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一、区块链技术演进史; 区块链源自比特币，不过在这之前，已有多项跨领域技术，皆是构成区块链的关键技术;而现在的区块链技术与应用，也已经远超过比特币区块链。 要追溯区块链(Blockchain)是怎么来的，不外乎先想到比特币(Bitcoin)，比特币是第一个采用区块链技术打造出的P2P电子货币系统应用，不过比特币区块链并非一项全新的技术，而是将跨领域过去数十年所累积的技术基础结合。 比特币区块链所实现的基于零信任基础、且真正去中心化的分散式系统，其实解决一个30多年前由Leslie Lamport等人所提出的拜占庭将军问题。 1982 年Leslie Lamport把军中各地军队彼此取得共识、决定是否出兵的过程，延伸至运算领域，设法建立具容错性的分散式系统，即使部分节点失效仍可确保系统正常运 行，可让多个基于零信任基础的节点达成共识，并确保资讯传递的一致性，而2008年出现的比特币区块链便解决了此问题(更多关于拜占庭将军问题可阅读《区块链：重塑经济与世界》)。 而比特币区块链中最关键的工作量证明机制，则是采用由Adam Back在1997年所发明Hashcash(杂凑现金)，为一种工作量证明演算法(Proof of Work，POW)，此演算法仰赖成本函数的不可逆特性，达到容易被验证，但很难被破解的特性，最早被应用于阻挡垃圾邮件。 在隐私安全方面的技术，可回溯到1982年David Chaum提出注重隐私的密码学网路支付系统，具有不可追踪的特性，成为比特币区块链在隐私安全面上的雏形，之后David Chaum也基于这个理论打造出不可追踪的密码学网路支付系统eCash，不过eCash并非去中心化系统。 在区块链中每笔交易，采用椭圆曲线数位签章演算法(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，ECDSA)，可追溯回1985年Neal Koblitz和Victor Miller分别提出椭圆曲线密码学(Elliptic curve cryptography，ECC)，首次将椭圆曲线用于密码学，建立公开金钥加密的演算法。相较于RSA演算法，采用ECC好处在于可以较短的金钥，达 到相同的安全强度。到了1992年，由Scott Vanstone等人提出ECDSA。 区块链最早源于比特币，但区块链的应用却不仅于此。 过去几年也陆续出现许多基于区块链技术的电子货币(统称为Altcoins)，不过随着比特币持续备受争议，各国政府与金融机构纷纷表态，直到近1、2年，大家才终于意识到区块链的真实价值，远超过于电子货币系统。 区块链可结合认许制，以满足金融监管需求 若要将比特币与区块链技术分开来看，最大的不同之处在于，由于比特币为虚拟货币应用，因此面临各国法规的限制，但区块链现在已经可结合认许制或其他方式来管控节点，决定让哪些节点参与交易验证及存取所有的资料，并提供治理架构(Governance Structure)及商业逻辑(Business Logic)两大关键特性。 目前区块链可分为非实名制和实名制两种，前者如比特币区块链，后者如台大地的GCoin区块链。现在的区块链已经可结合认许制 (Permissioned)，来配合金融监管所需的反洗钱 (AML) 与身份验证 (KYC) 规范。 而银行和金融机构想采用的都是实名制的区块链。 区块链演进四阶段 区块链技术随着比特币出现后，经历了几个不同的阶段，常见的分法将比特币视为Blockchain 1.0，为数位货币(Currency)应用，Blockchain 2.0开始出现如智慧资产(Smart Assets)、智慧契约(Smart Contracts)等货币以外的应用，Blockchain3.0则是指更复杂的智慧契约，将区块链用于政府、医疗、科学、文化与艺术等领域。 区块链新创DTCO执行长李亚鑫基于现有的分法进行补充，他认为，Blockchain 2.0以彩色币(Colored Coin)为代表，在区块链上运行Open Assets Protocal，可传递货币以外的数位资产，如股票、债券等。 而从Blockchain 2.0之后，可再分出一类属于Blockchain 2.5的应用，包括代币(货币桥)应用、分散式帐本(Distributed Ledgers)、资料层区块链(Data Layers Blockchain)、结合人工智慧(Artificial Intelligent)，以及无交易所的国际汇款网路，以Ripple为代表，资料层、分散式储存则以Factom、MaidSafe为代 表，Blockchain3.0则以Ethereum为代表。 