内容简介 这是一本全面深入阐述区块链技术的书籍, 书中重点阐述了区块链的实现原理 共识机制 应用场景以及未来发展方向 本书共 5 章, 主要内容为 : 从比特币以及区块链的发展历程与原理等方面介绍区块链的起源与成功应用 ; 从区块链与传统行业 人工智能 金融 大数据等方面的结合, 描述了区块链能为人

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2 内容简介 这是一本全面深入阐述区块链技术的书籍, 书中重点阐述了区块链的实现原理 共识机制 应用场景以及未来发展方向 本书共 5 章, 主要内容为 : 从比特币以及区块链的发展历程与原理等方面介绍区块链的起源与成功应用 ; 从区块链与传统行业 人工智能 金融 大数据等方面的结合, 描述了区块链能为人们带来的巨大技术变革 ; 介绍了区块链技术的主要应用场景及相应案例, 包括存在性证明 智能合约 供应链 身份验证 资产交易 预测市场 电子商务 物流 文件存储 医疗等 ; 从原理 技术创新 发展等方面介绍了当下成功的区块链技术实践项目, 包括以太坊 公证通 比特股 瑞波以及超级账本 ; 从区块链网络自身的演化 物联网 互联网等方面描绘了区块链技术的未来蓝图 构建基于信用的下一代互联网 本书适合希望全面了解区块链技术全貌及具体应用场景的读者 本书封面贴有清华大学出版社防伪标签, 无标签者不得销售 版权所有, 侵权必究 侵权举报电话 : 图书在版编目 (CIP) 数据 区块链解密 : 构建基于信用的下一代互联网 / 黄步添, 蔡亮编著. 北京 : 清华大学 出版社,2016 ISBN Ⅰ. 1 区 Ⅱ. 1 黄 2 蔡 Ⅲ. 1 电子商务 电子支付 研究 Ⅳ. 1F 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2016) 第 号 责任编辑 : 杨如林封面设计 : 杨玉兰刘青露责任校对 : 徐俊伟责任印制 : 李红英 出版发行 : 清华大学出版社 网 址 : 地 址 : 北京清华大学学研大厦 A 座 邮 编 : 社总机 : 邮 购 : 投稿与读者服务 : ,c-service@tup.tsinghua.edu.cn 质量反馈 : ,zhiliang@tup.tsinghua.edu.cn 印刷者 : 三河市君旺印务有限公司 装订者 : 三河市新茂装订有限公司 经 销 : 全国新华书店 开 本 :170mm 240mm 印 张 :15.5 字 数 :228 千字 版 次 :2016 年 12 月第 1 版 印 次 :2016 年 12 月第 1 次印刷 印 数 :1 ~ 3500 定 价 :49.80 元 产品编号 :

3 委会审校 : 王从礼黎晓飞杨正清编主编 : 黄步添蔡亮撰写 : 王毅陈建海刘振广李启雷龚建坤盛远策陈颖刘嘉陵梁然张泽恩少平曹寅王英健吴思进姜疆王从礼俞之贝毛道明王云霄张维赛郑徐兵姜集闯李伟邓旭

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5 记得一年多以前, 在和来自中国大陆的同事们讨论 Blockchain 的时候, 这个词似乎还没有一个约定俗成的中文译名 现在, 区块链 (Blockchain) 已经是技术领域中最热的词汇了 目前, 中国在区块链和分布式账本 (Decentralized Ledger) 等领域已经处于领先地位, 其主要原因在于中国拥有大量密码学和金融技术 (FinTech) 领域的人才 从我第一次到中国讲授有关区块链的课程以来, 在短短的时间内, 我就发现中国政府和企业对这一领域倾入了前所未有的关注, 大量区块链加速器 (Accelerator) 如雨后春笋般地成长了起来 对那些希望能更深入地了解区块链和分布式账本的读者来说, 黄步添博士的这本专著来得非常及时 本书覆盖了这一领域的各类课题, 能帮助读者从技术层面上进一步了解相关课题 同时, 对于普通读者来说, 本书的讲解又能做到深入浅出 这本专著对于中国读者来说, 是原创性和综合性的, 几乎对所有区块链的相关概念都进行了讨论, 而且, 所讨论的课题很前沿, 包括以太坊 (Etheruem) 分布式自治组织(DAOs), 以及智能合约 (Smart Contract), 等等 如果通过分布式网络 (Distributed Network) 进行 P2P 支付, 在这过程中, 信任就不是必需的了, 这种想法在比特币的原始投资者中广为流传 实际上, 非中心化 (Not Centralized) 的网络是最理想的 在集中化系统 (Centralized System) 中, 每个节点都有不同的信息和支持不同的计序

6 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 IV 算能力, 要替代它几乎是不可能的 一直以来, 替代传统的集中化系统, 也只能是个理想而已 比特币是由一小群人, 或者说是一个人发明的 它之所以能吸引那么多人的关注, 主要是因为其高度的复杂性和适应性, 这使得替代集中化系统成为可能 但是, 即便不从技术角度讲, 中本聪 (Satoshi Nakamoto) 这个名字本身也很有意思, 是三星 (SAmsung) 东芝 (TOSHIba) 中道(NAKAmichi) 和摩托罗拉 (MOTOrola) 的起首发音的组合 如果直接以日语汉字来解释, 意思是 : 中国人本来就聪明 这赋予了这个名字更多的神秘感, 弄得绝大部分人根本不知道中本聪到底是谁 随着人工智能领域技术的进步和计算机处理能力的提升, 大家相信, 有朝一日, 机器会主宰人类 这可能超出了最初从事人工智能的科研人员的考虑范围, 但是现在看来, 在未来的某个时间点, 这是有可能发生的, 科幻小说已经给人们做出非常详尽的描述了 因此人们产生了这样的思想 : 加密技术是用来保护人类的 在 20 世纪 90 年代, 在这个领域中活跃着一群自称为密码朋克 (Cypherpunks) 的人, 他们受到黑客传统与自由主义思想 (Libertarian Ideas) 的影响 他们相信, 在电子时代的开放社会, 隐私依然是绝对必要的 他们不认为集中式系统在未来能够保障个人隐私 他们倡导的是人民应当捍卫自己的隐私权, 并且通过编写具有这样功能的代码来实现这一目标 也许, 他们相信当网络朋克 (Cyberpunk) 的小说会变成现实, 在机器主导世界的情况发生时, 这么做至少能在某种程度上更好地保护人类的尊严 他们相信加密与解密将是一场 魔高一尺, 道高一丈 的持久战, 这场斗争的结果将决定未来人类将享有多大程度的自由 对他们来说, 为了人类的自由, 他们是愿意承担一定的风险的 密码朋克 (Cypherpunks) 是密码 (Ciphers) 和网络朋克 (Cyberpunks) 两个词结合在一起产生的, 从 1992 年 9 月开始就有人使用这个词了 现在密码朋克指的是一个崇尚通过加密技术来推动社会变革的社交网络群体 2014 年, 我第一次在硅谷就政府在这个生态系统 (Eco-system) 中的重要角色做主题演讲, 大家好像都听不太进去 新加坡管理大学通过网络播

7 第 5 章序 V 客 (Podcast) 推送了演讲, 之后新加坡沈基文金融经济研究院 (SKBI) 又举办了世界第一场加密货币国际学术会议, 分布式账本研究社区中的很多人才开始被说服, 大家认为技术可以帮助企业降低成本, 提升效率 因为我们可以通过技术来保护生态系统的完全可信, 而不必再去判断对方是否值得信任 后来, 我又参加了一系列有关电子支付和金融技术的访谈和论坛, 进一步论述了技术有推动普惠社会的效能, 可以为没有充分获得银行服务的和完全得不到银行服务的群体提供低成本的基本服务, 这些论述开始得到业界的重视 黄步添博士在本书中汇总了诸多与区块链相关的课题, 在其完整论述的基础上, 我们可以借用上海交通大学海外教育学院周亚莉老师为我在 领航 + 高管前沿人才培养计划 课程的开幕演讲中所撰写的总结文稿加以概述 : ( 1 ) 当前金融体系仍主要靠加强中心化来解决信任问题 为维护信任, 在金融业的发展历程中, 催生了大量的中介机构, 包括托管机构 第三方支付平台 公证机构 银行 政府监管部门等 但中介机构处理信息仍依赖人工, 且交易信息往往需要经过多道中介的传递, 使得信息出错率高, 且效率低下 在实践中, 权威机构通过中心化的数据传输系统收集各种信息, 并保存在中心服务器中, 然后集中向社会公布 中心化的传输模式同样使得数据传输效率低 成本高 (2) 区块链是基于共识机制建立起来的, 由集体维护的分布式共享数据库 它具有非中心化 去中介化 无须信任系统 不可篡改 加密安全 交易留痕并可追溯 透明等优点, 可以有效绕过诸多中介, 降低沟通成本, 提高交易效率, 快速确立信任关系或在交互双方未建立信任关系时即达成交易, 进一步靠近了金融的本质属性和内在要求 ( 3 ) 目前, 区块链技术在数字货币 信贷融资 支付清算 数字票据 证券交易及登记结算 代理投票 股权众筹 跨境交易 保险经纪等方面, 已从理论探讨走向实践应用 上述领域的共同特点是对信任度要求高, 而传统信任机制的成本居高不下

8 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 VI (4) 以比特币为代表的数字货币是区块链技术最为成功的运用 比特币与传统纸币相比, 发行数字货币能有效降低货币发行及流通的成本, 提升经济交易活动的便利性和透明度 这种数字货币具有超币种 超国界 超主权 实时结算的特点, 一旦在全球范围实现了区块链信用体系, 数字货币自然会成为类黄金的全球通用支付信用 (5) 与现有的传统支付体系相比, 区块链支付在交易双方之间直接进行, 不涉及中间机构, 即使部分网络瘫痪也不会影响到整个系统的运行 如果基于区块链技术构建一套通用的分布式金融交易协议, 为用户提供跨境 任意币种实时支付清算服务, 则跨境支付将会变得便捷高效和成本低廉 (6) 区块链技术被视为下一代价值互联网的主要协议之一, 任何需要或者缺乏信任的生产和生活领域, 区块链技术都将有用武之地 从数字货币到证券与金融合约 互助保险 教育 所有权登记 转让 博彩 防伪 物联网 智能合约, 甚至旅游, 还可以在公益及社会治理领域如身份认证 司法仲裁 投票 健康管理 人工智能, 以及非中心化的社会组织等领域中进行广泛应用, 这将会极大地改变甚至颠覆我们未来的生活 在黄步添博士的这本专著中, 您可以看到 : 第 1 章 从区块链的起源与成功应用 比特币以及区块链的发展历程 与原理等方面介绍区块链 第 2 章 从区块链与传统行业 人工智能 金融 大数据等领域的结 合, 描述了区块链能为人们带来的巨大技术变革 第 3 章 介绍区块链技术的主要应用场景及相应案例, 包括存在性证 明 智能合约 供应链 身份验证 预测市场 资产交易 电子商务 文件 存储 物流 交易所 医疗应用等 第 4 章 从原理 技术创新 发展等方面介绍了当下成功的区块链技术 实践项目, 包括以太坊 公证通 比特股 瑞波以及超级账本 第 5 章 总结全书, 从区块链网络自身的演化 物联网 互联网等方面 描绘了区块链技术的未来蓝图 构建基于信用的下一代互联网

9 第 5 章序 VII 但是, 我对大家常用的 去中心化 这个词有些不同的看法 因为对于这个词的解读, 很难区分到底是要 摒弃集中化授权 还是建立 分散化设置 中文的直译似乎不能很准确地表达其内在含义 我更倾向于使用 非中心化 (Not Centralised), 而不是 去中心化 (DE-Centralised) 在汉语里, 与 中心化 相对的应该是 非中心化, 也就是说 不是集中式的, 而不是要摒弃中心化的 去中心化, 是 非中心化 而不是 去中心化 非中心化 的每个节点之间, 仍然可以有 迷你中心化 (Mini Centralization) 总之, 可以认为这个 去中心化 表达的是一种 分散式的 含义 最近的研究表明, 如果比特币挖矿在每个节点的计算能力也都能保持一致, 那么没有哪一个节点会比其他节点更有优势, 迷你中心化 也就不会发生 这样, 也许我们就有了一种理想的状态 : 分布式系统 (Distributed System) 我希望在以后的著作和文献中, 学者们应该考虑对现有词汇的翻译进行调整, 不然容易混淆重要的概念 去中心化系统 这样的提法, 也会给人们带来类似于完全 无需治理 的想法, 这是不正确的 即便是在一个完全分布式的系统中, 仍然会由 核心开发者 授权开发者 或者 认证开发者 来编写代码 然后, 由挖矿人 股东或代币持有人 (Token Holders) 来决定新的治理结构或者代码是否可以被接受 虽然不需要介入软件下载, 但是如果没有新的法律或者治理结构来应对这些问题, 核心开发者仍然可能会面对尚不明确的法律责任 在这一领域, 代码是法律, 还是法律是代码? 这个问题目前还没有讨论清楚 这就给可能的司法诉讼埋下了伏笔 同时, 只要我们在区块链环境中还能够追踪并确认个人或者实体的身份, 那么这个系统就不是真正的匿名系统而只是 P2P 匿名系统 讽刺的是, 区块链的出现虽然是密码朋克社区的重大贡献, 但是, 完全的非中心化和分布式可能不会真正产生 此外, 因为区块链高度透明, 有可能带来和人们期望完全相反的结果, 更高程度的集中化和中央控制是有可能会在分布式账本系统中出现的 但是, 这一点也不会动摇密码朋克社区为此付出努力的决心, 可以肯定

10 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 VIII 地说, 保护人类在由机器主导的世界中的尊严, 是一个高尚而值得探索的目标 也就是说, 最理想的完全摒弃集中化授权的分布式系统, 也许只在理论中存在 信任是个稀有的资源, 上述区块链的特点补充了我们现在以技术 平台 数据为基础所建立的信任系统 书名 区块链解密 : 构建基于信用的下一代互联网 充分反映了很多专家对区块链的评价 黄步添博士的著作出版得非常及时, 大家应该都看一看, 非常高兴我能有幸为本书作序 在此向云象区块链和黄步添博士致以最美好的祝愿 李国权新加坡新跃大学 (SIM University, Singapore) 金融科技与区块链教授美国斯坦福大学 2015 Fulbright 学者新加坡经济学会副会长

