第 1 章区块链：信任机器

一、为什么会出现区块链

区块链是比特币的一个重要概念，其最初的使命是支持比特币的形成和流通。 在比特币诞生之前，互联网的TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet互联网协议）协议基本实现了全球信息传输的高速低成本传输，但有一种特殊的信息货币——无法高速传输。 本质原因在于，传统互联网是信息互联网，而不是价值互联网。

互联网诞生之初，首先要解决的核心问题是信息的生产和传输。 1992年，时任美国副总统戈尔（Albert Amold Gore Jr.）提出了美国信息高速公路的构想。 1993年9月，美国政府宣布实施一项新的高科技计划——国家信息基础设施（National Information Infrastructure，简称NII），旨在建设信息时代的高速公路——信息高速公路，以当时简单的互联网为基础。 ，让所有美国人都能轻松共享海量信息资源。

随着这个程序的发展，我们现在熟悉的网络世界逐渐形成。 在这条“高速公路”上，我们可以通过网络将信息快速生成并复制到世界各个角落。 这就是我们现在的互联网最擅长的，所以也可以称之为“信息互联网”。 在这个“信息互联网”上，所有传输的信息都可以高效地传播和复制，从而形成了互联网的基本协议——TCP/IP。 在允许一定错误率的情况下，以最快的速度将信息传送或复制到目标地址。 那时，我们处在一个信息“饥渴”的时代。 只要信息能够被快速传播和复制，我们最基本的需求就可以实现。 从此，我们通过“信息互联网”进入了一个“信息爆炸”的时代。 整个互联网上的信息开始以几何级数增长，信息的复制和共享成为这个时代的主流。

然而，随着互联网开始进入人类生活的方方面面，我们发现有些信息是无法复制的，或者说复制是没有意义的。 例如在货币支付中，我们不能直接将要支付的钱复制到对方的账户中，而是必须从支付账户中减去一些资金，再在接收账户中添加一些资金。 只有这样，这种付费行为才有意义，不像新闻信息，如果我们复制一份到一个新的网站，我们就会有两份信息，可以让更多的人分享。 而这些不能共享，只能传递的信息，往往具有更大的价值，背后需要有信用作为背书才能产生价值。 因此可以发现，我们的“信息互联网”很擅长处理“信息共享”，却解决不了“价值传递”或“信用”的问题。

这里所谓的“价值转移”是指将某一部分价值以网络中所有人都能识别和确认的方式从一个地址精确转移到另一个地址，并且必须保证在转移价值时，原始地址减少了转移的部分，而新地址增加了转移的价值。 这个“价值”可以是货币资产，也可以是某种实物资产或虚拟资产（包括证券、金融衍生品等）。 这种操作的结果必须得到各方的认可，任何一方都不能操纵。

从上面的定义可以发现，目前的互联网协议并不支持这种“价值传递”的功能。 互联网TCP/IP协议无法确认信息发出后本地数据是否会被准确更改，单点数据篡改在现有互联网系统中很难被全网发现。 但“价值转移”是金融体系的基础，而金融体系又是人类生活的核心之一，所以下一代全球互联网发展的核心问题就是解决“价值转移”的问题.

2.“价值转移”的本质

在解决这个问题之前，我们必须借助一个中介系统来完成这样一个“价值转移”的行为，所以我们看到了类似于支付宝、Paypal的第三方支付工具的兴起。 在跨境汇款领域，我们大多通过SWIFT（环球银行金融电信协会）等中介机构完成跨境汇款结算和清算。

互联网上也有各种各样的金融系统，也有很多政府银行或第三方提供的支付系统，但还是依赖中心化的解决方案。 所谓中心化解决方案，就是通过某个公司或政府的信用作为背书比特币的来历，将所有的价值转移计算放在一个中央服务器（集群）中。 虽然所有的计算也是由程序自动完成的，但是这个中心必须是可信赖的个体化的个人或机构。 事实上，通过集中信用背书来解决问题，只能将授信限制在某些机构、地区或国家。 由此可见，要解决这个根本问题，必须要创造“信用”。 因此，价值传递的核心问题其实是跨境信用共识的问题。

