区块链世界系列报道一 ：详解区块链如何运作，又为什么将改变世界
2018-01-15Morgen E. PeckIEEE电气电子工程师学会
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比特币实际上是一种防范措施。这种加密货币紧随大萧条的脚步出现在人们的视野中后，很快便成为抵制传统金融体系中不平等及贪污腐败现象的生力军，因此广受追捧。
当时，人们心怀着这样的信念：这种货币将与导致这场经济危机的罪魁祸首——各种金融机构们——分庭抗礼，并最终取缔它们。而比特币的通俗标语——“我们所信赖的密码学”——也清楚地指明了该由谁来承担责任：中间商、银行家以及实际并不能信赖的“受托”第三方。这些人群也只是扮演着另外的角色：隐瞒利润，并让交易变得更为复杂。
比特币力求通过密码学与代码，来取代上述中间方所提供的相关服务。当你使用支票支付抵押贷款时，你的金融机构要与其他相关机构签署一系列协议，以便将你银行户头上的资金转至其他户头。银行可以做担保，证明你账户上的资金有效，是因为银行会把你账户上每一分钱的来源和周转时间都记录得清清楚楚。
比特币以及其他加密数字货币，通过软件——也就是分布式安全数据库（即区块链）——来代替上述传统的背景协议及交易。将比特币的所有权从一个人转移至另一个人的过程无论在何时发生，也不论受到哪个政府管制，均可以委托给一组电脑进行处理。
从成功研发出首个区块链至今已过去8年，在此期间人们一直试图将该技术应用到在成功转移资金范围之外的程序与过程中。实际上，人们一直在追问：区块链能够实现哪些协议的自动化？区块链能够淘汰哪些中间商？
区块链能否发现那些可以提供交通工具的人，并将这些人与那些想去某地的人联系起来，之后再向双方提供一个透明的支付平台？区块链能否持续追踪版税并支付内容创作人员，成为电视节目、电影及其他数字媒体的资料库及回放平台？区块链能否检查航班飞行的状态？如果飞机没有按时起飞，那么区块链能否按照之前的约定，向乘客进行补偿？
如果可以实现的话，那么区块链技术就能让优步、网飞以及飞行保险提供商从市场上消失。
上述三类应用并非只是人们脑海中的设想——现在这些应用已经在以太坊（一个区块链平台）上搭载。通过该平台，就可以实现在分布式计算机系统（以太坊虚拟机）上远程操作相关软件。在区块链领域，以太坊具有自己的加密货币，也就是以太币（ethers）。以太坊是目前面向实验开放程度最高的项目；缩小范围来看，会发现有一群接一群的创新人员进入人们的视野。几乎每天都有新的团队制定新的区块链方案。世界各大技术巨擘也不想错失该技术：微软公司向其客户提供相关工具，以便能在Azure云上开展区块链的实验。IBM、英特尔及其他集团携手进行一项被称为“超级账本”的开源式区块链方案，旨在为那些以业务为导向的区块链提供大框架。与此同时，诸多大型银行（即区块链先驱者们力图消灭的机构）也在开发自己的区块链相关技术，以巩固行业地位。即使是在最早、最成功的的区块链上所运行的比特币也在进行革新，试图应用到其设计者做梦也想不到领域中。
几乎无一例外，这些新的区块链项目并没有因为大规模的实际采用而肩负重担。至今还没有哪个单一的区块链概念或战略能够彻底变革行业。根据比特币钱包平台Blockchain.info的信息，目前比特币在全世界的日均用户数量不超过37.5万人。但投资者的钱依旧源源不断地涌入，各种提案也在大肆宣传与阴谋涌动中层出不穷。
人们的热情何时才会慢慢地褪却？哪一种区块链平台将会一直存在？哪一种区块链平台会慢慢地消失？为了进行预测，你必须先弄明白区块链到底为何物，以及它的作用。从逻辑上来说，我们应从比特币开始探索。
