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第一章 区块链:信任的机器

1867 人参与  2018年09月25日 15:24  分类 : 区块链精品文章  评论

一、为什么会出现区块链

区 块链是比特币的一个重要概念,其初始使命是为了支持比特币的形成和流通。在比特币诞生之前,互联网的TCP/IP(传输控制协议/因特网互联协议)协议, 基本实现了全球信息传递高速低成本的传输,而有一类特殊的信息——货币则无法在上面进行高速传输。本质原因在于,传统互联网是信息互联网,而不是价值互联 网。

互联网诞生之初,最先解决的核心问题是信息制造和传输。1992年,时任美国副总统阿尔·戈尔 (Albert Amold Gore Jr.)提出美国信息高速公路的想法。1993年9月,美国政府宣布实施一项新的高科技计划——国家信息基础设施(National Information Infrastructure,NII),旨在以当时简单互联网为雏形,建设信息时代的高速公路——信息高速公路,使所有的美国人可以方便地共享海量的信 息资源。

随着该项计划的发展,我们现在所熟悉的网络世界逐渐形成。在这个“高速公路”上,我们能够将 信息快速生成并且复制到全世界每一个有网络的角落,这也是我们现在的互联网网络最擅长的事情,所以也可以将其称为“信息互联网”。在这个“信息互联网” 上,所有传递的信息都是可以高效传播和复制的,从而构成互联网的基础协议——TCP/IP。在容许一定错误率的情况下,以最快的速度把信息传递或者复制到 目标地址。而当时我们正处于一个非常“渴求”信息的时代,只要能将信息快速传播和复制就实现了我们最基本的需求。从此,我们通过“信息互联网”进入到一个 “信息爆炸”的时代。整个互联网上的信息开始以几何式的速度增长,信息的复制和分享成为这个时代的主流。

然 而,随着互联网开始进入人类生活的各个层面,我们发现有些信息是无法复制的,或者说复制是没有意义的。比如货币支付,我们不能把要支付的钱直接复制到对方 账户上,而是一定要在付款账户上减去若干资金,然后在收款账户上增加若干资金。只有这样,这个支付行为才是有意义的,而不像新闻类信息,我们复制一份到新 的网站上,就有了两份信息,可以让更多的人来进行分享。而这些不能分享,只能转移的信息,往往具有更大的价值,在它的背后需要有信用作背书,从而产生价 值。因此,可以发现,我们的“信息互联网”非常善于处理“信息分享”,而不能解决“价值转移”或者说“信用”这件事情。

这 里所谓的“价值转移”是指,在网络中以每个人都能够认可和确认的方式,将某一部分价值精确地从某一个地址转移到另一个地址,而且必须确保当价值转移后,原 来的地址减少了被转移的部分,而新的地址增加了所转移的价值。这个“价值”可以是货币资产,也可以是某种实体资产或者虚拟资产(包括有价证券、金融衍生品 等)。而这种操作的结果必须获得所有参与方的认可,且其结果不能受到任何某一方的操纵。

从以上的定义 可以发现,目前互联网本身的协议并不支持这个“价值转移”功能。互联网TCP/IP协议无法确认当信息发出去后本地的数据是否会精确改变,而某单点的数据 篡改在现有的互联网系统中是很难被全网发现的。但是“价值转移”是金融系统的基础,而金融系统是人类生活的核心之一,因此下一代全球性互联网发展的核心问 题就是要解决“价值转移”的问题。

二、“价值转移”的本质

在 没有解决这个问题之前,我们必须使用中介系统来完成这样的“价值转移”行为,于是我们看到了类似于支付宝、贝宝(Paypal)的第三方支付工具开始崛 起。而在跨国汇款领域,大家更多的是通过类似于SWIFT(环球同业银行金融电讯协会)这样的中介机构来完成跨国汇款结算和清算。

互 联网中也有各种各样的金融体系,也有许多政府银行或者第三方提供的支付系统,但是它还是依靠中心化的方案来解决。所谓中心化的方案,就是通过某个公司或者 政府信用作为背书,将所有的价值转移计算放在一个中心服务器(集群)中,尽管所有的计算也是由程序自动完成的,但是却必须信任这个中心化的人或者机构。事 实上,通过中心化的信用背书来解决,也只能将信用局限在一定的机构、地区或者国家的范围之内。由此可以看出,要解决这个根本问题,就必须创建“信用”。所 以价值转移的核心问题其实就是跨国信用共识问题。

但根据历史经验来看,整个系统中往往最不可信任的就 是人,或者由人组成的机构或政府,历史往往最终被证明,那些违反原规则的人就是规则制定者,而从工业革命到互联网革命,技术发展的潮流也是通过取代人这个 最不可靠、最脆弱且效率最低的环节来实现生产力大发展的。所以,归根结底,要真正完成以信用共识为基础的价值转移,需要一个能够取代第三方中介的方式,一 个能够自动运行的方式,且具备去信任的机制(不需要依靠相信环节中的任何人或机构)的机制来完成价值的转移。

