一文带你了解区块链

2021-01-13 | 阅读：次

本文不构成任何投资建议

阅读本文需要15分钟

这篇文章也是我在公司内部分享给大家的文章，主要介绍了区块链发展的大事件，货币的简史，区块链的核心技术，比特币的交易等。

前言

区块链技术伴随着数字货币比特币走向了人们的视野之中，要谈区块链，还是需要先了解下比特币。中本聪为什么要花这么大的心血去造比特币？其核心技术是什么？没有可靠中间人的情况下是如何完成交易的？又存在哪些不足？Libra，DECP又是什么？

区块链大事件

先来简单的了解了区块链的发展的大事件。

区块链的开始，要从这篇白皮书Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System开始，有兴趣的同学可以读一下。一个名叫中本聪的极客为了表达对政府肆意制造通货膨胀的不满，在2008年底，发表了上面这篇论文，2009年初，搭建了比特币网络，在比特币的创世块中，中本聪留下了这样的一段话：The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks。（2009年1月3日，财政大臣正处于实施第二轮银行紧急援助的边缘，这是当天英国泰晤士报头版头条的标题）。中本聪希望通过这个小玩意解决这样的问题：在以后的某个时刻，货币不在由政府来随意印发，从而使我们的财富进行保值。正是这9页A4纸大小的论文，开启了一个新的时代。

2010.5，美国佛罗里达州的一个程序员用1万个比特币购买了价值25美元的匹萨。

在早期，比特币更多的属于技术极客，，并没有多少人关注。

时间来到2013年，发生了很多大事。比如一枚比特币突破了1000美金。比如德国正式承认了比特币的合法地位，这也是第一个认可虚拟货币的国家。同年，年仅19岁的俄罗斯少年V神，认为比特币不是图灵完备（如不支持代码循环的逻辑）的，只能支持简单的转账逻辑、发起了Ethereum项目，支持图灵完美的智能合约，甚至提出了“code is law”。区块链由此进入2.0时代。

随后的几年时间里，诞生了各种各样的ICO，发了各种各样的空气币，吸引了（坑）无数的人。

2016年，IBM发布了企业级的区块链HyperLedger Fabric，得到了政府和企业的广泛关注。

2017年9月4日，央行等七部门联合叫停了非法ICO，促使人们更多的思考区块链技术本身的价值。

2019年6月18日，Facebook联合PayPal，Visa，万事达，eBay，Uber，沃尔玛等多家组织联合发起了Libra项目，其号称要建立一套简单的、无国界的货币，和为数十亿人服务的金融基础设施。

2019年10月24日，陈纯院士向中央做了区块链技术的汇报（消息公布后不到一天的时间比特币涨了40%）。随后央行宣布我们国家可能在明年推出数字货币DCEP。

2020年10月，央行在深圳，苏州展开了DCEP的实验，并且京东宣布支持DCEP。同年，美国正式认可了比特币，日本，新加坡央行也宣布了数字货币的实验。

2021年初，比特币冲上了历史高位，达到了4w美元。

这是大概的历史，下面让我们看下中本聪为什么要花心血造比特币。

货币简史

在中学的课本上，我们就学过，随着人类社会的发展，人们产生了分工，这个时候就需要交换，最早的时候是以物易物。

恩，这是极其不方便的。很快就出现了使用贝壳等稀缺性的物品来作为货币，进行交换。注意，这个时期，往往是没有类似“银行”这种产物的，由于条件的限制，人口比较稀少，活动范围比较狭小，我们每个人都足以记住这些交换。

随着社会的发展，人们的活动范围变大，接触的人越来越多，国家政权随之建立，技术得到进一步发展，比如冶金技术，人们开始使用通过加工的更加标准比如黄金来进行交换，同时人们已经不太可能点对点的发生金融关系了。随之还出现了“当铺”。

黄金也并不是完美的，主要体现在铸币原料的稀缺，携带不便，这个时候变诞生了纸币。与此同时，黄金并没有消失，而是作为了财富保值的手段，只是不用在大家日常的支付中。

随着技术的进一步发展，纸币的劣势也逐渐显现出来，如易造假，流通成本高，电子支付则逐渐成为主流。

好像一切都在向着好的方向去发展，但是也并不是这样。作为政府，在遇到经济危机的时候，第一个想到的就是印制货币，尤其是美国政府，遇到的经济危机，通过印制美元，把风险转移到全世界。如果印制货币的速度和财富增长的速度相同，倒也无可厚非。但是货币的印制速度往往是超越财富是增长速度的，这就导致所有普通人的财富会缩水。如果没有纸质货币，想超发货币是没这么简单的，方法只有发现金矿了。