但根据历史经验，整个体系中最不值得信任的是人，或者是由人组成的机构或政府。 历史往往证明比特币的来历，违背原有规则的人，才是规则的制定者。 从工业革命到互联网革命，技术发展的趋势，也通过取代人类最不可靠、脆弱、低效的环节，实现了生产力的大发展。 因此，归根结底，要真正完成基于信用共识的价值传递，需要一种可以替代第三方中介的方法，一种可以自动运行的方法，并且具有去信任机制（无需依赖在信任链接或机制中的任何人身上）完成价值转移。

在如此复杂的全球体系中，凭空创造一个全球信用共识体系是非常困难的。 由于各国政治、经济和文化条件不同，两国企业和政府之间几乎不可能建立完全的互信。 有可能，这意味着无论是个人背书、企业背书，还是政府信用背书，即使能够完成跨国价值交换，也需要很长的时间和很高的经济成本。 但在人类漫长的历史长河中，无论各个国家的宗教、政治、文化如何不同，唯一能够达成共识的只有数学（基础科学）。 因此，毫不夸张地说，数学（算法）是全球文明的最大公约数，也是全球人类最共识的基础。 如果以数学算法（程序）为背书，所有的规则都建立在一个公开透明的数学算法（程序）上，那么不同政治文化背景的人都可以获得共识。

3.什么是区块链

（一）定义

区块链本质上是一个去中心化的数据库，是通过密码学方法生成的一系列关联的数据块。 每个数据块包含一段时间内全网交易的信息，用于验证信息的有效性（防伪）和生成下一个块。 因此，区块链是一种以去中心化、去信任的方式集体维护可靠数据库的技术方案。

通俗地说，区块链可以称为国家记账技术，也可以理解为分布式总账技术。

数据库是一个大家都很熟悉的概念。 任何网站或系统背后都有一个数据库。 我们可以把数据库想象成一个账本。 比如支付宝数据库就像一个巨大的账本，记录着每个人账户里有多少钱。 当A给B发1块钱，那么A的账户里会扣除1块钱，B的账户里会加1块钱。 这种数据变化可以理解为一种记账行为。 对于一般的中心化架构，微信背后的数据库由腾讯团队维护，淘宝背后的数据库由阿里团队维护。 这是典型的集中式数据库管理方式，也是大家认为顺理成章的事情。

但是区块链完全颠倒了这种做法。 区块链系统由许多节点组成，这些节点通常是一台计算机。 在这个系统中，每个参与节点都有机会竞争记账，即更新数据库信息。 系统会在一段时间内（可能是十分钟，也可能是一秒）选择一个记账最快最好的节点，让它在这段时间内记账。 它会将这段时间的数据变化记录在一个数据块（block）中，我们可以把这个数据块想象成一页纸。 记账后，节点会将本页的账本发送给其他节点。 其他节点会验证这一页账本是否正确，如果没有问题，就会放入自己的账本中。

在系统中，这一页账本的数据表示称为一个块，它记录了整个账本数据在这段时间内的变化。 然后将这个更新结果发送给系统中的每个节点。 因此，整个系统中的每个节点都有完全相同的账本。

我们称这种记账方式为区块链技术或分布式账本技术。

(2) 安全

那么，为什么要采用这种方法呢？ 它的优点是什么？ 因为通常大家的直觉是，这种方式似乎很浪费带宽和存储空间，并不是一个理想的方案。 但是，区块链通过这种高冗余的方式构建了极高的安全性。

首先，每个节点的权利是相同的，任何一个节点的破坏都不会影响整个系统的安全，也不会造成数据丢失。 系统中每个节点的权重是一致的，系统每次都会在接入系统的节点中选择记账人，所以即使部分或部分节点被破坏或宕机，也不会影响整个系统的运行.