在 如此纷繁复杂的全球体系中,要凭空创建一个全球性的信用共识体系是很困难的,由于每个国家的政治、经济和文化情况不同,两个国家的企业和政府创建完全互信 几乎是不可能做到的,这也就意味着无论是以个人或以企业、政府的信用进行背书,对于跨国的价值交换即使可以完成,但也需要很长的时间和高昂的经济成本。但 是在漫长的人类历史中,无论每个国家的宗教、政治和文化如何不同,唯一能取得共识的是数学(基础科学)。因此,可以毫不夸张地说,数学(算法)是全球文明 的最大公约数,也是全球人类获得最多共识的基础。如果以数学算法(程序)作为背书,让所有的规则都创建在一个公开透明的数学算法(程序)之上,那么就能够 让所有不同政治文化背景的人群获得共识。

三、什么是区块链

(一)定义

区块链本质上是一个去中心化的数据库,是一连串使用密码学方法产生相关联的数据块,每一个数据块中包含了一段时间内全网交易的信息,用于验证其信息的有效性(防伪)和生成下一个区块。所以说区块链是以去中心化和去信任化的方式,来集体维护一个可靠数据库的技术方案。

通俗地说,其实区块链可以称为一种全民记账的技术,或者说可以理解为一种分布式总账技术。

数 据库是大家都熟悉的概念,任何的网站或者系统背后都有一个数据库,我们可以把数据库想象为一个账本,例如支付宝数据库就像是一个巨大的账本,里面记录每个 人账上有多少钱。当A发送给B一元钱,那么就要把A账上的钱扣除一元,在B的账上增加一元,这个数据的变动就可以理解为一种记账行为。对一般中心化的结构 来说,微信背后的数据库由腾讯的团队来维护,淘宝背后的数据库由阿里的团队来维护,这是很典型的中心化数据库管理方式,也是大家认为顺理成章的事情。

但 是区块链完全颠覆了这种方式。一个区块链系统由许多节点构成,这些节点一般就是一台计算机。在该系统中,每个参与的节点都有机会去竞争记账,即更新数据库 信息。系统会在一段时间内(可能是十分钟,也可能是一秒钟),选出其中记账最快最好的一个节点,让它在这段时间里记账。它会把这段时间内数据的变化记录在 一个数据区块(block)中,我们可以把这个数据区块想象成一页纸。在记完账以后,该节点就会把这一页的账本发给其他节点。其他节点会核实这一页账本是 否无误,如果没有问题就会放入自己的账本中。

在系统里面,这一页账本的数据表现形式,称为区块,该区块中就记录了整个账本数据在这段时间里的改变。然后把这个更新结果发给系统里的每一个节点。于是,整个系统的每个节点都有着完全一样的账本。

我们把这种记账方式称为区块链技术或者分布式总账技术。

(二)安全性

那么,为什么要采取这种方式?它有什么优势?因为通常大家的直觉是,这种方式似乎会较为浪费带宽和存储空间,并不是一个可取的方案。但是,区块链就是通过这种高冗余的方式来构建极高的安全性。

首先,每个节点的权利是一样的,任意节点被摧毁都不会影响整个系统的安全,也不会造成数据的丢失。每个节点在系统中的权重都是一致的,系统每次都在链入这个系统的节点中选择记账者,于是,即使某个或者部分节点被摧毁、宕机都不会影响整个系统运作。

其 次,每个节点的账本数据都是一模一样的,也就意味着单个节点的数据篡改是没有任何意义的。因为如果系统发现两个账本对不上,它就认为拥有相同账本数量较多 节点的版本才是真实的账本数据。那些少部分不一致的节点账本不是真实的,而是被篡改的数据账本。系统会自动舍弃这部分认为被篡改过的账本,也就意味着如果 你要篡改区块链上的数据内容,除非能够控制整个系统中的大部分节点。这也就是常说的51%攻击,即必须要控制整个系统50%以上的节点,才能发动对数据账 本的篡改。

但是,当整个系统中的节点数量高达成千上万个,甚至是数十万个时,那么篡改数据的可能性就会大大降低。因为,这些节点很可能分布在世界上每个角落,理论上说,除非你能控制世界上大多数电脑,否则你没有机会去篡改区块链上的数据。

