十、比特币的诞生与发展

谈起区块链必然会谈比特币,做为最创新的数字货币,本篇来介绍一下比特币的诞生历程及运行机制。

十、比特币的诞生与发展

比特币前传

大卫·乔姆的现金设计


1983年,他首次提出把加密技术用在创造一种数字空间的现金,在1989年还创建了一家公司来在商业上实现他的构想。现金有两个好处,一是匿名性,一是可以个人对个人交易,无需任何中介机构。


他解决所谓双花问题的方式是密码学的“盲签”(blind signature)


十、比特币的诞生与发展


比特币“现金”:一个玩具


比特币可看成是对乔姆最初设想的精彩改进,现在我们不会认可它是一种等同于现实世界的现金的流通货币,但它在技术上实现了类似与现金逻辑上相似的事物。


中本聪还要解决很多难题,其中主要有两个:


  • 一是如何“凭空发行货币”,

  • 二是“把一切信息都记录在账本中”


中本聪对区块链的重要设计改进


  • 用一种类似于哈希现金的协议(也就是必须先计算数学难题,然后才可以执行操作)来降低在区块链里增添块的速度。

  • 舍弃了签名,只依靠哈希指针来确保数据结构的完整性。



十、比特币的诞生与发展

比特币发展简史


  1. 2009年1月3日,中本聪制作了比特币世界的第一个区块“创世区块”并挖出了第一批比特币50个。

  2. 2010年5月21日,佛罗里达程序员用1万比特币购买了价值25美元的披萨优惠券,随着这笔交易诞生了比特币第一个公允汇率。

  3. 2010年7月,第一个比特币平台成立,新用户暴增,价格暴涨。

  4. 2011年2月,比特币价格首次达到1美元,此后与英镑、巴西雷亚尔、波兰兹罗提汇兑交易平台开张。

  5. 2012年,瑞波(Ripple)发布,其作为数字货币,利用区块链转移各国外汇。

  6. 2013年,比特币暴涨。美国财政部发布了虚拟货币个人管理条例,首次阐明虚拟货币释义。

  7. 2014年,以中国为代表的矿机产业链日益成熟,同年,美国IT界认识到了区块链对于数字领域的跨时代创新意义。

  8. 2015年,美国纳斯达克证券交易所推出基于区块链的数字分类账技术Linq进行股票的记录交易与发行。


十、比特币的诞生与发展

比特币的设计理念


可以理解比特币是一种在计算机网络上通过算法创造出来(不受任何组织和个人操控干预)、被计算机程序规定总量恒定(具备类似黄金的稀缺保值性)、通过加密等手段实现了所有权的点对点转移(能够不依赖任何中介自由的流通),基于人们对其发行交易体系的信任而逐渐形成货币价值的一种数字货币。

而比特币的核心价值不仅在于它具备了全球范围内的流通能力,更重要的是,它实现了不需要中心机构担保的的点对点直接交易。


平均每10分钟生成一个新区块、每个区块有1M大小等,并不是区块链系统设计时必须遵循的原则,在探讨区块链技术时候,我们还是应该从技术的核心特性和创新性出发。



十、比特币的诞生与发展

比特币对于数字货币的创新


在区块链技术之前,人们也曾试图在互联网上点对点传输数字货币(本质上是数字信息)来实现无中介的价值转移,但受限于数字信息的可复制性以及无法解决重复支付问题,很难真正实现。


而比特币区块链系统中,最伟大的创新是,货币拥有者不再需要通过证明自己所持有数字货币的唯一有效性来争取所有权,而是取决于所有权转移的过程被区块链网络上的其他节点们所认可——即你所拥有的比特币数量实际上是在那条最多的节点认可的长期共识的区块链上,你可以有效支出的比特币的数量。


而数字货币的优势到底在哪里?