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区块链如何运作？
以比特币为例。
2009年，化名中本聪的匿名黑客（或者是黑客团队）公开了世界上首款全数字货币。比特币技术按照一个基本原理运作——资金只是一种会计工具，即资金是一种对价值进行抽象化、对所有权进行分派并提供交易方式的方法。
现金只是完成这一系列工作的历史性手段而已。简单地支配物理代币——钞票、硬币——等同于所有权，并由个人亲自与对方洽谈交易的情况。既然复制纸币十分困难，那么就无须具体核算出每人对货币供应量的拥有率；也无须得到所有持有者详细的信息，即自某一张50美元的钞票被印刷出来后，所有曾持有该钞票者的信息。
然而，如果能通过制作表格将那些拥有钞票的人员进行汇总的话，那么资金就没有必要以物理实体来表示了。通过在各自的封闭系统里追溯、处理相关交易，银行及支付处理器已经将部分实体货币交易升级为数字记录。
通过创造一种单一且能够统一访问的数字分类账（称之为区块链），比特币完成了这一转化。将其称为链，是因为只有在终端添加新信息，才能实现更改。每个新添加的信息或区块，都包含一组涉及区块链中此前交易的新交易。因此，如果赫尔穆特向亨德里克支付了一个比特币，那么在区块链的终端便会显示这一支付交易，并且会指向之前赫尔歇将这一比特币支付给赫尔穆特的交易，进而再指向更早的、哈尔弗雷德将这一比特币支付给赫尔歇的交易，以此类推。
比特币的区块链与那些由传统金融机构维系的分类账不同。这些区块链能在全球的联网计算机上进行复制；只要有计算机且已连接网络，那么任何人都可以访问此类区块链。该网络上有一类参与者被称为矿工，他们主要负责探测用户所发送的交易请求，收集并验证这些请求信息，之后将交易请求作为新区块添加到区块链中。
验证操作需要验证两点：首先，赫尔穆特在交易中确实拥有那些比特币；并且，他并未在别处花费这些货币。区块链中比特币的所有权由一对密钥决定。第一个密钥被称为公开密钥，是所有人都可以看见的密钥；第二个密钥被称为私人密钥，只有持有者才可以看到。两种密钥之间有一种特殊的数学关系，在签署数字信息时能够发挥作用。那过程是怎样的呢？举例来说，赫尔穆特收到了一条信息，并用自己的私人密钥进行加密；在进行一系列运算后，得出了一长串数据。任何拥有原始信息并且了解对应公开密钥的人员，均可以自主进行计算，来证明这一长串数据确实是使用私人密钥创建而来的。
在比特币系统中，交易通过私人密匙签署，且该私人密钥与最近一次支出比特币时所用的公开密钥相对应。当交易处理之后，会给这些比特币分配一个新的公开密钥。
但矿工的主要职责是确保新交易的不可逆转性，让交易一锤定音，并且无法进行篡改。达成这一目标所采用的方法是中本聪——不管他是男是女——在计算机科学领域中最重要的贡献。
只有在你邀请其他人参与分类账的管理时，才需要确保交易的不可逆转性。如果比特币区块链运行在某个银行内，并在单一监管下由一组已知的验证者运行，那么交易的敲定就十分简单，好比将交易规则写入公司的政策，并惩罚某些不遵规则的人。
但是在比特币领域，并不存在中央机关来强制执行该规则。矿工分布在全世界，例如中国、东欧、冰岛、委内瑞拉等地，匿名运营着软件。这些开发者有着多样的文化背景，同时又受制于不同的法律法规要求。因此，无法追究开发人员的责任。比特币代码本身必须有能力控制这一切。为了确保良好的行为，比特币运用了一种被称为“工作证明”（proofof work）的机制。
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工作证明机制
如何确保比特币的安全性？