此 外,另一个51%攻击的方法就是构建出和原来系统一样多节点(算力)的方式来攻击这个区块链系统(尽管重要的是要构建足够大的算力,而不仅仅是节点数量, 但考虑到算力概念理解更加复杂,这里就以节点数量来做比喻)。比如,该系统原来有10000个节点,那攻击者部署另外10001个节点,然后加入到这个区 块链系统中。由于攻击者已经获得了超过50%的控制权,就能够发动攻击。显然,这种攻击所付出的成本也取决于系统原来的大小。原来系统节点越多,攻击者付 出的成本也越大。由于比特币是目前最庞大的区块链网络,据统计要构建出一个和现有比特币同样大型的网络系统,所付出的成本会高达270亿美元。

但 是攻击者还面临着另一个困境,一旦它成功发动攻击后,就会造成该系统的价值瞬间归零。也就是说,一旦攻击者成功篡改账本,由于全网能够立刻识别出账本数据 不一致,导致所有人都意识到该系统账本已经是不可靠的账本,那么就意味着该账本所记录的数据变得没有价值,该系统中的代币也会变得毫无价值。也就是说,如 果攻击者付出了超过270亿美元的代价,成功发动了对比特币的攻击后,比特币价格瞬间归零,那么攻击者也无利可图。而对于国家而言,似乎也没有必要通过这 种方式来攻击比特币这样的网络,国家完全可以通过直接宣布比特币违法来更简单地达到禁止比特币这一目的。

(三)起源

大多数人都知道区块链和比特币关系密切,甚至有些人会把区块链等同于比特币技术。事实上,区块链技术仅仅是比特币的底层技术,是在比特币运行很久之后,才把它从比特币中抽象地提炼出来。从某种角度来看,也可以把比特币认为是区块链最早的应用。

比 特币的创造者——中本聪(Satoshi Nakamoto)在其2008年发表的经典论文《比特币:一种点对点网络中的电子现金》中明确指出:传统的金融体系不可避免地要依赖“第三方”机构(传 统银行),这种传统的中心化金融结构是很难让货币像其他信息那样免费地进行传输。正是为了解决这些问题,中本聪创造性地提出了通过区块链技术创建一个去中 心化、去第三方、集体协作的网络体系设想,而无须中心化平台做信任的桥梁,区块链通过全网的参与者作为交易的监督者,交易双方可以在无须创建信任关系的前 提下完成交易,实现价值的转移。如果说互联网TCP/IP协议是信息的高速公路,那么区块链的诞生意味着货币的高速公路第一次建设已经初步形成。

就 像核工程的研究最初是为了制造原子弹,而后人们才意识到其更大的社会价值是对于全球能源体系的改造。近年来,全球开发者、金融机构、企业乃至政府发现区块 链的意义不仅局限于支持比特币交易,通过区块链技术所打造的成本极低的、去中心化、去第三方、集体协作的网络体系本身还具有巨大的社会价值。

《经 济学人》把区块链技术形象地比喻为“信任的机器”,即可以在没有中央权威的情况下,对彼此的协作创造信任。区块链技术适用于一切缺乏信任的领域,也许在未 来会成为全球人类文明信任的基石,并有可能彻底改变全球的社会结构。目前,随着区块链技术的成熟和演进,区块链的应用场景不再局限于比特币,以“以太坊” 为代表的新一代区块链技术正在开始构建一个全新的去中心化互联网架构,试图彻底颠覆所有的互联网中心化架构平台(如支付宝、银行、保险等)。

四、比特币的底层技术

在过去的一年中,尽管比特币本身受到质疑,然而人们开始从比特币的支付领域逐渐转移到了比特币底层协议——区块链技术上,越来越多的投资者及普通民众接受了区块链的概念。我们可以通过了解比特币的生成与交易等一系列过程来理解区块链技术。

(一)比特币的交易

比 特币使用整个P2P(互联网金融点对点借贷平台)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。在信息传递过程中,发送方通过一把密钥 将信息加密,接收方在收到信息后,再通过配对的另一把密钥对信息进行解密,这就保证了信息传递过程的私密性与安全性。比特币的交易并非简单的支付货币本 身。以图1.1中的交易为例,如果B想支付100个比特币给C,那么不仅B需要在交易单上注明金额,而且需要注明这100个比特币的来源。由于每笔交易单 都记录了该笔资金的前一个拥有者、当前拥有者以及后一个拥有者,就可以依据交易单来实现对资金的全程追溯。这也是比特币的典型特征之一。最后,当每一笔交 易完成时,系统都会向全网进行广播,告诉所有用户这笔交易的实施。

