區塊鏈技術簡介

來源: 於 2019-11-02 09:08:43 [博客] [舊帖] [給我悄悄話] 本文已被閱讀：次

區塊鏈直觀地說就是一個“智慧”賬本在互聯網上有多個等同的拷貝。當一份拷貝作出合法得變更時，其他拷貝可以驗證這個變更得合法性，作出相同的變更，使得所有的拷貝同步得一摸一樣。

區塊鏈實現技術實際上已很成熟，主要就是：

  1. Merkle Trees （默克爾樹）
  2. Schnorr Signatures （斯諾爾簽名）
  3. Fiat Shamir and Pedersen Commitments（菲亞特、沙米爾、佩德森承諾）
  4. Hash Cash （散列現金）， 即為計算出某種散列值（或者說一個特定的值），計算機必須付出得計算量，即計算代價。

這些大都是上世紀80年代和90年代的技術。區塊鏈巧妙地把它們組合起來，為現代數字化社會提供新的應用。

以上的這些都是些數據安全（Data Security）的術語，區塊鏈的用戶不必知道技術細節。這些技術已經成功地用在了比特幣（BitCoin）上。十多年過去了（比特幣由中本聰發表於2008年10月31日，見“Satoshi Nakamoto, Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System, www.bitcoin.org, 31 Oct 2008”），比特幣的安全性可以說是很可靠的，實現比特幣的區塊鏈實際上經受了各種攻擊的考驗。

那麽，區塊鏈到底是什麽呢？這裏用一個“簡化版”來描述它的主要特性。細節得鑽研中本聰得文章。

這裏我們先用“電子幣”來描述區塊鏈的概念，然後在給出區塊鏈在電子幣以外的應用。

假設一個國家的公民和企業都使用電子幣。所有的電子幣的交易曆史，即從它開始的每次轉手，都記在一本有多個（數量可不等）等同拷貝的“公開賬本“上。這些拷貝有“智慧“，會做計算，實現我們前麵講的那些技術。這就是一個”電子幣區塊鏈“。

假定每個電子幣的原始出處可以被驗證的，比如說是國家銀行發的，帶有國家銀行的電子簽名，大家都接受。國家在開始發行電子幣時把不同的電子幣發給了一些個人和企業。這裏所謂的“發給“指的是把每個電子幣的歸屬記在”公開賬本“的每個拷貝上。如

 

時間點0：

    電子幣#1：張先生

    電子幣#2：張先生

    電子幣#3：張先生

    電子幣#4：王女士

    電子幣#5：王女士

    …

    電子幣#500 - #999：李超市

    … 其它

 

這本“公開賬本“在網上有許多等同的拷貝，供人們隨時隨地查詢。

從上麵這個“公開賬本“，我們可以很清楚地看到，張先生有3個電子幣，王女士有2個，李超市有500個，等等。

假如張先生要用一個電子幣在李超市采購（這裏用“一個電子幣“是為了方便描述，可以用0.1個，也可用1.1個，原理是一樣的），他可以寫一張交易單，如“轉電子幣#1給李超市，張先生簽”。

李超市當然可以驗證這張交易單的真實性，因為上麵有張先生不可更改的電子簽名。但要讓這份交易合法，即李超市“拿到”電子幣#1，這筆交易必須記到這本“公開賬本”上，成這樣：

時間點1：

電子幣#1：張先生 + [轉給李超市交易單][年月日時秒分]

電子幣#2：張先生

電子幣#3：張先生

電子幣#4：王女士

電子幣#5：王女士

…

電子幣#500 - #999：李超市

… 其它

再看這個“公開賬本”，稍加計算，我們可以得到，張先生有2個電子幣，王女士2個，李超市501個。

我們上麵談到，這個“公開賬本”有很多拷貝，它們是怎麽“同時”更改的呢？

實際上，每個拷貝就是在一個網絡計算機（服務器）的數據庫上。這些計算機就是所說的“挖礦機”，它們會把一個交易合法地加到它的“公開賬本”的拷貝上來掙前麵講的“散列現金 (Hash Cash)”。“散列現金”的來源，可以是多樣的，為簡單起見，我們假設國家獎勵0.1個電子幣給加上一個合法交易“挖礦機”的擁有者。一個“挖礦機”的擁有者，也能是公司，甚至就是國家本身。 一個區塊鏈有很多“挖礦機”。

當一個交易在“公開賬本”的一個拷貝上被成功地加上後，這台“挖礦機”就通知其它的“挖礦機”：“賬本已被成功更改。” 其它“挖礦機”做下麵幾件事：

  1. 驗證這份交易的真偽：這個可以驗證一下張先生的電子簽名。
  2. 驗證成功“挖礦機”賬本的完整性：檢查這台“挖礦機”掙到合法的“散列現金”沒有。
  3. 驗證自己的拷貝是否與送來的拷貝前一時間點是否一致，即檢查送來的拷貝在成功更改前與自己現在的拷貝是一樣的
  4. 然後更改自己的拷貝，使得它與成功“挖礦機”上的拷貝一致。