其次，每个节点的账本数据完全相同，这意味着单个节点的数据篡改是没有意义的。 因为如果系统发现两个账本不匹配，就会认为拥有相同账本的节点较多的那个版本才是真正的账本数据。 那几个不一致的节点账本不是真实的，而是篡改过的数据账本。 系统会自动丢弃这部分被认为被篡改过的账本，也就是说如果你想篡改区块链上的数据内容，除非你能控制整个系统中的大部分节点。 这就是所谓的51%攻击，即需要控制整个系统中50%以上的节点才能发起篡改数据账本。

但是，当整个系统的节点数量高达数万，甚至数十万时，篡改数据的可能性就会大大降低。 因为这些节点很可能分布在世界的每一个角落，理论上，除非你能控制世界上大部分的计算机，否则你没有机会篡改区块链上的数据。

此外，另一种51%攻击方式是构建与原系统一样多的节点（算力）来攻击区块链系统（虽然构建足够大的算力很重要，不仅仅是节点的数量，但考虑到算力概念的理解比较复杂，这里以节点数来比喻）。 例如系统原本有10000个节点，攻击者部署另外10001个节点加入区块链系统。 由于攻击者已经获得了超过50%的控制权，他可以发起攻击。 显然，这种攻击的成本还取决于系统的原始大小。 事实证明，系统中的节点越多，攻击者的成本就越大。 由于比特币是目前最大的区块链网络，据统计，要构建一个与现有比特币一样大的网络系统，成本将高达270亿美元。

但攻击者还面临另一个困境。 一旦成功发起攻击，系统的价值就会瞬间归零。 也就是说，一旦攻击者成功篡改了账本，由于全网可以立即识别出账本数据的不一致，所有人都意识到系统账本已经是一个不可靠的账本，这意味着账本中记录的数据已经发生了变化。变得没有价值，系统中的代币也会变得一文不值。 也就是说，如果攻击者支付超过270亿美元成功对比特币发起攻击，而比特币价格瞬间归零，那么攻击者将无利可图。 就国家而言，似乎没有必要以这种方式攻击比特币这样的网络。 国家可以通过直接宣布比特币为非法来更简单地达到取缔比特币的目的。

(3) 产地

大多数人都知道区块链与比特币密切相关，甚至有人将区块链等同于比特币技术。 事实上，区块链技术只是比特币的底层技术，是比特币长期运行后从比特币中抽象出来的。 从某种角度来看，比特币也可以认为是区块链最早的应用。

比特币的创造者中本聪在其 2008 年发表的经典论文《比特币：点对点网络中的电子现金》中明确指出，传统金融体系不可避免地依赖于“第一‘三方’机构（传统银行），这种传统的中心化金融结构很难让货币像其他信息一样免费传输。正是为了解决这些问题，中本聪创造性地提出了创建去中心化、第三方、集体通过区块链技术的协同网络系统，无需中心化平台作为信任的桥梁，全网参与者作为交易监管者，交易双方无需建立信任关系即可完成交易，实现资产转移。如果说互联网TCP/IP协议是信息的高速公路，那么区块链的诞生就意味着首条建设的货币高速公路已初步形成。

就像核工程的研究最初是为了制造原子弹，后来人们意识到其更大的社会价值在于改造全球能源体系。 近年来，全球开发商、金融机构、企业乃至政府都发现，区块链的意义不仅仅局限于支持比特币交易。 区块链技术所创造的极低成本、去中心化、第三方、集体协作的网络系统本身也具有巨大的社会价值。

