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去中心化是什么?比特幣是如何實現去中心化的?(圖解)

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中本聰解決了自己定義的難題“點對點的電子現金”,在這個過程中,他“發明”了區塊鏈技術。比特幣系統融合密碼學、博弈論和軟件工程等三個領域的技術與理論,區塊鏈技術是已有技術巧妙地組合形成的創新。中本聰不是憑空解決“點對點電子現金”這個難題的,他沿著前人的足跡前進,只是他完成了最后一躍。

接下來,我們來具體地看中本聰是如何解決他定義的難題,創造一個在數字世界中做價值表示的事物的。在討論中我們會特別關注,他是如何實現“去中心化”的?

去中心化是什么?

在說“貨幣”時,我們討論的是數字世界中的價值表示。在互聯網上的數字世界中,人們曾設計出各種各樣的電子現金或數字現金方案,在為《區塊鏈:技術驅動金融》一書撰寫前言時,杰里米·克拉克收集了約 100 種支付系統。他寫道:“在通往比特幣的道路上,布滿了無數失敗的嘗試。”在所列的各種系統中,他認為大眾所知道的只有 PayPal。當然,在移動支付超前發展的中國,我們都很熟悉支付寶與微信支付。

一直以來,數字世界中的“貨幣”有三種形式(見下圖):

中心化的在線支付;

中心化的計算機點數或互聯網積分;

去中心化的電子現金。

 

數字世界中“貨幣”的三種形式

第一種形式:中心化的在線支付

我們常用的 PayPal、支付寶、微信支付都是中心化的在線支付,在這些支付系統中流轉的是映射到數字世界的各國的法定貨幣(也稱法幣)。

法幣(fiat money)是“法定貨幣”或“法償幣”的簡稱,它依靠政府的法令成為合法流通的貨幣。法幣是各國政府發行的紙幣,發行者沒有將貨幣兌現為實物(如黃金)的義務。

法定貨幣的價值來自擁有者相信貨幣將來能維持其購買力,本身并無內在價值。歷史上,在政府強制規定紙鈔為法定貨幣之前,大多數流通的貨幣具有一定的內在價值,例如金幣、銀兩,它們又被稱為商品貨幣(commodity money)。

在布雷頓森林體系中,35美元能兌換1盎司(1盎司=28.35克)黃金,因而當時的美元不是法幣。之后,當美元與黃金脫鉤后,美元就變成了法幣。

第二種形式:中心化的計算機點數或互聯網積分

中心化的互聯網積分/計算機點數是指 Q 幣、游戲幣、航空里程等,它們還曾有一個更為大眾所熟知的名字——虛擬貨幣。通常,它們不與物理世界的法幣對應,而是由商業公司中心化發行,僅可以在一家公司的體系中使用。

第三種形式:去中心化的電子現金

去中心化的電子現金已經被計算機密碼學家探索了多年,沿著前人的探索路徑,中本聰最終將這條路徑變成了現實。中本聰設計和開發了比特幣系統,并催生了眾多加密數字貨幣和區塊鏈技術項目。

下面來分別看看這三種形式。三種形式與物理世界中的現金的對比。

 

一組對比:是否去中心化與是否自行發行

第一種形式:PayPal、支付寶、微信支付

現在,被互聯網用戶廣泛使用的主流支付系統是 PayPal、支付寶,以及后來出現的移動支付 Square、微信支付等。這些第三方在線支付系統依賴于物理世界中的貨幣系統與金融體系,它們在數字世界中為用戶提供支付、轉賬等服務。在使用它們時,我們所用的錢是物理世界中的法幣,如美元、人民幣、歐元、日元等,錢從銀行賬戶中被映射到網絡支付賬戶中。

過去,信用卡、儲蓄卡等塑料卡片實現了紙幣現金的數字化,把紙幣現金變成了卡片賬戶中的數字現金。現在,在線支付系統將信用卡和儲蓄卡的功能轉移到互聯網數字世界中來了。

在這些系統中流轉的都是與法幣一一對應的電子現金,變化的僅僅是“賬戶”,而非“貨幣”。這些系統所起的作用是,在賬戶和貨幣上連接物理世界與數字世界。

這些系統都是中心化的。它們背后所依賴的傳統金融系統是中心化的,法幣是由各國央行發行的。它們自身是完全中心化的,由單一機構運轉網絡支付系統。它們在交易中擔任中心化的中介角色,進行賬戶的記賬,是用戶間數字現金流通的中心。當兩個用戶進行轉賬時,在線支付系統在中間擔任可信第三方的中介角色。這就是為什么稱之為“中心化的電子現金”。

