初识BlockChain和Bitcoin(二)
分类:区块链

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区块链的定义,简单理解就是,区块链是一种分布式数据库,通过去中心化、去信任的方式,集体维护一个可靠数据库。

  参考:
* [比特币是什么?| 知乎](https://www.zhihu.com/question/22076666/answer/172266472)
* [Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System](https://bitcoin.org/bitcoin.pdf)
* [比特币白皮书 个人翻译+注解](https://zhuanlan.zhihu.com/p/25039679)
* [(大鱼)精读比特币白皮书系列(1-6)](http://www.jianshu.com/p/ca0c0a0e0faa)
* [比特币的运行原理](http://www.jianshu.com/p/f1fa43273027)
* [比特币的私钥,公钥和地址是什么?](https://segmentfault.com/a/1190000008741956)   
* [区块链技术指南(《区块链原理、设计与应用》在线版)](https://github.com/yeasy/blockchain_guide)

目前,追求零售支付系统方便性、快捷性、低成本、安全性和隐私保护的央行数字货币整体进程已在稳步推进中。已有一定实践经验的区块链技术,具有点对点交易、分布式记账、区块信息广播等技术特性,能够有效提升交易的效率性和经济性,无疑是央行数字货币技术基础的热门备选。然而,由扁平网络孕育而生的区块链技术,本质上追求数据编织的自由交易理念,与央行对数字货币的需求有一定契合的同时更有诸多分歧,需要审慎考虑并设法弥合。

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区块链技术与央行数字货币需求的分歧

1、Blockchain——区块链

比特币到底是什么?

(一)区块链去中心化与央行数字货币顶层结构的分歧。将交易信息尽可能多地在平行节点网络中达成共识并广播扩散,从而推进由部分或全体网络成员共同承担中心职责,逐渐模糊甚至取代交易中心的作用,实现同质节点和均衡重心,降低系统整体信任成本的同时增强数据的健壮性和透明性,这种设计理念即区块链去中心化。央行数字货币要求在通过新技术实现交易优化的同时,其作为国家法定货币的本质属性不能有丝毫动摇。因此,央行作为国家法定货币的存续基础——国家权力背书的直接代理与实际执行部门,在货币存流量管理、货币政策制定与传导等关键环节的核心地位也必须坚持,在区块链体系中应享有凌驾于其他节点之上的最高权限和宏观调控能力,这与区块链去中心化的设计理念背道而驰。

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。是一个共享的分布式账本,其中交易通过附加块永久记录。

什么是比特币(bitcoin)?

(二)区块链私钥依赖性与央行数字货币受众群体普适性的分歧。非对称加密体系是区块链技术的密码学基础,借助HASH函数自变量与因变量增量非线性相关性,配合RSA、D-H、椭圆曲线等加密问题公钥和私钥不能互解的重要事实,实现非信任公开网络环境中的交易安全。在此体系中,HASH明文、数字签名和公钥作为公共信息为全网共享,只有私钥才是持币者主张对交易信息所有权的唯一倚仗,也只有通过私钥加密并发起的有效交易区块才能得到全网共识,这决定了区块链交易只认私钥不认人的内生约束;与此同时,因为加挂到区块链末尾的有效交易区块已经在全网共识圈完成了分布式记账,所以对其进行统一回滚和修正非常困难,进而导致私钥一旦发生丢失、窃取和滥用等情况,区块链本身既难以确认后果,更不能弥补损失。综上所述,区块链技术对私钥有根深蒂固的依赖性。央行数字货币的持币者是广大新事物接受能力迥异的普通民众,他们需要使用门槛较低的法定货币,尤其需要能够包容他们的种种疏忽且能够快速应对、定损追偿的法定货币。私钥在区块链中的独特位置对他们的方便安全使用将是沉重的负担。

2、Block——区块

概念与定义

比特币是一种用去中心化、全球通用、不需第三方机构或个人,基于区块链作为支付技术的电子加密货币。作为一种特定数据,从地球一端向地球另一端转账比特币,就像发送电子邮件一样简单、低成本且无任何限制。比特币也因此常被用于跨境贸易、支付、汇款等领域。

