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区块链:一种去中心化的公开记录系统

2016-01-07  richard_1...

0 前言

近期关于区块链的分析讨论越来越多,然而很多人对区块链的理解可能存在较大偏差,甚至错误。是时候该整合梳理我所学到的内容,留下点什么给大家。本文虽为论文格式,但内容较灵活化,通俗易懂且系统地向大众阐述以下内容:

区块链的本质到底是什么,其诞生起源及发展历史。

区块链如何实现记录,以及如何维护,以确保其特性。

区块链现有哪些应用场景,有什么用途,区块链在金融领域会有怎样未来……

区块链:一种去中心化的公开记录系统

图1比特币区块链

1 去中心化的网络记录

1.1 人类的记录信息需求

人类历史自原始人穴居在墙壁上涂鸦时起,就一直有记录信息的需要。后来出现了图书来记录知识,用账本来记录财务债务。到了近代会用录音机记录声音,用胶卷记录图像。随着互联网数字化的到来,使记录方式发生的巨大改变,将记录方式数字化虚拟化。电子书,电子地图,电子相册,影视综艺节目也数字化网络传播。

然而,这些记录形式的背后有个共同的深层的问题——中心化。

1.2 去中心化下载的惊人魅力

一些记录资源是存放在中心化的服务器上的,因此资源越热,想获得此资源的人越多,对服务器的压力越大,导致下载缓慢。

2003年美国加州一名叫布莱姆 科恩(Bram Cohen)的程序员开发出来一个P2P的多点共享协议软件。原理是一个文件下载的同时,也在不断互相上传数据给其他人分享。简单说即是下载者又是服务器,没有固定的中心服务器。这个去中心化的资源分享创意,引起了整个IT界的震动。即大家一定听过的BT下载(Bit Torrent),不同于中心化,资源越热越多人下载时速度反而越快。

1.3 比特币区块链的诞生

聊区块链怎么聊到BT下载上去了。因为首先创出区块链技术的BTC,就是同样是基于去中心化的P2P思想。区块链是P2P思想发展和深入研究的必然产物。

2008年11月1日,中本聪(Satoshi Nakamoto)发表论文《比特币:一种点对点的电子现金系统》(Bitcion:A Peer-to Peer Electronic Cash System)阐述了基于P2P技术和加密技术等技术的电子现金系统的构架理念。见下方参考文献1,这标志着比特币的诞生。而两个月后理论步入实践,2009年1月3日第一个序号为0的比特币的区块创世区块诞生。几天后2009年1月9日出现序号为1的区块,并与序号为0的创世区块相连接形成了链,标志着比特币区块链诞生。

即先有比特币论文构架,之后有创世区块,然后才有比特币区块链的诞生。

1.4 区块链的特点

历史上第一个真正意义上的区块链是比特币区块链。在比特币区块链出现后,又出现许多其他电子币区块链。其中也不乏有伪区块链,从本质上区分,区块链是作为一种新型记录系统,其需要包括以下特点:

1) 去中心化

区块链是必须建立在去中心的P2P思想之上形成的,即不存在作为中心的硬件或管理机构。所有节点形成一个网络,能够在免除需要对任何中心的信任的环境下,通过依据共识开源协议,自动安全地共同交换记录数据,不需要也无法人为进行干预。存在有中心的“区块链”并不是严格意义上的区块链,就像有中心的虚拟货币不属于真正加密电子币一样。可以定义有中心的链,叫私链。私链并不是区块链的一种。

2) 公开透明

区块链所有记录信息所有细节都是公开的。任何人通过互联网都可以零成本的例如在区块链平台网站,进行查询信息,同时也可几乎零成本的写入信息。且这种写入是不需要公开身份的,进而又有一定的匿名性,注意公开的是信息内容,与信息发布者可能的匿名不矛盾。而私链有可能是保密不公开,或只在有权限的人之间进行内部公开区块链记录信息。