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图1.1 比特币的交易过程

(二)区块+链

由 于每笔交易是相对分散的,为了更好地统计交易,比特币系统创造了区块这一概念。每个区块均包含以下三种要素:一是本区块的ID(散列),二是若干交易单, 三是前一个区块的ID。比特币系统大约每10分钟创建一个区块,其中包含了这段时间里全网范围内发生的所有交易。每个区块中也包含了前一个区块的ID,这 种设计使得每个区块都能找到其前一个节点,如此可一直倒推至起始节点,从而形成了一条完整的交易链条。因此,从比特币的诞生之日起,全网就形成了一条唯一 的主区块链,其中记录了从比特币诞生以来的所有交易记录,并以每10分钟新增一个节点的速度无限扩展。这条主区块链在每添加一个节点后,都会向全网广播, 从而使得每台参与比特币交易的电脑上都有一份拷贝。在现实世界中,每笔非现金交易都由银行系统进行记录,一旦银行计算机网络崩溃,所有数据都会遗失。而在 互联网世界中,比特币的所有交易记录都保存在全球无数台计算机中,只要全球有一台装有比特币程序的计算机还能工作,这条主区块链就可以被完整地读取。如此 高度冗余的交易信息存储,使得比特币主区块链完全遗失的可能性变得微乎其微。

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图1.2 区块链的局部结构

资料来源:Bitcoin:A Peet-to-Peer Electronic Cash System

每 个人在对交易的有效性进行验证后都可以根据这些交易数据生成新区块。为了避免虚假交易或重复交易,使这一新区块被信任,需要构建工作量证明机制。如果想要 修改某个区块内的交易信息,就必须完成该区块及其后续连接区块的所有工作量,这种机制大幅提高了篡改信息的难度。同时,工作量证明也解决了全网共识问题, 全网认可最长的链,因为最长的链包含了最大的工作量。

(三)比特币与区块链

综 上所述,区块链是一串使用密码学方法相关联产生的数据块。在比特币的应用中,整个区块链就是比特币的公共账本,网络中的每一个节点都有比特币交易信息的备 份。当发起一个比特币交易时,信息被广播到网络中,通过算力的比拼而获得合法记账权的矿工将交易信息记录成一个新的区块连接到区块链中,一旦被记录,信息 就不能被随意篡改。比特币是区块链的一个“杀手级应用”,区块链是比特币的底层技术,且作用绝不仅仅局限在比特币上。因此,尽管比特币与区块链经常被同时 提及,但二者并不能画上等号。

五、区块链的模型架构

区块链系统由自下而上的数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成(如图1.3所示)。

(一)数据层

数 据层封装了底层数据区块的链式结构,以及相关的非对称公私钥数据加密技术和时间戳等技术,这是整个区块链技术中最底层的调制解调器构,其中大多数技术都已 被发明数十年,并在计算机领域使用了很久,无须担心其中的安全性,因为如果这些技术出现安全性上的巨大漏洞,则意味着全球金融技术都会出现严重的问题。中 本聪在设计比特币时,为每个区块设置了1MB(兆)大小的容量限制,但由于目前比特币的交易量迅速提升,1MB的区块空间能容纳的交易数量有限,所以要考 虑扩容区块链来突破这个限制。

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图1.3 区块链系统数据层

(二)网络层

网络层包括分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制等,由于采用了完全P2P的组网技术,也就意味着区块链是具有自动组网功能的。这种P2P组网技术,在早先应用于BT(比特流)和eMule(电驴)之类的P2P下载软件中,也是一种相对来说非常成熟的技术。

(三)共识层

共 识层主要封装网络节点的各类共识机制算法。共识机制算法是区块链技术的核心技术,因为这决定了到底由谁来进行记账,记账者选择方式将会影响到整个系统的安 全性和可靠性。目前已经出现了十余种共识机制算法,其中最为知名的有工作量证明机制(Proof of Work,PoW)、权益证明机制(Proof of Stake,PoS)、股份授权证明机制(Delegated Proof of Stake,DPoS)等。在下一节中将会详细介绍这些共识机制。

(四)激励层

激 励层将经济因素集成到区块链技术体系中来,主要包括经济激励的发行机制和分配机制等,该层主要出现在公有链(Public Blockchain)中,因为在公有链中必须激励遵守规则参与记账的节点,并且惩罚不遵守规则的节点,才能让整个系统朝着良性循环的方向发展。所以激励 机制往往也是一种博弈机制,让更多遵守规则的节点愿意进行记账。而在私有链(Private Blockchain)中,则不一定需要进行激励,因为参与记账的节点往往是在链外完成了博弈,也就是可能有强制力或者有其他需求来要求参与记账。

(五)合约层

合 约层主要封装各类脚本、算法和智能合约,是区块链可编程特性的基础。以以太坊为首的新一代区块链系统试图完善比特币的合约层。比特币尽管也包含了脚本代 码,但是并不是图灵完备的,即不支持循环语句;以太坊在比特币结构的基础上,内置了编程语言协议,从而在理论上可以实现任何应用功能。如果把比特币看成是 全球账本的话,那么就可以把以太坊看作是一台“全球计算机”——任何人都可以上传和执行任意的应用程序,并且程序的有效执行能够得到保证。