比特币并不依赖中央机构来发行新钱和维护交易,而是由区块链来完成,用数字加密算法、全网抵御51%算力攻击保证交易安全(可参考《51%攻击解析 | 巴比特》)。交易记录以被全体网络电脑收录维护,每笔交易的有效性都必须经过区块链检验确认。

比特币的总量恒定为2100万个;其最小单位是 0.00000001 (一亿分之一)比特币,称为“1聪”(纪念其发明人中本聪)。如有必要,也可以修改协议(只要大多数用户同意)将其分区为更小的单位,以保证其流通方便。

(三)区块链交易信息可知性与央行数字货币保密要求的分歧。区块链技术以主链唯一的交易记录代替节点各自的余额记录来进行交易可行性判断。在交易发生时,共识圈回溯主链的相关交易记录,进行汇总轧差并判断合理性,这是区块链技术分布式数据库的基本共识机制,意味着代币类产品的全息信息对共识圈成员都是可知的。这对央行数字货币来说既是非常重要的利好,也是需要谨慎处理的隐患。利好方面正如央行数字货币研究所之前描述的,在掌握央行数字货币全息信息的基础上,央行可通过大数据分析技术探知经济个体行为,从微观把握宏观,提高宏观审慎监管效率,有效防范金融系统性风险;隐患方面则是区块链的机制要求这部分信息必须由共识圈的所有节点共同接触而非央行独占,进一步考虑到央行数字货币必然会要求使用者的地址实名认证,那么这部分信息不仅是一段时间内国民经济活动的微观账,更是持币者个人收付行为的明细账,具有非常重要的政治、经济和社会意义,一旦泄密不但意味着国民经济运行动态的关键数据对外暴露,更能够引发广大持币者对个人隐私曝露的敏感和担忧。央行必须确保包含自己在内的共识圈成员对其安全储存、合理应用、严格保密。

在比特币网络中,数据会以文件的形式被永久记录,我们称这些文件为区块。一个区块是一些或所有最新比特币交易的记录集,且未被其他先前的区块记录。

易混淆的2个概念

(区块链的相关说明,可参考初识BlockChain和Bitcoin(一))

  • 比特币是区块链(的一种应用),但是区块链并不就是比特币。区块链是一种记录方式或者说一种数据库系统,用于记录A,就是A的区块链;用于记录B,就是B区块链;如果用于记录比特币的交易,那就是比特币区块链
  • 区块链1.0是比特币的底层技术。最初中本聪是为了解决比特币的“真实性”及“不被重复支付”这两个问题,才提出了“将打包了多个交易的区块从后向前有序链接,形成可追溯到创始区块的链条(即区块链)”的解决方案。不过,他当时可能也没想到,区块链技术可以拥有这么巨大的潜力,能被应用在其他重要方面上

在(一))中已提到,区块链可看作是一种数据库系统,其数据格式,根据技术应用场景,可分为三种:

  1. 数据间完全不相关(只是达成的共识,没有有效无效之说)
  2. 数据间具有某些逻辑结构(如对每笔交易,输入和输出都与之前交易有关,这些数据需要通过逻辑验证)
  3. 数据拥有图灵完备的逻辑(对每笔交易不仅要验证真实性和输入准确性,还要根据交易逻辑通过输入值来验证结果)

比特币系统就属于第二种,又叫分布式账本;而以太坊(Ethereum,一种体系,包括以太币)则属于第三种,可支持智能合约。

深入理解

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比特币真的是一种“币”吗?