11 互联网领域最知名的 预言家 凯文 凯利在 失控 一书中指出, 未来世界的趋势是去中心化的 亚当 斯密的 看不见的手 就是对市场去中心化本质的一个很好的概括 点与点之间直线距离最短, 人与人之间沟通的最佳模式也应该是直接沟通, 无论从哪个方面切入, 去中心化的市场本质都是无可辩驳的 我们可能正面临一场革命的晨曦, 这场革命始于一种新的 边缘的互联网经济 世界经济论坛 ( 即达沃斯论坛 ) 创始人克劳斯 施瓦布 (Klaus Schwab) 说 : 自蒸汽机 电和计算机发明以来, 人们又迎来了第四次工业革命 数字革命, 而区块链技术就是第四次工业革命的成果 区块链作为下一代的可信互联网, 必将颠覆所有在其之上的业务, 让整个基于互联网的企业 生态 产业链彻底做一次变革创新 马云曾经说过 : 很多人还没搞清楚什么是 PC 互联网, 移动互联网来了, 我们还没搞清楚移动互联的时候, 大数据时代又来了 现在, 我们是否可以在后面加上一句 : 人们还没搞清楚大数据是什么, 区块链又来了 威廉 吉布森曾说过 : 未来已经发生, 只是尚未流行 相信区块链技术能够引领未来 5 ~ 10 年的计算机和互联网领域的发展, 我们已隐约能听见不远的未来, 由区块链技术掀起的革命的滚滚风雷 首先感谢清华大学出版社的大力支持, 才会促成本书的出版 本书全面 阐述了区块链的技术原理 应用场景, 以及未来的发展方向 盛远策 王从前言

12 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 X 礼 毛道明 王云霄 张维赛等参与了第 1 章的编写工作 ; 王毅 李启雷 姜集闯等参与了第 2 章的编写工作 ; 王英健 吴思进 姜疆 龚建坤 王从礼 陈颖 俞之贝等参与了第 3 章的编写工作 ; 刘嘉陵 梁然 张泽恩 少平等参与了第 4 章的编写工作 ; 曹寅 郑徐兵 盛远策 李伟 王毅 邓旭等参与了第 5 章的编写工作 特别感谢新加坡经济学会副会长李国权教授为本书作序, 浙江大学何钦铭教授 教育部长江学者陈积明教授 陈文智教授 纪守领教授以及新加坡国立大学 Roger Zimmermann 教授等对云象区块链团队的大力支持, 以及云象区块链的王备博士 王津航博士 石太彬 杨文龙 温琪 朱纪伟 王光瑞 候文龙等专家的参与 希望本书的出版, 能为广大区块链技术爱好者和创业者提供帮助 编者 黄步添

13 53 1 第 1 章区块链之前世今生 1.1 比特币 / 产生背景 / 技术原理 / 比特币的特点 / 重要概念 / 区块链 / 区块链是什么 / 区块链历史 / 分叉问题 / 共识攻击 / 区块链形态 / 共识机制 / 49 第 2 章通往区块链之路 2.1 区块链与行业应用 / 传统行业与区块链 / 57

14 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 XII 2.2 区块链与人工智能 / 未来人类社会的发展 区块链 / 区块链在人工智能领域的应用 / 人工智能和区块链在互联网金融中的应用 / 人工智能和区块链在医疗行业的应用 / Sapience AIFX 与区块链 / 区块链与未来金融 / 区块链技术已在金融领域逐步兴起 / 区块链契合金融的本质 / 区块链技术在金融领域的应用前景 / 区块链与大数据 / 区块链与重构大数据 / 区块链构建全球信用体系 / 区块链在大数据领域的应用 / 第 3 章区块链应用场景 3.1 存在性证明 / 84 数字合同与数字印章 / 智能合约 / 88 比特币保险柜 / 供应链 / 94 区块链上的商品溯源 / 身份验证 / BitNation / CryptID / 预测市场 / 102

15 第 5 章目录 XIII Augur / 资产交易 / 房产交易 / 大宗商品交易 / 电子商务 / 支付应用 / 仲裁交易 / OpenBazaar / 文件存储 / 116 分布式存储平台 Sia / 物流 / 120 区块链上的包裹溯源 / 交易所 / 122 区块链交易所 / 医疗应用 / 区块链与个人健康记录 / 区块链与病人隐私保护 / 区块链构建医疗互信机制 / 区块链构建新一代互助医疗保险 / 区块链与健康云 / 第 4 章区块链实践 4.1 以太坊 / 以太币 / 运行原理 / 以太坊虚拟机 / 139

16 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 XIV 一个简单的智能合约 / 以太坊生态 / 公证通 / 去中介的信任引擎 / 改善数据确权 / 比特股 / 比特股的共识机制 / 智能货币 / 去中心化的交易所 / 瑞波 / 对传统区块链的改进 / 瑞波货币 / 分布式交易所 / 瑞波的合规性 / 降低跨境支付的成本 / 瑞波的运用 / Hyperledger / Fabric 简介 / Fabric 构架 / 拓扑结构 / 超级账本的协议 / 第 5 章走向未来之路 5.1 链遍江湖, 链链不同 / 区块链网络动力学 / 区块链的自组织 / 190

17 第 5 章目录 XV 崩溃和无序 / 自组织 / 节点变迁 / 自组织的基础支撑 / 区块链的未来 / 三体与区块链 / 互联网 + 走向区块链 + / 可信交易杜绝消费欺诈 / 去中心化避免垄断获利 / 高效互联优化合作模式 / 物联网走向物 链 网 / IBM 的设备民主 / Filament 的底层硬件 / Tilepay 的物联网支付系统 / 构建基于信用的下一代互联网 / 经济 金融的核心是信用 / 传统条件下的高信用成本 / 大数据降低信用成本 / 区块链开启新的信用时代 / 参考文献

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19 第 1 章 区块链之前世今生 1.1 比特币 1.2 区块链

20 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 比特币 产生背景 a 比特币 (Bit Coin) 的概念最初是由中本聪在 2008 年发表的论文 比 特币 : 一种点对点的电子现金系统 [1] 中提出的 这种电子现金系统起始于 按中本聪的思路设计 发布的开源软件及建构于其上的 P2P(Peer to Peer) 网络 比特币是一种 P2P 形式下的数字货币 点对点的传输意味着一个去中 心化的支付系统 与大多数货币不同, 比特币不依靠特定的货币机构发行, 它依据特定 算法, 通过大量的计算产生 比特币经济是指通过使用整个 P2P 网络中众多 节点构成的分布式数据库来确认并记录所有的交易行为, 并使用密码学的设 计来确保货币流通中各个环节的安全性 P2P 的去中心化特性与算法本身可 以确保任何人都无法通过大量制造比特币来人为操控币值 基于密码学的设 计可以使比特币只能被真实的拥有者转移或支付, 同时确保了货币的所有权 与流通交易的匿名性 比特币与其他虚拟货币最大的不同是其总数量非常有 a 中本聪, 比特币的创始者 2008 年中本聪在互联网上一个讨论信息加密的邮件组中发表了一篇文章, 勾划了比特币系统的基本框架, 并在 2009 年为该系统建立了一个开源项目, 正式宣告了比特币的诞生

21 第 1 章区块链之前世今生 3 限, 具有极强的稀缺性 该货币系统曾在 4 年内只有不超过 1050 万个, 之后 的总数量将被永久地限制在 2100 万个 比特币的特性如图 1-1 所示 块密码的工作模式 安全性 共识性 分布数据库 开源软件 开放性 理念 有限性 总量 2100 万 P2P 对等网络对等性匿名性 无须身份证明 图 1-1 比特币的特性 技术原理 比特币网络通过随机哈希值为全部交易加上时间戳, 将它们合并入一个不断延伸的 基于随机哈希值的工作量证明 (Proof of Work) 链条作为交易记录, 除非重新完成全部的工作量证明, 否则形成的交易记录将不可更改 最长的链条不仅将被作为观察到的事件序列 (Sequence) 的证明, 而且被看做是来自 CPU 计算能力最大的池 (Pool) 只要大多数的 CPU 计算能力都没有打算联合起来对全网进行攻击, 那么诚实的节点将会生成最长的 超过攻击者的链条 1 交易 交易是比特币系统中最重要的部分 系统中任何其他部分都是为确保比特币交易可以被生成, 能在比特币网络中得以传播和通过验证, 并最终被添加至全球比特币交易总账本 ( 比特币区块链 ) 比特币交易的本质是数据结构, 这些数据结构中存放的是货币所有权的流转信息, 所有权登记在比特币地址上 表 1-1 给出了比特币交易记录的详细结构 这些信息是全网公开的, 以明文形式存储 ( 比特币系统里的所有数据都是明文 ), 只有当需要转移货币所有权时, 才需要用私钥签名来验证

22 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 4 表 1-1 比特币交易记录的结构 字段名称作用大小 生成时间本次交易嵌入到区块中的时间 4 字节 引用交易的哈希值 本次交易的 merkle 节点的哈希值, 用于确认交易没有被伪造和重复 32 字节 交易记录索引编号该编号作为交易地址查询的入口 4 字节 比特币支出地址记录了本次交易中比特币支出地址的信息 16 字节 支出地址数量本次交易中比特币支出地址的数量 4 字节 版本该比特币协议的版本号 4 字节 本次交易的数字签名记录本次交易的数字签名信息不确定 比特币接收地址记录了本次交易中比特币接收地址的信息 16 字节 接收地址数量本次交易中比特币接收地址的数量 4 字节 该条记录的大小记录了本条记录的大小大于 2 字节 一枚电子货币是这样的一串数字签名 : 每一位所有者通过对前一次交易 和下一位拥有者的公钥 (Public Key) 签署一个随机哈希的数字签名, 并将 这个签名附加在这枚电子货币的末尾, 电子货币就发送给了下一位所有者, 而收款人通过对签名进行检验, 就能够验证该链条的所有者, 具体交易模式 如图 1-2 所示 交易 所有者 1 的公钥 交易 所有者 2 的公钥 交易 所有者 3 的公钥 随机哈希 随机哈希 随机哈希 所有者 0 的公钥 检验 所有者 1 的公钥 检验 所有者 2 的公钥 所有者 1 的私钥 签名 所有者 1 的私钥 签名 所有者 3 的私钥 图 1-2 交易模式 该过程的问题在于, 收款人将难以检验之前的某位所有者是否对这枚电

23 第 1 章区块链之前世今生 5 子货币进行了双重支付 通常的解决方案是引入可信的第三方权威, 或者类似于造币厂的机构, 来对每一笔交易进行检验, 以防止双重支付 在每一笔交易结束后, 这枚电子货币就要被造币厂回收, 同时造币厂将发行一枚新的电子货币 ; 而只有造币厂直接发行的电子货币才算作有效, 这样就能够防止双重支付 该解决方案的问题在于, 整个货币系统的命运完全依赖于运作造币厂的公司, 因为每一笔交易都要经过该造币厂的确认, 它就像是一家银行 我们需要收款人能够采取某种方法, 来确保之前的所有者没有对更早发生的交易实施签名 从逻辑上看, 为了达到目的, 实际上需要关注的只是本次交易之前发生的交易, 而不需要关注这笔交易发生之后是否会有双重支付的尝试 为了证明某一次交易是不存在的, 唯一的方法就是获悉之前发生过的所有交易信息 在造币厂模型里, 造币厂获悉所有的交易, 并且决定交易完成的先后顺序 如果想要在电子系统中排除第三方中介机构, 那么交易信息就应当公开宣布 [2] 这就需要整个系统内的所有参与者, 都有唯一公认的历史交易序列 收款人需要确保在交易期间绝大多数的节点都认同该交易是首次出现 2 区块 在比特币网络中, 数据以文件的形式被永久记录, 这些记录称之为区块 一个区块是一些或所有最新比特币交易的记录集, 且未被其他先前的区块记录 可以把区块想象为一个股票交易账本 在绝大多数情况下, 新区块一旦被加入到记录的最后 ( 在比特币中的名称为块链 ), 就再也不能改变或删除 每个区块记录了它被创建之前发生的所有事件 区块主要由两部分构成, 即块头和块体 块头用于链接到前面的块并且为区块链数据库提供完整性的保证, 块体包含了经过验证的 块创建过程中发生的价值交换的所有记录 具体地讲, 每个数据区块包括神奇数 区块大小 区块头部信息 交易计数 交易详情 6 部分 表 1-2 描述了数据区块

24 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 6 的具体结构 [3] 其中, 最后一项 交易详情 记录了该区块中的所有交易 信息 表 1-2 数据区块的结构 字段描述大小 神奇数总是 0xD9B4BEF9, 作为区块之间的分隔符 4 字节 区块大小记录了当前区块的大小 4 字节 区块头部信息记录了当前区块的头部信息 80 字节 交易计数当前区块记录的交易数 1~9 字节 交易详情记录了当前区块的所有交易信息无特定参考值 区块头中记录了版本号 父区块哈希值 Merkle 根哈希 时间戳 难 度目标 随机数 (Nonce) 等信息, 具体的结构如表 1-3 所示 [4] 随机数 (Nonce) 是一个挖矿难度的答案, 该答案对于每个区块都是唯一的 新 区块如果没有正确的答案, 是不能被发送到网络中的 挖矿 过程的本 质是在竞争中 解决 当前区块, 即确认该区块的记账权 每个区块中的 数学问题难以解决, 但是一旦发现了一个有效解, 其他网络节点很容易验 证这个解的正确性 对于给定的区块可能有多个有效解, 但对于要解决的区 块来说只需要一个解 每解决一个区块, 都会得到新产生的比特币奖励, 因 此每个区块包含一个记录, 记录中的比特币地址是有权获得比特币奖励的地 址 这个记录被称为生产交易或者 Coinbase 交易, 它经常是每个区块的第一 笔交易 表 1-3 区块头部的结构 字段描述大小 版本号版本号用于跟踪软件 / 协议的更新 4 字节 父区块哈希值引用区块链中父区块的哈希值 32 字节 Merkle 根哈希该区块中交易的 Merkle 树的根哈希 32 字节 时间戳 该区块产生的近似时间 ( 精确到秒的 UNIX 时间戳 ) 4 字节 难度目标该区块工作量证明算法的难度目标 4 字节 随机数 (Nonce) 用于工作量证明算法的计数器 4 字节

25 第 1 章区块链之前世今生 7 区块哈希值更准确的名称应该是区块头哈希值, 通过 SHA-256 算法对区块头进行二次哈希运算得到 区块哈希值可以唯一 明确地标识一个区块, 并且任何节点通过简单地对区块头进行哈希运算都可以独立地获取该区块的哈希值 但是, 区块哈希值实际上并不包含在区块的数据结构里, 不管该区块是在网络上传输, 还是它作为区块链的一部分被存储在某节点的永久性存储设备上时 实际上区块哈希值是当该区块从网络中被接收时, 由每个节点计算出来的 区块的哈希值可能会作为区块元数据的一部分被存储在一个独立的数据库表中, 以便于索引和更快地从磁盘中检索区块 由于每一个区块的块头都包含了前一区块的哈希值, 这就使得从第一个区块至当前区块连接在一起后形成一条长链, 即比特币区块链 第一个区块由中本聪在北京时间 2009 年 1 月 4 日 02:15:05 创建, 该区块也被称为 创世区块 (Genesis Block) [5] 新版本的比特币系统将它设定为 0 号区块, 而旧版本的比特币系统设定它的序号为 1 它是比特币区块链里所有区块的共同祖先, 这意味着从任一区块循链向前回溯, 最终都将到达创世区块 每一个节点都 知道 创世区块的哈希值 结构 被创建的时间和里面的一个交易 因此, 每个节点都把该区块作为区块链的首区块, 从而构建成了一个安全的 可信的区块链的根 3 时间戳服务器 比特币的本质是构造了一个永不停息 无坚不摧的时间戳系统 时间戳服务器通过对以区块形式存在的一组数据实施随机哈希运算, 并加上时间戳, 然后将该随机哈希值进行广播, 就像在新闻或世界性新闻网络组的发帖一样 [6], 如图 1-3 所示 显然, 该时间戳能够证实特定数据必然于某特定时刻是的确存在的, 因为只有在该时刻存在了, 才能获取相应的随机哈希值 每个时间戳应当将前一个时间戳纳入其随机哈希值中, 每一个随后的时间戳都对之前的一个时间戳进行增强, 这样就形成了一个链条 [7~9]

