区块链的起源、原理

肖自强　倪荣　陈慧

摘要：区块链技术凭借其独有的魅力：去中心化、有匿名性、公开透明、安全民主，作为数字货币的底层技术逐渐风靡。然而有关区块链技术的大规模用户的商业应用却仅仅局限于数字货币、交易所。但它的未来却不仅仅局限于此。文章简述区块链技术，介绍了区块链技术的起源、原理。

关键词：区块链;比特币;密码学原理;去中心化;共识机制

中图分类号：TP319        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）14-0283-02

Abstract： Blockchain technology， with its unique charm： de-centered， anonymous， open and transparent， safe and democratic， as the underlying technology of digital money is becoming popular. However， the commercial application of large-scale users of blockchain technology is limited to digital currencies and exchanges. But its future is not limited to that. This paper briefly describes blockchain technology and introduces the origin and principle of blockchain technology.

Key words： blockchain; bitcoin; cryptography; de-centric; consensus mechanism

1 区块链

区块链是未来的技术所在。什么是区块链？其实区块链并不是新鲜技术，而是一系列技术的集成，包括非对称加密技术、时间戳、共识机制。区块链也是一个去中心化的、点对点的、可匿名的、公开透明、自治民主的分布式的数据库系统。

区块链是制作信任的机器。区块链是去中心化的、基于密码学原理的系统。节点与节点之间平等并且相互信任，无须任何中心机构的监督，节点自发性地监督。区块链更是被认为是继大型机、个人电脑、互联网、移动/社交网络之后计算范式的第五次颠覆式创新，是人类信用进化史上，继血亲信用、贵金属信用、央行纸币信用之后的第四个里程碑[1]。所以区块链未来的应用广阔，尽管现在的区块链技术的大规模用户的商业应用仅仅局限于数字货币、交易所。未来区块链技术可能会与人工智能、物联网、云计算、大数据等相结合。在未来，社会生产力是计算能力，生產资料是数据，一部分的人类智慧将变成算法，而区块链则是链接人与人、人与物、物与物的纽带。在未来，人的劳动力将被解放，那是一个自动化的时代。所有的商业模式将被改写，所有价的值将被Token化，而数据交易、算力共享、算法分享等一系列更大程度协作将会释放人类的创作力，与此同时，更加伟大的科技成果将问世。

本文介绍了区块链的含义、特点、重大意义与未来。

2 区块链的起源

谈起区块链，不得不说的一个人是中本聪。中本聪是比特币的开发者兼创始人，2008年11月1日，中本聪在密码朋克组织发表了比特币白皮书——《比特币：一种点对点的电子现金系统》。值得一提的是2008年爆发的美国金融危机，刺痛了人们对主流金融的不信任的神经，也导致了人们对于金融公司以及理应监管它们的政府机构失去了信心。在此背景下，中本聪致力于研发一套应用于货币领域基于密码学原理的去中心化的点对点的交易系统。区块链作为比特币的底层技术，其实起源于货币。最早的时候，人们用贝壳、金银等稀有的物品来进行价值交换。接着又出现了金属货币。由于这些物品不易携带与传输，制作成本高，纸币出现了。纸币凭借国家的信用背书，使人们相信了纸币的价值。由于纸币需要制作成本，不方便运输。银行推出了电子货币，电子货币虽然方便、通用、增加社会效益，但是本质上还是依赖于国家的信用背书。这些法币的构建基础是国家机器。从社会成本的角度来看，执法所需的费用，军队的日常开支，都是法币的社会成本。进一步说维系法币的可持续发展所需的技术、人力、监管、设备以及审计等方面的投入，也都是法币的社会成本。那如何建立一个低成本、可持续发展的货币系统呢？中本聪将区块链技术成功的运用于比特币。这套系统是去中心化的、点对点的、基于密码学原理的安全可靠的系统。更是自成长、自激励、自运维的完全民主的系统。各个节点之间是平权的。2009年1月3日，中本聪在芬兰首都赫尔辛基的小型服务器挖出了第一个区块——创世区块，并获得50个比特币的奖励。此后10年间，如此规模庞大的比特币系统从未出现过一次错，也从未宕过一次机。这是一次伟大的技术变革。数字货币系统可以说是最低成本且最为成功的货币系统。