应对分歧的可行化建议

3、区块头

“1个比特币”的含义

在中本聪的《比特币白皮书》中,其实明确了其本质含义:“We define an electronic coin as a chain of digital signatures”,提取主干即为“We define an coin as a chain”。所以,1个比特币,其实就是一个“”(即区块链)。“币”的数量,是通过“链”上的“交易”而被推算出来的数值,“币”其实是并不存在的。

比特币的交易并不是使用一手交钱一手交货的方式,而是通过转账的方式将价值进行组合与分割,并且比特币的交易被设计为可以纳入多个输入和输出,即一笔交易可以转账给多个人。也正是因为如此,钱包上显示的比特币数值其实只是程序进行的一种处理,通过对交易的输入和输出进行反复追溯,并计算最终可用的值。

(一)构建分离协作的联盟链双圈体系。联盟链双圈体系基于BFT共识构建而成,是一种顶层节点数较少但可严格分层控制权限的区块链形态,可支持高度收缩的共识圈搭配广泛扩张的交易圈,与央行数字货币的二元性需求相契合。

区块头里面存储着区块的头信息,包含上一个区块的哈希值,本区块体的哈希值,以及时间戳(TimeStamp)等等。

一些术语

比特币区块链涉及到的领域很多,包括分布式、存储、密码学、心理学、经济学、博弈论、网络协议等,有几个概念是要解释下的:

  • 交易(Transaction,后面简称Tx):指一次操作,会导致账本状态的一次改变,如添加一条记录。Tx是比特币系统信息载体的最小单元,一条交易可能包含如下信息:
付款人地址 付款人对交易的签字确认 付款人资金的
来源交易ID
交易的金额 收款人地址 收款人的公钥 时间戳
合法的地址(公钥经过两次hash运算得到的160位hash值) 确保交易内容不被篡改 从哪个交易的输出作为本次交易的输入 多少钱,跟输入的差额为交易的服务费 合法的地址 收款人的公钥 交易何时能生效
  • UTXO:指未经使用的交易的输出(Unspent Transaction Outputs),可以被新创建的交易引用,作为其合法的输入。

  • 区块(Block):记录一段时间内发生的Tx和状态结果,是对当前账本状态的一次共识。Block将多个Tx打包装箱,贴上封条,并串联起来。

  • 链(Chain):由一个个区块按照发生顺序串联而成,是整个状态变化的日志记录。

  • HASH算法:是一个把任意长度的数据映射成固定长度数据的函数运算,且此过程是不可逆(已知x的HASH值,无法求出x)和无冲突(已知x,无法求出一个y,使x与y的HASH值相同)的。

注意:
1.这两条性质在数学上并不成立,因为一个函数必然可逆,且由于HASH函数的值域有限,理论上会有无穷多个不同的原始值,它们的hash值都相同
2.好的算法做到的是“求逆和求冲突在计算上不可能”,也就是正向计算很容易,而反向计算即使穷尽人类所有的计算资源都做不到
3.目前流行的Hash算法包括MD5、SHA-1和SHA-2(前两类已被证明安全性不足以用于目前商业环境)
  • Merkle树:是存储hash值的一种数据结构(树)。由一个根节点、一组中间节点和一组叶节点组成,根节点和中间节点都是它们各自的两个孩子节点内容的hash值。
    Merkle树的特点就是:底层数据的任何变动,都会传递到其父亲节点,一直到树根。

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假设D1中数据被修改,就会影响N1、N4和Root,因此沿着Root-->N4-->N1就能“快速定位”到发生改变的D1

  • 不对称加密算法:顾名思义,即加密密钥和解密密钥是不同的,分别称为公钥(公开)和私钥(私有)。公钥可以加密数据或验证数据,私钥可以解密数据或对数据签名。

  • 数字签名:证实某数字内容的完整性和来源,类似在纸质合同上签名确认合同内容。
    比如,A要发给B一个Tx(数据信息),B如何获知所得到的Tx即为A发出的原始版本?A先对Tx进行摘要,然后用自己的私钥进行加密,将Tx和加密串都发给B。B收到后Tx和加密串,用A的公钥来解密加密串,得到原始的数字摘要,跟对Tx进行摘要后的结果进行比对。如果一致,说明该Tx确实是A发过来的,并且Tx内容没有被修改过。

