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什么是區塊鏈?帶你秒懂區塊鏈技術

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區塊鏈,可能是當下最有前景又充滿分歧的技術與經濟趨勢。它給數字世界帶來了“價值表示”和“價值轉移”兩項全新的基礎功能。其潛力正在顯現出來,但當下它又處于朦朧與野蠻生長的階段。

對比互聯網的發展史,現在的區塊鏈可能相當于 1994 年的互聯網,即互聯網剛剛進入大眾視野的時期,那也是第一波互聯網革命萌芽的時期。谷歌、亞馬遜、Facebook、騰訊、阿里巴巴、優步、滴滴,甚至現在市值超萬億的蘋果都得益于那一時刻。

現在區塊鏈技術可能帶來互聯網的二次革命,把互聯網從“信息互聯網”帶向“價值互聯網”。在區塊鏈的對照之下,人們發現,最初被形象地稱為“信息高速公路”的互聯網處理的是“信息”,而區塊鏈能處理的是“價值”。

變革即將發生,未來已來。我們又一次處于革命的起點——價值互聯網的變革,而要理解價值互聯網的未來,我們先要搞明白區塊鏈技術是什么。

讓我們回到10年前,從中本聰(Satoshi Nakamoto)發明比特幣的那一刻說起。

比特幣的誕生

2009年1月3日,在位于芬蘭赫爾辛基的服務器上,至今匿名的神秘技術極客中本聰生成了第一個比特幣區塊,即所謂的比特幣創世區塊(genesis block)。

在創世區塊的備注中,中本聰寫入了當天英國《泰晤士報》的頭版頭條標題:

“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks”

“《泰晤士報》,2009年1月3日,財政大臣站在第二次救助銀行的邊緣”

這樣做,他記錄了比特幣系統啟動和創世區塊生成的時刻,又借這句話表達了對當時全球金融體系的暗諷。2009 年年初,全球金融體系剛經歷了 2008 年金融危機的沖擊,看起來搖搖欲墜。

在生成創世區塊時,按自己設定的規則,中本聰獲得了 50 個比特幣獎勵,這是最早的 50 個比特幣。從創始區塊開始,在比特幣的賬本上每 10 分鐘就有新的數據區塊被增加上去,新的比特幣被憑空發行出來。比特幣的去中心網絡開始運轉,擴展到現在的由數萬個節點組成的全球網絡。

在比特幣的創世時刻,它的三個組成部分都出現了,即加密數字貨幣(cryptocurrency)、分布式賬本(distributed ledger)、去中心網絡(decentralized network),如下圖所示。

比特幣的三個組成部分

比特幣的三個組成部分

2008 年 10 月 31 日,中本聰向一個密碼學郵件列表的所有成員發送了一個電子郵件,標題為“比特幣:點對點電子現金論文”。

比特幣白皮書見:www.bitcoin.org/bitcoin.pdf

他寫道:“我一直在研究一個新的電子現金系統,它完全是點對點的,無須任何的可信第三方。”比特幣的起源應遠早于這個日期,中本聰曾說,他從 2007 年 5 月就開始為比特幣項目編程。2008 年 8 月,他注冊了 bitcoin.org 域名,這是現在比特幣項目的官方網址。

在郵件中,他附上了比特幣白皮書的鏈接,論文題為“比特幣:一個點對點電子現金系統”(Bitcoin:A Peer-to-Peer Electronic Cash System)。中本聰在2008年發表的這篇論文可能是互聯網發展史上最重要的論文之一,其他重要論文有利克里德寫的開啟互聯網前身阿帕網的“計算機作為一種通信設備”(1968年)、蒂姆·伯納斯-李寫的萬維網協議(WWW)建議書“信息管理:一個建議”(1989年)、谷歌聯合創始人謝爾蓋·布林與拉里·佩奇寫的搜索引擎論文(1998年)等。