他表示，Blockchain2.5跟Blockchain3.0最大的不同在于，3.0较强调是更复杂的智慧契约，以2.5则强调代币(货币桥)应用，如可用于金融领域联盟制区块链，如运行1:1的美元、日圆、欧元等法币数位化。 由于区块链协议几乎都是开源的，因此要取得区块链协议的原始码不是问题，重点是要找到好的区块链服务供应商，协助导入现有的系统。而银行或金融机构得对区块链有一定的了解，才能知道该如何选择，并应用于适合的业务情境。 去年金融科技(Fintech)才刚吹进台湾，没想到才过几个月，一股更强劲的区块链技术也开始在台引爆，全球金融产业可说是展现了前所未有的决心，也让区块链迅速成为各界切入金融科技的关键领域。 尽管现在就像是区块链的战国时代，不过，以台湾来看，银行或金融机构要从理解并接受区块链，到找出一套大家都认可的区块链，且真正应用于交易上，恐怕还需要一段时间。 这次台湾只比国外晚了半年，引爆点可从台大释出一套自行开发的开源区块链协议GCoin，并宣布将成立金融科技暨区块链中心说起，短短一周的时间，便引发各界高度关注，接着研讨会不断，不过，由于区块链具有较高的技术门槛，大家都知道它拥有许多特性跟好处，但却迟迟处于观望阶段，就连台湾做区块链的新创业 者，也非常稀少。银行业目前也还卡在门口，除了少数金控开始分享这个议题之外，多数金融业者仍处于试图理解技术面的阶段。 技术演进：区块链是怎么来的 》1982年 拜占庭将军问题 Leslie Lamport等人提出拜占庭将军问题(Byzantine Generals Problem)，把军中各地军队彼此取得共识、决定是否出兵的过程，延伸至运算领域，设法建立具容错性的分散式系统，即使部分节点失效仍可确保系统正常 运行，可让多个基于零信任基础的节点达成共识，并确保资讯传递的一致性，而2008年出现的比特币区块链便解决了此问题。 David Chaum提出密码学网路支付系统 David Chaum提出注重隐私安全的密码学网路支付系统，具有不可追踪的特性，成为之后比特币区块链在隐私安全面的雏形。 》1985年 椭圆曲线密码学 Neal Koblitz和Victor Miller分别提出椭圆曲线密码学(Elliptic Curve Cryptography，ECC)，首次将椭圆曲线用于密码学，建立公开金钥加密的演算法。相较于RSA演算法，采用ECC好处在于可用较短的金钥，达 到相同的安全强度。 》1990年 David Chaum基于先前理论打造出不可追踪的密码学网路支付系统，就是后来的eCash，不过eCash并非去中心化系统。 Leslie Lamport提出具高容错的一致性演算法Paxos。 》1991年 使用时间戳确保数位文件安全 Stuart Haber与W. Scott Stornetta提出用时间戳确保数位文件安全的协议，此概念之后被比特币区块链系统所采用。 》1992年 Scott Vanstone等人提出椭圆曲线数位签章演算法(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，ECDSA) 》1997年 Adam Back发明Hashcash技术 Adam Back发明Hashcash(杂凑现金)，为一种工作量证明演算法(Proof of Work，POW)，此演算法仰赖成本函数的不可逆特性，达到容易被验证，但很难被破解的特性， 最早被应用于阻挡垃圾邮件。Hashcash之后成为比特币区块链所采用的关键技术之一。 Adam Back于2002年正式发表Hashcash论文。 》1998年 Wei Dai发表匿名的分散式电子现金系统B-money Wei Dai发表匿名的分散式电子现金系统B-money，引入工作量证明机制，强调点对点交易和不可窜改特性。不过在B-money中，并未采用Adam Back提出的Hashcash演算法。Wei Dai的许多设计之后被比特币区块链所采用。 Nick Szabo发表Bit Gold Nick Szabo发表去中心化的数位货币系统Bit Gold，参与者可贡献运算能力来解出加密谜题。 》2005年 可重复使用的工作量证明机制(RPOW) Hal Finney提出可重复使用的工作量证明机制(Reusable Proofs of Work，RPOW)，结合B-money与Adam Back提出的Hashcash演算法来创造密码学货币。 》2008年 Blockchain 1.0：加密货币 数位货币与支付系统去中心化 比特币 Satoshi Nakamoto(中本聪)发表一篇关于比特币的论文，描述一个点对点电子现金系统，能在不具信任的基础之上，建立一套去中心化的电子交易体系。 