第二種形式:Q幣、游戲幣等互聯網積分或計算機點數

在互聯網上,除了在線支付系統之外,還有一種過去常被稱為“虛擬貨幣”的貨幣現象。

比如,用戶可以用人民幣購買騰訊公司的Q幣,騰訊自稱它是“統計代碼”。Q幣可以在騰訊的產品如QQ即時通信工具、網絡游戲、音樂文學等中使用,兌換各種在線服務。

關于“什么是Q幣,它有什么用處”的問題,騰訊網站上的解釋是,Q幣是用于計算機用戶使用騰訊網站的各種增值服務的種類、數量或時間等的一種統計代碼,并非任何代幣、票券,不能用于除騰訊網站增值服務以外的任何商品或服務。

又比如,在游戲中,用戶可以付錢購買道具,也可以通過戰斗贏取游戲幣。這些道具和游戲幣的形態與價值各不相同,在一個游戲中都很難確定價格、進行兌換,在多個游戲之間幾乎不可互換。當然,游戲玩家還是可以找到辦法進行交換,在一定條件下甚至還可以將它們變現換回法幣,例如,曾流行的“游戲打金”就是指有些玩家專門在游戲中獲得金幣,然后賣出獲得現金收入。

正如騰訊用“統計代碼”的說法所表明的,Q幣等是中心化機構(通常是一家公司)發行與管理的互聯網積分或計算機點數。它們是中心化的,其發行和交易都是中心化的。

一般來說,在不需要用戶付費購買時,它們常被稱為“積分”,在需要用戶付費購買時,它們常被稱為“點數”。

但近年來出現了很有意思的混合產物。在打車軟件中,用戶可以存入現金,如存 100 元得 150 元;也可以介紹其他人成為打車軟件的用戶從而獲得獎勵,如介紹一個新用戶雙方各獲得 50 元余額。在這種情況下,在打車軟件錢包中的余額就變成了一定程度上的點數與積分的混合物。在打車軟件錢包中的余額一般是不能提現的,也不能在用戶之間直接轉賬,至多只能幫其他用戶代付車費。

我們還可以進一步對比在線支付系統和計算機點數。

一個視角是,它們是否映射物理世界中的貨幣。在線支付系統是映射物理世界中的貨幣的,電子現金價值就是貨幣的價值。而對于游戲迷來說,游戲幣、游戲道具通常是不映射物理世界中的貨幣的。對游戲迷而言,游戲道具既有價值也有價格;對其他人而言,游戲道具可能毫無價值。在線支付系統與法幣無縫連接,而這些互聯網積分/計算機點數系統只與現實世界中的貨幣系統有很少的連接點,并且由于法律、商業等方面的原因,一般沒有暢通的渠道將它們兌換回法幣。

另一個是視角是“電子現金”或“點數/積分”是如何發行的?與在線支付系統不同,點數/積分是由一家公司自行發行的,用戶付費獲得點數,可被認為是向這家公司購買一種數字商品,用戶稍后可用這些點數兌換成該公司體系內的虛擬商品或服務。

直到最近,與現實世界相連的在線支付系統和不與現實世界相連的互聯網積分/計算機點數都是互聯網中的主流。變化始于比特幣的出現。

第三種形式:去中心化的電子現金

在這兩個主流之外,一直還有著另外一種探索:能不能創造一種完全去中心化的點對點電子現金?其中最終極的設想是,在數字世界中,貨幣的發行和交易都不需要中心化機構介入,是由計算機自動執行的:在發行時,無須類似各國央行的中心化機構;兩個人在相互轉移電子現金時,也無須中心化機構的參與。