首先，让我们更具体一点地了解公共区块链试图采用工作证明机制来解决的问题。在这个开放的对等网络中，矿工——任何运行比特币代码的人——都会收到相关的交易信息；而通过收集信息，矿工可以创建新的区块。他们会互相竞争，因为第一个创建出有效区块的矿工会得到相应的奖励（以比特币的形式）。在这种情况下，当新区块被添加后，又是什么阻止了矿工不去删除区块链中之前的交易信息呢？尽管这种机制让矿工无法窃取货币，但却无法阻止他们重复使用货币。例如，我可以去一些不知情的小店，点一杯咖啡，然后使用比特币买单。如果我是一名矿工，那么我随后便可修改自己的比特币区块链、删除交易记录、向其他人发送修改后的区块链；这样那些原本被我花掉的比特币就又回到了我的钱包中。
因此，比特币网络上所有的矿工均需持有相同的区块链副本，且所有的更改与交易均不可撤销。这两点是至关重要的。“为了让音乐更动听一些，他们需要演奏同一首音乐。这一点具有重要意义。”Ripple的开发者斯蒂芬•托马斯（Stefan Thomas）说道。Ripple也是一种受比特币启发的数字货币。
为了统一所有演奏者的步调，比特币软件系统将添加新区块的成本（根据计算能力衡量，也就是电力）设定得十分高昂，改变历史记录中区块的成本就更高了。
任何试图添加新区块的矿工，都必须提供一份已经加密的证明。为了生成上述的加密证明，矿工必须通过几个回合的哈希函数计算来处理新加的区块。哈希函数计算是采用任意长度的数据并减去固定长度的无意义字母数字字符串的计算过程。为了让处理过程更具挑战性，区块链算法要求计算得出的哈希值开头必须是一串0。由于无法预测既定数据集将会产生何种哈希值，难题就产生了。因此，矿工要在已经验证过的区块上一遍又一遍地运行上述计算，每一次向数据集中插入一个随机数。一旦随机数发生了改变，就会生成新的哈希结果。当矿工最后得到正确数量的0时，哈希函数的运算就结束了。
第一个计算出符合要求的哈希结果的矿工会向其他矿工宣布新的区块。而接收到信息的矿工会对新加区块进行检查，并将该区块添加至区块链的完整版中。为了顺利开展这项工作，矿工会收取新比特币以及挖掘费用作为酬劳。挖掘费用由用户志愿添加到交易中，以期获得优先处理。
哈希法可被视为一种锁定区块链上各个区块的手段。假设有一把需要钥匙才能锁上的锁。你手上有大量可供使用的钥匙，但却不知道哪把钥匙才是正确的。你不得不挨个尝试。当你终于找到正确的钥匙后，你会把钥匙留在锁上，其他人都可以上前检查这把钥匙是不是正确的那把。
理论上来说，这种方式以及让矿工收到回报，均是良好行为的诱因。不论是所消耗的电力，还是所购买的软件，比特币矿工在互联网领域投入了太多的东西。因此，我们应该这样想：这些矿工也不愿意以任何形式损害比特币，包括采取重复支付等任何让人们对比特币的完整性产生质疑并降低其货币价值的措施。
类似的攻击遭到了进一步的挫败，因为向区块链中添加新的区块加剧了对原有区块内容的修改成本。一旦新区块形成后，其本身就含有前面区块的哈希结果。原有旧区块的任何改变都会让后续区块的哈希结果失效。因此，要想在旧区块中插入虚假的修改内容，就必须在其后续的所有副本中也进行修改。在这种锁定类比中，区块链终端锁定方式的设计取决于终端之前的所有锁定情况。如此一来，一旦改变区块链中间某块的锁定情况，就意味着在做出更改之后，必须为之后的每个锁定找到新的密钥。
比特币“阻止了行为不当方的出现，因为其损害行为受到了计算能力的约束”。康奈尔大学加密货币及合约计划（IC3）的主任埃明•古恩•希拉尔（Emin Gün Sirer）如是说。
通过迫使矿工提供成本高昂的证明，并在之后报答他们的工作——中本聪发明了首个可行的点对点数字货币。中本聪也解决了一个困扰计算机科学家数十年的更加普遍的问题：舆论。在过去的8年里，不论是哪个重要时期，比特币从未离线，一直激励网络中潜在的不诚信交易者处理相关的交易，并确保这些交易项目单一版本的安全性。最终，形成了一个日益增加的数据链。只要连接了网络，每个人都可以对数据链进行检查并添加数据；而且该数据链不会受到任何攻击的影响。
