從人類記賬進化史，超詳解物聯網領域顛覆式技術區塊鏈

摘要：

什麼是區塊鏈呢？我們可以理解為它是一種人類記賬史的進化。

人類社會為了克服人腦的問題做了記賬的體系。當農業社會出現私有制和所有權概念的時候，如何測量、稅務、貿易就成了需要解決的問題。而人腦具有自我欺騙的特徵，當超過150人後賬目就很難管理，因此需要藉助數學工具，進而演變成應用到金融領域的金融技術。金融技術起源於如何證明權利的真實性，其基礎是記錄資產的合約，體現了記錄對象的物質屬性和技術屬性。因此，人類社會為了克服人腦的問題發明了記賬的體系，通過把相關協議和合約記錄出來，從而實現了金融追索權物質化。

區塊鏈是互聯網時代的記賬方式。記賬的歷史經歷了一個漫長的發展過程，從最初的包括結繩計數、算籌、符木等的符號記錄，到促進資本主義發展的複式記賬法，記賬方式的發展與經濟活動的發展相互促進。而區塊鏈系統則是互聯網時代的一種記賬方式，其以數學演算法作為背書，在一個公開透明的數學演算法之上建立了一個能夠讓所有不同政治文化背景的人群達成共識的信用機制，所涉及的也是記賬、對賬、分賬等科目，而凡是和經濟活動相關的信息都屬於記賬的範疇，因此其具有廣泛的應用領域。

那麼區塊鏈技術的運作原理是什麼？為什麼互聯網大佬紛紛認為這項技術將重新定義世界？

在了解區塊鏈之前，我們先看看比特幣的生態系統。

我們首先回顧區塊鏈技術當前最成熟的應用場景之一"比特幣"。2009年1月3日，區塊鏈家族的第一位成員——創世塊（the Genesis block）問世。比特幣區塊鏈傳遞出一條簡單的信息：「2009年1月3日，《泰晤士報》，財政大臣即將申請銀行的第二輪救助。」比特幣就從這個區塊中誕生了！

從化名創立者中本聰最初的提議開始，比特幣完成了一次艱苦卓絕的長征。從被銳意創新的技術專家和自由論者接受開始，這項科技就一直在不斷發展壯大，並且從最開始的姿態向更廣的研究範圍和世界金融領域的運用轉變。

區塊鏈的起源：一種支持比特幣運行的底層技術

如上圖所示，區塊鏈的概念首次在2008年末由中本聰（Satoshi Nakamoto）發表在比特幣論壇中的論文《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》提出。論文中區塊鏈技術是構建比特幣數據結構與交易信息加密傳輸的基礎技術，該技術實現了比特幣的挖礦與交易。中本聰認為：

第一，藉助第三方機構來處理信息的模式擁有點與點之間缺乏信任的內生弱點，商家為了提防自己的客戶，會向客戶索取完全不必要的信息，但仍然不能避免一定的欺詐行為；

第二，中介機構的存在，增加了交易成本，限制了實際可行的最小交易規模；

第三，數字簽名本身能夠解決電子貨幣身份問題，如果還需要第三方支持才能防止雙重消費，則系統將失去價值。基於以上三點現存的問題，中本聰在區塊鏈技術的基礎上，創建了比特幣。

