黑爪：區塊鏈，這個比特幣中的核心元素到底是什麼

文 |黑爪

不少人注意到，最近有一個新詞頻頻出現在公眾視野：區塊鏈。

這是個什麼東西？拆開來說，它是加密貨幣與一致性賬本的集合。加密貨幣依稀還能顧名思義，可一致性賬本又是什麼？

區塊鏈大概是技術史上不多的幾個實踐超前於理論的例子之一。很長一段時間以來，關於它的一切，既沒有正規學術刊物上發表的文章，也沒有正式出版的書籍，人們對它的了解幾乎全部來自比特幣源代碼，實踐者的博客或者社區論壇帖子。所以當它忽然洶湧出現在大眾眼前時，似乎所有人都在關注，又似乎所有人都不知它究竟是何物？

了解區塊鏈，得先簡單說幾句比特幣。2008年，中本聰（Satoshi Nakamoto）發表了一篇文章《比特幣：一種點對點式的電子現金系統》（Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System，原文鏈接： https://bitcoin.org/bitcoin.pdf）

而所有的這些技術，都建立在一個與比特幣相同或相似的基礎原則之上。這個基礎就是我們說的區塊鏈（blockchain）。

區塊鏈一詞本身不是中本聰提出的，在他2008年那篇論文之前就已經出現在比特幣社區，用以指代與加密幣相關的特定概念。它究竟應該怎麼寫也是個問題， 「blockchain」 還是 「block chain」？後者因為被中本聰在源代碼的注釋中用到（如下圖，源代碼鏈接：https://github.com/trottier/original-bitcoin/blob/master/src/main.h#L795-L803）

，似乎給這一寫法加持了一層權威光環；但是前者，blockchain，卻因為更常在媒體報道以及學術研究文獻中出現，而成為事實標準。

中本聰比特幣源代碼中的注釋

截至2017年7月1日，共有929種不同的加密幣在電子貨幣市場上進行交易。這還不算整個發展過程中，許多曇花一現，已經不復存在的幣種。大部分加密幣的機制以及隱含的原理，都或多或少源自最初的比特幣協議。有些僅僅是在某些常量的選擇上有別於比特幣，例如目標區塊間隔，或者貨幣單位的最大值等；另一些些則是換用了不同的工作量證明（proof-of-work ）演算法，增加了一些附加特徵，或者用到了不同的分布式一致性取得方式。

比特幣發行以來短短几年時間，這種去中心化加密幣的經濟價值出現了令人驚掉下巴的增長。舉個例子，我讀到一本今年6月出版的關於區塊鏈的技術著作《塊和鏈：比特幣、加密幣及其一致性機制介紹》，書中說所有加密幣的整體市值為170億美元，而2017年7月1日的數據則顯示為已接近960億美元。我不知道這樣一本書的出版周期，但即便那書是半年甚至一年前寫的，這個期間460%的增長也足夠驚人。

加密幣總市值（2017年7月1日）

加密幣市值前十位（2017年7月1日）

《塊和鏈：比特幣、加密幣及其一致性機制介紹》封面

主流媒體圍繞比特幣安全事件的報道以及坊間各種令人津津樂道的迷思，其實反映了一個事實，那就是加密貨幣確實比較難於理解，人們很難將之與頭腦中固有的傳統貨幣形式達成任何形式的一致。

比特幣，是一種不依賴於可信第三方（TTC）的去中心化加密貨幣形式，通過將巧妙的獎勵計劃和適當的加密基元以一種新穎的分布式一致性方式結合在一起來實現。這樣的一個結合，加上實踐當中的可行性顯示出，它具有相當可觀的潛力對加密貨幣以外的其它領域產生深刻影響。這就解釋了為什麼各行各業，從技術狂（DeepMind，蘋果均在此列——後續文章將有介紹）、各科研領域的研究人員、初創公司（後續文章將解釋它在眾籌領域的應用）、大公司、公共服務業（後續文章將介紹微軟已著手將它應用在難民身份管理）、銀行、金融監管機構、商人、投資者，甚至，犯罪份子，都在關注它。