(六)应用层

应用层则封装了区块链的各种应用场景和案例。比如搭建在以太坊上的各类区块链应用就是部署在应用层,所谓可编程货币和可编程金融也将会搭建在应用层。

该 模型中,基于时间戳的链式区块结构、分布式节点的共识机制、基于共识机制的经济激励和灵活可编程的智能合约是区块链技术最具代表性的创新点。其中数据层、 网络层和共识层是构建区块链应用的必要因素,否则将不能称为真正意义上的区块链。而激励层、合约层和应用层则不是每个区块链应用的必要因素,有部分的区块 链应用并不完整地包含着这三层结构。

六、区块链的共识机制

区 块链通过数学共识机制是非对称加密算法,即在加密和解密的过程中使用一个“密钥对”,“密钥对”中的两个密钥具有非对称的特点:一是用其中一个密钥加密 后,只有另一个密钥才能解开;二是其中一个密钥公开后,根据公开的密钥其他人也无法算出另一个密钥。在区块链的应用场景中,一是加密时的密钥是公开的、所 有参与者可见的(公钥),每个参与者都可以用自己的公钥来加密一段信息(真实性),在解密时只有信息的拥有者才能用相应的私钥来解密(保密性),用于接收 价值。二是使用私钥对信息签名,公开后通过其对应的公钥来验证签名,确保信息为真正的持有人发出。非对称加密使得任何参与者更容易达成共识,将价值交换中 的摩擦边界降到最低,还能实现透明数据后的匿名性,保护个人隐私(如图1.4所示)。

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图1.4 私钥、公钥间的关系

资料来源:巴比特、兴业证券研究所

(一)工作量证明机制

所谓工作量证明机制,是指一方(通常为证明者)提交已知难以计算但易于验证的计算结果,而其他任何人都能够通过验证这个答案就确信证明者为了求得结果已经完成了大量的计算工作。

现 代最早工作量证明应用是亚当·巴克(Adam Back)于1996年提出的以基于SHA256的工作量证明为反垃圾邮件手段的“Hashcash”(哈希现金)。系统通过要求所有邮件发送时都必须完 成大强度的工作量证明,这将使垃圾邮件发送者发大量电子邮件变得很不划算,却仍允许用户们在需要时向其他用户正常发送邮件。现在比特信为了同样的目的使用 了一个类似它的系统,而Hashcash的算法也已经被改造为以“挖矿”为形式的比特币安全的核心。

比 特币在区块链的生成过程中使用了PoW机制,一个符合要求的Block Hash(区块链散列值)由N个前导零构成,零的个数取决于网络的难度值。要得到合理的Block Hash需要经过大量尝试计算,计算时间取决于机器的哈希运算速度。当某个节点提供出一个合理的Block Hash值,说明该节点确实经过了大量的尝试计算。当然,这并不能得出计算次数的绝对值,因为寻找合理的Hash是一个概率事件。当节点拥有占全网n%的 算力时,该节点即有n/100的概率找到Block Hash。

PoW看似很神秘,其实在社会中的应 用非常广泛。例如,一个人具有的一些技能,如外语口语、乐器或是运动技巧,通常也是一种工作量证明。不用检查四、六级证书,一个人就能流利地说外语或者演 奏乐器,那么他一定在这些技能上投入了足够的工作量,而且这个工作量与技能的熟练程度是呈正相关的。如四、六级证书,一般认为在不能作弊的考试里采用足够 多的客观题,也可以做到证明工作量的效果,因为一个人从概率上不可能连续蒙对大量的客观题。因此一般认为文凭也是有说服力的。同样地,飞行员的飞行小时数 也说明问题,如果你飞了一万小时还活着,大概就不是靠运气。

在一些其他场合也可以见到PoW的踪影, 比如电子游戏里的胜率、K/D比率,在大量的交战中一定的胜率能说明玩家的实力。同样有些游戏里的成就系统、装备体系也是PoW,一般认为成就点数高的玩 家在游戏里投入更多,更不容易诈骗,有时候交易点卡要求装备等级或者成就点数也是这个道理。

有些人认 为这一方法存在缺陷,即工作量证明浪费资源,截至2016年4月,比特币网络的算力达到1300PHS,即每秒完成13331兆亿次SHA256运算,而 最终这些计算没有任何实际意义或科学价值。美国科技网站Vice曾撰文认为这种方式非常不环保,由于多方面原因,比特币网络消耗的能源正日益增长。在最不 乐观的情况下,到2020年,比特币网络的耗电量将达到丹麦整个国家的水平。