26 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 8 Hash Hash Block Item Item Block Item Item 图 1-3 时间戳服务器工作示意图 4 双花问题 加密数字货币和其他数字资产一样, 具有无限可复制性的缺陷, 例如同一个文件可以通过附件的形式保存并发送任意多次 如果没有一个中心化的机构, 人们无法确认一笔数字现金或资产是否已经被花掉或提取 为了解决 双花 问题, 可以通过可信赖的第三方机构保留交易总账, 从而保证每笔现金或资产只被花费或提取过一次 在区块链中, 每一个区块都包含了上一个区块的哈希值, 从创始区块开始链接到当前区块, 从而形成块链 每一个区块都要确保按照时间顺序在上个区块之后产生, 否则前一个区块的哈希值是未知的 同时, 由于区块链中所有交易都要进行对外广播, 所以只有当包含在最新区块中的所有交易都是独一无二且之前从未发生过, 其他节点才会认可该区块 因此在区块链中, 要想 双花 会非常困难 5 拜占庭将军问题 [10] 拜占庭将军问题是一个共识问题, 其核心描述的是军中可能有叛徒, 却要保证进攻的一致 由此引申到计算领域, 发展成为一种容错理论 随着 比特币的出现和兴起, 这个著名的问题又重新进入大众视野 关于拜占庭将军问题, 一个简易的非正式描述如下 : 拜占庭帝国想要进 攻一个强大的敌人, 为此派出了 10 支军队去包围这个敌人 这个敌人虽不比 拜占庭帝国强大, 但也足以抵御 5 支常规拜占庭军队的同时袭击 基于一些 原因, 这 10 支军队不能集合在一起单点突破, 必须在分开的包围状态下同时 攻击 他们中的任意一支军队单独进攻都毫无胜算, 除非有至少 6 支军队同

27 第 1 章区块链之前世今生 9 时袭击才能攻下敌国 他们分散在敌国的四周, 依靠通信兵相互通信来协商进攻意向及进攻时间 困扰拜占庭将军们的问题是, 他们不确定军队内部是否有叛徒, 而叛徒可能擅自变更进攻意向或者进攻时间 在这种状态下, 拜占庭将军们能否找到一种分布式的协议来让他们能够远程协商, 从而赢取战斗? 如果每支军队向其他 9 支军队各派出一名信使, 那么就是 10 支军队每支派出了 9 名信使, 也就是在任何一个时间有总计 90 次的信息传输 每支军队将分别收到 9 封信, 每一封信可能写着不同的进攻时间 此外, 部分军队会答应超过一个的攻击时间, 故意背叛发起人, 因此他们将重新广播超过一条的信息链 这使得整个系统迅速变质成不可信的信息和攻击时间相互矛盾的纠结体 比特币通过对这个系统做一个简单的修改并解决了这个问题, 它为发送信息加入了成本, 这降低了信息传递的速率, 并加入了一个随机元素以保证在同一个时间只有一支军队可以进行广播 它加入的成本是 工作量证明, 这是基于计算一个随机哈希的算法 6 工作量证明 为了在点对点的基础上构建一组分散化的时间戳服务器, 仅仅像报纸或世界性新闻网络组一样工作是不够的, 我们还需要一个类似于亚当 柏克 (Adam Back) 提出的哈希现金机制 [11] 在进行随机哈希运算时, 工作量证明机制引入了对某一个特定值的扫描工作, 比如在 SHA-256 下, 随机哈希值以 1 个或多个 0 开始 随着 0 的数目的增加, 找到这个解所需要的工作量将呈指数增长, 但是检验结果仅需要一次随机哈希运算 假设在区块中补增一个随机数, 这个随机数要能使该给定区块的随机哈希值出现所需的那么多个 0 通过反复尝试来找到这个随机数, 直到找到为止, 这样就构建了一个工作量证明机制 只要该 CPU 耗费的工作量能够满足该工作量证明机制, 那么除非重新完成相当的工作量, 否则该区块的信

28 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 10 息是不可更改的 由于之后的区块是链接在该区块上的 ( 如图 1-4 所示 ), 所以想要更改该区块中的信息, 就需要重新完成之后所有区块的全部工 作量 区块 区块 之前的随机哈希值 随机数 之前的随机哈希值 随机数 Tx Tx Tx Tx 图 1-4 区块链接示意图同时, 该工作量证明机制还解决了在集体投票表决时, 谁是大多数的问题 如果决定大多数的方式是基于 IP 地址的, 一个 IP 地址一票, 那么如果有人拥有分配大量 IP 地址的权力, 则该机制就被破坏了 而工作量证明机制的本质则是一个 CPU 只能投一票 大多数 的决定表达为最长的链, 因为最长的链包含了最大的工作量 如果大多数的 CPU 为诚实的节点控制, 那么诚实的链条将以最快的速度延长, 并超越其他的竞争链条 如果想要对已出现的区块进行修改, 攻击者必须重新完成该区块的工作量, 外加该区块之后所有区块的工作量, 并最终赶上和超越诚实节点的工作量 另一个问题是, 硬件的运算速度在高速增长, 且节点参与网络的程度会有所起伏 为了解决这个问题, 工作量证明的难度将采用移动平均目标的方法来确定, 即难度根据预设的每小时生成区块的平均速度来调整 如果区块生成的速度过快, 那么难度就会提高 7 网络 运行比特币网络的步骤如下 : 01 新的交易向全网进行广播 ; 02 每一个节点都将收到的交易信息纳入一个区块中 ; 03 每一个节点都尝试在自己的区块中找到一个具有足够难度的工作量证明 ;

29 第 1 章区块链之前世今生 当一个节点找到了一个工作量证明, 它就向全网进行广播 ; 05 当且仅当包含在该区块中的所有交易都有效, 且是之前未存在过的, 其他节点才认同该区块的有效性 ; 06 其他节点表示它们接受该区块, 而表示接受的方法, 是在跟随该区块的末尾, 制造新的区块以延长该链条, 被接受区块的随机哈希值将视为先于新区块的随机哈希值 节点始终都将最长的链条视为正确的链条, 并持续工作和延长它 如果有两个节点同时广播不同版本的新区块, 那么其他节点在接收到该区块的时间上将存在先后差别 此时, 它们将在率先收到的区块基础上进行工作, 但也会保留另外一个链条, 以防后者变成最长的链条 该僵局的打破要等到下一个工作量证明被发现, 当其中的一条链条被证实为是较长的一条时, 在另一条分支链条上工作的节点将转换阵营, 开始在较长的链条上工作 所谓 新的交易要广播, 实际上不需要抵达全部的节点 只要交易信息能够抵达足够多的节点, 那么它们将很快被整合进一个区块中 区块的广播对被丢弃的信息是具有容错能力的 如果一个节点没有收到某特定区块, 那么该节点将会发现自己缺失了某个区块, 也就可以提出下载该区块的请求 8 激励 系统约定 : 每个区块的第一笔交易进行特殊化处理, 该交易产生一枚由该区块创造者拥有的新的电子货币 这样就增加了节点支持该网络的激励, 并在没有中央集权机构发行货币的情况下, 提供了一种将电子货币分配到流通领域的方法 这种将一定数量新货币持续增添到货币系统中的方法, 与耗费资源去挖掘金矿并将黄金注入到流通领域非常类似 此时,CPU 的计算时间和电力消耗就是消费的资源 另外一个激励的来源则是交易费 如果某笔交易的输出值小于输入值, 那么差额就是交易费, 该交易费将被增加到该区块的激励中 只要既定数量

30 区块区区块链解密构建基于信用的下一代互联网 12 的电子货币已经进入流通, 那么激励机制就可以逐渐转换为完全依靠交易费, 本货币系统也就能够免于通货膨胀 激励系统也有助于鼓励节点保持诚实 如果有一个贪婪的攻击者能够调集比所有诚实节点加起来还要多的 CPU 计算力, 那么他就面临一个选择 : 要么将其用于诚实工作产生新的电子货币, 要么将其用于进行二次支付攻击 这样他就会发现, 按照规则行事 诚实工作是更有利可图的 因为该规则能够使他拥有更多的电子货币, 而不是破坏这个系统使得其自身财富的有效性受损 9 回收硬盘空间 如果最近的交易已经被纳入了足够多的区块之中, 那么就可以丢弃该交易之前的数据, 以回收硬盘空间 为了同时确保不损害区块的随机哈希值, 交易 [12 信息被随机哈希运算时, 构建成一种梅克尔树 (Merkle Tree) 的形态 13], 使得只有树根被纳入区块的随机哈希值, 如图 1-5 所示 通过将该树的分支拔除的方法, 老区块就能被压缩, 而该树内部的随机哈希值是不必保存的 区块, 区块头 区块, 区块头 之前的随机哈希值 随机数 之前的随机哈希值 随机数 根哈希值 根哈希值 哈希值 01 哈希值 23 块哈希值 2 哈希值 3 哈希值 01 哈希值 23 哈希值 0 哈希值 1 哈希值 2 哈希值 3 Tx0 Tx1 Tx2 Tx3 Tx3 图 1-5 梅克尔树 不含交易信息的区块头 (Block Header) 大小仅有 80 字节 如果设定区 块生成的速率为每 10 分钟一个, 那么每一年产生的数据为 4.2MB(80bytes =4.2MB) 2008 年,PC 系统通常的内存容量为 2GB, 按照摩尔

31 第 1 章区块链之前世今生 13 定律的预言, 即使将全部的区块头存储于内存之中都不是问题 10 简化的支付确认 在不运行完整网络节点的情况下, 系统也能够对支付进行检验 一个用户需要保留最长工作量证明链条的区块头的副本, 它可以不断向网络发起询问, 直到它确信自己拥有最长的链条, 并能够通过梅克尔树的分支通向它被加上时间戳并纳入区块的那次交易 节点想要自行检验该交易的有效性原本是不可能的, 但通过追溯到链条的某个位置, 它就能看到某个节点曾经接受过它, 并且于其后追加的区块也可进一步证明全网曾经接受了它 图 1-6 为最长工作量证明的示意图 最长的工作量证明链 区块头 之前的随机哈希值 根哈希值 随机数 区块头 之前的随机哈希值 根哈希值 随机数 区块头 之前的随机哈希值 根哈希值 随机数 哈希值 01 哈希值 23 哈希值 2 哈希值 3 Tx3 图 1-6 最长工作量证明示意图 梅克尔树上 Tx3 的一枝 此时, 只要诚实的节点控制了网络, 检验机制就是可靠的 但是, 当全网被一个计算力占优的攻击者攻击时, 将变得较为脆弱, 因为网络节点能够自行确认交易的有效性, 只要攻击者能够持续地保持计算力优势, 简化的机制会被攻击者伪造的 (Fabricated) 交易欺骗 一个可行的策略是, 只要发现了一个无效的区块, 就立刻发出警报, 收到警报的用户将立刻开始下载被警告有问题的区块或交易的完整信息, 以便对信息的不一致进行判定 对于日常会发生大量收付业务的商业机构, 可能仍会希望运行他们自己的完整节点, 以保持较大的独立完全性和检验的快速性

32 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 价值的组合与分割 虽然可以对单个电子货币进行处理, 但是对于每一枚电子货币单独发起一次交易是一种笨拙的办法 为了使价值易于组合与分割, 交易被设计为可以纳入多个输入和输出, 如图 1-7 所示 一般而言是某次价值较大的前次交易构成的单一输入, 或者由某几个价值较小的前次交易共同构成的并行输入 但是输出最多只有两个 : 一个用于支付 ; 另一个用于找零 交易 输入 输入 输入 输出 输出 图 1-7 交易信息需要指出的是, 虽然一笔交易依赖之前的多笔交易, 这些交易又各自依赖于多笔交易, 但是这并不存在任何问题 因为这种工作机制并不需要展开检验之前发生的所有交易历史 12 隐私 传统的造币厂模型为交易的参与者提供了一定程度的隐私保护, 因为试图向可信任的第三方索取交易信息是严格受限的, 但是如果将交易信息向全网进行广播, 就意味着这样的方法失效了 然而隐私依然可以得到保护 : 将公钥保持为匿名 公众得知的信息仅仅是有某个人将一定数量的货币发送给了另外一个人, 但是难以将该交易同某个特定的人联系在一起 也就是说, 公众难以确信, 这些人究竟是谁 这同股票交易所发布的信息是类似的, 每一手股票买卖发生的时间 交易量是记录在案且可供查询的, 但是交易双方的身份信息却不予透露 传统隐私模型与新隐私模型的对比如图 1-8 所示

33 第 1 章区块链之前世今生 15 传统隐私模型 身份信息交易可信任的第三方交易对手公众 新隐私模型 身份信息 交易 公众 图 1-8 隐私模型 作为额外的预防措施, 使用者可以让每次交易都生成一个新的地址, 以确保这些交易不被追溯到一个共同的所有者 不过由于存在并行输入, 一定程度上的追溯还是不可避免的, 因为并行输入暗示这些货币都属于同一个所有者 此时的风险在于, 如果某个人的某一个公钥被确认属于他, 那么就可以追溯出此人的其他很多交易 比特币的特点 比特币作为一种电子货币, 其特征如下 : 去中心化 比特币是第一种分布式的虚拟货币, 整个网络由用户构成, 没有中央银行 去中心化是比特币安全与自由的保证 全世界流通 比特币可以在任意一台接入互联网的计算机上管理 无论身处何方, 任何人都可以挖掘 购买 出售或收取比特币 专属所有权 操控比特币需要私钥, 它可以被隔离保存在任何存储介质中, 除了用户自己之外, 无人可以获取 低交易费用 可以免费汇出比特币, 但最终对每笔交易将收取约 1 比特分的交易费以确保交易能更快地被执行 无隐藏成本 作为由 A 到 B 的支付手段, 比特币没有繁琐的额度与手续限制, 知道对方比特币地址就可以进行支付 跨平台挖掘 用户可以在众多平台上发掘不同硬件的计算能力 区别于传统货币, 比特币具有以下明显的优点 :