【下圖】基於第三方機構消費系統存在的問題暨比特幣創立背景

2009年1月3日，中本聰製作了比特幣世界的第一個區塊「創世區塊」並挖出了第一批比特幣50個。

2010年5月21日，佛羅里達程序員用1萬比特幣購買了價值25美元的披薩優惠券，隨著這筆交易誕生了比特幣第一個公允匯率。

2010年7月，第一個比特幣平台成立，新用戶暴增，價格暴漲。

2011年2月，比特幣價格首次達到1美元，此後與英鎊、巴西雷亞爾、波蘭茲羅提匯兌交易平台開張。

2012年，瑞波（Ripple）發布，其作為數字貨幣，利用區塊鏈轉移各國外匯。

2013年，比特幣暴漲。美國財政部發布了虛擬貨幣個人管理條例，首次闡明虛擬貨幣釋義。

2014年，以中國為代表的礦機產業鏈日益成熟，同年，美國IT界認識到了區塊鏈對於數字領域的跨時代創新意義。

2015年，美國納斯達克證券交易所推出基於區塊鏈的數字分類賬技術Linq進行股票的記錄交易與發行。

近期，花旗集團、日本三菱日聯金融集團、瑞士聯合銀行和德意志銀行等全球大型金融機構，也將應用「區塊鏈」技術，打造快捷、便利、成本低廉的交易作業系統。在金融領域之外，區塊鏈技術也開始應用於保護知識產權、律師公證、網路遊戲等有信息透明公開並永久記錄需求的領域。

以比特幣為例，可以把區塊鏈想像成一個比特幣的公共賬本。

第一，這個賬本存放在互聯網的各個比特幣節點上，每個節點都有一份完整的備份。

第二，這個賬本記錄著自比特幣誕生以來的所有比特幣轉賬交易。

第三，這個賬本是分區塊存儲的，每一塊包含一部分交易記錄。每一個區塊都會記錄著前一區塊的id，形成一個鏈狀結構，因而稱為區塊鏈。

第四，當要發起一筆比特幣交易的時候只需把交易信息廣播到網路中，礦工把交易信息記錄成一個新的區塊連到區塊鏈上，交易就完成了。

【下圖】比特幣網路

值得重視的是，區塊鏈正在走進金融機構、大型企業、政府決策層的視野，大有從「草根力量」引發經濟變革的態勢。

以下是例證——

【下圖】比特幣區塊鏈交易的具體流程示意（點擊放大看清楚）

記賬方式的顛覆式創新

——區塊鏈：集體參與的去中心化的分散式資料庫

區塊鏈技術作為比特幣的基礎性技術，具有高度透明、去中心化、去信任、集體維護（不可更改）、匿名等性質。這些性質體現了分散式自治的理念，逐漸受到擁有創新意識的金融機構的廣泛關注。DAC（Distributed Autonomous Corporation）翻譯為分散式自治機構。所謂DAC，就是通過一系列公開公正的規則，以無人干預和管理的情況下自主運行的組織機構。這些規則往往會以開源軟體的形式出現，每個人可以通過支付手段獲得不定形式的回報，分享收益，參與系統的成長。比如，比特幣、納斯達克的新平台以及其他應用就是典型的DAC。

自2009 年中本聰提出比特幣概念，比特幣起初因為其高度的隱蔽性和不可追蹤性受到了「黑市絲綢之路」用戶的青睞，後期又頻繁被當作贖金來使用。雖然博得了眼球，但比特幣至今仍沒有成為一種主流貨幣，過高的波動性和各國監管層對其複雜的態度抑制了比特幣的發展。但其背後的數據結構—區塊鏈卻得到了快速的的發展。

作為一種基於開源軟體和建構上的P2P網路，在和貨幣相關的例如交易支付等領域，相比傳統網路的支持方式，區塊鏈可以為這些領域帶來多種優秀特點。這些優點包括：去中心化、無須信任系統、去中介化、不可篡改、加密安全性。這些優點的疊加可以解決兩個長期存在於加密數字貨幣行業的問題：「雙花」問題和「拜占庭」將軍問題。

去中心化：區塊鏈是一個由各礦工節點記賬維持，並儲存在全球範圍內各個去中心化節點的公開賬本，因為每個節點和礦工都必須遵循同一記賬交易規則，而該規則基於密碼演算法而非信用，同時每筆交易需要網路內其他用戶的批准，所以不需要一套第三方中介結構（比如說銀行）或信任機構背書。在傳統的中心化網路中，對一個中心節點（例如支付中介第三方）實行有效攻擊即可破壞整個系統，而在一個去中心化的例如區塊鏈的網路中，攻擊單個節點無法控制或破壞整個網路，掌握網內50%的節點只是獲得控制權的開始而已。