》2012年 Blockchain2.0：智慧资产、智慧契约 市场去中心化，可作货币以外的数位资产转移，如股票、债券。如Colored Coin便是基于比特币区块链的开源协议，可在比特币在区块链上发行多项资产 》2014年 Blockchain 3.0：更复杂的智慧契约 更复杂的智慧合约，将区块链用于政府、医疗、科学、文化与艺术等领域 》2016年 Blockchain 2.5：金融领域应用、资料层 Blockchain2.5：强调代币(货币桥)应用、分散式帐本、资料层区块链，及结合人工智慧等金融应用 Blockchain 3.0：更复杂的智慧契约 更复杂的智慧合约，将区块链用于政府、医疗、科学、文化与艺术等领域。 二、区块到底是什么? 区块链(Blockchain)顾名思义就像是由无数个区块(Block)所组成，这整个区块链就像是一个共享的分散式总帐，这些一个一个的区块到底是什么?如何让这些区块被串在一起，又如何确保它们无法被窜改? 每个区块的Block Header都会包含一组Previous Block Hash值，这是将前一个区块的Block Header进行Hash Function而得到的值，因此每个区块之间，都会藉由这个无形的链条与先前的区块环环相扣。 区块链(Blockchain)顾名思义就像是由无数个区块(Block)所组成，以比特币的区块链来说，目前已经产生超过40万个区块，这整个区块链就像 是一个共享的分散式总帐，由多个参与比特币交易的运算节点来共同维护，每个节点也各自拥有一份完整的帐本备份(完整个区块链资料)，而其中的每个区块，就 像是帐本中的其中一页，记录好几笔不同的交易资讯，这些纪录都无法经由其中一个节点来窜改。不过，这只是个比喻，实际上，这些一个一个的区块到底是什么? 如何让这些区块被串在一起，又如何确保它们无法被窜改，得先从分析每一个区块所包含的资讯说起。 在比特币区块链中，每一个区块 (Block)所包含的资讯，包括区块的容量大小(Block Size)、区块头(Block Header)、该区块包含的交易数量(Transaction Counter)，以及每一笔被包含在这个区块中的交易资讯(Transactions)。其中，这些交易资讯都是已经Hash过的值，而Block Header则是最重要的一个部分。 每个区块中的Block Header大小固定为80 Bytes，包含用来追踪区块链协议升级的版本号(Version)，以及三组区块中继资料(Block Metadata)。 第一组资料为固定32 Bytes的Hash值，从前一个区块中的Block Header所计算出来(Previous Block Header Hash)，这么做可让每一个区块与前一个区块资料产生无形的连结，并能确保区块序列及历史纪录的正确性，这也是形成区块“链”最关键的连结。 实际产生的过程，则是当区块链网络中的其中一个节点完成工作量证明时，该节点会将这个新区块广播给其它节点，其他节点会进行验证，确认这个新区块的正确性及有效性，并将这个新区块接上区块链，这个过程就像是让这本大家共同维护的帐本资讯同步，此时，各个节点便会将这个新区块的Block Header进行Hash，得到的Hash值会被放进下一个产生的区块中，进行下一回合的工作量证明。 这么做可让这些被验证完的交易区块一个串接一个，形成区块链，一旦这个Hash值不正确，便会立刻被其他节点验证出来，也因此，让区块链具有无法轻易窜改的特性。 第二组是与进行工作量证明相关的中继资料，由Difficulty Target、Timestamp及Nonce值所组成，Difficulty Target是在工作量证明演算法过程中，Nonce则用来表示工作量证明演算法进行的次数。这个困难值每2016个区块会调整一次。最后第三组则是用来 汇整多笔交易纪录的资料结构Merkle Tree Root，这是一个由数笔被放进区块中的交易记录Hash值，经由Merkle Tree演算法所算出来的Hash值(更多区块链问题可阅读《区块链：重塑经济与世界》) 。 三、区块链5大关键技术; 比特币区块链的关键核心技术，包括用Hashcash演算法来进行工作量证明，且交易过程采用椭圆曲线数位签章演算法来确保交易安全，并在每笔交易与每个区块中使用多次Hash函数以及Merkle Tree，同时也使用时间戳来确保区块序列 比特币区块链的关键核心技术，包括采用Hashcash演算法来进行工作量证明，让区块链中的各节点有机会参与验证，达到公正性，且交易过程采用椭圆曲线数 位签章演算法来确保交易安全，并在每笔交易与每个区块中使用多次Hash函数以及Merkle Tree，不只是为了节省储存空间，更重要的是藉由将前一个区块的Hash值加入新区块中，让每个区块环环相扣，也因此做到所谓的可追踪且不可窜改的特 性，同时也使用时间戳来确保区块序列，以下便依序解释这些关键技术。 