34 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 16 完全去中心化 比特币没有发行机构, 也不可能操纵发行数量, 其发行与流通, 是通过开源的 P2P 算法实现的 匿名 免税 免监管 健壮性 比特币完全依赖 P2P 网络, 无发行中心, 所以外部无法关闭它 比特币价格可能波动 崩盘, 多国政府可能宣布它非法, 但比特币和比特币庞大的 P2P 网络不会消失 无国界 跨境 跨国汇款需要经过层层外汇管制机构, 而且交易记录会被多方记录在案 但如果使用比特币交易, 则直接输入数字地址, 按一下鼠标键, 等待 P2P 网络确认交易后, 大量资金就转过去了, 它不需要经过任何管控机构, 也不会留下任何跨境交易记录 山寨者难于生存 由于比特币算法是完全开源的, 谁都可以下载到源码, 修改些参数并重新编译, 就能创造出一种新的 P2P 货币 但这些山寨货币很脆弱, 极易遭到 51% 攻击 任何个人或组织, 只要控制一种 P2P 货币网络 51% 的运算能力, 就可以随意操纵交易及币值, 这会对 P2P 货币构成毁灭性打击 很多山寨币, 就是死在了这一环节上 而比特币网络已经足够健壮, 想要控制比特币网络 51% 的运算力, 所需要的 CPU/GPU 数量将是一个天文数字 虽然比特币有较多的优点, 但其自身也存在一些缺陷 : 交易平台的脆弱性 比特币网络很健壮, 但比特币交易平台很脆弱 交易平台通常是一个网站, 而网站会遭到黑客攻击, 或者遭到主管部门的关闭 交易确认时间长 比特币钱包初次安装时, 会消耗大量时间下载历史交易数据块 而比特币交易时, 为了确认数据的准确性, 也会消耗一些时间与 P2P 网络进行交互, 得到全网确认后, 交易才算完成 价格波动极大 由于大量炒家介入, 导致比特币兑换现金的价格如

35 第 1 章区块链之前世今生 17 过山车一般起伏, 使得比特币更适合投机, 而不是匿名交易 大众对原理不理解以及传统金融从业人员的抵制 活跃的网民了解 P2P 网络的原理, 知道比特币无法人为操纵和控制, 但普通大众并不理解, 很多人甚至无法分清比特币和 Q 币的区别 没有发行者 是比特币的优点, 但在传统金融从业人员看来, 没有发行者 的货币毫无价值 重要概念 1 地址 私钥 公钥 地址是为了便于人们交换比特币而设计出来的方案, 因为公钥太长了 (130 字符串或 66 字符串 ) 地址的长度为 25 字节, 转为 Base58 编码后, 为 34 或 35 个字符 Base58 是类似 Base64 的编码, 但去掉了易引起视觉混淆的字符, 又在地址末尾添加了 4 个字节的校验位, 以保障在人们用于交换的个别字符发生错误时, 能够因地址校验失败而制止误操作 私钥是非公开的, 拥有者需安全保管 私钥通常是由随机算法生成的, 简单地说, 就是一个巨大的随机整数, 占 32 字节 大小介于 1~0xFFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFE BAAE DCE6 AF48 A03B BFD2 5E8C D 之间的数, 都可以认为是一个合法的私钥 于是, 除了随机生成方法之外, 还可采用特定算法, 由固定的输入得到 32 字节输出的算法, 就可以成为得到私钥的方法 公钥与私钥是相对应的, 一把私钥通过推导可以推出唯一的公钥, 但使用公钥却无法推导出私钥 公钥有压缩与非压缩两种形式 早期比特币均使用非压缩公钥, 现在大部分客户端已默认使用压缩公钥 这个貌似是比特币系统的一个近乎于特征的 bug, 早期编写代码时人少 活多, 代码写得不够精细, 加上 OpenSSL 库的文档又不是足够好, 导致中本聪以为必须使用非

36 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 18 压缩的完整公钥才可以 后来大家发现其实公钥左右的两个 32 字节是有关联的, 由左侧 (x) 可以推出右侧 (y) 的平方值, 这样有左侧 (x) 就够用了 因此, 这两种方式共存于现在系统里, 并且应该会一直共存下去 两种公钥的首个字节为标识位, 压缩公钥为 33 字节, 非压缩公钥为 65 字节 以 0X04 开头的为非压缩公钥, 以 0X02/0X03 开头的为压缩公钥,0X02/0X03 的选取由右侧 (y ) 开方后的奇偶决定 压缩形式可以减小 Tx/Block 的体积, 每个 Tx Input 可减少 32 字节 图 1-9 所示为公钥 私钥生成的示意图 生成私钥 Type passphrase here. SHA 私钥是 256 位的随机数 2. 前面加上版本号 添加压缩标志 F436DE 4. 附加校验 经过 2 次 SHA-256 算法校验, 取两次哈希结果的前 4 字节作为校验码 生成公钥 K pub = Base58 Encode KWDIBF89QGGBJEHKNHXJUH7LRCIVR ZI3QYJGD9M7RFU73ND2MCV1 * x = N/A y = N/A 5. Bsae58 编码数据更容易阅读和管理, 双箭头表示可逆 6. 私钥通过椭圆曲线的算法得到公钥, 公钥是椭圆曲线上的点, 并具有 x 和 y 的坐标 图 1-9 公钥 私钥生成示意图 2 椭圆曲线数字签名算法 椭圆曲线数字签名算法 (ECDSA) 是使用椭圆曲线密码 (ECC) 对数字签名算法 (DSA) 的模拟 ECDSA 首先由 Scott 和 Vanstone 在 1992 年为了响应 NIST 对数字签名标准 (DSS) 的要求而提出 ECDSA 于 1999 年成为 ANSI 标准, 并于 2000 年成为 IEEE 和 NIST 标准 ECDSA 在 1998 年已为 ISO 所接受, 并且包含它的其他一些标准亦在 ISO 的考虑之中 与普通的离散

37 第 1 章区块链之前世今生 19 对数问题 (Discrete Logarithm Problem,DLP) 和大数分解问题 (Integer Factorization Problem, IFP) 不同, 椭圆曲线离散对数问题 (Elliptic Curve Discrete Logarithm Problem,ECDLP) 没有亚指数时间的解决方法 因此, 椭圆曲线密码的单位比特强度要高于其他公钥体制 数字签名算法 (DSA) 在联邦信息处理标准 FIPS 中有详细论述, 称为数字签名标准 它的安全性基于素域上的离散对数问题 椭圆曲线密码 (ECC) 由 Neal Koblitz 和 Victor Miller 于 1985 年发明 它可以看作是椭圆曲线对先前基于离散对数问题 (DLP) 的密码系统的模拟, 只是群元素由素域中的元素数换为有限域上的椭圆曲线上的点 椭圆曲线密码体制的安全性基于椭圆曲线离散对数问题 (ECDLP) 的难解性 椭圆曲线离散对数问题远难于离散对数问题, 椭圆曲线密码系统的单位比特强度要远高于传统的离散对数系统 因此, 在使用较短的密钥的情况下,ECC 可以达到与 DLP 系统相同的安全级别 这带来的好处就是计算参数更小, 密钥更短, 运算速度更快, 签名也更加短小 椭圆曲线密码尤其适用于处理能力 存储空间 带宽及功耗受限的场合 3 梅克尔树 梅克尔树 (Merkle Trees) 是区块链的基本组成部分 [14] 虽然从理论上来讲, 没有梅克尔树的区块链也是可行的, 人们只需创建直接包含每一笔交易的巨大区块头 (Block Header) 就可以实现, 但这样做无疑会带来可扩展性方面的挑战 从长远发展来看, 这样做的结果是, 可能只有那些最强大的计算机, 才可以运行这些无需受信的区块链 梅克尔树是哈希大量聚集数据 块 (Chunk) 的一种方式, 它依赖于将这些数据 块 分裂成较小单位 (Bucket) 的数据块, 每一个 Bucket 块仅包含几个数据 块, 然后取每个 Bucket 单位数据块再次进行哈希运算, 重复同样的过程, 直至剩余的哈希总数为 1, 即根哈希 (Root Hash) 梅克尔树最为常见和最简单的形式, 是二叉梅克尔树 (Binary Merkle

38 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 20 Tree), 其中一个 Bucket 单位的数据块总是包含了两个相邻的块或哈希值, 其描述如图 1-10 所示 6c0a 5c71 8f74 ec20 781a 3b95 0d16 bq3w:5 CX7j:27 1Fxq:18 9Dog:64 zufe:30 jx5r:2 yo3g:43 vcc1:48 图 1-10 二叉梅克尔树示意图那么, 采用这种奇怪的哈希算法有什么好处吗? 为什么不直接将这些数据块串接成一个单独的大块, 用常规的哈希算法进行运算呢? 答案在于, 它允许了一个整齐的机制, 称之为梅克尔证明 (Merkle Proofs) 一个梅克尔证明包含了一个数据块, 这棵梅克尔树的根哈希, 以及所有沿数据块到根路径哈希的 分支 有人认为, 这种证明可以验证哈希的过程, 至少是对分支而言 梅克尔证明的应用也很简单 : 假设有一个大数据库, 而该数据库的全部内容都存储在梅克尔树中, 并且这棵梅克尔树的根是公开并且可信的 ( 例如, 它是由足够多个受信方进行过数字签名的, 或者它有很多的工作量证明 ); 当一位用户想在数据库中进行一次键值查找 ( 比如 请告诉我, 位置在 处的对象 ), 就可以询问梅克尔证明, 并接收到一个正确的验证证明 ( 收到的值, 实际上是数据库在 位置上的特定根 ) 梅克尔证明允许了一种机制, 这种机制既可以验证少量的数据, 例如一个哈希值, 也可以验证大型的数据库 ( 可能扩至无限 ) 梅克尔证明的原始应用是比特币系统 比特币区块链使用梅克尔证明, 为的是将交易信息存储在每一个区块中 这样做的好处就是中本聪所描述的 简化支付验证 (SPV), 而不必下载每一笔交易以及每一个区块 比如, 一个 轻客户端 (Light Client) 可以仅下载链的区块头, 数据块大小为 80 字节, 每个区块头中仅包含 5 项内容 : 上一区块头的哈希值 时间戳 挖矿难度值 工作量证明随机数, 以及包含该区块交易的梅克尔树的根

39 第 1 章区块链之前世今生 21 哈希 图 1-11 所示为 Tx3 的梅克尔树分支 Prev Hash Nonce Prev Hash Nonce Prev Hash Nonce Merkle Root Timestamp Merkle Root Timestamp Merkle Root Timestamp Hash01 Hash23 Hash2 Hash3 Tx3 Merkle Branch for Tx3 图 1-11 Tx3 的梅克尔树分支如果一个轻客户端希望确定一笔交易的状态, 它可以简单地要求一个梅克尔证明, 显示出一个梅克尔树特定的交易, 其根是在主链 (Main Chain) 非分叉链上的区块头 这种机制会让我们走得很远, 但比特币的轻客户端确实有其局限性 一个特别的限制是, 梅克尔树虽然可以证明包含的交易, 但无法证明任何当前的状态 ( 如数字资产的持有 名称的注册 金融合约的状态等 ) 举例来说, 你现在拥有多少个比特币? 一个比特币轻客户端, 可以使用一种协议, 它将涉及查询多个节点, 并相信其中至少有一个节点会通知你, 关于你的地址中任何特定的交易支出, 这可以让你实现更多的应用 但对于其他更为复杂的应用而言, 这些是远远不够的 一笔交易影响的确切性质, 取决于之前的几笔交易, 而这些交易本身则依赖于更早的交易, 所以最终你可以验证整个链上的每一笔交易 4 哈希现金 比特币使用一种名叫 哈希现金 [11] (Hash Cash) 的工作量证明算 法, 这种算法的出现早于比特币 最初创造这种算法的目的, 只是使之成为

40 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 22 反 DOS 攻击的工具 哈希现金的灵感来自于这样一个想法, 即采用一些数学算法的结果难于发现且易于校验 一个众所周知的例子是因数分解一个大的数字 ( 尤其是因数较少的数字 ) 将数字相乘来获得它们的乘积的代价是低廉的, 但找到那些因数的代价却要高得多 对交互式协商来说, 使用因数分解法就足以胜任 比如, 希望客户端能象征性地付出代价才能访问在线资源 这个时候可以定义一个协议, 首先服务器向客户端发送一个消息, 说 只要您能因数分解这个数, 我将让您得到这个资源 这样, 没有诚意的客户端将无法得到服务器上的资源, 只有那些能够证明自己有足够的兴趣 肯付出一些 CPU 周期来回答这个协商的客户端才能得到这个资源 不过, 有一些资源无法很方便地进行交互式协商, 比如, 反垃圾电子邮件或者支付交易 怎么才能避免邮箱不被垃圾邮件所占据? 一些人会说 我并不介意陌生人给我写信, 但是, 我希望他们能以稍微认真些的态度, 通过对我有价值的邮件亲自与我取得联系 至少, 我不希望他们是垃圾邮件制造者, 那些人向我甚至上百万人发送包含同样消息的邮件, 期望有人能购买某种产品或者落入一个骗局 而对于电子货币, 其内容的复制也几乎是没有代价的 如何保证电子货币 ( 内容 ) 没有被交易 ( 发送 ) 多次? 这和反垃圾邮件面临的是同样的问题 哈希现金的解决方法是 : 在电子邮件的消息头中, 增加一个哈希现金戳记 (Hash Cash Stamp) 哈希值, 该哈希值中包含收件人地址 发送时间 Salt 值 该哈希值特别之处在于, 它至少前 20 位必须是 0 才是一个合法的哈希现金戳记 为了得到合法的哈希值, 发送者必须经过许多次尝试 ( 改变 Salt 值, 即系统用来和用户密码进行组合而生成的随机数值 ) 才能获得 一旦生成戳记, 希望每一个给我发送邮件的垃圾邮件制造者都不能重复使用该戳记 所以, 哈希现金戳记要带一个日期, 这样可以判定比指定时间更早的戳记是非法的 另外, 哈希现金的接收端要实现一个重复支付数据库, 用来记录戳记的历史信息

41 第 1 章区块链之前世今生 % 攻击 一提到对比特币的攻击, 大部分人想到的就是 51% 攻击 [15] 51% 攻击是指某个客户端或组织掌握了比特币全网的 51% 的算力之后, 用这些算力来重新计算已经确认过的区块, 使区块链产生分叉并且获得利益的行为 对于 51% 算力拥有者, 他不仅能够修改自己的交易记录并进行双重支付, 还能阻止区块确认部分或者全部交易, 以及阻止部分或全部矿工开采到任何有效的区块 但是, 他并不能修改其他人的交易记录, 阻止交易被发送出去 ( 交易会被发出, 只是显示 0 个确认而已 ), 却通过改变每个区块产生的比特币数量, 凭空产生比特币, 以及把不属于他的比特币发送给自己或其他人 假如 A 掌握了整个网络 51% 的算力, 则可以计算出这样一个区块链 : 其中包含 A 所有发送到 A 私人账户上的比特币交易信息 此时该区块链的长度为 10, 但是 A 不向网络广播并把所有的比特币在交易市场换成美元并提取出来, 而且这笔交易记录在正常的那个区块链中 当 A 的美元正在提取时, 那个正常的区块链的长度是 9, 而 A 的区块链长度是 10 现在 A 才向网络广播出去, 然后观察, 发现网络会确认 A 的区块链是正确的, 但是实际上美元已经被 A 提取了, 损失的是交易市场 发动 51% 攻击必须具备两个条件 第一, 必须掌握足够的算力 无论是控制矿池, 还是利用其他计算资源, 总之必须使攻击者的算力领先于现在网络的总算力 领先的幅度越大, 成功的可能性越高 第二, 拿到足够的比特币作为筹码, 无论是自己挖到的, 还是从任何渠道买的, 都可以 只有具备这两个条件, 才能发起 51% 攻击 攻击过程首先是将手中的比特币充值到各大交易所, 然后卖掉, 提现, 或者也可以直接卖给某人或某一群人 ; 再运用手中的算力, 从自己付款交易之前的区块开始, 忽略自己所有的付款交易, 重新构造后面的区块, 利用算力优势与全网赛跑 ; 当最终创建的区块长度超过原主分支区块, 成为新的主分支, 便完成攻击 一旦攻击完成, 自己所有的对外付款交易将被撤销, 等于收回所有已卖掉的比特币

