数字货币与区块链

序言

本文从数字货币的价值转移开始带大家了解比特币应运而生的背景以及数字货币的基础技术——区块链的主要特点。

一、数字货币的价值转移

从实物货币到金属货币从以纸币为代表的现金到以银行卡、第三方支付为代表的电子货币从流通受限的虚拟货币再到最近几年出现的数字货币通过货币演进的过程能够看出货币的材质逐渐向没有载体的方向发展货币本身的价值也逐渐消失只剩下观念上的货币。观念上的货币只是一串数字此时货币便可以理解为一种记账方式资金的变化在银行账户或支付宝等第三方支付系统里体现为数额的增减。所以从货币的发展来看我们需要的不是货币本身而是一种能够体现价值转移的记账方式。

价值转移的过程要求所有参与者都认可并且价值转移的结果不受任何一方操控。互联网的TCP/IP协议实现了全球范围内信息的传输但无法确认交易信息发出后本地的账本数据能否精确改变本地自行修改账本数据很难被全网发现数据的真实性难以保证。所以在信息互联网上货币不能实现点对点传输即价值无法转移。

价值转移是金融体系的基础在互联网解决点对点“价值转移”的核心问题之前它必须依靠信誉优良的第三方中介来完成。这个第三方中介需要大众信任它也就是通过公司或政府信用作为背书把价值转移工作交由第三方来完成。

即使有第三方的参与信任危机仍不可避免要真正实现以信任为基础的价值转移需要使用技术手段取代第三方的参与这样不仅能避免信任危机还能节省因第三方存在而产生的高昂经济成本。以比特币为代表的数字货币应运而生它通过技术实现了无须第三方参与的点对点价值转移。

二、比特币的出现

1.盲签技术与避免双花

讲到数字货币的发展首先要讲到的是数字货币研究领头人大卫·乔姆David Chaum他是美国计算机科学家和密码学家。乔姆在1983年第一个提出把加密技术应用于现金的想法提出使用“盲签”技术实现匿名的网络支付系统。所谓“盲签”就是消息发送者先将消息盲化让签名的人对盲化后的消息进行签名然后消息发送者对签名除去盲因子得到签名的人对原消息的签名如下图所示。注意李四在多次签名之后通过签名消息无法知道该消息是谁提供给他签名的此时盲签就起到了保护用户匿名性的作用。

如果银行发放的是签名后的电子纸条我们可以将其理解为加密货币。加密货币存在的形式和现金不同它是一串数据人们可以通过复制再传输给其他人的这相当于零成本地伪造现金这就是加密货币面临的最大的问题——“双花”又称“双重支付”。为确保每张电子纸条只花一次银行给每张纸条加上一个用于标识这张纸条的序列号然后进行签名。每一次交易银行都会对花费的纸条做记录并回收再发放包含新序列号的纸条给本次交易的收款方用于收款方下次花费这样就完美地解决了双花问题。

但是这种方式在匿名性上存在问题交易完全暴露给了银行这时“盲签”技术派上用场了。银行发放电子纸条的序列号只有持有纸条的人知道纸条持有者把序列号附在纸条上加密银行在不知晓序列号的情况下签名后再由持有者计算得到包含有序列号和银行签名的纸条流程如下图所示。

乔姆的盲签技术虽然解决了加密货币的匿名性问题但是银行作为中心化机构必须参与每笔交易。1989年乔姆将自己的研究成果商业化开发了一个数字现金系统Ecash该系统是加密货币的先驱激励了很多密码学家不断研究后来大多数的加密货币都以盲签技术为基础。

2.工作量证明

若想确保电子现金的价值创造出具有实实在在价值的货币必须将货币与稀缺性相关联。一个解决办法是用美元去它的发行方兑换同等价值的电子现金另一个解决方法根据黄金价格来发行电子货币的电子黄金E-Gold这种方式使得电子货币随黄金的价值而浮动不够稳定。于是人们思考设计一种能够通过花费时间解数学题目来生成电子货币系统从而保证电子货币的稀缺性赋予电子货币价值这种方法称为“工作量证明”。亚当·贝克Adam Back于1997年基于这个想法创造了哈希现金。后来中本聪也把工作量证明想法用到了比特币的挖矿机制上并作为比特币的核心要素之一。

3.时间戳

哈勃Haber和斯托尔内塔Stornetta1991年提出用时间戳保证数字文件安全记录的方法这是比特币使用的技术原型之一。时间戳服务器对每份文件进行认证认证方法是对包括指向前一份文件认证的哈希指针、当前时间和文件内容在内的三条信息进行签名每份文件的认证都确保了前一份文件内容的完整性从而使文件形成了可追溯的链状结构确保不可篡改。随后还提出把所有的文件集合成块、按块连接每个块里的文件通过树状结构连接这也是比特币用到的数据结构之一。

4.分布式加密货币系统

1998年计算机、密码学专家戴伟Wei Dai提出了一种匿名的分布式加密货币系统B-MoneyB币其核心思想是在点对点的网络里每个人都可以通过类似于哈希现金的方法创造电子货币。B币系统中每个节点单独记录自认为准确的个人账户余额并独立维护账本。戴伟设计了复杂的奖惩机制希望可以解决作弊问题但没有从技术上解决全网各节点的账本同步问题因此B币并未被广泛应用。