按前面的對比表格,這種理想化的去中心化的電子現金幾乎在每個方面都試圖進行突破:不映射線下的貨幣,而在數字世界中自行發行;發行去中心化,不需要一個類似中央銀行的角色;像物理世界中的現金交易一樣,交易無須中介介入。

這個問題很難,因為它的要求與數字世界中的技術基礎設施的能力相悖。其中重要的一點是,在物理世界中,表示價值的現金紙幣是不能復制的。但在數字世界中,數字化文檔是可以復制的,每一個復制出來的文檔都一模一樣。因而過去在數字世界中,要用數字文件表示價值(比如表示一筆電子現金),我們需要一個中心化機構來確保數字文件是唯一的。假設這筆電子現金現在屬于我,當我把它轉給你時,我們需要一個中介來協助記錄所有權的變更,我不能直接把數字文件復制給你。

計算機密碼學家們探索的是,在無須中心化介入的情況下,如何通過密碼學的方法,用可復制的數字文件來代表價值。

這是一個漫長的探索過程,其開端甚至比互聯網商業化都還早,最早可追溯到 20 世紀 80 年代。總的來說,由于這種探索是基于加密技術的,因此各種去中心化數字現金也被稱為加密數字貨幣(crypto-currency),其中 crypto 是密碼學(cryptography)的詞根。

最終在 2008 年,匿名的中本聰在密碼朋克的郵件列表中發布了比特幣的設計。他發明的比特幣系統幾乎集合了第三類探索的所有智慧結晶,他又加入了新的創新,最終在電子現金的發行和交易上都實現了去中心化。

正如我們所知,中本聰不只是設計和實現了這個最理想化的去中心化電子現金,他還“發明”了區塊鏈技術。區塊鏈的價值表示和價值轉移功能讓它可能成為新一代互聯網的技術基礎。

比特幣實現了極致的“去中心化”

對照前文圖表,與現有中心化的電子現金系統(在線支付系統)相比,比特幣是與之完全相反的:

在線支付系統的貨幣發行是中心化的,比特幣的發行是去中心化的;

在線支付系統的貨幣流動是中心化的,比特幣的交易是去中心化的;

在線支付系統映射物理世界中的貨幣,比特幣不映射任何現有的貨幣;

在線支付系統自己不進行貨幣的發行,比特幣是在數字世界中憑空發行出來的。

在去中心化的程度上,比特幣系統達到了極致。去中心化的初級階段是自動化(automatic),即根據人設定的規則自動運行,而去中心化的高級階段是自治(autonomous),也就是完全自治、自發。而比特幣系統作為一個電子現金系統,達到了極致的去中心化狀態:

作為一個貨幣應用,它不只交易是自治的,它的發行也是自治的。

作為一個計算機網絡,它是完全去中心化的,而不僅僅是分布式網絡。

作為一個組織,它是完全的社群自治,不需要有一個領導者居中協調。

去中心化處于區塊鏈的思維模式的最內核,而比特幣實現了極致的去中心化。

 

比特幣去中心化的層次

不過,之后在發展區塊鏈技術和將之應用的過程中,我們又不得不從最極致的理想狀態往實用方向調整,比如:

現在多數區塊鏈項目都是由基金會管理的。以太坊是由創始人維塔利克·布特林(人稱“V神”)和以太坊基金會居中協調的,而不像比特幣社區那樣是完全自治的。

常在金融系統中使用的聯盟鏈,以及部分節點數量不多的基礎公鏈,如小蟻(NEO)、EOS,更應被視為分布式網絡,沒有實現完全的去中心網絡。

通過以太坊發行基于 ERC20 標準的通證,通證的發行規則是由項目方確定的,在運行過程中會酌情更改規則。它們的發行不是自動的或自治的。

常被視為區塊鏈 3.0 代表的 EOS 在智能合約部分引入了李嘉圖合約和社區仲裁機制,也即交易部分不再是完全交給機器自動執行,在需要時人可以參與和干涉。

我們反復討論比特幣系統的設計,是因為它早已經把最極致的情況展現在所有人面前。而在將區塊鏈技術落地應用的過程中,從最極致的去中心化往實用主義方向調整并不是倒退,而是事物發展的必然過程。

比特幣是如何實現去中心化的?