3 区块链的原理

一开始的时候，出现的是中心化的数字货币，但都以失败告终。后来去中心化的数字货币出现了，但也面临着两大技术挑战。一是货币伪造，二是重复支付。

为了杜绝货币伪造，中本聪的方法是记录所有货币的流通信息，即全网总账本。每进行一次交易，就要对全网进行广播，这样每个节点都有全网总账本。每一个货币都可以追根溯源，也就无法进行货币伪造。为了防止一个货币的重复支付，中本聪采用的是工作量证明机制。每发生一笔交易，就会对全网进行广播。如果重复支付，就意味着一个货币的多次广播。节点将其收到的某一次交易放到区块A内进行一次耗时计算，如果计算成功，就向全网进行广播。如果另一个在区块A的基础上完成区块B的验证，那么区块B就会挂在区块A之后。以此类推，就会形成区块链。如果重复支付，就会形成区块链分叉，但只有最长的区块链才是有效的，其他分叉将被认定为无效。这样，一个货币只能被支付一次。

通过工作量证明机制，比特币还杜绝非法篡改历史交易的可能性。除非篡改者拥有大于其他网络节点之和的计算能力，否则分叉永远也没有主支长，这样的篡改是无效的。

这样比特币就是安全的了，那么比特币在没有中心化节点的情况下又是如何发行的呢？

其实，比特币的发行也源于自身。由于比特币的每笔交易都需要验证。对区块创造者，也就是第一个成功验证的节点进行激励——获得新的数字货币。这样对创世纪的比特币进行验证，比特币就会像滚雪球一样越滚越多。但由于比特币系统的设计，比特币总量恒定为2100万个。最初的时候，每10分钟会生成一个交易区块，成功验证者可以获得50个比特币的奖励。但每4年比特币的奖励会减半，这样保证了比特币的总量的恒定。

验证交易的机制是怎样的呢？也就是比特币的发行机制是怎样的呢？

验证交易其实是比赛大家10分钟内找到一个随机数。这个随机数与上一个数据块的哈希值以及10分钟验证过的新交易合起来可以得到某个条件的最小哈希。由于其特殊性，无法进行推导，只能采取穷举法。所以验证交易比较的是大家所拥有的计算机的计算能力。从概率论的角度考虑，谁拥有的算力占比越高，获得新的比特币的机会也越高。这样也形成就一条从前到后不断验证的数据链条，他人无法篡改。比特币系统还会动态调整验证交易的时间，如时间少于10分钟，就降低哈希值下限，提高交易验证的难度。当一笔交易被确认6次以后，就认为该笔交易得到了全网的认可，合法、有效、且不可撤销。

比特币可以被破解密码，盗取比特币吗？又是如何进行转账的？

通过椭圆曲线算法可以生成数量足够多的公钥、私钥，私钥代表的是比特币账户的所有权。由于私钥数目足够多，所以无法用现有的计算机硬性破解。一旦丢失私钥，就相当于丢失了里面的比特币。私钥不与身份绑定，所以具有匿名性。但可以公开公钥，这样所有的交易流水、余额都可以公开。非对称加密技术还可以使比特币顺序转账。举例：A向B转账1个btc。只要A用自己的私钥加密这条信息，并进行全网广播。全网节点通过A的公钥解密这条信息是A发出的。经过验证之后，A就可以向B转账一个btc。

4结束语

区块链起源于比特币，准确地说，起源于信任问题。区块链提出者——中本聪，将区块链首次应用于比特币，致力于解决货币领域的信任问题。他对信任问题的解决办法是用密码学原理来解决信任问题，这种密码学原理通俗地说是用体系、规则来解决信任问题。

相信在未来，区块链技术会让人与人、人与物、物与物更大程度地信任。所有需要信任的领域，也许都将采用区块链技术。

参考文献：

[1] SWAN M.Blockchain：blueprint for a new economy[M].USA：OReillyMediaInc，2015.

[2]歐阳丽炜，王帅，袁勇，倪晓春，王飞跃.区块链智能合约的发展现状：架构、应用与发展趋势[J/OL].自动化学报：1-13[2019-03-04].

[3]袁勇，王飞跃.区块链技术发展现状与展望[J].自动化学报，2016，42（04）：481-494.

[4]张宁，王毅，康重庆，程将南，贺大玮.能源互联网中的区块链技术：研究框架与典型应用初探[J].中国电机工程学报，2016，36（15）：4011-4023.

[5]沈鑫，裴庆祺，刘雪峰.区块链技术综述[J].网络与信息安全学报，2016，2（11）：11-20.

[6]王海勇，郭凯璇，潘启青.基于投票机制的拜占庭容错共识算法[J/OL].计算机应用：1-7[2019-03-04].

[7]甘俊，李强，陈子豪，张超.区块链实用拜占庭容错共识算法的改进研究[J/OL].计算机应用：1-10[2019-03-04].

[8]倪荣，肖自强.区块链的发展与安全[J].电脑知识与技术，2018，14（12）：24-25.

【通联编辑：王力】