关键技术 1 采用工作量证明达到去中心化及公正性 首先，最关键的便其工作量证明机制(Proof of Work，POW)，这是一个可以让每个参与的节点可共同参与交易验证的方式，来实现一个能多方共同维护的单一系统，并共享同一份记录交易的帐本，以形成一个基于零信任基础，却能实现去中心化的P2P网路系统。 工作量证明是让任一运算节点，花费时间和运算资源来计算出一组数学公式的结果，且要完成一次有效的工作量证明，需经过一连串地尝试与失败。不过，一旦这个数值被算出来后，其他参与节点也可用相关的数学公式，便能很容易去验证这个值是否有效。 比特币区块链采用Hashcash演算法(杂凑现金演算法)作为工作量证明，让各节点经由POW计算来产生每一个有效的新区块，再经由其他节点验证并接受。 进行POW计算的过程也被称作挖矿，很多人用解一道数学题、或是解一个数独来形容，不过，怎样才是真的算出一个有效的新区块，这些节点到底在算什么? 由于每个区块中Block Header会包含许多固定的值，其中只有Nonce值为一随机值，因此每个节点进行POW计算时要算的就是，藉由不断替换这个Nonce值，来让这个区 块的Block Header Hash值，小于一个被设定好的难度目标值(Difficulty Target)，至于为什么要小于这个目标值，则是因为这个难度值意味着每个区块在理论上应该要被产生完成。 这里提到的难度值 (Difficulty)是指，节点要运算出低于困难度目标值的Hash值，平均需花多久时间，也就是平均要完成一次POW的时间。而比特币区块链目前设 定为，大约每10分钟会有节点成功算出新的区块，不过这10分钟只是基于理论值，实际每个新区块产生的时间，有可能只需要17秒(第407062个区块的 实际产生时间)，也有可能需要20分钟以上(第407068个区块的实际产生时间)。 Difficulty可动态调整，目前每产生2016个区块会调整一次难度，以每10分钟产生一区块估算，大约是每两周会调整一次Difficulty。 由于POW具有一定的难度，因此无法预期哪个运算节点可以最快算出新区块，藉此来确保交易验证的公正性。 关键技术 2 每笔交易采椭圆曲线数位签章演算法加密 比特币区块链便采用椭圆曲线数位签章演算法(ECDSA)，与另一种RSA演算法，都属于公开金钥加密演算法(Public Key Cryptography)，公开金钥加密技术在1970年代被发明，也称为双金钥密码安全系统，每个使用者会拥有公开金钥(Public Key)与私密金钥(Private Key)这两把钥匙，公开金钥可让其他人知道，而私密金钥则只有本人知道。当A要传送一笔讯息或交易给B时，需使用B的公开金钥来将这份交易加密，而这这 个加密过的讯息或交易，只有使用B的私密金钥才能解开。 在比特币区块链中，比特币区块链便采用椭圆曲线数位签章演算法，每一个比特币区块 链中的节点使用者，会同时拥有这两把金钥，以及一次性使用的比特币位址(Address)，公开金钥可让区块链网络中的其他人知道，而私密金钥则须自行保管，可用来接收货币、进行电子签章或是发送货币，而Address就像电子邮件一样可用来当作存取比特币的地址，使用者可重复取得新的Address，且 可以在离线状态下产生，不过，每个Address只能使用一次。 在比特币区块链中，每一枚电子货币被视为一串数位签章，使用者要进行比特币交易时，必须将前一笔交易以及收款方的公开金钥经由Hash产生数位签章，加到电子货币那串数位签章的后方。 RSA 加密演算法是一种非对称的加密演算法，利用两个质数作为加密与解密用的两把钥匙，金钥长度约在40个位元到1024位元。不过比特币所采用的ECDSA能 算出更短的金钥长度，也就是能够使用相对较少的资源，做到与RSA相同的安全性。在ECDSA演算法中，由私密金钥算出公开金钥很容易，但要从公开金钥推 回私密金钥却很困难。 关键技术 3 Hashcash演算法及多种Hash函数确保资料不被窜改 前面提到比特币区 块链采用Hashcash演算法来进行工作量证明，Hashcash可将任意长度的资料经由Hash函数转换为一组固定长度的代码，原理是基于一种密码学 上的单向杂凑函数 (One Way Hash Function)，这种函数很容易被验证，但是却很难破解，还回推出原本的值。先前Hashcash演算法也被用来做阻挡垃圾邮件的机制。 