無須信任系統：區塊鏈網路中，通過演算法的自我約束，任何惡意欺騙系統的行為都會遭到其他節點的排斥和抑制，因此其不依賴中央權威機構支撐和信用背書。傳統的信用背書網路系統中，參與人需要對於中央機構足夠信任，隨著參與網路人數增加，系統的安全性下降。與之相反，區塊鏈網路中，參與人不需要對任何人信任，但隨著參與節點增加，系統的安全性反而增加，同時數據內容可以做到完全公開。不可篡改和加密安全性：區塊鏈採取單向哈希演算法，同時每個新產生的區塊嚴格按照時間線形順序推進，時間的不可逆性導致任何試圖入侵篡改區塊鏈內數據信息的行為很容易被追溯，導致被其他節點的排斥，從而限制了相關不法行為的產生和施行。

「雙花」問題：加密數字貨幣和其他數字資產一樣，如同可以將一個文件以附件形式保存並發送任意多次，具有無限可複製性的缺陷。如果沒有一個中心化的機構，我們無法確認一筆數字現金或資產是否已經被花掉或提取。為了解決「雙花」問題，可以信賴的第三方需要保留交易總帳從而保證每筆現金或資產只被花費或提取過一次。在區塊鏈中，每一個區塊都包含了上一個區塊的哈希值，從創始區塊開始連接到當前區塊從而形成塊鏈。每一個區塊都要確保按照時間順序在上個區塊之後產生，否則前一個區塊的哈希值是未知的。同時，由於區塊鏈中所有交易都要進行對外廣播，所以只有當包含在最新區塊中的所有交易都是獨一無二且之前從未發生過，其他節點才會認可該區塊。因此在區塊鏈中，「雙花」變的非常困難。

「拜占庭將軍」問題：拜占庭問題的核心問題是當戰場上多個將軍互相併不信任彼此（存在叛徒）時，互相相隔甚遠無法碰頭，但卻要保證進攻時間一致，所以某種分散式遠程協調溝通機制尤為重要。如果每個將軍向其他九個將軍派出一名信使，也就是10 個將軍每個派出了9 名信使，即為總計90 次的傳輸，每個將軍會分別收到9 條信息，可能每一封都附著不同的進攻時間。此外，部分將軍會答應超過一個的攻擊時間，故意背叛發起人，所以他們將重新廣播超過一條的信息鏈。這個系統迅速變成不可靠信息和攻擊時間相互矛盾的混合體。區塊鏈通過為發送信息加入了成本，也就是基於計算一個隨機哈希演算法得到遺傳64 位的隨機數字和字母組成的字元串的「工作量證明」，並加入了一個隨機元素以保證在一個時間只有一個將軍可以進行廣播，解決了這個問題。

【下圖】區塊鏈技術的特點

區塊鏈的原理：去中心化的分散式記賬系統

區塊鏈技術的核心是所有當前參與的節點共同維護交易及資料庫，它使交易基於密碼學原理而不基於信任，使得任何達成一致的雙方，能夠直接進行支付交易，不需第三方的參與。

信息的不對稱使得中心化的結構在現實生活中比比皆是：我們的匯款需要通過銀行中轉，網上交易需要支付機構擔保，買賣房產需要通過房產中介等等。中介機構的存在一定程度上解決了交易雙方的信任問題，但同時也帶來了抬升交易成本、降低交易效率以及中介本身的道德風險等問題。互聯網的出現大大的降低了信息不對稱的程度，在網路世界中的低金錢敏感度的領域，去中心化的組織已經初見雛形。比如眾籌，一個獨立的個體參與一起眾籌是基於自身對該項目的認知，而不依賴於眾籌平台本身的大小，實際上眾籌平台也並不為眾籌項目的價值提供擔保。