3) 历史记录无法修改

已经多次确认进入历史的区块链记录信息,将永久记录,无法进行任何修改。这也是区块链的价值所在。而私链理论上私链的中心是有可能能进行更改的。参考文献2中说“除非能够同时控制整个系统中超过51%的节点,否则单个节点上对数据库的修改是无效的”,其实有点误解,即使控制51%节点,历史信息或新信息依旧是无非修改的。唯一能修改的是控制拥有超过51%算力的一些矿池节点之后,发动51攻击才有一定的机率攻击成功,能修改新近刚诞生的区块链记录,而对于历史记录就算是51攻击也无法修改。

2 区块链的技术内容

去中心化、公开透明、且历史记录无法修改的区块链,在技术上是如何实现的呢?虽较难完全理解,尽量用通俗语言向大家介绍,以便通过技术去深入了解区块链。

2.1 区块链的链式结构

区块链:一种去中心化的公开记录系统

图2关于区块链的简单示意图之一

区块链:一种去中心化的公开记录系统

图3关于区块链的简单示意图之二

上面两图是来自下方参考文献1的中本聪的比特币创世论文。没有必要完全看懂,只需理解以下几点即可:

1) 区块是一个一个的存储单元,链起来形成区块链。

2) 区块链的各区块之间是通过随机散列来实现链起来的。

3) 每个区块内可记录包含很多交易信息记录和其他信息。

2.2 链的记录区块的信息结构

区块是一些代码数据组成的有格式的字串,为了方便理解采用常见的Excel来讲解。下图为第一个#0创世区块结构示意。

区块链:一种去中心化的公开记录系统

图4创世区块的内容结构示意图

创世区块的结构较简单。创建出此区块需要计算来得到随机数。而作为找到随机数的奖励,将50BTC发给了第一个拥有比特币的地址1A1zP1eP5QGefi2DMPTfTL5SLmv7DivfNa。这个创世地址较确定是中本聪拥有的。

区块链:一种去中心化的公开记录系统

图5第#1和#2区块的内容结构示意图

后面的普通区块与创世区块的结构类似。观察序号为#1和#2的区块的内容,结合创世区块,可看到由区块串成区块链的方法。每个区块中有一个字段就是上一区块HASH,同时计算本区块的HASH,本区块HASH必须出现在下一个区块中的字段里。这样就穿成了一个区块长串有顺序的链。

区块链:一种去中心化的公开记录系统

图6近期的第#388388区块的内容结构示意图

道生一一生二二生三三生万物。有了前面#0,#1,#2区块形成区块链后,就可以有后面的区块形成更长的链。看近期的图6第#388388区块,这个是近期2015年12月14日挖到的较新的区块。与早期的区块大体相同,不同点有:

1) HASH值结构,由开始的8个零,变成现在的17个零开头了。每增加1个零理论难度提高16倍可以想象现在打包的难度比诞生时提高了多少倍。

2) 新生区块奖励由50BTC降到了25BTC。这个是共识开源币协议决定的,每当挖完210000个区块大约四年时间后,就新生币量减半。以此来实现币量上限2100万BTC。

3) 除了新生奖励币外,还有0.14002479BTC手续费。这是由下方绿色背景的币交易的交易手续费提供的。这些币交易总输出币量不大于总输入币量,之间的差值就作为手续费,奖励给找到随机数打包此区块的人。虽然现在总手续费与新生币25BTC相比很小。但随着未来新生币的多次减半,手续费会渐渐成为打包新区块增加区块链长度的主要动力。

2.3 打包挖矿:更新维护区块链新记录

区块链结构设计好后,怎么保证遵守有条不紊且避免攻击的增加新区块,以及由谁来增加新区块使区块链延续下去。这就要用到POW算力竞争打包技术,即俗称的挖矿技术。

根据上面图中的数据结构,可看到其中一个红色字段:随机数,还有上面能将各个区块串来中起到关键作用的HASH。这两个是和挖矿紧密相关的。

可能有些人现在还不懂基础的什么是HASH。类比于压缩软件,把几个文件或文件夹变成一个文件。被压缩的任意一个文件不同时,压缩出来的压缩文件就会不同。而HASH算法有点类似,不过其是字串层面,并且是不可逆的,不可由HASH结果还原出原字串。

