàng)造者，也就是第一個(gè)成功驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)——獲得新的數(shù)字貨幣。這樣對(duì)創(chuàng)世紀(jì)的比特幣進(jìn)行驗(yàn)證，比特幣就會(huì)像滾雪球一樣越滾越多。但由于比特幣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，比特幣總量恒定為2100萬(wàn)個(gè)。最初的時(shí)候，每10分鐘會(huì)生成一個(gè)交易區(qū)塊，成功驗(yàn)證者可以獲得50個(gè)比特幣的獎(jiǎng)勵(lì)。但每4年比特幣的獎(jiǎng)勵(lì)會(huì)減半，這樣保證了比特幣的總量的恒定。

驗(yàn)證交易的機(jī)制是怎樣的呢？也就是比特幣的發(fā)行機(jī)制是怎樣的呢？

驗(yàn)證交易其實(shí)是比賽大家10分鐘內(nèi)找到一個(gè)隨機(jī)數(shù)。這個(gè)隨機(jī)數(shù)與上一個(gè)數(shù)據(jù)塊的哈希值以及10分鐘驗(yàn)證過(guò)的新交易合起來(lái)可以得到某個(gè)條件的最小哈希。由于其特殊性，無(wú)法進(jìn)行推導(dǎo)，只能采取窮舉法。所以驗(yàn)證交易比較的是大家所擁有的計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。從概率論的角度考慮，誰(shuí)擁有的算力占比越高，獲得新的比特幣的機(jī)會(huì)也越高。這樣也形成就一條從前到后不斷驗(yàn)證的數(shù)據(jù)鏈條，他人無(wú)法篡改。比特幣系統(tǒng)還會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整驗(yàn)證交易的時(shí)間，如時(shí)間少于10分鐘，就降低哈希值下限，提高交易驗(yàn)證的難度。當(dāng)一筆交易被確認(rèn)6次以后，就認(rèn)為該筆交易得到了全網(wǎng)的認(rèn)可，合法、有效、且不可撤銷。

比特幣可以被破解密碼，盜取比特幣嗎？又是如何進(jìn)行轉(zhuǎn)賬的？

通過(guò)橢圓曲線算法可以生成數(shù)量足夠多的公鑰、私鑰，私鑰代表的是比特幣賬戶的所有權(quán)。由于私鑰數(shù)目足夠多，所以無(wú)法用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬性破解。一旦丟失私鑰，就相當(dāng)于丟失了里面的比特幣。私鑰不與身份綁定，所以具有匿名性。但可以公開(kāi)公鑰，這樣所有的交易流水、余額都可以公開(kāi)。非對(duì)稱加密技術(shù)還可以使比特幣順序轉(zhuǎn)賬。舉例：A向B轉(zhuǎn)賬1個(gè)btc。只要A用自己的私鑰加密這條信息，并進(jìn)行全網(wǎng)廣播。全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)A的公鑰解密這條信息是A發(fā)出的。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證之后，A就可以向B轉(zhuǎn)賬一個(gè)btc。

4結(jié)束語(yǔ)

區(qū)塊鏈起源于比特幣，準(zhǔn)確地說(shuō)，起源于信任問(wèn)題。區(qū)塊鏈提出者——中本聰，將區(qū)塊鏈?zhǔn)状螒?yīng)用于比特幣，致力于解決貨幣領(lǐng)域的信任問(wèn)題。他對(duì)信任問(wèn)題的解決辦法是用密碼學(xué)原理來(lái)解決信任問(wèn)題，這種密碼學(xué)原理通俗地說(shuō)是用體系、規(guī)則來(lái)解決信任問(wèn)題。

相信在未來(lái)，區(qū)塊鏈技術(shù)會(huì)讓人與人、人與物、物與物更大程度地信任。所有需要信任的領(lǐng)域，也許都將采用區(qū)塊鏈技術(shù)。

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【通聯(lián)編輯：王力】