可以合理地推測,中本聰不是一個學院派的研究型學者,他可能是一個做實際軟件工程開發的工程師,因為他不只設計了比特幣系統,還把它開發出來,讓它在互聯網上運行起來。他可能是先開發了軟件,才寫了上面提到的重量級論文,來解釋自己的設計。

2008 年 11 月 16 日,中本聰公布了比特幣系統的源代碼。在發布白皮書、將軟件代碼開源后,在 2009 年 1 月 3 日這一區塊鏈的創世時刻,最終他在互聯網上上線了比特幣網絡。之后,中本聰和幾個開發者在網上一起討論想法,繼續開發迭代。隨著比特幣網絡的成熟,他的活動開始減少,比特幣系統逐漸進入自治運轉的狀態。最終,在發明比特幣系統 3 年后,自 2011 年 11 月后,中本聰永遠不再出現。他成了一個永遠匿名的傳奇,沒人知道他是誰,他只留下了自己的創造。

中本聰為什么創造比特幣

在創造比特幣的過程中,中本聰發明了區塊鏈技術,區塊鏈是源自比特幣的底層技術。那么,他為什么要創造比特幣?他想解決什么難題?

現在,比特幣常被稱為一種“加密數字貨幣”,人們常很關注其中的“貨幣”二字。其實,比特幣并不具備現在各國法定貨幣的特征,它只是一種數字形式的特殊商品。比特幣現在的市場價格和暴漲暴跌也影響著人們對它的看法,人們把它類比為黃金、郁金香等各種投資、投機標的。

但如果回到中本聰創造它的時刻,我們會看到,比特幣的出現是源于技術極客想解決的一個技術難題:“在數字世界中,如何創造一種具有現金特性的事物?”“比特幣:一個點對點電子現金系統”這個標題體現出了中本聰想解決的難題:他想創造在數字世界中可用的電子現金,它可以點對點也就是個人對個人交易,交易中不需要任何中介參與。

來對比看看。在物理世界中,一個人可以把現金紙幣給另一個人,不需要經過諸如銀行、支付機構、見證人等中介機構。

但由于數字文件是可復制的,復制出來的電子文件是一模一樣的,因而在數字世界中,我們不能簡單地用一個數字文件作為代表價值的事物。同時,我們在支付機構中有多少錢,并沒有像一張張鈔票一樣的數字文件可以代表,錢僅是中心化數據庫中的記錄。

在數字世界中,當一個人要把現金轉給另一個人時,必須要有中介機構的參與。比如,我們通過支付寶轉賬的過程是:支付寶在一個人的賬戶記錄里減掉一定金額,在另一個人的賬戶記錄中增加一定金額。

在數字世界中,如何創建一個無須中介或者說去中心化的數字現金,一直是一個難題。由于數字文件可以完美復制,如果沒有一個中心化數據庫做記錄,那如何避免一個人把一筆錢花兩次?

這就是所謂的雙重支付或雙花問題(double spending)。在比特幣出現之前,我們熟悉的主要電子現金系統(如PayPal、支付寶等)都是依靠中心化數據庫來避免雙花問題,這些可信第三方中介不可或缺,見圖 2。

比特幣是點對點的現金,無須任何中介

比特幣是點對點的現金,無須任何中介

但在另一條道路即去中介或去中心化的電子現金這條路徑上,有很多技術極客一直在做著各種嘗試,只是一直未能獲得最終的成功。

到了 2008 年,中本聰借鑒和綜合前人的成果,特別是現在常被統稱為密碼朋克(cypherpunk)的群體的成果,改進之前各類中心化和去中心化的電子現金,加上自己的獨特創新,創造了比特幣這個點對點電子現金系統,在無須中介的情況下解決了雙花問題。

特別地,比特幣這個電子現金系統是同時去中介化和去中心化的:

個人與個人之間的電子現金無須可信第三方中介的介入,這是去中介化。

這個電子現金的貨幣發行也不需要一個中心化機構,而是由代碼與社區共識完成,這是去中心化。

要注意的是,這個“電子現金”中的現金指的并非貨幣,它只是在解決難題的過程中被借用來在數字世界中代表價值的說法。這樣說是為了便于理解,在現實中,最常見的代表價值的事物是現金。