《经济学人》将区块链技术形象地比喻成一台“信任机器”，即无需中央权威机构就可以相互协作创造信任。 区块链技术适用于所有缺乏信任的领域，未来可能成为全球人类文明信任的基石，并可能彻底改变全球社会格局。 目前，随着区块链技术的成熟和演进，区块链的应用场景不再局限于比特币，以“以太坊”为代表的新一代区块链技术正开始构建全新的去中心化互联网架构，试图彻底颠覆所有互联网中心化架构平台（如支付宝、银行、保险等）。

4. 比特币底层技术

过去一年，虽然比特币本身饱受质疑，但人们逐渐从比特币的支付领域转向比特币的底层协议——区块链技术，并被越来越多的投资者和普通民众所接受。 区块链概念。 我们可以通过理解比特币的产生、交易等一系列过程来理解区块链技术。

(1) 比特币交易

比特币在整个P2P（互联网金融点对点借贷平台）网络中使用一个由众多节点组成的分布式数据库来确认和记录所有的交易行为。 在信息传输过程中，发送方用一个密钥对信息进行加密，接收方收到信息后用另一个配对的密钥对信息进行解密，保证了信息传输过程的私密性和安全性。 安全。 比特币交易不仅仅是对货币本身的支付。 以图1.1中的交易为例，如果B要向C支付100个比特币，那么B不仅需要在交易单上注明金额，还需要注明这100个比特币的来源。 由于每张交易票据都记录了基金的前任所有者、现任所有者和下一任所有者，因此可以基于交易票据实现资金的全程追溯。 这也是比特币的典型特征之一。 最后，当每笔交易完成后，系统会向全网广播，通知所有用户交易的执行情况。

图 1.1 比特币交易流程

(2) 区块+链

由于每笔交易都相对去中心化，为了更好地统计交易，比特币系统创造了区块的概念。 每个区块包含以下三个元素：一是本区块的ID（哈希），二是交易订单的数量，三是上一个区块的ID。 比特币系统大约每 10 分钟创建一个区块，其中包含这段时间内全网发生的所有交易。 每个块还包含前一个块的 ID。 这种设计让每个区块都可以找到它的前一个节点，从而可以将其推回到起始节点，从而形成一个完整的交易链。 因此，自从比特币诞生以来，全网就形成了一条独一无二的主链，记录着比特币诞生以来的所有交易记录，并以每10分钟增加一个节点的速度无限扩张。 每增加一个节点，这条主链就会向全网广播，让每台参与比特币交易的电脑都有一份。 在现实世界中，每一笔非现金交易都被银行系统记录下来，如果银行的计算机网络出现故障，所有数据都会丢失。 在互联网世界中，所有的比特币交易记录都存储在全球无数的电脑中。 只要世界上有一台装有比特币程序的计算机还可以工作，就可以完全读取主区块链。 如此高度冗余的交易信息存储使得比特币主链完全丢失的可能性极小。

图 1.2 区块链部分结构

资料来源：比特币：点对点电子现金系统

每个人都可以在验证交易的有效性后，根据这些交易数据生成新的区块。 为了避免虚假交易或重复交易，使这个新区块可信，需要建立工作量证明机制。 如果要修改一个区块中的交易信息，必须完成该区块及其后续相连区块的所有工作量。 这种机制大大增加了篡改信息的难度。 同时，工作量证明也解决了全网的共识问题，全网认可最长的链，因为最长的链包含最大的工作量。

(3) 比特币与区块链

综上所述，区块链就是一系列数据块通过密码学的方式相互关联。 在比特币的应用中，整个区块链就是比特币的公共账本，网络中的每个节点都有比特币交易信息的备份。 当一笔比特币交易发起时，信息被广播到网络中，通过算力竞争获得合法记账权的矿工将交易信息记录为一个新的区块，并连接到区块链上。 信息一经记录，不可随意篡改。 比特币是区块链的“杀手级应用”。 区块链是比特币的底层技术，其作用不仅限于比特币。 因此，虽然比特币和区块链经常被同时提及，但两者不能划等号。