從技術上來講，區塊是一種記錄交易的數據結構，反映了一筆交易的資金流向。系統中已經達成的交易的區塊連接在一起形成了一條主鏈，所有參與計算的節點都記錄了主鏈或主鏈的一部分。一個區塊包含以下三部分：交易信息、前一個區塊形成的哈希散列、隨機數。

交易信息是區塊所承載的任務數據，具體包括交易雙方的私鑰、交易的數量、電子貨幣的數字簽名等；前一個區塊形成的哈希散列用來將區塊連接起來，實現過往交易的順序排列；隨機數是交易達成的核心，所有礦工節點競爭計算隨機數的答案，最快得到答案的節點生成一個新的區塊，並廣播到所有節點進行更新，如此完成一筆交易。

【下圖】區塊和區塊鏈的組成

【下圖】交易實現、區塊鏈形成的步驟

區塊是交易系統中每一個時間段所有交易的電子化記錄。創世塊生成之後，當一個節點向全網所有節點廣播交易需求時，所有願意參與的節點都可以響應交易。同時通過一定的共識機制選擇部分節點參與該段時間內的交易記錄，當交易記錄被全網多數節點驗證通過便形成記錄該段時間交易的區塊。區塊的結構一般包括塊頭和塊身兩部分，其中塊頭是該區塊與前一個區塊的索引以及該區塊的相關情況，塊身則記錄了該筆交易的信息。只要一個交易系統沒有關閉，理論上區塊會隨著新交易的不斷達成而不斷產生，並不斷的更新保存到每一個系統內的節點。

鏈的基礎是時間戳，保證了區塊鏈系統的可溯源。交易有先後，對應的區塊的生成也有先後，區塊按照時間先後順序連接形成區塊鏈。由於每一個區塊上記錄的交易信息均存在於每一個系統內節點且對於全網是可見的，因此所有系統內節點參與的交易記錄以及實時的留存價值都是可查詢的，這就解決了參與交易的門檻和節點真實性難題，解決了交易過程中的信任問題並實現了區塊鏈系統本身的可溯源。無疑，可溯源性消除了參與交易方的道德風險，避免了無效交易和虛假交易的發生。此外，透明的交易信息綁定的是交易節點，而節點背後的個人則被隱藏，從而解決了隱私的問題。

區塊鏈的本質是一種分散式記賬的資料庫。在基於同一個交易協議的基礎上，當一筆交易發起時，該交易系統內的所有節點都可以參與交易的響應。將一段時間內的所有交易信息記錄下來並形成一個區塊，按時間前後相連就形成區塊鏈。因此，區塊(完整歷史)與鏈(完整驗證)相加便形成了區塊鏈(可追溯完整歷史)，其存儲了該交易系統從第一筆交易發起至今的所有歷史數據，並為每一筆數據提供檢索和查找功能，能夠逐筆驗證。

【下圖】記賬方式分類

有了區塊鏈之後，當一個用戶想要進行歷史交易的驗證時，可以通過一系列基於密碼學與數據結構學的運算追蹤交易所屬的區塊，從而完成驗證。此外，對於隨機數答案難度的調整可以控制新區塊的生成速度；私鑰的保密性可以保證和實現匿名交易；對於歷史交易數據的剪枝可以實現硬碟空間的回收：經過中本聰的測算，經過完全剪枝的區塊鏈數據一年只生成4.2MB的數據量。

技術尚處初期，發展尚需實踐。

區塊鏈分散式結構帶來了眾多優勢，也產生了許多問題。首先，所有節點同時參與記錄並將交易信息實時更新並存儲，帶來了大量的能量消耗和對存儲量的要求。其次，一個區塊的生成需要系統內多個節點參與記錄並驗證通過，帶來能量浪費的同時也大大延緩了交易達成的時間，比特幣系統當前的理論峰值是7筆/秒，而支付寶在2015年雙十一則高達8.59萬筆/秒，在大規模交易面前區塊鏈系統的承壓能力還需要大幅提高。