最初,比特幣這個用以表示價值的電子現金并沒有價格。比特幣系統只是在邏輯上可行的系統,是解決了一個難題的技術玩具。2010 年 5 月 22 日,在一個網絡論壇上,有一個程序員用 1 萬枚比特幣換了兩張棒約翰比薩的代金券,比特幣第一次有了一個公允價格:1 萬枚比特幣價格為 25 美元。為了紀念這一天,每年的 5 月 22 日變成了區塊鏈世界的一個節日——比特幣比薩節。

此后,比特幣雖然從來都不是貨幣,但逐漸地有了價值與價格。比特幣的價格在自由市場交易中被確定,又持續、反復地大幅波動。但是,不管是從早期的 1132 美元跌掉一半,還是在 2017 年年底快速上漲到接近 2 萬美元,又在幾個月內跌到只有三分之一,比特幣系統和它底層的區塊鏈技術都保持穩定。

中本聰設計和編碼實現的比特幣電子現金系統至今已運轉近十年。比特幣系統已經從一個技術玩具變成一個運轉得近乎完美的系統,并且看起來還將長期穩定地運轉下去。

從比特幣系統中發現區塊鏈

在物理世界中,現金是一張張紙幣,但其背后有著一整套與貨幣相關的金融體系:中央銀行、銀行、印鈔廠、信用卡組織,以及后來出現的第三方網絡支付機構等。

在數字世界中,想要創造一種去中介化、去中心化的“電子現金”,同樣要設計一套完整的系統。這一系統要能解決以下一系列問題:

這種“現金”如何公平、公正地發行出來,不被任何中心化的機構或個人控制?

如何實現像在物理世界中一樣,一個人可以直接把現金遞給另一個人,無須任何中介的協助?

這種電子現金如何“防偽”?在數字世界中,這個問題可轉換為,一筆電子現金如何不被花費兩次?

中本聰設計和開發了比特幣系統,完美地解決了這些問題。說起比特幣,人們常指的是比特幣這種做價值表示的電子現金。其實,作為電子現金的比特幣只是比特幣系統的表層,比特幣系統包括三層,見圖3:

最上一層是比特幣這種電子現金。這是整個系統的應用層。

中間一層的功能是發行比特幣與處理用戶間的比特幣轉移。這一層也叫比特幣協議(bitcoin protocol),是整個系統的應用協議層。

最底層是比特幣的分布式賬本和去中心網絡。這一層也被稱為比特幣區塊鏈(bitcoin blockchain),是整個系統的通用協議層。

比特幣系統的三層命名(應用層、應用協議層、通用協議層)源自知名區塊鏈研究者梅蘭妮·斯萬,她也提出了被廣泛引述的一種階段劃分:區塊鏈 1.0 是貨幣、區塊鏈 2.0 是合約、區塊鏈 3.0 是應用。

梅蘭妮·斯萬(Melanie Swan)著有《區塊鏈:新經濟藍圖及導讀》(Blockchain:Blueprint for a new economy)。應用層、應用協議層、通用協議層的分類參見她的演講。

一張圖看清比特幣與區塊鏈

一張圖看清比特幣與區塊鏈

比特幣系統實現的去中心化的點對點電子現金,其發行與轉賬靠的是中間的比特幣協議層。類比現實貨幣系統,這一層的角色相當于中央銀行(發行貨幣)與銀行(處理轉賬)等金融機構。

來深入看看名為“比特幣協議”的這一層。比特幣系統架構圖又常被進一步細分為五層(見圖4),它對應的是比特幣協議和比特幣區塊鏈兩個部分。在這個五層架構中,比特幣協議層被細分為:應用層、激勵層和共識層。

