區(qū)塊鏈的起源、原理

肖自強　倪榮　陳慧

摘要：區(qū)塊鏈技術(shù)憑借其獨有的魅力：去中心化、有匿名性、公開透明、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。但它的未來卻不僅僅局限于此。文章簡述區(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;共識機制

中圖分類號：TP319 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：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)俏磥淼募夹g(shù)所在。什么是區(qū)塊鏈？其實區(qū)塊鏈并不是新鮮技術(shù)，而是一系列技術(shù)的集成，包括非對稱加密技術(shù)、時間戳、共識機制。區(qū)塊鏈也是一個去中心化的、點對點的、可匿名的、公開透明、自治民主的分布式的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

區(qū)塊鏈?zhǔn)侵谱餍湃蔚臋C器。區(qū)塊鏈?zhǔn)侨ブ行幕?、基于密碼學(xué)原理的系統(tǒng)。節(jié)點與節(jié)點之間平等并且相互信任，無須任何中心機構(gòu)的監(jiān)督，節(jié)點自發(fā)性地監(jiān)督。區(qū)塊鏈更是被認為是繼大型機、個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)、移動/社交網(wǎng)絡(luò)之后計算范式的第五次顛覆式創(chuàng)新，是人類信用進化史上，繼血親信用、貴金屬信用、央行紙幣信用之后的第四個里程碑[1]。所以區(qū)塊鏈未來的應(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。未來區(qū)塊鏈技術(shù)可能會與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等相結(jié)合。在未來，社會生產(chǎn)力是計算能力，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，人的勞動力將被解放，那是一個自動化的時代。所有的商業(yè)模式將被改寫，所有價的值將被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)作將會釋放人類的創(chuàng)作力，與此同時，更加偉大的科技成果將問世。

本文介紹了區(qū)塊鏈的含義、特點、重大意義與未來。

2 區(qū)塊鏈的起源

談起區(qū)塊鏈，不得不說的一個人是中本聰。中本聰是比特幣的開發(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：一種點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》。值得一提的是2008年爆發(fā)的美國金融危機，刺痛了人們對主流金融的不信任的神經(jīng)，也導(dǎo)致了人們對于金融公司以及理應(yīng)監(jiān)管它們的政府機構(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對點的交易系統(tǒng)。區(qū)塊鏈作為比特幣的底層技術(shù)，其實起源于貨幣。最早的時候，人們用貝殼、金銀等稀有的物品來進行價值交換。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。紙幣憑借國家的信用背書，使人們相信了紙幣的價值。由于紙幣需要制作成本，不方便運輸。銀行推出了電子貨幣，電子貨幣雖然方便、通用、增加社會效益，但是本質(zhì)上還是依賴于國家的信用背書。這些法幣的構(gòu)建基礎(chǔ)是國家機器。從社會成本的角度來看，執(zhí)法所需的費用，軍隊的日常開支，都是法幣的社會成本。進一步說維系法幣的可持續(xù)發(fā)展所需的技術(shù)、人力、監(jiān)管、設(shè)備以及審計等方面的投入，也都是法幣的社會成本。那如何建立一個低成本、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)成功的運用于比特幣。這套系統(tǒng)是去中心化的、點對點的、基于密碼學(xué)原理的安全可靠的系統(tǒng)。更是自成長、自激勵、自運維的完全民主的系統(tǒng)。各個節(jié)點之間是平權(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)器挖出了第一個區(qū)塊——創(chuàng)世區(qū)塊，并獲得50個比特幣的獎勵。此后10年間，如此規(guī)模龐大的比特幣系統(tǒng)從未出現(xiàn)過一次錯，也從未宕過一次機。這是一次偉大的技術(shù)變革。數(shù)字貨幣系統(tǒng)可以說是最低成本且最為成功的貨幣系統(tǒng)。

3 區(qū)塊鏈的原理

一開始的時候，出現(xiàn)的是中心化的數(shù)字貨幣，但都以失敗告終。后來去中心化的數(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。每進行一次交易，就要對全網(wǎng)進行廣播，這樣每個節(jié)點都有全網(wǎng)總賬本。每一個貨幣都可以追根溯源，也就無法進行貨幣偽造。為了防止一個貨幣的重復(fù)支付，中本聰采用的是工作量證明機制。每發(fā)生一筆交易，就會對全網(wǎng)進行廣播。如果重復(fù)支付，就意味著一個貨幣的多次廣播。節(jié)點將其收到的某一次交易放到區(qū)塊A內(nèi)進行一次耗時計算，如果計算成功，就向全網(wǎng)進行廣播。如果另一個在區(qū)塊A的基礎(chǔ)上完成區(qū)塊B的驗證，那么區(qū)塊B就會掛在區(qū)塊A之后。以此類推，就會形成區(qū)塊鏈。如果重復(fù)支付，就會形成區(qū)塊鏈分叉，但只有最長的區(qū)塊鏈才是有效的，其他分叉將被認定為無效。這樣，一個貨幣只能被支付一次。