见下图整个区块有id区块号,time时间戳,tx交易,random随机数等等,这些数据经过一个算法后压缩变成一个随机HASH字串,这个算法即是属于HASH算法,具体算法有很多比特币采用的是SHA256算法的HASH算法。每当任何输入信息任何微小的变化,都会引起HASH字串的完全变化。因此只要调整一个如random随机数,就可以每改变一次随机数就会有个新HASH字串。

区块链:一种去中心化的公开记录系统

图7哈希HASH的示意图

当明白HASH后,矿机算力竞争挖矿打包更新维护区块新记录的原理就较清晰了。矿工去不断地自动更换尝试不同的随机数,换了随机数后计算整个区块的HASH。看看这个HASH前几位是不是零。按概率每尝试计算16次预期便会有一次第一位是零。预期大约尝试计算16*16*16=4096次,会有一次出现前3位是零的情况。比特币目前难度要求的是前17位都是零。抛硬币抛十次,十次都是正面可以理解为运气。但是要求抛上百次都是正面就不是靠运气能做到了只能靠抛的量。前17位都是零的难度可想而知,就需要全球各地的高算力矿机一起协作,以矿池为合作单位来合力尝试来做到,每10分钟左右全球找到一次。找到能满足当前难度条件的随机数,在全网公布出来便会得到25BTC新币加打包交易的手续费,作为给矿池打包交易增加更新维护区块新记录的奖励。矿池再按算力贡献将奖励分给矿工。

2.4 算力攻防:区块链的安全基石

有系统存在,就会有黑客攻击。能100%免疫黑客的系统是不存在的。当然区块链记录系统虽然逻辑严密无漏洞可找,但也是一样有安全隐患的。这即使常被大家提起的51攻击。

51攻击就是拥有超半数全网算力(或虚拟算力,最好51%以上)的人或机构,主动发起的一种试图控制区块链,将交易记录按自己的意原来恶意打包成特定新区块的攻击行为。而对51攻击预御方法,很简单就是增加正常诚实算力,提高攻击者获得超一半全网算力的难度,另对现有的矿池算力,进行监控,当有矿池接近50%算力时,要警示矿工换其他矿池,预防其被控制由好矿池转变为攻击矿池。

明白以下几点,就会发现比特币的区块链51攻击并不恐怖。

1) 51攻击不会修改比特币的历史区块链数据,只是可能对刚写入区块链没多久的新区块链数据,在攻击成功时,有一定的修改可能。因每个历史区块区块都需很高算力来寻找随机数打包,修改历史区块数据,需要从修改处重新打包,而这个算力需求是很高的。故很重要的交易,一般等待6个确认的时间即可认为进入历史交易,而不再怕51攻击,确认越多越不怕。

2) 比特币的算力矿池分布几乎都是实名公开的企业,不存在较大隐身算力。即若真有51攻击,根据算力可以轻松地定位是哪个矿池在攻击,从而呼吁矿工离开此攻击矿池,即可中止51攻击。

3) 配置超过现有全网算力的矿机,将会是一笔很大的投入。且假设发现,那可以代码层面POW转POS模式,然后再转新算法POW。从而使整个矿业矿机归零。投入配置超现有全网算力的矿机因只能算SHA256的HASH算法而变为类似废品。投入太高,且无攻击成功的预期,从而不会攻击。这些算力直接加入正常挖矿反而获利更多。

注意,只是说比特币区块链不怕51攻击,而其他加密电子币区块链的51攻击却是非常恐怖的。因为其他电子币无高算力来保护其安全。甚至有些电子币的矿池就只有一个两个,矿池想51攻击随时可以攻击。并且很多电子币之间有共享显卡矿机算力的情况,没有独立的矿机。很容易集中算力超过此币种的总算力,从而随时可以攻击更改区块链内容。