德勤將區塊鏈的應用分成三個階段：

第一階段是理論探討階段；

第二階段是金融機構紛紛建立實驗室，開始關注區塊鏈概念技術，並開始用區塊鏈做一些業務測試；

第三階段是大規模應用階段，區塊鏈真正走到生產系統中去；當前尚處於第二階段。

【下圖】區塊鏈的發展歷程展望

區塊鏈的硬體：挖礦提供強大的計算能力支持與安全保證

區塊鏈系統同任何一個數字系統一樣，都離不開計算機硬體的支持。去除了第三方機構的同時，也無法得到第三方機構提供的硬體支持。區塊鏈集體記賬的特點要求每個支持交易的節點都能夠為系統提供計算能力，由此提出了一種鼓勵節點競相提供計算能力的機制——挖礦。

【下圖】第三方機構支持的硬體系統與區塊鏈硬體系統的對比

2016年1月，支持比特幣運行的區塊鏈的計算能力已經達到了800,000,000Gh/s，代表每秒能夠進行8×10[18]次運算，全球Top500的超級計算機的算力加在一起都遠遠不及這個數量級。區塊鏈礦機網路的強大運算能力也讓人們認識到區塊鏈技術背後群體力量匯聚之後的超級力量。

【下圖】比特幣區塊鏈的計算能力

中國東北的一家挖礦工廠擁有2500台礦機，每個月支持礦機計算的電費就達到了40萬人民幣，儘管工廠內有製冷系統，但是室內溫度還是達到了40度。隨著區塊鏈礦機網路計算能力的增強，礦機挖礦的難度也在增大。挖礦行業已經成為了一個完全競爭的市場，挖礦的難度和中彩票相當，沒人可以輕易地、連續地將新塊加入到塊鏈中。同時，這也意味著區塊鏈的安全性越來越高，通過偽造區塊的方式偽造交易變得幾乎不可能。2014年的CES展會上，蝴蝶公司展示了最新的挖礦機，該機器的運算能力達到了600GH/s。

【下圖】左-東北一家挖礦工廠；右-2014年CES 展會上展出的挖礦機

區塊鏈是群體智慧、互聯網思維的技術實現

區塊鏈所指代的兩個概念容易讓人混淆：

一是支持比特幣運行的區塊鏈，該區塊鏈在2013年9月就達到了1PH/s的計算能力，意味著它成為了全球最大的算力網路，它的強大算力體現了群體智慧的力量；

二是根據區塊鏈技術重新構建的區塊鏈，這個區塊鏈可能是私有的、部分公開的或是完全公開的。

節點的競爭式計算實現了群體智慧的生物邏輯

1994年，凱文·凱利的著作《失控》首次出版，外界評價它為互聯網發展的「先知預言」。書中描述的一個重要觀點是：蜂群、蟻群等生物群體是由單個生物組成的「超級有機體」，單個生命體的智慧雖然微乎其微，但是其匯聚形成的「超級有機體」的群體智慧力量大到能夠覆蓋並維繫整個族群生活的方方面面，保證種群的繁衍。

群體智慧就是這樣一種大自然賦予的生命邏輯，群體通過一種簡單的規則聯繫起來，每個個體看似微不足道，但是匯聚起來的智慧和力量卻無比強大，往往強大到能夠超越種群自身智力上或身體結構上的限制，整個系統的運行看似混亂卻保持著驚人的和諧。長久以來，人們利用自然邏輯創造機器、輸入機器、產生靈感的例子，已經不勝枚舉，如根據蝙蝠超聲定位發明了超聲波雷達，根據鳥飛行的姿態發明了飛機等等，又如根據生物的神經網創造的人工神經網路，根據細胞的排列創造的元胞自動機等等。群體智慧同這些應用一樣源於自然，不同的是，群體智慧更多的是一種創新的哲學，是「長尾理論」「共享式經濟」「互聯網思維」等思想和理論的基礎：即去中心化，強調共享，強調群體自身的智慧與力量。