  • 地址(账户):比特币的账户地址其实就是用户公钥经过不对称加密算法及编码运算后生成的160位(20字节)的字符串。在交易时,用户自己保留私钥,对自己发出的交易进行签名确认,并公开公钥

  • 挖矿:通过暴力尝试来找到一个字符串,使得它加上一组交易信息后的 hash值符合特定规则(例如前缀包括若干个 0),找到的人可以宣称新区块被发现,并获得系统奖励的比特币。

  • 零知识证明:假设B拥有A的公钥,B没有见过A,而A见过B。而有一天2人见面了,A认出了B,但B不能确定对面是否是A,这时A要向B证明自己是A,有2个方法:
    1)A把自己的私钥给B,B用这个私钥对某个数据加密,然后用A的公钥解密,如果正确,则证明对方确实是A。
    2)B给出一个随机值,A用自己的私钥对其加密,然后把加密后的数据交给B,B用A的公钥解密,如果能够得到原来的随机值,则证明对方是A,而不必知道A的私钥。此第二种方法即属于零知识证明
    再比如,在前面Merkle树的图例中,D可以看作是不同的交易Tx。那么,如何证明某个交易(如D3)中包括指定的交易(如D0)的数据呢?很简单,只要交易D3能沿着系统保存的Merkle树的Root节点,找到N4、N1和N0的Hash值,就能证明这点,且还不必知道交易D0的数据,这也是一种零知识证明

双圈体系中的共识圈由央行与商业银行构成,全部区块链交易均需要该层相关权限成员确认、广播发声并写入主链。央行在共识圈中处于核心地位,履行成员控制、数据维护、流程管理的职能,维护主链平稳有序运行,参与每一笔交易数据的共识达成,并独自拥有主链所有区块的最高读写权限。商业银行对自己权限内的交易负责并与央行共同维护主链有效数据。除区块链体系中的职能外,央行与商业银行原有的货币相关职能依然维持。

4、加密货币

交易的原理

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比特币交易过程图解,一些术语在前面已做解释

每次发生交易,用户需要将新交易记录写到比特币区块链网络中,等网络确认后即可认为交易完成。每个交易包括一些输入和一些输出。一笔合法的交易,即引用某些已存在交易的UTXO,来作为交易的输入,并生成新的输出的过程。

在交易过程中,转账方需要通过签名脚本来证明自己是UTXO的合法使用者,并且指定输出脚本来限制未来对本交易的使用者(为收款方)。对每笔交易,转账方需要进行签名确认。并且,对每一笔交易来说,总输入不能小于总输出。

比特币网络中的节点,在收到广播来的交易信息后,将进行如下检查:

  • 交易是否已经处理过;
  • 交易是否合法。包括地址是否合法、发起交易者是输入地址的合法拥有者、是否是UTXO;
  • 交易的输入之和是否大于输出之和。

在对每笔交易的检查通过后,会将此交易标记为合法的未确认交易,并在网络内进行广播。网络中的矿工(也是网络节点)通过“挖矿”来完成对交易记录的记账过程,以此来维护整个网络的正常运行。

价值与意义

作为一种概念金融货币,比特币主要是希望解决已有金融货币系统的几个问题:

  • 被掌控在发行机构手中
  • 自身的价值无法保证
  • 无法匿名化交易

比特币之所以受到无数金融从业者的热捧,在于它首次真正意义上实现了足够安全可靠的去中心化数字货币机制。尽管充满了争议,但从技术角度看,比特币仍然是数字货币历史上一次了不起的创新。比特币网络在2009年上线以来已经在全球范围内7*24小时运行接近8年时间,支持过单笔1.5亿美金的交易。比特币网络由数千个核心节点参与构成,没有任何中心的运维参与,支持了稳定上升的交易量,从理论到实践,再到相关其相关技术的多领域拓展,相信它的发展前景会变得越来越好。

注:比特币历史上唯一已知的漏洞事件曾导致比特币的恶意增发,但问题很快被发现并修正,相关非法交易被撤销。

双圈体系的交易圈由不具有任何数据写入权限的央行数字货币持有者在地址对地址的层面通过发起或应答交易信息、接收交易结果、执行实际交割的步骤充分参与交易,其他交易环节则由共识圈负责完成并反馈。