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如何将区块链
应用到其他领域？
结果是：此类系统的作用可能不仅仅局限于资金领域。几乎就在比特币刚一亮相后，人们就开始设想，区块链技术得到推广后能实现哪些应用。当矿工对交易进行验证时，他们运行的仅仅是一些小程序；这些小程序可以按照交易请求处理数据，并发送满意或反对信息。但如果矿工能运行更为复杂的程序（如社交网络软件），将如何？如果用区块链来呈现数据（如网络论坛上的信息），而非呈现简单的货币交易，那情况又将会是怎样的呢？
虽然这些想法在比特币诞生之时就已出现，但它们的发展依然经历了若干年，直到一名来自多伦多的19岁的计算机系的学生——维塔利•布特林（Vitalik Buterin），让这些概念变得流行起来。2013年，布特林编写出了全新的区块链，即以太坊。以太坊旨在利用比特币在货币方面取得的巨大成就，并将其扩展到其他领域。
与比特币相同的是，以太坊也应用了区块链，该区块链拥有自己的货币形式（即ethers）。与比特币不同的是，以太坊采用的是小程序交易，人们称之为智能契约；而智能契约可以有无限度的复杂程度。用户向程序发送带有指令的交易信息，从而与程序进行互动。矿工随后便会处理这些交易。
在实践中，这就意味着任何人都可以将软件程序嵌入到交易中，并且已经嵌入的软件程序会一直保持嵌入状态，不会出现变化，在区块链的有效周期内均可被访问。理论上来说，有了以太坊，脸谱网、推特、优步、声破天音乐播放器或其他的数字化服务，都可被新版本替代。而检查员完全无法损害这些新版软件，并且新版本的相关政策是透明的，无须其创造者的维护即可无限期运行。
“惊人的是，你可以在该网络上放置一套计算机程序……与比特币相似的是，系统上的每位成员均可在具体发生的事件及发生的时间上达成共识……所以，在我看来，这是一个意义重大的概念。”以太坊的创始人之一约瑟夫•鲁宾（Joseph Lubin）评论道。目前，他经营着Consensys，这是一个总部设在布鲁克林、针对分散式应用的孵化器。
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有权限的账本究竟为何物？
就在布特林试图使用区块链技术创造出一台世界计算机的同时，另一个趋势正推进技术朝着相反方向发展：将中本聪的杰作往更紧密、更受控的方向发展。2014年9月，一些金融机构——包括巴克莱银行、高盛投资公司及摩根大通——组成了一个被称为R3的新联盟，探索如何利用区块链来提高银行间的支付效率（该方面的进展详见近期《区块链世界系列报道五：华尔街占领区块链》）。
这些机构没花多少时间就意识到，比特币、以太坊等诸如此类的区块链的开放结构，与银行的需求背道而驰。用户的匿名性是最主要的问题，公用地址代表了这些在开放性区块链上的用户，但并未提供用户的真实信息。美国及其他国家的银行法都禁止使用这类匿名方式。“我们必须得知道，在这些平台上，我们的参与人员及竞争对手具体都是哪些人。”R3市场研究主管蒂姆•斯旺森（Tim Swanson）如是说。
同时，法律也规定金融机构必须保护消费者的信息，并在国家和地区范围内控制其外传。鉴于公共区块链会复制每一台联网计算机上全部的交易记录，就很难在使用公共区块链的同时，对产销监管链进行限制。
“有权限的账本”因此应运而生。在有权限的账本中，添加区块的人员身份是已知的，且只有特定人群才能查看系统中的相关数据。生成新区块的权利是由代码的运行人员分配的，而不是随机分配的；因此，无须使用工作证明机制或加密货币进行支付。