5.比特币

从第一个加密货币、时间戳账本到哈希现金、B币等这些理论探索都未进入到应用领域但其研究成果为比特币的匿名性、稀缺性、不可篡改、可追溯等特性提供了理论基础。中本聪将人类的智慧创新性地进行了整合再融入自己的想法创造了比特币。

中本聪撰写的比特币论文最早发布于“密码朋克”。狭义上来说密码朋克是一套加密的电子邮件系统但实际上是信奉自由主义的运动。密码朋克认为没有政府干预或者极少干预能让社会变得更好倡导使用强加密技术保护人们的隐私不受政府控制通过强大的网络隐私保护重塑人们之间交流的方式。正是基于这样的信仰让很多有志之士对去中心化、匿名性有着强烈的愿望比特币正是在这样的土壤中诞生的。

中本聪创造了比特币的底层技术——区块链的核心理论但他的真实身份仍是一个谜“中本聪”只是他的化名。2008年他在P2P Foundation网站的密码学邮件组上公开发表论文《比特币一种点对点的电子现金系统》该论文被尊称为“比特币白皮书”浓缩了区块链思想的精华此后不久他公开了比特币源代码。比特币白皮书里引用的参考文献中有一些基本的密码学和概率论的论文除此之外中本聪还引用了时间戳服务器、哈希现金和B币。实际上比特币的底层技术区块链涉及计算机、密码学、经济学、博弈论等诸多学科领域它的成功得益于实践中的稳定运行至于相关理论很多学者目前仍在不断地研究和拓展。

三、区块链概述

区块链Blockchain是比特币应用的底层支撑技术被科技界普遍认为是继蒸汽机、电力和互联网之后人类历史上极具颠覆性的重大核心技术创新。

互联网通过TCP/IP协议实现了文本、图像、音视频等信息的传输区块链则实现了不依赖于中心机构的介入来完成价值传输比如数字货币的流通和交易、数字资产转让等这使互联网从信息互联网向价值互联网的转变成为可能。

区块链的技术描述最早出现在“比特币白皮书”中该论文重点讨论了点对点电子现金系统——比特币系统及实现该系统的技术手段这些手段能够实现点对点比特币交易并保证交易数据不被篡改交易的数据组成区块每个区块通过链式结构形成交易总账本而交易总账本的内容能够在没有中心机构介入的情况下达成全网一致。在比特币系统成功运行若干年后金融领域意识到比特币的底层技术实际上就是一个设计巧妙的去中心化的分布式公共账本技术它慢慢脱离比特币成为大众研究的重要对象随后大众将该技术统称为区块链。

区块链是一种利用加密算法和点对点传输技术构建的分布式网络数据存储技术其特点是去中心化、防篡改、可溯源。数据不再存储于一个中心化的硬件或管理机构而是由权利和义务对等的节点来共同维护数据被记录在区块链技术构建的系统的多个节点上能够实现在任意时间查看任何节点保存在本地区块链中的数据一旦数据经过验证并添加到区块链就会被永久地存储起来利用共识算法和哈希链式数据存储技术能够实现数据的不可篡改保证数据的安全性和真实性。其主要特点具体如下

1.分布式对等结构

区块链利用点对点网络技术将各个参与节点组成一个分布式网络每个节点地位平等交易数据通过网络传递给各个节点节点验证交易的有效性由矿工节点把验证通过的交易打包成自己的区块谁最先解题成功谁就能将自己主张的区块公布到网上其他节点验证该区块验证通过就将区块加入本地区块链节点在本地保存有一份完整的交易账本副本即本地区块链这样节点的交易账本副本就同步完成更新。这种模式完全实现了去中心化控制。

2.去中心化信任的达成

传统的信任达成需要中心权威机构来支撑而区块链完全采用技术手段构建信任。所有矿工节点通过计算机程序算法公开透明地计算同一类数学题目。整套系统没有任何第三方干扰也不需要中心权威机构的信用背书系统各个节点只在技术的保障下按照既定的规则运作继而达成去中心化共识建立起相互信任关系使得信任成为系统的一种自然属性。

3.数据公开透明

区块链作为交易账本的唯一记录方式其账本存储于全网的各个节点中。每个节点加入网络后都能从其他节点同步到最新的区块链数据同步之后的区块链数据与全网其他节点所存储的数据都是一致的同时任何人在任何时候都能够查询区块链里的交易数据。

4.数据不可篡改

区块链采用密码学算法来保证交易数据不可篡改其链式结构保证了攻击者很难成功篡改数据一旦篡改单个节点的部分数据那么就很容易被发现攻击行为同时区块链技术的共识机制也最大程度地保证了不会人为伪造一条虚假的链。存有交易数据的区块带有时间戳区块加入区块链都是按照时间先后顺序排列的能很好地支持交易追溯。

5.实现价值转移

区块链能实现真正的价值转移。传统金融体系都是用中心化的方式来管理资金交易时不能实现资金从一个账户直接转移到另一个账户而是需要金融机构作为中介。利用区块链的去中心化特点构建所有节点根据既定规则达成互信的去中心化系统规则不受国家权威机构的影响又受到严格的安全保护从而实现价值的直接转入转出省去传统体系中烦琐的中间步骤和时间金钱的成本消耗。

参考文献《零基础学区块链》黄芸芸 蒲军 编著