51攻击的存在,正是说明比特币区块链相对其他电子币区块链的更稳定的优势。

面对攻击,在算力竞争中,落败的电子币,不得不退而求其次,开发很多其他的区块链打包方式,自称二代币。例如POS模式,网关共识模式等等,其实POS就是一种虚拟算力一样会有51攻击风险。并且有较中心化的问题,这些二代链可看做是区块链,与中心化的私链之间的摇摆链。假设币和网关足够分散,那更接近区块链,反之较集中则类似于私链。

3 区块链的现有应用

目前应用较多的区块链是比特币区块链,狗狗币区块链与瑞波币区块链。其中狗狗币区块链的稳定性没有比特币区块链高但使用门槛较低,瑞波币区块链较中心化有可能为私链。

3.1 区块链与比特币的关系

比特币、狗狗币、瑞波币等加密电子币是区块链目前最大应用实例,而区块链技术只是构架比特币等系统所用到的技术之一。

区块链是个记录系统,其用来记录的内容,可以是某种金融账本。而这个账本的数据内容就是电子币了。因此即可以将比特币,狗狗币等电子币,看做区块链技术的一些实例。而且是最成功的应用。也可以从另一个角度,将区块链技术看做是比特币技术下诞生的一个子技术,因比特币包括但不限于区块链技术,加密技术,P2P网络技术,时间戳技术,挖矿技术等很多技术有机地进行构架融合,才形成比特币。

3.2 币量用作股权登记证明

可以采用区块链的形式来进行众筹股票的流通。简单说就是1单位的币对应1股,将股票的中心化服务器记录转移搬到区块链上进行公开记录,具体方案实施参见参考文献3。

区块链:一种去中心化的公开记录系统

图8区块链上币量来记录对应股票流通的示意图

3.3 真实的区块链投票应用

区块链是记录特点是公开透明不可更改的。还有一个需要此记录模式特点的重要场合是投票评选。一些圈的年度人物,娱乐综艺节目的选手晋级投票,甚至国家大选都可考虑。

公开的区块链投票,可以极大程度的限制刷票作弊的出现,所有投票过程透明任何人可以查,从而保证结果的公平公正公开,更好的地方是还能容许有一定的投票隐私空间。具体区块链投票应用实例见BTCdv.com的《'2015数字货币风云粉忠人物'区块链评选活动》。

3.4 结合币技术用于记录信息证明

区块链不仅仅能记录交易本身,通过技术还能在交易时发表一些其他类似转账留言似的其他信息。将这些特定的信息收集汇总起来,就类似于全球的推特微博了。目前流行的是Eternity-Wall永恒之墙,即以EW开头的留言本,见BtcEW.com。这种基于区块链的留言是无法修改屏蔽和加时间戳的。另外若信息太多或者需要验证,可以结合HASH压缩,币签名技术等来形成更好的信息记录证明体系。

3.5 区块链与传统金融关系的挑战与机遇

区块链技术虽然应该是在互联网金融下诞生的一种技术,但是其作为技术同样可以用于传统金融。具体参见参考文献2,各大商业银行有很多都在积极研发区块链技术以期望,靠区块链优良特性来提升简化自己的业务。区块链技术在商业银行的应用大部分仍在构想和测试之中。另外国家监管层面区块链也面临新的挑战。发展受到现行制度的制约。将该技术整合至银行现有制度的成本较大。在技术层面,区块链仍需要解决诸多问题。

4 展望未来

区块链技术的未来是美好的,是互联网金融的标志性技术,是未来的方向。虽然比特币等电子币有一定的可能性不成功,但是其背后的区块链技术,必将永存。

5 参考文献

1.中本聪,《比特币:一种点对点的电子现金系统》,2008年11月1日,

http://www.8btc.com/wiki/bitcoin-a-peer-to-peer-electronic-cash-system

2. 宋湘燕,黄珊,《区块链技术在商业银行的应用前景》,金融时报,2015年12月21日,

http://www.financialnews.com.cn/llqy/201512/t20151221_89370.html

3.玛雅,《巴比特论坛股流通方案:众筹股多种流通方案》,巴比特,2015年12月30日,

http://8btc.com/thread-27169-1-1.html

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