此类系统的应用环境是，区块链所有的参与人员彼此之间均有一定的信任度，但又想模拟中立第三方提供的服务，比如，进行国际转账时的银行系统情况。
去年，R3（近期从40多个机构中筹集了1.07亿美元的资金）发布了其首个有权限的账本Corda。但Corda在诞生伊始就出现了一个竞争对手。摩根大通去年春天脱离了R3联盟，现在已发布了自己的有权限的账本，称之为Quorum。
有权限的账本这一方法，已从银行业传播到各个需保护客户敏感数据的领域。这些领域的大多数项目均是采用“超级账本”（Linux基金会主办、大型科技公司赞助的开源项目）提供的工具而创建的。超级账本为那些希望采用智能契约、但又对开放区块链（如以太坊与比特币）犹豫不决的公司构建产品。
“人们必须要看清银行、保险等行业实体和医药行业中的实际问题，以及这些实体必须要遵守的法规要求。它们无法应对或适应部分开放系统所带来的风险和不确定问题。”Hacera（一款区块链的访问控制管理系统）的创建者乔纳森•列弗（Jonathan Lev）如是说。
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智能契约在现实中如何运作？
不论区块链技术的最终结局会是如何，在区块链上所运行的智能契约都需要大量的支持技术。在区块链的技术浪潮中，一些辅助技术正处于悄无声息的研发当中，它们将对区块链技术的扩张产生至关重要的意义。
“一旦获得了智能契约，便会出现大量的问题。”康奈尔大学IC3主任阿里•朱尔斯（Ari Juels）如是说。这些问题可以归为几大类。
首先，区块链无法存储太多的数据。例如，通过区块链进行直播视频——不论是将视频内容发布在哪个网站——对很多项目来说都是一个大问题。
比特币区块链记录了互联网上的每一个比特币的输入与输出情况，以及附加字段的内容。在每笔交易中，此类附加字段仅可准许40字节的元数据。情况就是这样。
将智能契约迁移至区块链的另一个问题便是，区块链本身并不知道真实世界的情况。如果你的智能契约是一个飞行保险制度的话，那问题就来了。契约需要知道你的航班应在何时起飞、目的地是哪。但区块链的设计并不适用于查询网站。“外部世界的信息必须被注入到区块链内。”朱尔斯如是说。
最理想的情况是开发人员设计出相关方案来存储与处理数据，且不会重新引入区块链力图避免的弱点，比如易受审查机构的影响、需依靠或信赖狡猾的人类。为了达成这一目标，研发人员必须仔细考虑谁是值得他们信赖的“受委托方”。
静态数据的储存问题可以通过分布式的文件共享服务来解决。例如，协议实验室的星际数据库（Interplanetary Database）或StorjLabs的分散式云存储系统。这些系统能使世界范围内的人们出租硬盘上的一些剩余空间。由于数据会冗余地存储在世界范围内的若干个计算机上，进而保持可获取性而又难以被审查，因此这种机制可以适用于基于区块链的智能契约。
有关如何将实时数据传输至区块链上的问题，可以采用被区块链开发人员所谓的oracle来解决。oracle作为一系列服务，通过有效查询实时数据获得支付，并将数据传输至区块链上的智能契约。
在IC3，朱尔斯使用了一种被称为“Town Crier”的自动化oracle，旨在确保传输到区块链上的数据均来自可信赖的来源，且不会被篡改。该服务采用英特尔处理器上的“可信软件”。虽然芯片在加密盾牌后方运行代码，但仍能提供让程序如约执行的证明。
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资金从哪里来？
如果当代社会所信赖的许多数字服务都通过区块链技术重新构建，那么就需要有人为这些必须开展的工程与研究工作买单。