比特幣系統架構圖

比特幣系統架構圖

在設計比特幣系統時,中本聰創造性地把計算機算力競爭和經濟激勵相結合,形成了工作量證明(proof-of-work,POW)共識機制,讓挖礦計算機節點在計算競爭中完成了貨幣發行和記賬功能,也完成了區塊鏈賬本和去中心網絡的運維。這就形成了一個完整的循環:礦機挖礦(算力競爭),完成去中心化記賬(運轉系統),獲得比特幣形式的經濟激勵(經濟獎勵)。

比特幣的工作量證明共識機制是承上啟下的一層,連接了上層應用與下層技術:在其上的層次為電子現金的發行、轉賬、防偽;在其下的層次,去中心網絡的節點達成一致,更新分布式賬本。

之后在討論區塊鏈的現在與未來時,我們會不斷地回到比特幣系統的設計上來,它是一個簡單又精妙的系統,融合技術和經濟因素,是區塊鏈所有創新的源頭。

區塊鏈的定義

至此,相信讀者已經大概能明白了區塊鏈是什么了,最后,再讓我們從不同的角度給區塊鏈下一個定義吧。

第一種區塊鏈的定義(比較通俗)

比特幣:一種加密數字貨幣;區塊鏈:一種基礎技術。

區塊鏈是一種源自于“比特幣”的底層技術。換句話說,比特幣是區塊鏈技術的第一個大獲成功的應用。

第二種區塊鏈的定義

區塊鏈是數字世界中進行“價值表示”和“價值轉移”的技術。區塊鏈硬幣一面是表示價值的加密數字貨幣或通證,另一面是進行價值轉移的分布式賬本與去中心網絡。

分布式賬本與去中心網絡也常被稱為“鏈”,它可被視為一個軟件平臺;而表示價值的通證常被稱為“幣”。

通證存儲在鏈上,通過鏈上的代碼(主要形式的智能合約)來管理,它是可編程的。

區塊鏈的兩種定義

區塊鏈的兩種定義

【討論】當我們說區塊鏈時,我們在說什么

比特幣系統包括三層:比特幣、比特幣協議、比特幣區塊鏈,即比特幣的分布式賬本與去中心網絡。那么,從比特幣系統來對照看,說區塊鏈時,我們說的可能是什么?

從比特幣系統看區塊鏈是什么

從比特幣系統看區塊鏈是什么

區塊鏈這個說法包括四種可能性,所覆蓋的范圍逐步變大,見上圖:

可能性之一

區塊鏈指的是比特幣的數據結構,即由數據塊(block)連接形成的鏈(chain),這也被稱為“分布式賬本”。在比特幣白皮書中,中本聰分別提及了區塊和鏈,但后來它們才被組合成了區塊鏈(blockchain)這個新詞。

可能性之二

區塊鏈指的是比特幣的分布式賬本和去中心網絡的組合。對應于比特幣系統,它指的是整個第三層比特幣區塊鏈。

可能性之三

區塊鏈指的是比特幣系統的第二層(比特幣協議)和第三層(比特幣區塊鏈)的組合。它包括分布式賬本、去中心網絡和比特幣協議。

可能性之四

區塊鏈指的是整個比特幣系統,包括所有三層,既包括價值表示的比特幣,也包括了背后支撐的整個系統。從這個范圍看,是把區塊鏈看成一個既包括技術部分,又包括經濟部分的完整系統。

大眾在提及區塊鏈時,常指的是第四種最大的范圍,即“賬本+網絡+協議+貨幣”。在產業中,人們在提到區塊鏈時,通常指的是第三種范圍,即“賬本+網絡+協議”。而很多軟件開發者在說起區塊鏈時通常指的是第二種范圍“賬本+網絡”,即分布式賬本加去中心網絡。

現在,包括我在內的很多人都有一種看法是,將基于區塊鏈的價值表示物都稱為通證,并把比特幣等代幣(coin)視為通證的一個特定種類。通常而言,提及加密數字貨幣、通證、代幣時,我們指的都是基于區塊鏈的、在數字世界中進行價值表示的事物。如果采用“通證”說法,區塊鏈的最大范圍包括的則是“賬本+網絡+協議+通證”。

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