常使用的单向杂凑函数包括MD5、SHA-1、SHA-256、SHA-384及SHA-512等，MD5的Hash值长度为128位元，虽然广为使用，但 因长度不够较容易破解，SHA-1的Hash值长度有160位元，虽比MD5好但仍然不够安全，因此美国国家安全局(NSA)又提出多种更复杂的SHA- 2演算法，包括224、256、384、512位元长度的Hash值算法。 Hashcash最早在1997年由Adam Back提出，并于2002 正式发表一篇描述杂凑现金系统的论文。比特币区块链采用Hashcash来建立一套几乎无法被窜改的电子现金系统，每个区块的Block Header都会被Hash成一串很难被回推的代码后，放进下一个区块中，来确保区块的正确性。 关键技术 4 经由Merkle Tree将大量讯息缩短成一个Hash值 在 比特币区块链中，每笔交易产生后，都已经被Hash成一段代码才广播给各节点，不过这样做还不够，因为在各节点的区块中，可能包含数百笔到数千笔的交易， 因此，为节省储存空间并减少资源耗费，比特币区块链的设计原理采用Merkle Tree机制，让这些数百到数千笔的交易Hash值，经由两两一组形成一个新Hash值的方式，不断重复进行，直到最后产生一组最终的Hash值，也就是 Merkle Tree Root，这个最终的Hash值便会被记录到Block Header中，只有32 Bytes的大小。Merkle Tree机制可大幅减少资料传输量与运算资源消耗，验证时，只需验证这个Merkle Tree的Root值即可。 关键技术 5 用时间戳伺服器(Timestamp Server)确保区块序列 比特币采用时间戳伺服器机制(Timestamp Server)，将每个区块Hash后加上一个时间戳(Timestamp)并发布出去，这个时间戳用来证明资料在特定时间的有效性，每一个时间戳章会与 前一个戳章一起进行Hash，这个Hash值会在与下一个时间戳章进行Hash，因此而形成一个用来确保区块序列的链条。 四、区块链运作原理大剖析 为什么区块链被称作信任机器?将多种Hash函数、Merkle Tree，椭圆曲线数位签章、以及时间戳等技术结合Hashcash工作量证明，正是实现区块链的关键。 区块链(Blockchain)显然已经被许多人神化，好像各行各业都可以用区块链技术，不过某种程度上，它却像个黑盒子，大家都知道区块链具有许多特性跟好处，却不清楚它到底怎么做到。 区块链并非单一创新技术，而是将许多跨领域技术凑在一起，包括密码学、数学、演算法与经济模型，并结合点对点网路关系，利用数学基础就能建立信任效果，成为 一个不需基于彼此信任基础、也不需仰赖单一中心化机构就能够运作的分散式系统，而比特币便是第一个采用区块链技术而打造出的一套P2P电子现金系统，用来 实现一个可去中心化，并确保交易安全性、可追踪性的数位货币体系。 不过，区块链究竟是如何运作，其中又包含了哪些关键技术，使其被称作信任机器(Trust Machine)，一笔交易到底要如何在一个彼此互不信任的P2P网路中，不经由传统的信任机构(如银行、证券交易所、第三方机构等中心化机构)，就能完成交易验证? 要搞懂区块链运作原理，可先区分出交易(Transaction)与区块(Block)两个部分，这里我们分别从区块链中一笔交易产生到完成验证的流程，以 及图解一个区块，来了解区块链的运作原理，并进一步拆解5大区块链关键技术，看它到底怎么做到大家口中的基于零信任基础、去中心化、可追踪又不可窜改。 从一笔交易看区块链运作流程 在比特币区块链中，当一笔交易经由某个节点或钱包产生时，这笔交易需要被传送给其它节点来作验证。做法是将交易资料经由数位签章加密并经由Hash函数得出 一串代表此交易的唯一Hash值后，再将这个Hash值广播(Broadcast)给比特币区块链网络中的其它参与节点进行验证。 产生一笔新交易 一笔新交易产生时，会先被广播到区块链网络中的其它参与节点 各节点将数笔新交易放进区块 每个节点会将数笔未验证的交易Hash值收集到区块中，每个区块可以包含数百笔或上千笔交易。 决定由谁来验证这些交易 各节点进行工作量证明的计算来决定谁可以验证交易，由最快算出结果的节点来验证交易，这就是取得共识的做法。 取得验证权的节点将区块广播给所有节点 最快完成POW的节点，会将自己的区块广播给其他节点。 各节点验证并接上新区块 其他节点会确认这个区块所包含的交易是否有效，确认没被重复花费且具有效数位签章后，接受该区块，此时区块才正式接上区块链，无法再窜改资料。 交易验证完成 所有节点一旦接受该区块后，先前没算完POW工作的区块会失效，各节点会重新建立一个区块，继续下一回POW计算工作。 来源：集微网 |
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