每個人應該從哪個方面，或者什麼樣的角度來看待加密幣，取決於每個人的興趣著眼點以及本身的專業背景，從以上明顯可見，金融、經濟、法律、社會，當然還有技術這幾個側面都可以是切入點。並且每一個不同的側面還可進一步細分，例如，技術方面就有加密、網路、分布式系統、博弈論、數據學、軟體、以及編程語言的安全性等不同角度。本系列文將重點從技術原理的側面給出一些理解這一熱門領域的必要基礎。

對加密幣的研究，其實上世紀80年代就已經開始，以大衛·肖姆（David Chaum）發表於80年代中後期的三篇文章為代表。這一時期的研究主要關注的是必要的加密基元演算法以及隱私保證，所以肖姆的系統，事實上還是依賴於可信第三方 (TTPs) 來保證正確可靠的執行。

大衛·肖姆

TTPs的必要性，在2009年比特幣這樣的去中心化分布式貨幣出現後便得永遠不再。比特幣實現這一改變，依靠的是將熟知的基元演算法與一些技巧，例如工作量證明（PoW），結合起來，最終在各節點間，就根本的交易賬本狀態達成一致（或共識）。這個達成共識的方法，被叫做中本聰一致性，它允許了潛在的匿名玩家進行無許可參與。

而在比特幣或者中本聰一致性中，都有一個核心元素，那就是區塊鏈。

最初，區塊鏈這一術語用來指代不可篡改賬本中，關於交易的聚合以及協議。如今，區塊鏈更像一個總稱，可以指代所有的加密幣技術。它至今沒有一個公認十分完美的定義，甚至實踐派和學術界內部各自都有好幾種。

我當然知道，在上面的介紹中，對於很多沒有技術背景的讀者來說，仍然有很大成分的「不說人話」， 因為一旦開始解釋，立即就會面臨那些技術上的構想以及新奇的方式，不得不用諸如「一致性演算法」、「工作量證明」、「基元」等「非人話」來指稱。幸好我讀到過一個故事，可以借用來形象地闡述區塊鏈技術的基本機制，但既然是故事，無疑會跳過一些細節，目的是幫助大家理解最基本的意義。

很久很久以前，石器時代，在一個遙遠的地方，有個叫中本烏托邦的村子，村民以善於雕刻石頭並且酷愛石塊聞名。

過去他們一直用一種小小的、圓圓的、雕刻過的石頭作為村民間貿易的貨幣。然而最近出現了問題，一些特別能幹的村民掌握了一種技巧，可以很快地雕刻複製作為貨幣的石塊。於是貨幣的價值以及對貨幣的信任在惡性通貨膨脹中急劇降低。在急需發行新貨幣的情況下，村裡的長老們召集中本烏托邦全村村民召開了緊急會議，商議中本烏托村財政系統的未來。

經過討論，他們拿出了一個十分精巧的方案：石塊鏈。這將中本烏托邦村民對石塊的熱愛以及彩票系統的吸引力結合在一起，共有如下三個步驟：

採集人選舉：每天，所有村民在廣場上集合，每個村民將一個刻了自己名字（該名字必須獨一無二）的小石頭放進一個大木盒子里。整個過程在全村人的參與和監督下進行，以保證每一個村民的行為都是誠實的。隨即這個盒子被放置在村旁一個間歇泉的噴發口上。選舉儀式中，所有村民聚在這裡等候泉水噴發。等噴泉一出來，盒子里的內容就被氣流推動飛散，誰的石頭落在最靠近噴發口的，誰就中了頭彩，當選為下一個石塊內容的採集人。

中本烏托邦村民利用間歇性噴泉隨機選出採集人

交易過程：一旦某位村民當選為當天的採集人，他就有責任從所有村民處收集所有尚未被記錄的交易。想要生成交易的村民，於是在採集人前排隊；輪到自己的時候，他告訴採集人希望自己的交易被包含到這個大石塊鏈中。每一次交易，會產生一定數額的貨幣單位易主，並且只有當支付貨幣的一方確實擁有了他希望支付的數額時，交易才生效。唯一的例外是，刻入這一大石塊的第一筆交易，是一個用來酬勞採集人工作的預先設定的數字。在這個環節的最後，這一石塊上就將包含了這位採集人決定包含進去的所有交易。石塊上所剩餘的空間，將被填滿神聖的終止符0x00，以防止任何人在此石塊上添加其他交易。在這個過程中，選舉出來的採集人有權拒絕將某一項交易申請不列入當天的石塊，這個情況下，這位想要進行交易的人，就只好等明天重新申請，希望下任採集人會將他的申請刻入石塊。