财富的自由流动,不受限的自由流动是很多富人的终极需求,我想这是包括比特币在内的数字货币最核心的价值。


法币在比特世界中流动起来有非常大的摩擦力,发送方和接收方都要和公民的身份相绑定,有各种各样的限额,而且跨境流动非常困难。与之相比,多等几个确认的时间真是细枝末节的小事了。


从数据库技术角度看来,数字货币记账方式,和支付宝、微信支付记账的方式并无本质的不同,比特币交易的速度还很慢,大额交易一般都要等六个确认,时间达1小时左右。


数字数字货币的优势在于它们实现了比特世界中价值的低摩擦力流动。



十、比特币的诞生与发展

比特币的运行机制



一、交易账户身份的确认


  • 现行中心化系统中,中心单位通过在其总账中为用户设置账号和密码来进行确认。

  • 比特币区块链系统中,身份认证通过一对密钥完成,每一个账户创建时自动生成一对公钥和私钥,公钥对外可见,私钥仅由账户拥有者自己掌握。

  • 这对密钥的特点是,其中一个密钥加密过的信息,有且仅有另一个与之配对的密钥才能解密,而且用其中一个密钥无法推算出另一个密钥。

  • 交易过程中,支付方A使用私钥对既定信息进行加密,交易的记录者可使用公开的A的公钥对加密内容进行解密验证(如下图),来判断其是否为A账户真实拥有者。类似地,支付方A用目标收款方B的公钥加密既定信息,收款方B需使用自己的私钥解密验证才能获得收款资格。

  • 区块链中所说的数字签名,就是指这样用唯一匹配的私钥和公钥完成加密解密验证来证明身份的行为。

二、如何确认一笔交易的有效性


  • 现行中心化系统中,中心单位在其总账中为每个账户设置余额项,一笔收入之后余额增多,一笔支出以后余额减少,满足支出额小于账户余额便可以执行支出.

  • 比特币区块链中的验证机制比较独特,并不对支出账户的总余额进行查验,而仅需证明支出账户中至少还存在需支出额度即可,比如A需要支出20个比特币给B则只需要证明——自己的账户在历史交易中曾经收到过20个比特币且这20个比特币没有被支出过.

  • 比特币区块链通过给每个区块加盖时间戳,准确记录区块生成先后时间——也就是所记录交易发生的先后时间,以此来避免重复支付。若打包交易信息的过程中先后接收到两个矛盾的交易广播(比如Alice在一笔交易广播中,称将交易m中收入的25个币中的20个转给Bob,另5个转给自己;在另一个广播中将同样来自交易m中的25个币转给了Mary),在记账的节点通常会默认选择记录先听到的那一笔。

  • 等待六确认原则

    • 网络通讯会有延迟性,处于不同位置的节点听到两个广播信息的顺序可能并不一样。

    • 之后的区块记录者则会看到两条分叉的区块链,一条是记录着那笔真实交易的较短的区块链,一条是记录着虚假信息的较长区块链,在对交易信息的判断没有特别坚持的情况下,新的记录者往往会选择在更长的区块链上延续——更长的区块链往往代表了更完整的交易记录,于是,记录正确交易的那个区块则被抛弃,成为失效的孤块。

    • 上文中的B在得知记录正确交易信息的区块进入区块链后先别着急履行交易义务,而是需要等待之后5个区块都陆续承认此区块(即选择在此区块后面延长区块链),方才确认自己获得20个币的交易真正发生。

    • 其原因是,如果6次确认之后还有区块记录者妄图推翻这笔交易,将记录虚假信息的区块并入区块链,则必须推翻之前6个区块的记录,从倒数第7个区块后面衔接新区块,那么这条新的区块链则比另外一条区块链短了6个量级,这样的情况下,这条新区块链被后续区块记录者承认的可能性则会非常非常小,几乎不存在。