但是，如果你正在开展的工作是要研发出一项技术，若成功则会使许多公司失去饭碗，你将从何处获得资金支持？理想的情况是，开放式区块链（如以太坊）将数据委托给数据的创造者，让他们自主选择如何分享这些数据。在这种情况下，以售卖其用户的访问记录、购买记录和地点数据为经营模式的公司将无法继续生存。同时，区块链企业也无法依赖对自有知识产权的限制来营利，因为知识产权作为开放式区块链上的程序，每个人都可以进行浏览。
无论如何，基于区块链的业务的潜在筹资机制已经浮现，这是区块链融资领域的一种新趋势，人们称之为首次代币发行（ICO），根据首次公开发行（IPO）命名。事实证明，这一新趋势尽管在法律层面存在一些问题，但却极其划算。
选择通过ICO对自己的项目进行融资的集团，这样设计属于自己的智能契约：要想使用应用程序，用户必须拥有应用程序专用货币。在项目发行之前，这些集团就制造了一些代币并在公开市场中销售。
在非数字世界里，这就好比某人开设的洗衣店只接受其特有的货币。如此一来，店主得到的不仅仅是投资商，还可向大众兜售自己的货币。届时，货币的交易价格将取决于洗衣服务的价值。
到目前，已有5亿多美元通过代币销售的形式流入区块链公司。最近几个月，新发售的货币不论是在发售速度还是价格方面，都出现了让人瞠目结舌的上涨趋势。今年7月，一个名为Tezos的区块链项目，在ICO中获得了超过2亿美元的资金，创造了新纪录。
面对堪比天文数字的投资额，一些观察人员抱怨这是严重的伪善心理在作祟。“制定这些计划方案的区块链企业家们展示了什么叫贪得无厌，而他们却称其为规范化的金融服务。”MonaxIndustries公司创始人普勒斯顿•伯恩（Preston Byrne）如是说。此外，该公司是区块链开发人员的一个开放性平台。“所以，当资金开始向他们流动时，那些企业家们就全都开始无视民众——而他们自己也曾经是其中的一员。”
但也有人说ICO作为一类新的投资工具，其破坏性与人们正在进行融资的应用相同。
“金钱不是万恶之源；股权才是万恶之源。”乔尔•蒙内格罗（Joel Monegro）如是说。乔尔在离开了联合广场创投（UnionSquare Ventures）后，便创建了Placeholder，一家专门致力于研发区块链技术的基金组织。
他的言论经常被区块链创业领袖们所引用：向创始人及员工分配股权，鼓励他们存起这笔财富，而不是用来完善其产品。
另一方面，应用程序专用货币不仅是一种金融工具，还是一种实现技术的手段。因此，使用一种服务的人数越多，那么对服务代币的需求量就越多。
“我的想法是，企业不是要抽取更多利润，而是要提高代币的使用率，因为代币会随着该服务的使用率升高而升值。你们把它们的动机搞反了。”蒙内格罗说。
ICO流行趋势至少在美国已经接近尾声。美国证券交易委员会7月底向这如火如荼的境况泼了一盆冷水，发出警告称，经相关部门审核，许多ICO已被划分至证券行业，受该行业规定的约束。
不管如何，ICO货币的浪潮仍旧洗礼着行业的岸头。只有时间能证明人们是否正确使用了此类技术。
“时间会改变很多东西，且速度非常之快。在我们这些早期采用者中间，有些人在三四年前还曾捉襟见肘，却一直坚持自己的信仰、坚守自己的货币技术。现在他们都非常富有了。”Hacera的利瓦伊如是说，“我们依然需要比特币和以太坊更大规模地运行，企业需要更加分散其敏感数据，并确保敏感数据的安全。现在，我们所面临的是一个全新且又不同的挑战：鉴于投资数额巨大，让我们翘首以待，有多少老前辈及后生会一直坚持下去，并继续努力利用那些早已改变了他们自己的技术来改变这个世界。”
作者：Morgen E. Peck
内容转载自公众号
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