但是也有观点认为由于需要巨大的投入,促使攻击比特币区块链将会是异常艰难的事情,从而确保了比特币巨大的安全特性,同时也是人类目前构建的最安全的数据库。

(二)权益证明机制

权 益证明机制是一种SHA256的替代方法,从根本上解决了工作量计算浪费的问题,它不要求证明者完成一定数量的计算工作,而是要求证明者对某些数量的钱展 示所有权,通过每一笔交易销毁的币天数(coin days)来实现,币天数代表一个特定的币,距离最后一次在网络上交易的时间。在给定的时间点内,只存在有限币天数,它们在那些长期持有大量货币结余的人 手中持续增加。所以币天数可被视为在网络中权益的代表(proxy,代理服务器)。每当这些币有交易时,币天数即被销毁,因此不能被重复使用。

简 单地说,PoS就是把PoW由算力决定记账权变成由持有币数(以及持有的时间)来决定记账权。在PoW中,是按照算力占有总算力的百分比,从而决定你获得 本次记账权的概率。在PoS中,持有币数占系统总币数的百分比(包括你占有币数所持有的时间),决定着获得本次记账权的概率。

这 就类似于现实世界中的股票制度,在一个公司中,大家是按照持股比例来获得分红,持有股权相对较多的人获得更多的分红权。这种安全机制的理由在于利益捆绑, 即大股东比小股东更加关注系统的安全性,所以发动攻击的话,大股东损失更加惨重。在这个模式下,不持有PoS的人无法对PoS构成威胁。PoS的安全取决 于持有者,与其他任何因素无关。

反对者认为PoS会加大整个系统中的贫富差距,持有更多币的人更容易 挖到新币,即持有股份更多的人会获得更多的分红,从而导致系统内贫富差距拉大。但是,拥护者认为,区块链没有理由去解决系统内的贫富差距问题,而且股份持 有者获得相同比例的分红也是现实世界中的原则,并没有人对此有太多的异议。并且在PoW中,那些拥有矿机更多、算力更大的人,也将获得更多的币,因 此,PoW也同样存在这样的问题。

(三)股份授权证明机制

DPoS是一种新的保障区块链网络安全的算法。它在尝试解决比特币采用PoW以及PoS问题的同时,还能通过实施去中心化的民主方式,用以抵消中心化所带来的负面效应。

在 系统中,每个币就等于一张选票,持有币的人可以根据自己持有币的数量,来投出自己的若干张选票给自己信任的受托人。这些受托人可以是对系统有贡献的人,也 可以是投票者所信赖的人,并且受托人并不一定需要拥有最多的系统资源。投票可以在任意时间进行,而系统会选出获得投票数量最多的101人(也可以是其他数 量)作为系统受托人,他们的工作是签署(生产)区块,且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。

这 种共识机制模仿了公司的董事会制度,或者是议会制度。能够让数字货币持有者将维护系统记账和安全的工作交给有能力有时间的人来专职从事该项工作。由于受托 人进行记账也能够获得新币的奖励,所以他们会努力拉票,并且维护好与投票者的关系及试图通过参与系统的发展,从而吸引更多人给他投票。

这 解决了PoW中的一个主要问题,即在比特币的PoW系统中,持有比特币的人对于系统没有发言权,他们不能参与记账决定权,也不能左右系统的发展,因为系统 发言权主要掌握在矿工和开发者手中。而如果矿工或者开发者做出了对比特币持有者不利的决定,比特币持有者除了自己离开系统之外,没有任何可以做的。而在 DPoS中,持有者对于记账者拥有足够的选举权,任何试图对系统不利或者作恶的人都随时可能被投票者从受托人的位置直接拉下。

DPoS另外一个巨大优势就是由于记账人数量可控,并且轮流进行记账,能够通过提供更好的软硬件环境来构建效率极高的区块链系统。目前看来,DPoS似乎是效率最高的区块链系统,在理想环境下,能够实现每秒数十万笔的交易数量。

(四)混合证明机制

由于不同共识证明机制有着不同的优劣势,有些系统选择采用多种共识机制的方式来取长补短。较为典型的就是以太坊采用了PoW+PoS的共识机制。

七、区块链的类型

(一)公有链

所 谓公有链,是指全世界任何人都可以在任何时候加入、任意读取数据,任何人都能发送交易且交易能获得有效确认,任何人都能参与其中共识过程的区块链——共识 过程决定哪个区块可被添加到区块链中和明确当前状态。作为中心化或者准中心化信任的替代物,公有链的安全由“共识机制”来维护——“共识机制”可以采取 PoW或PoS等方式,将经济奖励和加密算法验证结合了起来,并遵循着一般原则:每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。这些区块链通 常被认为是“完全去中心化”的。