三、谁来记录交易


  • 面对已经有N个区块连接而成的区块链,获得第N+1块区块的记账权即意味着在区块链中生成了第N+1个新区块。

  • 比特币区块链上,区块生成的过程也就是比特币被创造的过程,每一个新区块生成,就会有既定数量的比特币被创造出来。

  • 生成一个区块可以创造的比特币数量被规定每4年减半一次,2009年1月第一个区块生成时,世界上有了第一批50个比特币,而2012年12月之后,每生成一个区块只会创造出25个比特币,以此类推不断递减,到达2140年将不再有新的比特币生成,那时候全世界比特币的总量为2100万个。

  • 记账者的奖励就是,获得所生成区块新创造出来的比特币!并且,广播交易寻求记账的交易者们可以选择支付给记录者一定的辛苦费,广播的交易信息中交易输出金额小于交易输入金额的部分,则默认支付给成功记录了这笔交易的新区块的创建者。


四、如何保证保证记录者能够客观记录交易。


  • 交易信息得以客观记录的重要前提有两个:

    • 第一,避免区块的记账权被操纵,比如某个节点或者某个组织控制下的多个节点连续多次获得记账权,那么他们就可能如我们前文中担心的那样,让一些虚假交易连续得到多个区块确认以至于很难再被推翻;

    • 第二,在区块链上的某些不遵从区块链规则的坏节点随机获得记账权后,记录虚假交易的行为,能够被纠正。

  • 比特币区块链系统解决这两个问题时有一个核心思想和一个基本假设

    • 核心思想是,让每一次记账权的获取都需要付出一定的成本,使操纵记账权所需付出的成本远高于可能获得的利益,从而让每个节点出于对自身利益最大化的考虑,自发、诚实地遵守协议中预先设定的规则;

    • 假设则是,大多数节点们能够理性判断承担成本和风险去做坏并不如遵守规则可获得的经济效益大,所以区块链上的所有节点中,不存在高达51%的坏节点,无法颠覆现行的规则。

  • 实际运行中为记账权获取所设置的成本是,区块记录者需要通过大量数学运算得到一个很难被算出来的“随机数”(现在平均要进行约2^ 32次不同随机数的代入运算才可能得到一个符合要求的随机数)!随机数找到后,记账者将填写了随机数的区块广播给其他节点,其他节点收到后则迅速验证随机数是否符合要求(随机数很难算出来但很容易验证)以及该区块记录的交易信息是否存在重复支付等。

  • 如果验证通过则判断其获得当前区块的记账权,那么就会停止自己这一轮的运算,转为争取下一个区块的记账权。

  • 也可能不很幸运的,两个距离较远的区块几乎同时算出随机数,并且都已经得到了部分节点的验证认可——距离自己较近的节点会先听到自己的广播,那么这两个区块哪一个最终成功进入区块链,则取决于之后获得记账权的区块选择了在哪个区块后面延续自己的区块,没有被选中的那个区块则成为一个废弃的孤块。

  • 这是一种工作量证明的共识机制,即通过承担一定的算力成本(电费和服务器费用等),完成了大量的计算工作而通过验证获取记账权。

  • 其中隐含的条件是,某一个节点成功完成运算获得记账权的概率与其服务器的运算能力占全网络运算能力的比例正相关,这也就解释了为什么,要想操纵记账权是需要付出难以想象的高昂成本的。

五、交易记录丢失或被篡改


  • 下一个区块将上一个区块的“区块头”的哈希值写入自己的区块中(一个区块由记录着区块基础信息的“区块头”以及记录着所有具体交易信息的“区块体”构成),即将上一个区块头的“头哈希”值填入新区块的“父哈希”字段中。

  • 区块与区块之间通过“父哈希”建立起对应的连接关系,进而组成一条完整的区块链。

  • 这就意味着,

    • 第一,我们可以通过索引当前区块的“父哈希”一直追溯到第一个创世区块;

    • 第二,如果有人妄图篡改其中一个区块上任意一个数据,则会引起一连串区块哈希值的变化,其篡改行为则会立即被识别。



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