5. 区块链模型架构

区块链系统由自下而上的数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成（如图1.3所示）。

(1) 数据层

数据层封装了底层数据块的链式结构，以及非对称公私钥数据加密技术、时间戳等相关技术。 这是整个区块链技术中最底层的调制解调器结构，其中大部分已经被发明了几十年，在计算机领域使用了很长时间，所以完全不用担心它的安全性，因为如果这些技术存在巨大的安全漏洞，意味着全球金融科技将出现严重问题。 中本聪在设计比特币时，为每个区块设定了 1MB（兆字节）的容量限制。 然而，由于比特币交易量的快速增长，1MB 的区块空间所能容纳的交易数量是有限的，因此考虑对区块链进行扩容以克服这一限制。

图 1.3 区块链系统数据层

(2) 网络层

网络层包括分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制。 由于采用了完整的P2P联网技术，意味着区块链具有自动联网功能。 这种P2P网络技术，应用于BT（比特流）、eMule（电驴）等P2P下载软件，也是比较成熟的技术。

(3) 共识层

共识层主要封装了网络节点的各种共识机制算法。 共识机制算法是区块链技术的核心技术，因为它决定了谁来记账，记账人选择的方式会影响到整个系统的安全性和可靠性。 目前已有十多种共识机制算法，其中最著名的有工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）和委托权益证明（DPoS）。 ）等待。 这些共识机制将在下一节中详细描述。

（四）激励层

激励层将经济因素融入区块链技术体系，主要包括经济激励的发行机制和分配机制。 不遵守规则的记账节点和惩罚节点可以使整个系统良性循环发展。 因此，激励机制往往也是一种博弈机制，让更多遵守规则的节点愿意记账。 在私有链（Private Blockchain）中，不一定需要激励，因为参与记账的节点往往是在链外完成博弈，即可能有强制力或其他需要参与记账。

(5) 合约层

合约层主要封装了各种脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特性的基础。 以以太坊为首的新一代区块链系统正在努力完善比特币的合约层。 比特币虽然也包含脚本代码，但它不是图灵完备的，即不支持循环语句； 以太坊内置了基于比特币结构的编程语言协议，理论上可以实现任何应用功能。 如果把比特币看成是一个全球账本，那么以太坊就可以看成是一台“全球计算机”——任何人都可以上传和执行任何应用程序，并且可以保证程序的有效执行。

(6) 应用层

应用层封装了区块链的各种应用场景和案例。 比如在以太坊上构建的各种区块链应用都是在应用层部署的，所谓的可编程货币、可编程金融也会在应用层构建。

在该模型中，基于时间戳的链式区块结构、分布式节点的共识机制、基于共识机制的经济激励、灵活可编程的智能合约是区块链技术最具代表性的创新。 其中，数据层、网络层和共识层是构建区块链应用的必要因素，否则就称不上真正意义上的区块链。 激励层、合约层和应用层并不是每一个区块链应用的必要因素，一些区块链应用并不完全包含这三层结构。

六、区块链的共识机制

区块链是一种通过数学共识机制的非对称加密算法，即在加密和解密过程中使用“密钥对”，“密钥对”中的两个密钥具有非对称特性：一个是使用一个其中的密钥加密后，只有另一把密钥才能解锁； 第二，其中一个密钥公开后，其他人无法根据该公钥计算出另一个密钥。 在区块链的应用场景中，首先，加密密钥是公开的，对所有参与者可见（公钥），每个参与者都可以用自己的公钥加密一条信息（真实性），解密时，只有拥有者的信息可以使用相应的私钥解密（机密性）以获得价值。 第二种是使用私钥对信息进行签名，然后通过其对应的公钥对签名进行验证，确保信息由真实持有者发送。 非对称加密使得任何参与者都更容易达成共识，最大限度地减少价值交换中的摩擦边界，还可以实现数据透明后的匿名性，保护个人隐私（如图1.4所示）。

图 1.4 私钥和公钥的关系