42 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 24 过去几年内, 比特币网络的算力悄无声息地增长到了无比之大, 这大大增加了比特币被 51% 攻击成功的可能性 在依赖密码学的数字货币领域, 先发优势是非常明显的 51% 攻击对于比特币来说并不是一个什么大问题 ( 早在 2013 年 7 月, 比特币全网算力已经达到世界前 500 强超级计算机算力之和的 20 倍 ), 所以即使有政府集全国之力秘密造出一台超级计算机, 用于击溃比特币来挽救自己的货币发行体系, 但它会发现使用该能力进行挖矿便可垄断比特币的发行权, 其收益会远大于击溃比特币, 因而动机也就不复存在了 6 冷钱包 一直以来, 比特币行业的安全深受诟病,2014 年 3 月曾是世界最大的比 特币交易平台的 Mt Gox 总计遗失了 85 万枚比特币 ;2015 年 2 月 14 日比特儿 (BTER) 存钱罐丢失总额为 7170BTC 比特币的理想是构建一种金融社交 网络, 实现人类的金融民主 时至今日, 比特币的基础技术架构仍有很大的 提升空间 比特币交易平台 在线钱包等如何安全地保存大量比特币是整个 行业面临的重要问题 比特币的安全是基于比特币的核心加密算法和私钥的 安全保存 密码学界认为比特币的密码学基础 (SHA-256 和 EDSA) 在目前 的解密技术能力下, 是绝对安全的 比特币安全的主要问题就在于私钥的保 存, 所以业界通常采用冷钱包的方式 ( 绝对不接触互联网的钱包 ) 来保存大 量的比特币 比特币钱包的冷储存 [16] (Cold Storage) 是一种将钱包离线保存的方 法 具体来说, 用户在一台离线的计算机上生成比特币地址和私钥, 并将其 妥善保存起来, 以后由挖矿或者在交易平台得到的比特币都可以发送到这个 离线生成的比特币地址上面 由这台离线计算机生成的私钥永远不会在其他 在线终端或者网络上出现 使用比特币钱包冷储存技术主要是出于安全上的考虑, 举两个例子 : 例一, 某比特币超级大户想保证他的比特币钱包绝对安全, 即使在计算 机被黑客入侵的情况下, 黑客依然得不到比特币私钥 为此, 这位大户必须

43 第 1 章区块链之前世今生 25 使用冷储存技术, 离线生成几对比特币地址和私钥, 作为冷储存钱包, 以后所有需要储存的比特币都发送到这些地址上面, 这就初步保证了比特币的安全 例二, 某比特币交易平台每天都有庞大的比特币用户群活动, 这些用户在平台上存有数以万计的比特币, 为了保证这些比特币的安全, 交易平台的管理人员便每天定时将主机服务器上所储存的比特币放入冷储存钱包中, 而只在服务器上保存少量的比特币, 来应付正常的提现请求 这样, 就算有黑客入侵了交易平台主机, 也无法得到用户所储存的比特币 那么如何进行冷存储呢? 首先是私钥的产生和备份, 步骤如下 : 01 在完全离线的计算机上生成 个私钥及对应的地址, 并对私钥进行 AES 加密, 然后删除原始私钥 ; 02 将 AES 密码由两个分属异地的人掌握 ; 03 将加密后的私钥和明文地址生成二维码加密文档, 通过扫描完全离线计算机生成地址文档二维码, 用于日常使用 热钱包往冷钱包汇币, 每次必须是一个未使用过的地址, 每个地址不可 重复使用, 然后从线上往冷钱包汇币, 步骤如下 : 01 从地址文档中取出相应地址 ; 02 根据安全级别, 每个地址汇不超过 1000 枚比特币, 每个地址使用一 次之后就不可再使用 最后是从冷钱包取币, 取币过程如下 : 01 把私钥密文通过二维码扫描放入完全离线计算机 ; 02 掌握 AES 密码的人在完全离线计算机上进行解密, 获得私钥明文 通过二维码扫描把私钥明文导入到另一台完全离线的计算机中, 在另一台完全离线计算机上进行签名交易, 并把签名后的交易通过二维码或 U 盘同步至有网络的计算机中并广播交易

44 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 26 7 闪电网络 比特币闪电网络 [17] (Bitcoin Lightning Network) 是一项针对比特币的设计改进, 它可以让用户以去中心化的方式进行小额支付 该网络通过在用户间增补哈希化时间锁合约 (Hashed Time Lock Contracts) 来解决比特币规模问题和立即支付问题 目前, 该项目面临的首要问题是 软分叉, 即修改比特币协议, 无效化之前的区块和交易, 同时旧节点依然可以识别新的有效区块 与当今的金融系统相比,Visa 在标准的节假日每秒能处理 4.5 万笔交易, 通常的一个营业日则为数亿次交易, 然而比特币现在每秒仅能支持约 7 笔交易, 同时还会受到区块链大小的限制 要想实现每秒 4.5 万笔交易, 比特币必须进行离线处理 闪电网络的工作原理可能听起来比较复杂, 本质的工作原理非常类似于如下这个例子 : 假设所有的比特币交易能够在一个开放的论坛 ( 比特币公共账户 ) 中探讨, 闪电网络在特定的时间段内可以让各方进入到一个密闭的房间 ( 在此段时间内进行赊账交易 ); 在合约时间结束时, 再将那些交易广播到比特币网络上, 这样可以保证区块链上保存最小化的信息 比特币闪电网络与现行的金融系统解决同类问题的方式极为相似 8 多重签名 一般来说, 一个比特币地址对应一个私钥, 动用这个地址中的资金需 [18] 要私钥的掌握者发起签名才行 而多重签名地址, 可以有 3 个相关联的 私钥, 用户需要其中的 2 个才能完成一笔转账 实际上, 用户也可以设置成 1/3 5/5 6/11 的形式, 但是最常见的是 2/3 的组合 多重签名托管的工作原理如下 : 当 Alice 想要发送 20 元钱给 Bob 购买一个 产品时,Alice 首先挑选一个相互信任的仲裁员, 这里称他为 Martin; 然后 通过 Alice,Bob,Martin 三方多重签名来发送 20 元钱 ;Bob 看到付款后, 确

45 第 1 章区块链之前世今生 27 认订单, 邮寄商品 ; 当 Alice 收到商品之后, 她可以创建一个 20 元的多重签名给 Bob, 来完成这笔转账 ; 然后,Bob 再对其进行签名, 这样就完成了转账 另外,Bob 也可能会选择不发送产品, 在这种情况下, 他创建并签署 20 元的退款交易发送给 Alice, 让 Alice 可以签名并发布 那么, 如果 Bob 声称已经发货, 但是 Alice 拒绝付款呢?Alice 和 Bob 就会联系 Martin, 让他来决定谁对谁错 Martin 赞成哪一方, 他就创建一笔给自己 1 元和对方 19 元的交易, 并由对方提供签名, 从而完成转账 这种多重支付的方法需要为一个中介机构支付费用, 那么它和 Paypal 相比好在哪里? 首先, 它是自愿的 在某些情况下, 当用户从一个有信誉的大公司购买东西或者汇款给一个受信任的账户时, 是不需要中介机构的, 只需 A 转账给 B 就好了 其次, 该系统是可以调整的 有时候, 某些转账的仲裁员需要非常专业的知识才能够胜任 比如, 用户购买虚拟商品的时候, 最好选择虚拟商品平台上的专业仲裁员, 而在其他的时候, 用户可以选择一个一般的仲裁员就够了, 因为专业仲裁员的收费比较高 市场上会产生一些专门的仲裁公司 通过多重签名技术, 用户可以为每单交易轻松地选择不同的仲裁员, 也可以不需要仲裁员, 这时就是 0 手续费了 9 合并挖矿 比特币工作量证明机制是指在矿工挖矿时, 给区块补增一个随机数, 并做随机哈希运算, 使得给定区块的哈希值开头含有一定数量的零 下面举一个简单的例子 对短语 message ( 不含引号 ) 进行 SHA-256 哈希算法加密会得到 : ab530a13e b79f9b7e3fba994cfd1f3fb22f71cea1afbf02b460c6d1d 现在开始加入数据, 直到得到一个以 0 开头的哈希值 : 1message daad0bc a10365de153e335a18f03b9dc7e7e25897fb79 1f023

46 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 28 2message 6532f42bd1d6ccd00f47c133c3ca1a0fc852598e67c62eb31adab8ceb3a aa680 51message 0985e57510d017b ab4f143333ad e812251ab 3141e 经 51 次运算后得到第一个有效的哈希 只要 51message 一发送, 接收器可以迅速通过哈希运算来验证它是否符合要求 被添加的那部分数据 ( 本例中的 51) 被称作随机数 (Nonce), 关键在于该随机数可以是任何信息 假设用户在同时挖 A 币与 B 币, 现在用户有部分区块数据来自 A 币, 部分区块数据来自 B 币, 而且一个母随机数不断改变, 直到用户找到一个区块 一旦用户找到一个块, 它就是一个对 A 币 B 币两者同时有效的块链 ( 假设两者的挖矿难度相等 ) 例如: 同时哈希以下数据 :[A 币区块数据 B 币区块数据 公随机数 ] 当一个块被发现 : 对 A 币广播区块 >> [A 币区块数据 ]+ 随机数 =B 币区块数据 +[ 母随机数 ] 对 B 币广播区块 >> [B 币区块数据 ]+ 随机数 =A 币区块数据 +[ 母随机数 ] 只要用户愿意, 就可以制造任意多的链 Slush 矿池 2011 年就已经合并挖比特币与域名币 (Name Coin) 了 合并挖矿的好处有 :(1) 同时为两个区块链贡献哈希计算力, 有助于提高两个区块链的安全性 ;(2) 挖矿的回报更高, 在消耗相同电力的情况下, 同时获得两种货币 如果用户不喜欢域名币, 可以把它卖掉或换成比特币 10 彩色币 通过仔细跟踪一些特定比特币的来龙去脉, 可以将它们与其他的比特币

47 第 1 章区块链之前世今生 29 区分开来, 这些特定的比特币就叫作彩色币 [19] (Colored Bitcoins) 彩色 币具有一些特殊的属性, 比如支持代理或聚集点, 从而具有与比特币面值无 关的价值 彩色币可以用作替代货币 商品证书 智能财产以及其他金融工 具, 如股票和债券等 比特币的 P2P 支付结算系统已经安全建立, 可以实现可靠的 近乎于免 费的转账, 比特币网络 ( 协议 ) 本身是安全 稳定的, 但比特币生态的服务 提供商, 比如汇率市场却被黑客多次攻击, 这损害了比特币的声誉和交易价 值 有没有一种办法可以利用比特币安全可靠的自身协议, 来创建分布式的 汇兑交易呢? BitcoinX 就是这样一个基于比特币的开放的标准协议, 就像 HTTP 和 Bit Torrent 协议一样, 该协议用来规范互联网的价值交易 基于 BitcoinX 协议, 用户不但可以在分布式 安全的云平台上持有比特币, 还可以持有黄金 欧 元 美元或各种证券资产 这意味着人们可以使用金融工具进行自由交易, 比如在某个节点 G 持有黄金, 在另一个节点 E 持有欧元 用户可以以一种安 全 透明 直接的方式相互兑换, 而不需要第三方的介入 BitcoinX 的设计思想是将比特币网络 ( 技术 ) 与货币价值分割开来, 并 使用比特币网络技术来明晰交易来路以避免重复消费 通过创世转账来建立 一个新的货币 ( 即彩色币 ) 创世转账是一定量的比特币转账, 这些比特币 的金额将用来赋予所有这种新货币以价值 这一定数量的比特币发送到的那 个地址就是新货币的起源地址, 它将控制新货币的初始分配 彩色币客户端就是通过一种特殊的方法来计算资金平衡的轻量级客户 端 首先, 所有转账的最后一个地址都是客户端地址, 通过抓取区块链, 可 查看这些转账是否是来自创世转账 如果是, 就将交易金额乘以初始分割率 ( 假设 BTC=1 彩币 ), 得到用户余额 彩色币客户端是分布式的, 围绕特定的创世转账创建一个社区, 就创造了一个独立的与比特币网络无关 的 彩色币 生态, 这个小的经济生态的波动建立在对比特币基础设施的利 用上

48 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 30 由于彩色币也是普通比特币, 故它们也可以使用比特币网络, 从一个地址传送到另一个地址 因为有办法识别出彩色币, 所以它们相当于稀有货币, 因此它们的价值取决于用户对这种稀有货币的需求, 而与比特币价值无关 彩色币怎样进行初始分配呢? 在货币创世时, 彩色币起源地址拥有该币的总体价值 在分配结束时, 所有的货币价值将从起源地址转移到每个客户端 在实际应用中, 彩色币的拥有者不会知道货币总量有多少, 此外, 拥有者也不必知道想参与他的经济的有哪些人 在这种情形下, 彩色币拥有者可以建立一个邀请系统, 每一个新的客户端都可以邀请其他客户端加入 实现这种技术还有很长的路要走, 比如社交网络身份验证 社交图谱搜索 担保系统 短信验证 独特的 IP 地址 物理识别等, 这些方法可最大限度地减少在初次分配中的欺诈

49 第 1 章区块链之前世今生 区块链 区块链是什么 区块链是一种去中心化的 不可篡改的 可信的分布式账本, 它提供了一套安全 稳定 透明 可审计且高效的记录交易以及数据信息交互的方式, 其特点如下 ( 参见图 1-12): (1) 高度安全, 不可篡改的分布式账本 (2) 存在于互联网, 向所有用户公开 (3) 帮助人与人 物与物之间实现点对点的交易和互换 (4) 无需第三方的介入即可完成价值的交换 B B 核心原理 B B B 点对点网络 分布式的公共网络 B B 加密货币发行 收费中介参与的间接支付系统 基于比特币协议的直接支付系统图 1-12 区块链的特点 去中心化交易确认