鏈接：採集人將當天的石塊刻好後，石塊會被抬到鎮中心廣場去存放。由於石塊巨大的尺寸和重量，需要由很多村民合力才能移動，這樣如果某位採集人在石碑上刻上不合法的交易，或者這塊碑有不符合村里長者所定義的規範的地方，村民們就不會前來幫他搬運。這樣就保證了採集者守法，以避免他失去作為採集者所獲得的酬勞。當石塊被運到鎮中心後，村民們將它舉起來，安放在從前那一摞石塊之上。只有被放在了石堆上的石塊才被中本烏托邦認為有效。

中本烏托邦通過將交易刻在空白石碑上來進行交易

堆疊這些大石碑帶來如下好處：不僅建立了交易的邏輯順序，並且使得鏈中更加久遠過去的石碑難於修改。系統的破壞者需要說服大量的村民才能從上到下搬動這些碑，每動一塊都要耗費大量的精力和時間 ，不難想像，行動很快就會被誠實的村民發現。另一方面，如果大量村民共同決定，一塊或者幾塊石碑不應該處於鏈的頂部，他們可以合力將這些石碑移開，這就保證了多數人永遠能夠對石塊鏈中的內容保持意見一致。

再來看一下這樣一個石塊鏈可以提供什麼樣的安全保障，以及這一模擬鏈怎樣與我們真正想要討論的區塊鏈技術相對應。

公共交易賬本：與比特幣類似，所有發生在中本烏托邦的交易都被記錄在一個公開的塊鏈上。這裡關鍵的區別在於，比特幣是一個匿名系統，而中本烏托邦的交易使用實名。

工作量證明：對工作量證明(PoW)的最基本要求應當是，難於生成，卻易於驗證。在比特幣中，PoW也是以一個新領導選舉機制的功能出現，隨機挑選一個新的領頭人，即每一個新塊上的有效PoW的創造者。在石塊鏈模擬中，PoW的特徵被分作三部分：（1）刻石塊，搬運石塊，將石塊放置在堆頂，都旨在滿足「難於生成」這一要求；（2）一旦石塊被放在了堆頂，通過閱讀被刻在上面的交易，而使其滿足「易於驗證」；（3）間歇性噴泉在這個例子里，是一個在每個新塊中隨機產生新領頭人的機制。這一切在比特幣中，是通過概率特徵為各區塊運算出有效的PoW。

不可修改性：由於石塊的巨大，並且遵照了特定要求的尺寸，因此任何試圖對前面的石塊進行修改的企圖都很容易被發現。即便有村民能幹到可以複製出一模一樣的石塊，並在上面刻上惡意交易，而換掉老石塊的動靜也很容易驚動那些住在村廣場周圍的村民，並且還需要勾結一定數量的不良村民來合謀完成。因此可以認為修改性幾乎碑杜絕。在比特幣中，則是通過散列函數（又叫哈希函數）來將塊鏈接起來。

多數人的誠實：假設村民的大多數是誠實的，而堆塊鏈中的很大一部分來自誠實村民的交易可能將因惡意村民的篡改而受到危害。一開始，有可能一些懷有惡意的村民，趁「誠實的大多數」在忙於其他事務時，將最上面的幾塊石碑換掉，可正因為是最上面的幾塊，很容易被「誠實的大多數」發現並修正回來。如果想要篡改的，不是最上面的幾塊，而是某些上面已經覆蓋了很多塊新碑的舊石碑，那麼這就需要惡意村民花很多天的時間來完成，這種篡改成功的幾率，可以想像非常低。因此，石堆里足夠底層的石碑就被公認為是可信的。比特幣中，具有很大確認數字的，即，在其後面跟了很多區塊的，同理很難篡改，因此，它們被當作公認可信的。

總而言之，區塊鏈用聰明的機製取代了監管，這個特點借用數字加密、電子現金先鋒大衛·肖姆發表於1985年的一篇論文題目來說，那就是：不用驗明正身的安全性，讓老大哥退休。（Security without identification： Transaction systems to make big brother obsolete.）

本文原標題為：《區塊鏈，用聰明的機製取代了監管》

【作者簡介】

黑爪| 騰訊·大家專欄作者，理工背景的文學、藝術愛好者。

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