【下圖】從自然現象中啟發的創新思想

在虛擬的數字世界中，「機器的智慧」體現在計算能力上。區塊鏈技術中節點的集體競爭式計算由於其獨特的計算方式（不斷生成隨機字元串直到獲得正確答案），因此競爭式的計算也能達到分散式計算所產生的合作效果，單個節點的計算能力得以匯聚成系統的超強計算能力。2016年比特幣的區塊鏈的計算能力已經達到了每秒能夠進行8×10[18]次運算，而號稱世界運行最快的計算機，美國用於核武器研發的藍色基因/L超級計算機每秒能進行2.8×10[14]次運算，區塊鏈的計算能力約為世界上最快的單台計算機的計算能力的28,000倍。

區塊鏈的集體式計算從技術上實現了群體智慧的邏輯，由個體匯聚而成的「超級計算系統」的計算能力超越了個體的限制。有技術人員甚至認為，互聯網時代將從以信息為基礎的「數字時代」進入以算力為基礎的「計算時代」。

區塊鏈技術的應用體現了互聯網思維的新高度

近幾年，國內掀起了互聯網投資熱潮，互聯網各個領域的創業項目層出不窮，根據CVSource投中數據終端顯示，2015年互聯網行業融資案例1,105例，其中披露金額286.14億美元，環比增長316.28%。2014年7月，中國國務院頒布了《關於積極推進「互聯網+」行動的指導意見》把「互聯網+」列入「十三五」規劃產業的發展主線，提出拓展網路經濟空間，發展分享經濟，促進互聯網和經濟社會融合發展。實施國家大數據戰略，推進數據資源開放共享。

「互聯網思維」最早由百度公司提出後，其對於產品的創新和指導意義越來越多的被業界、學者所認可，「互聯網思維」這個詞也演變成了多個不同的解釋。任何一種解釋，都會強調互聯網思維中最重要的三個方面：「開放式」「自主化」「體驗化」。區塊鏈技術的 「去中心化」「高度透明」「集體維護」正好體現了「開放式」「自主化」的互聯網特徵。

與之前國內外的一些互聯網產品重視互聯網思維在功能創新上的應用不同，區塊鏈是從底層技術上對於互聯網思維的一種應用，目的是從互聯網的生態邏輯層面承載更多功能，而不是簡單創造更好的用戶體驗吸引更多用戶，顛覆性更強，受益範圍更廣。

【下圖】區塊鏈與普通互聯網創新的對比

區塊鏈技術的創新和應用

按時間順序記錄事件的特點創新了資料庫的形式

從應用角度看，區塊鏈技術是維護一個不斷增長的數據記錄的分散式資料庫技術，數據除了交易數據還可以有其他表現形式。區塊鏈集體維護資料庫的技術特點，不同於以往任何一種資料庫形式。以往的資料庫可分為關係型資料庫和非關係型資料庫（NoSQL），兩者各有特點：關係型資料庫是最原始的資料庫形式，是基於實體關係模型建立的，代表有Oracle、MySQL、Microsoft SQL Server等；隨著WEB2.0和SNS的興起，傳統關係資料庫在處理數據上暴露了很多難以克服的問題，而非關係型的資料庫由於其自身的特點得到了迅速發展，代表有HBase、MongoDb、Oracle BDB等。區塊鏈對於資料庫的創新不同於以往任何一種資料庫形式，它是一種分散式的、集體維護的、按照時間順序將事件數據排列的「時間軸資料庫」。

【下圖】資料庫技術的發展及其特徵

區塊鏈在多個領域存在顛覆式應用價值

根據區塊鏈科學研究所(Institute for Blockchain Studies)創始人Melanie Swan（梅蘭妮.斯萬）的觀點，目前由區塊鏈技術所帶來的已有和將有的革新主要分為三類：區塊鏈1.0、2.0、以及3.0。

關於這三個階段，徹底搞清楚了這篇之後，我們再來一篇圖文並茂的進階篇好好講述一下區塊鏈的技術和應用及發展階段。

編輯整理：FINTECH，吳冰玉