50 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 32 区块链可以存储数据, 也可以运行应用程序 目前区块链技术主要应用在存在性证明 智能合约 物联网 身份验证 预测市场 资产交易 文件存储等领域, 如图 1-13 所示 随着区块链技术的快速演变, 新的技术在不断结合, 从而创造出更有效的应用解决方案 个人信息 验证 风险管理 管理数字风险 资金转移支付买卖平台买卖比特币 区块链技术在各项金融服务中广泛应用 创建智能合约智能合约 交易平台证券交易 其他解决方案 数字资产 储存管理资产 图 1-13 区块链的应用领域 区块链历史 1 重要里程碑 2008 年, 化名为中本聪的人发表了论文 比特币 : 一种点对点的电子现金系统 (Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System), 首次提出了区块链的概念 2009 年, 比特币开始在一个开源的区块链上运行, 这是人类历史上的第一个区块链 比特币是区块链的首个应用 2012 年, 瑞波 (Ripple) 系统发布, 利用数字货币和区块链进行跨国转账 2013 年 9 月, 美卡币 (MEC) 区块链发生断裂, 在数据更新中断 1 天后, 发布了新版本, 重新接回一条区块链, 艰难复活

51 第 1 章区块链之前世今生 年 4 月, 奥斯汀 希尔 (Austin Hill) 和亚当 贝克 (Adam Back) 披露, 开始在比特币区块链的基础上打造侧链 (Sidechain);5 月, Storj 宣布将采用区块链技术为客户提供去中心化的存储服务 ;6 月, 搜索引擎 DuckDuckGo 接入区块链查询 ;8 月,Coinbase 收购区块链信息浏览服务商 Blockr.io, 区块链 API 服务提供商 Chain 获 950 万美元 A 轮投资 ;10 月, Tilecoin 团队发布首个集成区块链技术的物联网实验设备 2015 年, 大量银行和传统金融机构开始测试区块链技术, 包括在内部系统上使用比特币区块链系统和瑞波币系统 2 发展历史 Melanie Swan 在其著作 Blueprint for a New Economy 中将区块链的应用范围划分成 3 个层面, 分别称其为区块链 和 3.0 (1) 区块链 1.0: 可编程货币区块链技术伴随比特币的产生而产生, 其最初的应用范围完全聚集在数字货币上 比特币的出现第一次让区块链进入了大众视野, 而后产生了莱特币 以太币 狗狗币等 山寨 数字货币 可编程货币的出现, 使得价值在互联网中直接流通成为可能 区块链构建了一种全新的 去中心化的数字支付系统, 随时随地进行货币交易 毫无障碍的跨国支付以及低成本运营的去中心化体系, 都让这个系统变得魅力无穷 这样一种新兴数字货币的出现, 强烈地冲击了传统金融体系 (2) 区块链 2.0: 可编程金融受到数字货币的影响, 人们开始将区块链技术的应用范围扩展到其他金融领域 基于区块链技术可编程的特点, 人们尝试将 智能合约 的理念加入到区块链中, 形成了可编程金融 有了合约系统的支撑, 区块链的应用范围开始从单一的货币领域扩大到涉及合约功能的其他金融领域 彩色币 比特股 以太坊 合约币等新概念的出现, 让区块链技术得以在包括股票 清算 私募股权等众多金融领域崭露头角 目前, 许多金融机构都

52 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 34 开始研究区块链技术, 并尝试将其运用于现实, 现有的传统金融体系正在被颠覆 (3) 区块链 3.0: 可编程社会随着区块链技术的进一步发展, 其 去中心化 功能及 数据防伪 功能在其他领域逐步受到重视 人们开始认识到, 区块链的应用也许不仅局限在金融领域, 还可以扩展到任何有需求的领域中去 于是, 在金融领域之外, 区块链技术又陆续被应用到了公证 仲裁 审计 域名 物流 医疗 邮件 鉴证 投票等其他领域中来, 应用范围扩大到了整个社会 在这一应用阶段, 人们试图用区块链来颠覆互联网的最底层协议, 并试图将区块链技术运用到物联网中, 让整个社会进入智能互联网时代, 形成一个可编程的社会 借鉴 Melanie Swan 的思路, 区分了区块链 和 3.0, 但其实这 3 个层面并非区块链技术发展程度上的变化, 而仅仅是应用范围的逐步扩展 区块链技术本身在所有的应用中均有体现, 发挥了各自领域应有的作用 分叉问题 因为区块链是去中心化的数据结构, 所以不同副本之间不能总是保持一 致 区块有可能在不同时间到达不同节点, 导致节点有不同的区块链视角 解决的办法是, 每一个节点总是选择并尝试延长代表累计了最大工作量证明 的区块链, 也就是最长的或最大累计难度的链 节点通过将记录在每个区块 中的难度汇总起来, 得到建立这个链所要付出的工作量证明的总量 只要所 有的节点选择最长累计难度的区块链, 整个比特币网络最终会收敛到一致的 状态 [20] 分叉即在不同区块链间发生的临时差异 当更多的区块添加到某个分 叉后, 这个问题便会迎刃而解 在接下来的图例中, 读者可以了解到网络中发生分叉的过程 图例代表

53 第 1 章区块链之前世今生 35 简单的全球比特币网络, 在真实的情况下, 比特币网络的拓扑结构不是基于地理位置组织起来的, 而是在同一个网络中相互连接的节点 这些节点可能在地理位置上相距遥远, 此处采用基于地理的拓扑是为了能更加简洁地描述分叉 在真实比特币网络里, 节点间的距离按 跳 而不是按照真实位置来衡量的 为了便于描述, 不同的区块被标示为不同的线型, 传播这些区块的节点网络也被不同的线型标示 在图 1-14 中, 网络有一个统一的区块链视角, 以实线区块为主链的 顶点 当有两个候选区块同时想要延长最长区块链时, 分叉事件就会发生 正常情况下, 分叉发生在两名矿工在较短的时间内, 各自都算得了工作量证明解的时候 两个矿工在各自的候选区块一发现解, 便立即传播自己的 获胜 区块到网络中 : 先是传播给邻近的节点而后传播到整个网络 每个收到有效区块的节点都会将其并入并延长区块链 如果该节点在随后又收到了另一个候选区块, 而这个区块又拥有同样的父区块, 那么节点就会将这个区块连接到候选链上 其结果是, 一些节点收到了一个候选区块, 而另一些节点收到了另一个候选区块, 这时两个不同版本的区块链就出现了 区块链高度 区块 P 图 1-14 形象化的区块链分叉事件 : 分叉之前

54 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 36 在图 1-15 中, 可以看到两个矿工几乎同时挖到了两个不同的区块 这两个区块是顶点区块 实线区块的子区块, 可以延长这个区块链 为了便于跟踪这个分叉事件, 此处设定有一个被标记为虚线的 来自加拿大的区块, 还有一个被标记为点划线的 来自澳大利亚的区块 我找到了可以延长区块链的区块 我找到了可以延长区块链的区块 图 1-15 形象化的区块链分叉事件 : 同时发现两个区块假设有这样一种情况, 一个在加拿大的矿工发现了 虚线 区块的工作量证明解, 在 实线 的父区块上延长了块链 几乎同一时刻, 一个澳大利亚的矿工找到了 点划线 区块的解, 也延长了 实线 区块 那么现在就有了两个区块 : 一个是源于加拿大的 虚线 区块 ; 另一个是源于澳大利亚的 点划线 区块 这两个区块都是有效的, 均包含有效的工作量证明解并延长同一个父区块 这两个区块可能包含了几乎相同的交易, 只是在交易的排序上有些许不同 当这两个区块传播时, 一些节点首先收到 虚线 区块, 一些节点首先收到 点划线 区块 如图 1-16 所示, 比特币网络上的节点对于区块链的顶点产生了分歧, 一派以虚线区块为顶点, 而另一派以点划线区块为顶点

55 第 1 章区块链之前世今生 37 区块 B 区块链高度 区块 A 区块 P 区块链高度 区块 P 图 1-16 形象化的区块链分叉事件 : 两个区块的传播将网络分裂从那时起, 比特币网络中邻近 ( 网络拓扑上的邻近, 而非地理上的 ) 加拿大的节点会首先收到 虚线 区块, 并建立一个最大累计难度的区块, 虚线 区块为这个链的最后一个区块 ( 实线 - 虚线 ), 同时忽略晚一些到达的 点划线 区块 相比之下, 离澳大利亚更近的节点会判定 点划线 区块胜出, 并以它为最后一个区块来延长区块链 ( 实线 - 点划线 ), 而忽略晚几秒到达的 虚线 区块 那些首先收到 虚线 区块的节点, 会即刻以这个区块为父区块来产生新的候选区块, 并尝试寻找这个候选区块的工作量证明解 同样地, 接受 点划线 区块的节点会以这个区块为链的顶点开始生成新块, 并延长这个链 分叉问题几乎总是在一个区块内就被解决了 网络中的一部分算力专注于以 虚线 区块为父区块, 并在其之上建立新的区块 ; 另一部分则将算力专注于 点划线 区块上 即便算力在这两个阵营中平均分配, 也总有一个阵营抢在另一个阵营前发现工作量证明解并将其传播出去 在这个例子中, 假如工作在 点划线 区块上的矿工找到了一个 箭头 区块, 延长了区块链 ( 实线 - 点划线 - 箭头 ), 他们会立刻传播这个新区块, 整个网络会都会认为这个区块是有效的, 如图 1-17 所示

56 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 38 我找到了可以延长区块链的区块 区块链高度 区块 X 区块 A 区块 B 区块 P 区块链高度 区块 B 区块 P 图 1-17 形象化的区块链分叉事件 : 新区块延长了分支 所有在上一轮选择 点划线 区块为胜出者的节点会直接将这条链延长一个区块 然而, 那些选择 虚线 区块为胜出者的节点现在会看到两个链 : 实线 - 点划线 - 箭头 和 实线 - 虚线 如图 1-18 所示, 这些节点会根据结果将 实线 - 点划线 - 箭头 这条链设置为主链, 将 实线 - 虚线 这条链设置为备用链 这些节点接纳了新的更长的链, 被迫改变了原有对区块链的观点, 这就叫做链的重新共识 因为 虚线 区块做为父区块已经不在最长链上, 导致了他们的候选区块已经成为 孤块, 所以现在任何原本想要在 实线 - 虚线 链上延长区块链的矿工都会停下来 全网将 实线 - 点划线 - 箭头 这条链识别为主链, 箭头 区块为这条链的最后一个区块 全部矿工立刻将他们产生的候选区块的父区块切换为 箭头 区块, 来延长 实线 - 点划线 - 箭头 这条链 从理论上来说, 两个区块的分叉是有可能的, 这种情况发生在因先前分叉而相互对立起来的矿工, 又几乎同时发现了两个不同区块的解 然而, 这种情况发生的概率是很低的 单区块分叉每周都会发生, 而双块分叉则非常罕见

57 第 1 章区块链之前世今生 39 哎哟! 这个新区块链延长了另一个链 我找到了可以延长区块链的区块太棒了! 这个新区块链延长了链 区块 X 区块 X 区块 B 区块链高度 区块 A 区块 B 区块 P 区块链高度 区块 P 图 1-18 形象化的区块链分叉事件 : 全网在最长链上重新共识比特币系统将区块间隔设计为 10 分钟, 是在更快速的交易确认和更低的分叉概率间作出的妥协 更短的区块产生间隔会让交易清算更快地完成, 也会导致更加频繁的区块链分叉 与之相对地, 更长的间隔会减少分叉数量, 却会导致更长的清算时间 共识攻击 比特币系统的共识机制指的是, 被矿工 ( 或矿池 ) 试图使用自己的算力实行欺骗或破坏的难度很大, 至少理论上是这样 就像前面讲的, 比特币的共识机制依赖于这样一个前提 : 绝大多数的矿工, 出于自己利益最大化的考虑, 都会通过诚实地挖矿来维持整个比特币系统 然而, 当一个或者一群拥有了整个系统中大量算力的矿工出现之后, 他们就可以通过攻击比特币的共识机制来达到破坏比特币网络的安全性和可靠性的目的

58 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 40 [20] 值得注意的是, 共识攻击只能影响整个区块链未来的共识, 或者说, 最多能影响不久的过去几个区块的共识 ( 最多影响过去 10 个区块 ) 而且随 着时间的推移, 整个比特币块链被篡改的可能性越来越低 理论上, 一个区 块链分叉可以变得很长, 但实际上, 要想实现一个非常长的区块链分叉需要 的算力非常之大, 而随着整个比特币区块链的逐渐增长, 过去的区块基本可 以认为是无法被分叉篡改的 同时, 共识攻击也不会影响用户的私钥以及加 密算法 (ECDSA) 共识攻击也不能从其他的钱包那里偷到比特币 不签 名地支付比特币 重新分配比特币 改变过去的交易, 或者改变比特币持有 记录 共识攻击能够造成的唯一影响是影响最近的区块 ( 最多 10 个 ), 并且 通过拒绝服务来影响未来区块的生成 共识攻击的一个典型场景就是 51% 攻击 想象这么一个场景, 一群 矿工控制了整个比特币网络 51% 的算力, 他们联合起来打算攻击整个比特币 系统 由于这群矿工可以生成绝大多数的块, 因此他们就可以通过故意制造 块链分叉来实现 双重支付, 或者通过拒绝服务的方式来阻止特定的交 易, 或者攻击特定的钱包地址 区块链分叉 / 双重支付攻击指的是攻击者通 过不承认最近的某个交易, 并在这个交易之前重构新的块, 从而生成新的分 叉, 继而实现双重支付 有了充足算力的保证, 一个攻击者可以一次性篡改 最近的 6 个或者更多的区块, 从而使得这些区块包含的本应无法篡改的交易 消失 值得注意的是, 双重支付只能在攻击者拥有的钱包所发生的交易上进 行, 因为只有钱包的拥有者才能生成一个合法的签名用于双重支付交易 攻 击者只能在自己的交易上进行双重支付攻击, 但只有当这笔交易对应的是不 可逆转的购买行为时, 这种攻击才是有利可图的 下面看一个 51% 攻击 的实际案例吧 假如 Alice 和 Bob 之间使用比特 币完成了一杯咖啡的交易 咖啡店老板 Bob 愿意在 Alice 给自己的转账交易确 认数为 0 的时候就向其提供咖啡, 这是因为这种小额交易遭遇 51% 攻击 的风险和顾客购物的即时性 (Alice 能立即拿到咖啡 ) 比起来, 显得微不足 道 这就和大部分的咖啡店对低于 25 美元的信用卡消费不会费时费力地向