在公有链中,程序开发者无权干涉用户,所以区块链可以保护使用他们开 发的程序的用户。从传统的经济学角度来看,的确难以理解为何程序开发者会愿意放弃自己的权限。然而,随着互联网崛起,协作共享的经济模式为此提供了两个理 由:借用托马斯·谢林(Thomas Schelling)的话,即妥协是一种力量。首先,如果你明确地选择做一些很难或者不可能的事情,其他人会更容易信任你并与你产生互动,因为他们相信那 些事情不大可能发生在自己身上。其次,如果你是受他人或其他外界因素的强迫,无法去做自己想做的事,你大可说句“即使我想,但我也没有权力去做”的话语作 为谈判筹码,这样可以劝阻对方不要强迫你去做不情愿的事。程序开发者们所面临的主要压力或者风险主要是来自政府,所以说“审查阻力”便是公有链最大的优 势。

(二)私有链

所谓私有链,是指其写入权限由某个组织和机构控制的区块链。读取权限或者对外开放,或者被进行了任意程度的限制。相关的应用可以包括数据库管理、审计甚至是一个公司,尽管在有些情况下希望它能有公共的可审计性,但在很多的情形下,公共的可读性似乎并非是必需的。

大 多数人一开始很难理解私有链存在的必要性,认为其和中心化数据库没有太大的区别,甚至还不如中心化数据库的效率高。事实上,中心化和去中心化永远是相对 的,私有链可以看作是一个小范围系统内部的公有链,如果从系统外部来观察,可能觉得这个系统还是中心化的,但是以系统内部每一个节点的眼光来看,其实当中 每个节点的权利都是去中心化。而对于公有链,从某种程度来看也可以看作是地球上的私有链,只有地球人的电脑系统才可以接入。因此,私有链完全是有其存在价 值的。

私有链的巨大优势就是,由于对于P2P这样的网络系统而言,系统内部的处理速度往往取决于最弱的节点,而私有链所有的节点和网络环境都是完全可以控制的,因此能够确保私有链在处理速度方面远远优于公有链。

私 有链和公有链另外一个巨大的区别就是,一般公有链肯定在内部会有某种代币(token),而私有链却是可以选择没有代币的设计方案。对于公有链而言,如果 要让每个节点参与竞争记账,必定需要设计一种奖励制度,鼓励那些遵守规则参与记账的节点。而这种奖励往往就是依靠代币系统来实现的。但是对于私有链而言, 基本上都是属于某个机构内部的节点,对于这些节点而言,参与进行记账本身可能就是该组织或者机构上级的要求,对于他们而言本身就是工作的一部分,因此并不 是一定需要通过代币奖励机制来激励每个节点进行记账。所以,我们也可以发现,代币系统并不是每个区块链必然需要的。

因此,考虑到处理速度及账本访问的私密性和安全性,越来越多的企业在选择区块链方案时,会更多地倾向于选择私有链技术。

(三)联盟链

联 盟链(Consortium Blockchain),是指其共识过程受到预选节点控制的区块链。例如,可以想象一个由15个金融机构组成的共同体,每个机构都运行着一个节点,而且为 了使每个区块生效需要获得其中10个机构的确认。区块链可能允许每个人都可读取,或者只受限于参与者和走混合型路线,例如区块的根哈希及其API(应用程 序接口)对外公开,API可允许外界用作有限次数的查询和获取区块链状态的信息。这些区块链可视为“部分去中心化”。比如R3 CEV就是一个典型的联盟链系统。

(四)许可链

许可链(Permissioned Blockchain),是指每个节点都是需要许可才能加入的区块链系统,私有链和联盟链都属于许可链。

(五)混合链和复杂链

随 着区块链技术变得越来越复杂,区块链的技术架构开始不仅仅简单地分为公有链、私有链等架构,而是这之间的界限逐渐开始模煳。在区块链的系统中,不再是所有 节点都有着简单的一模一样的权限,而是开始有不同的分工。有些节点可能只能查看部分区块链数据,有些节点能够下载完整的区块链数据,有些节点负责参与记 账。而随着系统日益复杂,其中不同的角色,以及不同的权限等级会变得更多。其实我们在DPoS这样的共识机制中,已经能够看到这种趋势开始出现,并不是每 个节点都参与记账,而是获得投票数量最多的受托人(Delegated)才开始进行记账,这样的受托人就是典型的角色划分。如果今后央行采用区块链技术发 行人民币,肯定会选择类似于混合链这样的技术。

八、区块链的发展脉络

区 块链开始引人注目与比特币的风靡密切相关。直至今日,莱特币、狗狗币等类型的比特币层出不穷,人们对于电子货币的关注已经转向了对区块链的深入研究。区块 链强大的容错功能,使得它能够在没有中心化服务器和管理的情况下,安全稳定地传输数据。从诞生到现在,区块链专家梅兰妮·斯沃恩(Melanie Swan)将区块链发展划分为三个阶段:区块链1.0、区块链2.0、区块链3.0。