通過工作量證明機制，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)點之和的計算能力，否則分叉永遠也沒有主支長，這樣的篡改是無效的。

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

其實，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證。對區(qū)塊創(chuàng)造者，也就是第一個成功驗證的節(jié)點進行激勵——獲得新的數(shù)字貨幣。這樣對創(chuàng)世紀(jì)的比特幣進行驗證，比特幣就會像滾雪球一樣越滾越多。但由于比特幣系統(tǒng)的設(shè)計，比特幣總量恒定為2100萬個。最初的時候，每10分鐘會生成一個交易區(qū)塊，成功驗證者可以獲得50個比特幣的獎勵。但每4年比特幣的獎勵會減半，這樣保證了比特幣的總量的恒定。

驗證交易的機制是怎樣的呢？也就是比特幣的發(fā)行機制是怎樣的呢？

驗證交易其實是比賽大家10分鐘內(nèi)找到一個隨機數(shù)。這個隨機數(shù)與上一個數(shù)據(jù)塊的哈希值以及10分鐘驗證過的新交易合起來可以得到某個條件的最小哈希。由于其特殊性，無法進行推導(dǎo)，只能采取窮舉法。所以驗證交易比較的是大家所擁有的計算機的計算能力。從概率論的角度考慮，誰擁有的算力占比越高，獲得新的比特幣的機會也越高。這樣也形成就一條從前到后不斷驗證的數(shù)據(jù)鏈條，他人無法篡改。比特幣系統(tǒng)還會動態(tài)調(diào)整驗證交易的時間，如時間少于10分鐘，就降低哈希值下限，提高交易驗證的難度。當(dāng)一筆交易被確認6次以后，就認為該筆交易得到了全網(wǎng)的認可，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？又是如何進行轉(zhuǎn)賬的？

通過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，所以無法用現(xiàn)有的計算機硬性破解。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。但可以公開公鑰，這樣所有的交易流水、余額都可以公開。非對稱加密技術(shù)還可以使比特幣順序轉(zhuǎn)賬。舉例：A向B轉(zhuǎn)賬1個btc。只要A用自己的私鑰加密這條信息，并進行全網(wǎng)廣播。全網(wǎng)節(jié)點通過A的公鑰解密這條信息是A發(fā)出的。經(jīng)過驗證之后，A就可以向B轉(zhuǎn)賬一個btc。

4結(jié)束語

區(qū)塊鏈起源于比特幣，準(zhǔn)確地說，起源于信任問題。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)域的信任問題。他對信任問題的解決辦法是用密碼學(xué)原理來解決信任問題，這種密碼學(xué)原理通俗地說是用體系、規(guī)則來解決信任問題。

相信在未來，區(qū)塊鏈技術(shù)會讓人與人、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)。

參考文獻：

[1] SWAN M.Blockchain：blueprint for a new economy[M].USA：OReillyMediaInc，2015.

[2]歐陽麗煒，王帥，袁勇，倪曉春，王飛躍.區(qū)塊鏈智能合約的發(fā)展現(xiàn)狀：架構(gòu)、應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J/OL].自動化學(xué)報：1-13[2019-03-04].

[3]袁勇，王飛躍.區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].自動化學(xué)報，2016，42（04）：481-494.

[4]張寧，王毅，康重慶，程將南，賀大瑋.能源互聯(lián)網(wǎng)中的區(qū)塊鏈技術(shù)：研究框架與典型應(yīng)用初探[J].中國電機工程學(xué)報，2016，36（15）：4011-4023.

[5]沈鑫，裴慶祺，劉雪峰.區(qū)塊鏈技術(shù)綜述[J].網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報，2016，2（11）：11-20.

[6]王海勇，郭凱璇，潘啟青.基于投票機制的拜占庭容錯共識算法[J/OL].計算機應(yīng)用：1-7[2019-03-04].

[7]甘俊，李強，陳子豪，張超.區(qū)塊鏈實用拜占庭容錯共識算法的改進研究[J/OL].計算機應(yīng)用：1-10[2019-03-04].

[8]倪榮，肖自強.區(qū)塊鏈的發(fā)展與安全[J].電腦知識與技術(shù)，2018，14（12）：24-25.

【通聯(lián)編輯：王力】