59 第 1 章区块链之前世今生 41 顾客索要签名是一样的, 因为和顾客有可能撤销这笔信用卡支付的风险比起来, 向用户索要信用卡签名的成本更高 相应的, 使用比特币支付的大额交易被双重支付的风险就高得多了, 因为买家 ( 攻击者 ) 可以通过在全网广播一个和真实交易的 UTXO 一样的伪造交易, 以达到取消真实交易的目的 双重支付可以有两种方式 : 要么发生在交易被确认之前, 要么由攻击者通过块链分叉来完成 进行 51% 攻击的人, 可以取消在旧分叉上的交易记录, 然后在新分叉上重新生成一个同样金额的交易, 从而实现双重支付 再举个例子 : 攻击者 Mallory 在 Carol 的画廊买了描绘伟大的中本聪的三联组画,Mallory 通过转账价值 25 万美金的比特币与 Carol 进行交易 在等到 1 个而不是 6 个交易确认之后,Carol 放心地将这幅组画包好, 交给了 Mallory 这时,Mallory 的一个同伙, 一个拥有大量算力的矿池的人 Paul, 在这笔交易写进区块链的时候, 开始了 51% 攻击 首先,Paul 利用自己矿池的算力重新计算包含这笔交易的块, 并且在新块里将原来的交易替换成了另外一笔交易 ( 比如直接转给了 Mallory 的另一个钱包而不是 Carol 的 ), 从而实现了 双重支付 这笔 双重支付 交易使用了跟原有交易一致的 UTXO, 但收款人被替换成了 Mallory 的钱包地址 然后,Paul 利用矿池在伪造的块的基础上, 又计算出一个更新的块, 这样, 包含这笔 双重支付 交易的块链比原有的块链高出了一个块 至此, 高度更高的分叉区块链取代了原有的区块链, 双重支付 交易取代了原来给 Carol 的交易,Carol 既没有收到价值 25 万美金的比特币, 原本拥有的 3 幅价值连城的画也被 Mallory 白白地拿走了 在整个过程中,Paul 矿池里的其他矿工可能自始至终都没有觉察到这笔 双重支付 交易有什么异样, 因为挖矿程序都是自动在运行的, 并且不会时时监控每一个区块中的每一笔交易 为了避免这类攻击, 售卖大宗商品的商家应该在交易得到全网的 6 个确认之后再交付商品 或者, 商家应该使用第三方的多方签名的账户进行交易, 并且也要等到交易账户获得全网多个确认之后再交付商品 一条交易的确认数越多, 越难被攻击者通过 51% 攻击篡改 对于大宗商品的交易, 即使

60 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 42 在付款 24 小时之后再发货, 对买卖双方来说使用比特币支付也是方便并且有效率的 而 24 小时之后, 这笔交易的全网确认数将达到至少 144 个 ( 能有效降低被 51% 攻击的可能性 ) 共识攻击中除了 双重支付 攻击, 还有一种攻击场景就是拒绝对某个特定的比特币地址提供服务 一个拥有了系统中绝大多数算力的攻击者, 可以轻易地忽略某一笔特定的交易 如果这笔交易存在于另一个矿工所产生的区块中, 该攻击者可以故意分叉, 然后重新产生这个区块, 并且把想忽略的交易从这个区块中移除 这种攻击造成的结果就是, 只要这名攻击者拥有系统中的绝大多数算力, 那么他就可以持续地干预某一个或某一批特定钱包地址产生的所有交易, 从而达到拒绝为这些地址服务的目的 需要注意的是,51% 攻击并不是像它的命名里说的那样, 攻击者需要至少 51% 的算力才能发起, 实际上, 即使其拥有不到 51% 的系统算力, 依然可以尝试发起这种攻击 之所以命名为 51% 攻击, 只是因为在攻击者的算力达到 51% 这个阈值的时候, 其发起的攻击尝试几乎肯定会成功 本质上来看, 共识攻击, 就像是系统中所有矿工的算力被分成了两组, 一组为诚实算力, 另一组为攻击者算力, 两组人都在争先恐后地计算块链上的新块, 只是攻击者算力算出来的是精心构造的 包含或者剔除了某些交易的块 因此, 攻击者拥有的算力越少, 在这场角逐中获胜的可能性就越小 从另一个角度讲, 一个攻击者拥有的算力越多, 其故意创造的分叉块链就可能越长, 可能被篡改的最近的块或者受其控制的未来的块就会越多 一些安全研究组织利用统计模型得出的结论是, 算力达到全网的 30% 就足以发动 51% 攻击了 全网算力的急剧增长已经使得比特币系统不再可能被某一个矿工攻击, 因为一个矿工已经不可能占据全网哪怕 1% 的算力 但是中心化控制的矿池则引入了矿池操作者出于利益而施行攻击的风险 矿池操作者控制了候选块的生成, 同时也控制了那些交易会被放到新生成的块中 这样一来, 矿池操作者就拥有了剔除特定交易或者双重支付的权力 如果这种权利被矿池操作者以微妙而有节制的方式滥用的话, 那么矿池操作者就可以在不为人知的情

61 第 1 章区块链之前世今生 43 况下发动共识攻击并且获利 但是, 并不是所有的攻击者都是为了利益 一个可能的场景就是, 攻击者仅仅是为了破坏整个比特币系统而发动攻击, 而不是为了利益 这种意在破坏比特币系统的攻击者需要有巨大的投入和精心的计划, 因此可以想象, 这种攻击很有可能来自政府资助的组织 同样的, 这类攻击者或许也会购买矿机, 运营矿池, 通过滥用矿池操作者的上述权力来施行拒绝服务等共识攻击 但是, 随着比特币网络的算力呈几何级数快速地增长, 上述这些理论上可行的攻击场景, 实际操作起来已经越来越困难 近期比特币系统的一些升级, 比如旨在进一步将挖矿控制去中心化的 P2Pool 挖矿协议, 也都正在让这些理论上可行的攻击变得越来越困难 毫无疑问, 一次严重的共识攻击事件势必会降低人们对比特币系统的信心, 进而可能导致比特币价格的跳水 然而, 比特币系统和相关软件也一直在持续改进, 所以比特币社区也势必会对任何一次共识攻击快速做出响应, 以使整个比特币系统比以往更加稳健和可靠 区块链形态 数字货币 虚拟货币的圈子里永远不乏争吵 比特币社区中早已为扩容问题吵得不可开交, 将区块链技术从中脱离开来后, 关于使用何种类型的区块链, 公有链和私有链孰优孰劣的争执, 一时也甚嚣尘上 这里我们就好好地来场华山论剑, 看看到底谁是 链中之王 本节要对比的区块链形态有 3 种 : 公有链 联盟链 私有链 联盟链介于公有链和私有链之间, 实质上仍属于私有链的范畴, 因此公有链的支持者对另外两者持一致的反对态度 在他们眼里, 这就是无需许可 VS 需要许可 下面先来介绍这 3 种部署方式不同的区块链 公有链 : 任何人都能读取区块链信息, 发送交易并能被确认, 参与

62 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 44 共识过程的区块链, 是真正意义上的去中心化分布式区块链, 比特币区块链即是公有链最好的代表 联盟链 : 根据一定特征所设定的节点能参与 交易, 共识过程受预选节点控制的区块链 它被认为是 部分去中心化 或 多中心化 的区块链 R3 组成的银行区块链联盟要构建的就是典型的联盟链 私有链 : 写入权限仅在一个组织手里, 读取权限可能会被限制的区块链 私有链没有去中心化特点, 但具有分布式特点 私有链对公司政府内部的审计测试以及银行机构内的交易结算有很大价值 它们之间的主要差异如表 1-4 所示 表 1-4 不同区块链的主要差异 去中心化程度权限和范围经济奖励 公有链完全去中心化全球范围可以访问 交易 联盟链部分去中心化读取 交易权限可设定未知 私有链 中心化 写入权限仅在一个组织手里, 读取权限可能会被限制 个人从中可获得的经济奖励与对共识过程做出的贡献成正比 不需要奖励, 可能没有虚拟货币 可以看出, 联盟链和私有链与公有链相比, 中心化程度不断提高, 权限 越收越紧 和完全开放 无许可必要的比特币公有链不同, 联盟链和私有链 在信息公开程度和中心控制力度方面有所限制, 这些限制可以帮助区块链满 足不同类型的应用需求 公有链和私有链在其他方面也有着共同的优点 [21] 尽管随着范围的缩 小, 私有链的安全性受到怀疑, 但两者基于共识机制来保证的系统安全性仍 然十分可信 区块链的不可篡改性和可追溯性特点在公有链和私有链上都有 所体现 公有链具有开放 成功经验 潜力和乌托邦等优势 如互联网一样, 公有链不设读取和交易权限, 面向全球开放 互联网的 成功已经告诉人们, 突破性的技术通常都是建立在一个公平竞争的开放协议

63 第 1 章区块链之前世今生 45 层中的, 任何人都可以对其进行创新 网络的开放性让一切皆有可能 历史证明, 开放的技术总是能够战胜封闭式花园的做法, 是共识合并孤岛, 而非孤岛自成大陆 开放还从另一方面维护了系统的安全性 如此大规模的公有链可有效抵御双花攻击 以比特币为例, 在当前情况下, 要进行双花攻击需花费的资金总额在 50 亿美金以上, 因此, 从经济的角度说, 实施任何攻击的收益都低于这个数额, 且攻击收益随着比特币算力的增长而越来越低, 攻击变得没有任何意义 以比特币为例, 今年是比特币问世的第 8 年,8 年来这场 人类历史上最大的社会经济实验 并没有崩溃, 没有双花, 没有宕机, 没有一笔交易出错 这足以证明公共区块链的稳定 在银行业看来, 无间断运行的特性正是比特币区块链中最具参考价值的因素之一 有了这些基于比特币的开发工作, 加上比特币区块链自身也存在后续变革, 在吸收新兴区块链的优点, 同时弥补自己的不足, 公共区块链基础设施将变得更加可靠和可扩展 在隐私 扩展性和交易速度等方面, 公有链还有很大潜力可挖 公共区块链的隐私将通过使用 零知识证明 得到进一步提升 零知识证明指的是, 证明者能够在不向验证者提供任何有用信息的情况下, 使验证者相信某个论断是正确的 零知识证明实质上是一种涉及两方或更多方的协议, 即两方或更多方为完成一项任务所需采取的一系列步骤 证明者向验证者证明并使其相信自己知道或拥有某一消息, 但证明过程不能向验证者泄漏任何关于被证明消息的信息 除了声明的有效性, 这个验证方法并不会透露出其他的信息 未来, 在公共区块链上构建私有业务也是有可能的, 就好像现在能通过网络来构建安全的电子商务交易一样 随着未来区块链上智能合约的发展, 区块链的扩展性将会有质的提升, 届时公有链将会成为全球范围内的下一个互联互通的网络 公有链完全公开 不受控制, 并通过加密经济来保证网络的安全, 这是

64 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 46 很多追求自由的人心中的乌托邦 有人会嘲笑追求完全去中心化的信徒们, 但公有链的确给了美梦成真的机会 因此它也会吸引那些不满足当下监管和中心化的金融市场, 或者缺乏相关服务的人群和爱好者 但是也应看到, 公有链也存在着分化严重和匿名带来的监管以及隐私保护等问题亟待解决 矿池算力占全网算力比例的不断上升, 使得比特币的共识机制蒙上了阴影 区块扩容的方案也几乎使比特币社区分裂, 这一规则更改的过程也让许多人明白了 : 所谓去中心化的比特币, 在重大议题上还是需要顾及核心开发者和算力大的矿池, 而这就偏离了去中心化的初衷 公有链在存储容量和能耗上对各个节点的影响很大 由于区块链需要所有节点备份整个账本, 公有链的大范围此时便成了绊脚石 区块链本身存储效率偏低且检索效率不高, 全网交易数据的增加以及今后智能合约的执行, 都会增加对节点内存和存储空间的压力 这会对面向大众的公有链的发展产生影响, 当然这也是私有链需要解决的问题 确认时间长和能量消耗大是工作量证明 (PoW) 带来的两个问题 尤其是因为对全球网络广播, 公有链的交易确认时间一般情况下会比私有网络更长 此外, 为了实现共识而产生的大量能耗, 也削弱了公有链降低成本方面的优势 上交所专家朱立曾在评价区块链在金融交易层面的前景时说, 公有链的应用方面, 区块链的低吞吐量 高时延问题可能将长期存在, 无法支撑海量的证券交易 信用卡转账等实际金融业务的规模 完全匿名会带来监管的问题, 成为滋生犯罪的温床 因为具有隐蔽性强 不可追踪的特点, 比特币往往和外汇转移 恐怖组织融资 逃税等行为有紧密联系 这种联系也让各国监管层对其颇为警惕 例如, 匿名性强的比特币能够在被称为 暗网 的网络集市上进行敲诈勒索, 购买毒品和雇佣杀手等行为 著名暗网黑市 丝绸之路 上的大多数交易都使用比特币支付, 难以追查, 留下了监管黑洞 匿名性也有可能为反洗钱工作带来更大的挑战, 因为区块链去中心化的性质并不符合传统的监管模式 公有链机制难以成为金融机构的解决方案, 原因就是像比特币区块链这样的公共区块链, 是

65 第 1 章区块链之前世今生 47 不可能在发行链下的资产方面既具有免审查性又具有法律权威性的 与匿名问题相对的是隐私问题 尽管每个节点背后的身份是匿名的, 但是节点与节点之间的交易是全网公开并向全网广播的 这就带来一个问题, 当匿名问题被解决后, 交易双方的记录就完全暴露在全世界的公网中, 这令人很难接受 这也意味着区块链上一个智能合约中的非参与者可以囤积或者卖掉某一资产, 因为他们获得了智能合约上公开的信息 此外, 交易信息的公开也会影响金融交易, 失去了信息不对称的优势将大大削弱金融机构的盈利能力 在华尔街的银行家眼中, 真正 去中心化 的清算模式, 将会让他们失去在 信息不对称 情况下所带来的优势, 也随之失去 左手倒右手 的赚钱能力 相比于公有链, 私有链具有前景广阔 博采众长 减少威胁 灵活等优势 区块链为建立一个成本很低且能够防止篡改的公共数据库提供了完美的解决方案 区块链作为金融机构结算 追溯等问题的解决方案, 发展前景广阔, 甚至会有颠覆性的影响 基于区块链的支付系统更快 更安全 性价比更高 通过区块链的应用, 从技术上讲同样可以加强监督, 提高透明度, 而在金融机构等需要权限设置的场合, 私有链能更好地契合金融界人士的痛点 在公证 审计 物联网甚至投票等方面, 私有链都可以给出解决方案 私有链仍保留着区块链真实性和部分去中心化的特性, 并且在此基础上可以创造出访问权限控制更为严格, 修改甚至是读取权限仅限于少数用户的系统, 兼有去中心化和中心化的特点 由于存在权限设定和准入机制, 区块链的节点基本可以确保无害, 相对透明的熟人圈减少了作假和攻击区块链的可能性, 权限控制也能减少风险 不同于公有链的全网公开, 私有链参与者即便拥有整套加密账本, 通过加密私钥也只能浏览与其相关的交易并确保安全 所有交易会以加密的形式登录, 包括时间 日期 参与者等 交易一旦入账, 不可被删除 撤销或修改 针对不同的应用场景, 不同的私有链可以灵活调节自身 读取权限 交