(一)区块链1.0:以比特币为代表的可编程货币

比 特币设计的初衷,是为了构建一个可信赖的、自由、无中心、有序的货币交易世界,尽管比特币出现了价格剧烈波动、挖矿产生的巨大能源消耗、政府监管态度不明 等各种问题,但可编程货币的出现让价值在互联网中直接流通交换成为可能。可编程的意义是指通过预先设定的指令,完成复杂的动作,并能通过判断外部条件做出 反应。可编程货币即指定某些货币在特定时间的专门用途,这对于政府管理专款专用资金等有着重要意义。

区 块链是一个全新的数字支付系统,其去中心化、基于密钥的毫无障碍的货币交易模式,在保证安全性的同时也大大降低了交易成本,对传统的金融体系可能产生颠覆 性影响,也刻画出一幅理想的交易愿景——全球货币统一,使得货币发行流通不再依靠各国央行。区块链1.0设置了货币的全新起点,但构建全球统一的区块链网 络却还有很长的路要走。

(二)区块链2.0:基于区块链的可编程金融

数 字货币的强大功能吸引了金融机构采用区块链技术开展业务,人们试着将“智能合约”加入区块链形成可编程金融。目前,可编程金融已经在包括股票、私募股权等 领域有了初步的应用,包括目前交易所积极尝试用区块链技术实现股权登记、转让等功能;华尔街银行通过联合打造区块链行业标准,提高银行结算支付的效率,降 低跨境支付的成本。

目前商业银行基于区块链的应用领域主要有:一是点对点交易。如基于P2P的跨境支 付和汇款、贸易结算以及证券、期货、金融衍生品合约的买卖等。二是登记。区块链具有可信、可追溯的特点,因此可作为可靠的数据库来记录各种信息,如运用在 存储反洗钱客户身份资料及交易记录上。三是确权。如土地所有权、股权等合约或财产的真实性验证和转移等。四是智能管理。即利用“智能合同”自动检测是否具 备生效的各种环境,一旦满足了预先设定的程序,合同会得到自动处理,比如自动付息、分红等。目前,包括商业银行在内的金融机构都开始研究区块链技术并尝试 将其运用到实践中,也许现有的传统金融体系正在逐渐被区块链技术所颠覆。

(三)区块链3.0:区块链在其他行业的应用

除 了金融行业,区块链在其他领域也开始应用。在法律、零售、物联、医疗等领域,区块链可以解决信任问题,不再依靠第三方来创建信用和信息共享,提高整个行业 的运行效率和整体水平。极高的生产力会将这个星球上所有的人和机器连接到一个全球性的网络中,人类向商品和服务近乎免费的时代加速迈进,也许到了21世纪 下半叶,资本主义走向没落,区块链的去中心化协同共享模式将取而代之,成为主导经济生活的新模式。

区 块链是这种新兴协同共享模式的最佳技术手段。区块链的基础设施以去中心化的形式配置全球资源,使区块链成为促进社会经济发展的理想技术框架。区块链的运营 逻辑在于能够优化点对点资源、全球协作和在社会中培养并鼓励创造社会资本的敏感程度。创建区块链的各类平台能够最大限度地鼓励协作型文化,这与原始共有模 式相得益彰,将使其成为21世纪决定性的经济模式。

现在我们所说的区块链1.0、区块链2.0、区块 链3.0,也许感觉这是一种递进的演化,但事实上仅仅是应用范围的不同而已,从区块链1.0到区块链3.0都是平行的发展阶段,在各自的领域内发挥应有的 作用。通过区块链技术,能够让人类生活在许多应用和工具中,进入“可编程”状态和智能状态,完成非常复杂的操作。

20 世纪90年代,信息技术的飞速发展变革了现代社会,数据计算、数据库应用等为互联网技术应用打下了基础,在深度和广度拓展了人们的世界观。人们从对比特币 的关注,到区块链技术在金融领域大显身手,进入2015年,区块链创建去中心化信用的尝试,已经不限于金融界,而被社会各个领域关注,特别是在中国,目前 社会的公信力普遍不足的情况下,区块链更能为社会管理提供一种全新的思路和技术选项。比特币的成功和金融领域的尝试性运用,使社会对区块链的关注度和投资 热度急剧提升,区块链技术的发展进入黄金时期。

区块链飞速发展描绘了世界基于技术的统一愿景,整个社会有望进入智能互联网时代,形成一个可编程的社会。在这个信用已经成为紧缺资源的时代,区块链的技术创新作为一种分布式信用的模式,为全球市场的金融、社会管理、人才评价和去中心化组织建设等提供了一个广阔的发展前景。


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