這樣，大家就有了個一致的“公開賬本”。這個“電子幣區塊鏈就被合法“地跟新了。

注意：任何人可以在任何時候看到所有的“公開賬本”拷貝。另外，我們也可想象每個人都有自己賬戶，知道自己有多少錢在賬上。比如說前麵的張先生，他隻知道自己的賬上還有2個電子幣，至於是幾號幣，他可能並不關心，就像大多數人不關心紙幣上的編號，隻要不是假幣就行了。

到這我們可以看到，區塊鏈就是一個記賬係統，它可以把合法的交易記上去，一旦記上去後就，任何非法篡改會立刻被檢測出來。

我們來看幾種可能的情況：

  1. 黑客進入一個“挖礦機X”，想在電子幣#2上加上一條“轉電子幣#2給孫假藥，張先生簽“這樣的交易。但黑客無法得到張先生得電子簽名，這條交易一上去，所有其它”挖礦機“都知道這個交易是假的，馬上通知”挖礦機X“。這種直接進入係統搞數據篡改在技術上是行不通的。
  2. 假如“挖礦機H”的主人是張先生，而張先生是個隱藏的黑客。他能把時間點1做的交易變掉嗎？假如現在是時間點2，電子幣#1已被轉手了幾次，為簡單起見，我們假設就一次（沒有轉手的情況也是一樣的）：“轉電子幣#1給蔡市場李超市，李超市簽””，這時 的“公開賬本”看起來像這樣：

 

時間點2：

電子幣#1：張先生 + [轉給李超市交易單][年月日時分秒] + [轉給蔡市場交易單][年月日時分秒]

電子幣#2：張先生

電子幣#3：張先生

電子幣#4：王女士

電子幣#5：王女士

…

電子幣#500 - #999：李超市

… 其它

 

黑客張先生不能在“挖礦機H”上簡單地去掉[轉給李超市交易單]以及以後的交易。這樣電子幣#1又回到了時間點0，馬上就被發現。

他可已試試把[轉給李超市交易單]改成“轉0.1個電子幣#1給李超市，張先生簽“。張先生有自己的電子簽名，他可以改，改完後在自己加上去，不掙”散列現金“。但他光改自己的交易單是不夠的，因為電子幣#1的交易曆史在”挖礦機H“上的完整性被破壞了，他必須自己把所有後麵的合法交易全取下來，這裏是[轉給蔡市場交易單][年月日時秒分]，再重新”合法“地加上去，以保持電子幣#1的交易曆史在”挖礦機H“上的完整性。他這樣做一是要損失很多”散列現金“，二是，他的”合法“賬本沒人承認，因為跟大家的都不一樣。而他改了以前的曆史實施大家都能看出來，隻有他能改，因為他有張先生的電子簽名。

在中本聰的文章裏（Satoshi Nakamoto, Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System, www.bitcoin.org, 31 Oct 2008”），還討論了許多其它更為複雜的攻擊情形比如說多個“挖礦機“黑客合作的情形，但都證明不是可行的，無論是在理論上還是在比特幣的實踐上。

如果把電子幣匿名，我們就有了密碼幣。比特幣就是個很好的例子，這裏就不多說了。

所以，區塊鏈可以看作一個數據庫的相同版本分布在互聯網上。它們可以被同步地合法地更改，但不能被非法地篡改。

區塊鏈除了在電子幣上有許多應用外，還有許多其它應用。如防假貨。我們可用下麵王女士買LV包來說明一下區塊鏈在物流市場裏的應用。

當LV生產出一個包後，它就給這個包的唯一的標識碼，並把這個包的標識碼和特征登記在一個“貴重品區塊鏈”裏。當然，就跟我們前麵電子幣區塊鏈的例子一樣，一旦登錄進去，這個LV包的曆史就不會再改變了。

王女士在付款前，先看看這個包是否已經賣出去了（她實際上不用自己看，她的購物應用程序會幫她查好），因為市場上不會有兩個包具有一樣的標識碼。王女士用她的電子幣付款，買下這個包，“貴重品區塊鏈”就記下這筆交易，這個LV包賣給了王女士。

這樣商家還會賣一個假LV包嗎？如果商家賣個假包，真包他會怎麽辦？肯定沒法再賣了，因為真包的標識符已進了“貴重品區塊鏈“。自己用？何必賣假包呢，不光自己還要花錢買假包，還要冒丟了做LV生意的風險，不如真包自己用，用完後二手賣掉，還省了買假包的錢。另外，這個真包沒有了LV的唯一標識符，真的也成了假的。

至於直接賣假貨，幾乎是不可能的事，因為一個假貨無法當真貨登記到“貴重品區塊鏈”裏。假LV包的標識符不會有LV的簽名的。

區塊鏈還有許多其它的應用，如個人履曆，智能合同（Smart Contract），法律文件、有機食品管理與跟蹤等。這裏就不一一列舉了。比特幣的成功，讓人們相信區塊鏈的技術是可行的，盡管要做到這一點，需要大量的計算資源和高速通信設施。

總結一下，從用戶的角度看，區塊鏈就是一個能夠被隨時隨地查詢、能夠被合法地更改，但不能被非法篡改、也不能輕易摧毀的網絡數據庫。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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