66 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 48 易权限和验证权限可根据需要进行修改, 以应对隐私 追溯 管理的问题 ; 各个节点可以自定义, 由于接入节点少, 可适当加大区块链对节点的负担, 以提高可拓展性和安全性 ; 经济激励机制在有些场合可以省略, 挖矿机制也可以被其他方法取代以减少能耗, 提高效益 但私有链比较封闭, 创新能力令人怀疑, 存在信任等问题 历史选择了各节点平等的互联网, 因此, 从私有链不同节点间权限不同这一角度看, 很容易招致反感 从私有链覆盖的范围看, 互联网的规律是共识合并孤岛, 而不是孤岛自成大陆 私有链单独自成体系会引起互联网的抵制 垄断的机构 企业不思进取, 疏于改革, 转身缓慢是很多人看衰的地方 除了创新动力不足外, 金融界在对自身改革上也有着先天不足, 一方面金融监管和银行间合作困难, 另一方面银行创新速度慢, 无法迅速整合资源 私有链的技术障碍, 例如隐私问题, 只有通过所有参与者的高度协作才能解决 不过, 在高度竞争的金融市场, 要实现这一点并不容易 尽管银行可能会尽量朝着区块链技术方向发展, 但是他们会发现, 传统的信息传递系统对结算策略执行所需的信息保密性 高吞吐量和可靠传输的要求还是可以满足的, 这时他们就可能缺乏了运用区块链创新的动力 考虑到不断拖延的时间表以及各种巨大的障碍, 可能会存在这样的风险 : 银行会对区块链失去兴趣, 并决定追求一些没那么耀眼的技术, 或者继续故步自封 当参与区块链的节点数减少, 节点身份被预置, 节点权限不一, 很多人就会担忧私有链的诚实问题 是否会存在联合起来控制私有链, 影响区块链的信任程度的可能性? 尽管区块链被视作 信任的机器, 但一旦它的成员中出现一个控制率非常高的团体, 或一组串通勾结的团体, 区块链就会开始有问题 因此很有可能仍需要引入传统的信任 / 监管机制, 这将会大大削弱区块链的效率 此外, 规模较小的私有链很难证明没有 隐藏的可替代区块链 的存在, 难以

67 第 1 章区块链之前世今生 49 抵御双花攻击 区块链的核心特性是去中心化 去中介化 无须信任系统 不可篡改性和加密安全性 当参与范围 权限大小被控制限定, 会随意更改区块链的规则, 那么以上的几个特性是否依旧存在就要打上一个问号了 学界甚至有专家将私有链看作是 共享式数据库一个令人困惑的别名而已 共识机制 分布式交易总账需要在尽可能短的时间内做到安全 明确及不可逆, 便于提供一个最坚实且去中心化的系统 在实践中, 该流程分为两个方面 : 一是选择一个独特的节点来产生一个区块, 二是使交易总账不可逆 目前主流的共识机制有工作量证明 (POW) 股权证明(POS) 授权股权证明 (DPOS), 还有瑞波和恒星的共识协议, 以及以太坊的共识协议等 1 工作量证明机制 比特币系统使用工作量证明机制, 即所谓的挖矿, 使更长总账的产生具有计算性难度 该机制通过与或运算, 寻找一个满足特定规则的随机数, 即可获得本次记账权, 发出本轮需要记录的数据, 在全网其他节点验证后一起存储 工作量证明机制就像乐透游戏, 平均每 10 分钟有一个节点找到一个区块 如果两个节点在同一时间找到区块, 那么网络将根据后续节点的决定来确定以哪个区块构建总账 从统计学角度讲, 一笔交易在 6 个区块 ( 约 1 小时 ) 后被认为是明确确认且不可逆的 然而, 核心开发者认为, 需要 120 个区块 ( 约 1 天 ) 才能充分保护网络不受来自潜在的更长的已将新产生的币花掉的攻击区块链的威胁 尽管出现更长的区块链会变得不太可能, 但任何拥有巨大经济资源的人都仍有可能制造一个更长的区块链或者具备足够的哈希算力来冻结用户的账户

68 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 50 工作量证明机制的优点是, 完全去中心化, 节点自由进出 其缺点也很明显, 首先, 目前比特币已经吸引了全球大部分的算力, 其他再用工作量证明共识机制的区块链应用很难获得相同的算力来保障自身的安全 ; 其次, 挖矿也造成大量的资源浪费 ; 再次, 共识达成的周期较长, 不适合商业应用 2 股权证明机制 股权证明机制就是直接证明所有者持有的份额, 虽有很多不同的变种, 但基本概念都是产生区块的难度应该与所有者在网络里所占的股权 ( 所有权占比 ) 成比例 除了混合性的点点币 (PPC) 之外, 真正的股权证明 (POS) 币是没有挖矿过程的, 也就是在创世区块内就写明了股权证明, 之后的股权证明只能转让, 不能挖矿 到目前为止, 已有两个系统开始运行, 即点点币 (Peercoin) 和未来币 (NXT) 点点币使用一种混合模式, 用所有者的股权来调整相应的挖矿难度 未来币使用一个确定性算法, 以随机选择一个股东的方式来产生下一个区块 未来币的算法基于所有者的账户余额来调整其被选中的可能性 未来币和点点币都分别解决了由谁来生产下一个区块的问题, 但它们没有找到在适当的时间内使区块链具备不可逆的安全性的方法 根据笔者能找到的信息, 要做到这点, 点点币需要至少 6 个区块 ( 约 1 小时 ), 未来币需要 10 个区块 笔者找不到在 10 个区块后未来币能提供什么级别的安全性的根据 基于交易的股权证明机制 (Transactions as Proof of Stake,TaPOS) 在每笔交易中都包含区块链中前一个区块的哈希值 通过该系统, 对任何人而言, 网络变得越来越安全而不可逆, 因为最终每个区块都通过了股东投票 然而,TaPOS 并没有定义谁来产生下一个区块 在现实世界中, 股权证明很普遍, 最简单的就是股票 股票是用来记录股权的证明, 同时代表着投票权和收益权 股票被创造出来以后, 除了增发外, 不能增加股权数量, 要获得股票只能转让 在纯 POS 体系中 ( 如未来

69 第 1 章区块链之前世今生 51 币 ), 没有挖矿过程, 初始的股权分配已经固定, 之后只是股权在交易者之 间流转, 非常类似于现实世界中的股票 股权从创世区块中流出, 被交易者 买卖而逐渐分散化 3 瑞波共识机制 瑞波共识算法是指, 使一组节点能够基于特殊节点列表达成共识 初始特殊节点列表就像一个俱乐部, 要接纳一个新成员, 必须由 51% 的该俱乐部会员投票通过 共识遵循这核心成员的 51% 权力, 外部人员没有影响力 由于俱乐部由 中心化 开始, 因此它将一直是 中心化 的 与比特币及点点币一样, 瑞波系统将股东们与其投票权隔开, 并因此比其他系统更中心化 4 授权股权证明机制 当使用去中心化自治公司 (Decentralized Autonomous Company, DAC) 这一说法时, 去中心化表示每个股东按其持股比例拥有影响力,51% 股东投票的结果将是不可逆且有约束力的, 其挑战是通过及时而高效的方法达到 51% 批准 为达到这个目标, 每个股东可以将其投票权授予一名代表, 获票数最多的前 100 位代表按既定时间表轮流产生区块 每名代表分配到一个时间段来生产区块 所有的代表将收到等同于一个平均水平的区块所含交易费的 10% 作为报酬 如果一个平均水平的区块含有 100 股作为交易费, 一名代表将获得 10 股作为报酬 网络延迟有可能使某些代表没能及时广播他们的区块, 而这将导致区块链分叉 然而, 这不太可能发生, 因为制造区块的代表可以与制造前后区块的代表建立直接连接 这种建立与你之后的代表 ( 也许也包括其后的那名代表 ) 的直接连接是为了确保你能得到报酬 该模式可以每 30 秒产生一个新区块, 并且在正常的网络条件下区块链分叉的可能性极其小, 即使发生也可以在几分钟内得到解决 股份授权证明机制 DPOS(Delegate Proof of Stake) 是一种新的保障加

70 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 52 密货币网络安全的算法 它在尝试解决比特币采用的传统工作量证明机制以及点点币和未来币所采用的股份证明机制的问题的同时, 还能通过实施科技式的民主以抵消中心化所带来的负面效应 通过引入 受托人 这个角色,DPOS 可以降低中心化所带来的负面影响 一共有 101 位受托人通过网络上的每个人经由每次交易投票产生, 他们的工作是签署 ( 生产 ) 区块 通过去中心化的投票过程,DPOS 能让网络比别的系统更加民主 与其要让我们完成在网络上信任所有人这个不可能完成的任务, 不如让 DPOS 通过技术保护措施来确保那些代表网络来签署区块的人们 ( 受托人 ) 能够正确地工作 除此之外, 在每个区块被签署之前, 必须先验证前一个区块已经被受信任节点所签署 像 DPOS 这样的设计, 实际上缩减了必须要等待相当数量的未授信节点进行验证后才能够确认交易的时间成本

71 第 2 章 通往区块链之路 2.1 区块链与行业应用 2.2 区块链与人工智能 2.3 区块链与未来金融 2.4 区块链与大数据

72 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 区块链与行业应用 区块链是一种技术, 一种底层协议, 但是它代表着一种去中心化的思想 凯文 凯利在 必然 中提到 现在, 我们正处在长达 100 年的伟大的去中心化进程的中点 去中心化的思想, 不论在企业管理还是政府管理, 都有广泛的实践 区块链作为一种思想, 在没有 区块链 的时候就已经存在了, 而区块链技术本身则是通过一种可行的技术手段来践行去中心化的思想 从 PC 时代到互联网时代, 企业从金字塔的组织结构过渡到扁平化的组织结构, 这点在互联网企业里尤为明显 扁平化不是形式的调整, 而是企业的质变, 随着扁平化的调整, 企业相应的战略 市场 管理 文化和制度都随着改变, 把权力从过去的老板手中下放到各个自组织的部门的负责人手中, 开始权力去中心化, 给更多的人赋权 这种改变也是一种区块链思想 对于政府管理领域, 由过去政府主导资源配置的计划经济调整到市场资源配置为主导的市场经济, 也是一种资源配置的去中心化 去中心化, 能够形成一种相对稳定的耗散结构, 这是必然的趋势 去中心化的趋势, 会带来包括知识 软件 服务等各类资源的共享 人成为整体的一部分, 而人的各种欲求驱动着各种所需, 所有的需求都可以通过云端去获得, 去满足 区块链的思想能够帮助去中心化的进展变得更加理

73 第 2 章通往区块链之路 55 性, 更加有保障 Uber 是一种去除出租车公司这个中心化组织后的一种共享商业模式, 但是 Uber 去除的是全球成千上万的出租车公司这样的多中心, 形成了相对自我弱化的以自己平台为核心的弱中心, 本质上还无法做到完全的去中心 这似乎是一个悖论, 就像一个硬币的正反两面还是它自身, 去中心或者不去中心, 都是其自身 这个悖论的根源, 或许来源于维持系统稳定需要有一个负熵流 [22], 这个负熵流无法从外部引入, 只能以 Uber 公司本身来维持, 而平台的一部分开放性是形成耗散结构的必要条件之一, 这正是 Uber 存在的合理性之一 作为区块链思想的践行者, 无论是政府部门还是商业公司, 无论是营利组织还是非营利组织, 无论是个人还是组织, 要对区块链技术本身形成先形而上, 再形而下的概念 技术本身在当下是已固化的, 但对于企业的决策者和企业的业务而言, 它又是灵活的, 不断变化的, 而且技术的发展方向也需要和企业的业务发展方向相互吻合 虽然不能要求绝对的吻合, 但是两者需要保持良性的互动 因此, 从企业业务发展的角度来看, 也要求技术在不断地随之进化 技术是生态系统的一部分, 能够自组织 去中心化地跟随外部环境进化, 而企业也是生态系统的一部分, 需要随时通过调整自身, 提升自身的竞争力和适应能力以应对外部市场环境的变化 借用刘慈欣 三体 里的一句话, 弱小和无知不是生存的障碍, 傲慢才是 站在思考的角度去看, 区块链 企业业务本身及两者的融合才能更好地让技术成为好的 术, 为企业发展之 道 服务 利用互联网和信息技术改进传统行业并非很新的概念, 事实上, 在很多相对开放的行业里, 都有许多成功的实践案例 而通过区块链技术改进传统行业, 可以进一步提升企业的效率, 降低运营成本, 使企业的运作更具灵活性, 并且能够快速响应市场需求的变化 [23] 区块链技术的优势通过和传统行业的深度结合, 可以在传统行业中找到新的商业模式和就业机会, 使传统行业跃迁到下一个增长范式, 成为经济发展的一大推动力 互联网 + 和 + 互联网 现在正在蓬勃发展, 而互联网自诞生的第一

74 区块链解密构建基于信用的下一代互联网 56 天开始, 就逐渐改变了人和企业 企业和企业 人和人之间的连接方式, 使得经济和社会层面的总体效率有了很大的提升 市场上有各种介绍互联网思维框架的书籍 对于企业管理者或决策者, 亦或正在互联网行业创业的企业家而言, 真理其实往往都是非常简单的, 或许就是一句大白话 而思维框架本身并不是思维, 以为读几本互联网思维框架的书籍, 就能够借以放之四海而皆准, 这就是教条主义了 事实上, 在没有互联网的时候就已经有 互联网思维 了 如果我们不能去理解其实质, 那么就无法针对特定问题做特定的分析和应用 从区块链的未来发展趋势来看, 会存在两条路线, 一条是传统行业 + 区块链, 另一条是区块链 + 传统行业 短期内很难看到区块链 + 传统行业这种情况, 并且区块链技术本身还处于早期阶段, 需要继续发展, 而这种发展会带来很多变化, 并最终在市场上形成几个区块链巨头 只有形成区块链平台公司 数据公司后, 才有可能衍生出区块链 + 传统行业 目前, 对于传统行业而言,+ 区块链是更切实际的一条路线 从企业的角度来看, 不能为了技术而技术, 为了区块链而区块链, 企业有其自身的诉求, 企业的客户也有自身的诉求 区块链技术是区块链思想践行者的手段, 最终目的是要为企业, 亦或客户创造新的价值, 这种新价值的创造前提就是要解决企业的痛点 在运用区块链技术解决企业的 痛点 之前, 还存在另外一个 痛点 需要解决, 那就是看起来很复杂的区块链技术和传统行业的业务之间缺乏一座桥梁 作为新兴的前沿技术, 区块链技术对于传统企业的决策者和管理者而言, 是非常陌生的, 而且技术原理也让他们难以理解, 并且同行业中也没有可参照的成功应用案例, 这为传统行业落实创新技术的应用造成了很大的困局 好的技术如果不能找到好的应用场景, 就不会有好的结果 如笔者所知, 国内有物流企业对区块链技术感兴趣, 但是对于怎么落地应用, 或者为什么要用区块链技术, 非常疑惑 对于很多传统企业的决策者而言, 目前我不用这个区块链技术, 同行也没有在用的, 那么我业务运转得好好的, 为什么要用这个新技术呢 传统行业对原有的业务模式 技术范式通常存在着路