那么,比特幣系統具體是如何實現極致的去中心化的呢?

在比特幣白皮書《比特幣:一個點對點電子現金系統》中,中本聰詳細地解釋了他是如何設計這個系統的。在其中,他確立了此后所有區塊鏈系統的主要設計原則。

一個真正的點對點電子現金應該允許從發起方直接在線支付給對方,而不需要通過第三方的金融機構。

現有的數字簽名技術雖然提供了部分解決方案,但如果還需要經過一個可信的第三方機構來防止(電子現金的)“雙重支付”,那就喪失了(電子現金帶來的)主要好處。

針對電子現金會出現的“雙重支付”問題,我們用點對點的網絡技術提供了一個解決方案。

該網絡給交易記錄打上時間戳(timestamp),對交易記錄進行哈希散列處理后,將之并入一個不斷增長的鏈條中,這個鏈條由哈希散列過的工作量證明(hash-based proof-of-work)組成,如果不重做工作量證明,以此形成的記錄無法被改變。

最長的鏈條不僅僅是作為被觀察到的事件序列的證明,并且證明它是由最大的CPU處理能力池產生的。只要掌控多數CPU處理能力的計算機節點不(與攻擊者)聯合起來攻擊網絡本身,它們將生成最長的鏈條,把攻擊者甩在后面。

這個網絡本身僅需要最簡單的結構。信息盡最大努力在全網廣播即可。節點可以隨時離開和重新加入網絡,只需(在重新加入時)將最長的工作量證明鏈條作為在該節點離線期間發生的交易的證明即可。

威廉·穆賈雅在《商業區塊鏈》一書中對比特幣白皮書摘要進行了分析,他總結了四個要點:

點對點電子交易;

不需要金融機構;

加密證據而不是中心化的信用;

信用存在于網絡,而不是某個中心機構。

而從這個摘要中,我們提煉出了比特幣系統設計的五個要點(見圖 4):比特幣的區塊鏈系統是由分布式賬本(即狹義的區塊鏈)和去中心網絡(點對點網絡)組成的,形成鏈條的方式是工作量證明共識機制。最長鏈是由網絡中的算力共同決定的,因而它是可信的,節點離開和加入依據的是最長鏈是可信的這一原則。這些組合起來形成了比特幣系統。

 

比特幣系統設計的五個要點

 

比特幣系統設計的五個要點

1) 去中心化的點對點電子現金系統

比特幣要做的是一個“點對點的電子現金系統”,發送方和接收方直接交易,它們之間不需要中介機構的介入。

要去掉可信第三方等中介機構,就需要解決“雙花問題”。在摘要中,中本聰給出了點對點網絡的解決方案,并介紹了這個方案的核心——區塊鏈。他并沒有提到區塊鏈(blockchain)這個詞,但在論文中分別提到了區塊(block)和鏈(chain)這兩個概念。

2) 分布式賬本

比特幣的區塊鏈是基于工作量證明形成的帶時間戳、存儲數據的數據塊和由哈希指針連接成的鏈條。

這個鏈條或者說賬本以分布式的方式存儲在比特幣網絡的各個節點上,因而也被稱為分布式賬本。

3) 工作量證明

比特幣網絡中的節點按照規則進行加密哈希計算,以競爭獲得生成新區塊的權利。節點在競爭獲勝后就獲得記賬權,它生成區塊成為最新區塊后,就獲得與新區塊對應的挖礦獎勵。

工作量證明也是區塊鏈賬本的安全機制。如果不重做“工作量證明”所需的大量計算則此鏈條不可修改,這一共識機制保證了區塊鏈上的數據的可靠性。

4) 最長鏈原則

在任何時刻,最長的鏈條是所有人都接受的最終記錄。

由于最長鏈是由網絡中的主要算力完成的,因而只要它們不都與攻擊者合作,那么它們生成的最長鏈就是可信的。這個原則被稱為“最長鏈原則”。

5) 去中心網絡

比特幣的去中心網絡的架構非常簡潔,本身需要的基礎設施很少。它可以在互聯網網絡上運行。計算機節點可以隨時離開或加入這個去中心網絡,在加入時它們只需遵守最長鏈原則即可。

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