加密货币是数字货币的一种。是一种使用密码学原理来确保交易安全及控制交易单位创造的交易媒介。

联盟链双圈体系采用共识圈与交易圈的双层设计实现交易应答与确认的分离协作。强控制力度的共识圈捍卫了央行的货币核心地位,而充分体现区块链技术优势的交易圈则实现了央行数字货币对零售交易的方便性、快捷性和低成本的追求。

5、Node——节点

冠亚体育,(二)商业银行接受委托成为交易的实际执行者。在双圈体系的基础上,可进一步考虑分离交易意愿和实际操作。交易发起者将含有输入、输出和金额等要素的交易信息委托给商业银行,受托银行做好本行委托客户身份、地址及私钥管理并与央行实时备份后将交易信息转化成区块链格式,然后使用交易发起者的对应私钥加密打包发送给央行;央行根据信息内容做地址映射并将交易信息分配给交易对手的受托银行;该银行通过HASH处理的明文与公钥处理的数字签名的比对、主链相关交易信息的回溯和轧差、交易有效性检查等动作完成交易的确认环节并反馈央行;央行确认无误后将结果广播给共识圈成员并协同相应权限成员进行分布式记账,交易流程完成。这种体系将零售客户的点对点交易转变成受托商业银行管理的地址对地址交易,实质上将直接风险主体由普通民众转化为具有更强的执行与抗压能力也更方便央行统一管理的商业银行,大幅强化了私钥在实际使用中的风险控制,有效保证了广大持币者的交易顺畅。

由区块链网络的参与者操作的分类帐的副本。

(三)技术手段多管齐下,防止核心数据泄露。为确保数据的安全,首先应加强应对极高压力峰值的并发处理、队列策略、数据堆栈、纵深搜索和延迟悬吊等方面的技术储备,夯实系统技术框架基础。其次,对具有获取历史交易信息必要的共识圈成员(即商业银行),应进一步采取多维严密的技术手段限制其对核心数据的额外探索和记录:包括但不限于严肃权限管理,确保商业银行仅能在自身节点权限设定范围内处理交易数据、执行交易操作、管理交易内容、维护交易网络;加强回溯管控,确保商业银行仅在交易的必要校验环节进行交易记录的自动回溯和暂存,且结果在流程结束后自动强制清除,绝对禁止任何形式的人工回溯;限制共识操作,确保商业银行在达成共识时仅在主链末端加挂有效交易区块,不能借助此时开放的交易敞口逆数据流方向探索主链内容等。

6、Oracles

Oracle通过向智能合约提供数据,它是现实世界和区块链之间的桥梁。

7、去中心化

去中心化是一种现象或结构,必须在拥有众多节点的系统中或在拥有众多个体的群中才能出现或存在。节点与节点之间的影响,会通过网络而形成非线性因果关系。

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8、共识机制

共识机制是通过特殊节点的投票,在很短的时间内完成对交易的验证和确认;对一笔交易,如果利益不相干的若干个节点能够达成共识,我们就可以认为全网对此也能够达成共识。

9、Pow——工作量证明

Proofof Work,是指获得多少货币,取决于你挖矿贡献的工作量,电脑性能越好,分给你的矿就会越多。

10、PoS——权益证明

Proofof Stake,根据你持有货币的量和时间进行利息分配的制度,在POS模式下,你的“挖矿”收益正比于你的币龄,而与电脑的计算性能无关。

11、智能合约

智能合约是一种旨在以信息化方式传播、验证或执行合同的计算机协议。智能合约允许在没有第三方的情况下进行可信交易,这些交易可追踪且不可逆转。

12、时间戳

时间戳是指字符串或编码信息用于辨识记录下来的时间日期。国际标准为ISO 8601。

13、图灵完备

图灵完成是指机器执行任何其他可编程计算机能够执行计算的能力。一个例子是Ethereum虚拟机。

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