所以，中本聪希望制造一种总量固定的比特币，来使我们的财富保值。其核心特点是：

去中心化。这意味着没有中心的服务器。
数据难以篡改。所有交易记录全量保存，并公开给所有的人，而且还被加密和校验。
固定的发行量。总共2100万枚。

他是如何实现这些特点的呢？核心技术是什么？挖矿是什么？为什么数据无法篡改？为什么发行量固定？我们接着向下看。

比特币的核心技术

区块链的核心技术包含密码学和共识算法两部分。

先来看密码学，密码学主要分为以下几个部分：Hash算法，对称加密和非对称加密。

Hash算法：能任意长度的二进制值（明文）映射为较短的固定长度的二进制值（Hash值），并且不同的明文很难映射为相同的Hash值。主要有MD5和SHA256。其主要特点是正向快速，逆向困难，输入敏感，冲突避免，这些特性将在区块链网络中发挥巨大的价值。
对称加密：主要包含DES和AES。其主要依赖的技术是：替换密码和置换密码。以及由二者演化出来的 SP网络和 Feistel密码结构。
非对称加密：主要包含RSA和ECDSA。主要是借助于一些难以解决的数学问题来实现的。

再来看共识算法。共识算法是指一个系统中的节点对不同的提案达成一致的算法，包含CFT和BFT两大类：

CFT：Paxos，Raft，其特点是没有作恶节点，但是节点可能无响应。
BFT：PBFT，POW，POS。其特点是节点可能无响应，也可能作恶。

比特币是如何完成交易的

看完这些核心技术，让我们来看看比特币是如何综合的利用这些技术的吧。让我们先来思考下，比特币是是如何完成一笔交易的？即在不借助于中心化的机构的情况下如何进行价值转移？

先不接着向下看，我们先来考虑下，会有哪些问题？

没有中间人如何避免双重支付的问题？

没有中心化服务器，时间戳来自于哪里？

Alice向Bob发起转账。进行签名后，把这笔交易向全网广播。
记账节点会对这笔交易争夺记账权，俗称挖矿，争夺成功的节点会获得奖励。
获得记账权的节点把这笔交易向全网广播，其他的节点验证成功后，会把这个区块加入到自己的账本中（同时收到多个区块怎么办？）。

这是其主要的交易流程，在这个交易流程中，在没有权威机构的情况下，是怎么保证交易顺利执行的呢？我们接着看。

先来看一下区块链长什么样子？

每个块中存储了真正的交易数据，自己的hash，前一个区块的hash。

把每个块连接起来就形成了区块链。

从前面的交易流程中，我们可以看到，其核心是第二步，挖矿。我们来看究竟什么是挖矿。简单的来讲，是需要保证下面的公式成立：

SHA-256(SHA-256 (Block Header)) < Target

我们从区块的数据结构中看到，只有一个Nonce字段是可以随便修改的，Timestamp时间戳是可以在一定范围修改的（这里补充一句，区块链网络中没有中心化的时间戳，具体的时间以本机为准，当然是有一定的范围的，是要大于前11个区块时间戳的中位数，且小于网络调整时间+2小时，网络调整时间是指所能连接所有节点的中位数）。

所以，我们要找个数字，让整个 hash 值小于 Target，所以本质上是求hash值的字符串有几个前缀0。 Target是系统自动调整的，保证平均出块时间差不多。举一个具体的case：

import hashlib
import time
data="HaoJunsheng"
n=1
starttime = time.time()
while n < 2**32:
	str = data + `n`
  # 注意这里是双重Hash，原因是单层Hash存在被长度攻击的可能
	hash = hashlib.sha256(str).hexdigest() 
	hash = hashlib.sha256(hash).hexdigest() 
	if hash.startswith('0000000'):
		endtime = time.time()
		dtime = endtime - starttime
		print(str,hash,"find prev 0 of 7,used time:",dtime)
		break 
	n=n+1

我们再考理性的分析下，挖矿的难度有多高，我们知道使用的算法是SHA256，那么一共有2^256种可能，现在的挖矿难度是寻找前18个零，那么意味着前缀有72bit的零，所以我们挖矿的可能性是1/2^184，这个概率是真的低。我们可以看出，挖矿是真的消耗CPU和电力。据统计，挖矿已经消耗了全球电力的0.13%，是真的浪费啊。

那我们为什么要浪费这么大的资源呢？

为了提高作恶的成本。挖矿节点需要耗费大量的CPU和电力来寻找Hash值，但是其他的节点却可以迅速的验证。

如果有一笔交易被修改，其他的节点可以迅速的感知到。

此外，值得一提的是，比特币提出了新的交易模型，和传统的金融不一样，其不在拥有余额模型，而是创新的引入了UTXO模型（Unspent Transaction Output），这是什么意思呢？

这有什么好处呢？由于没有余额模型，所以在转账的时候不必加锁，可以进行并行的转账。

区块链的局限性

前面我们分析了比特币技术的创新性，的确，为我们提供了在不借助中心化机构的前提下，实现价值的转移。

可是其局限性也是很明显的，下面列举了几条：

去中心化所带来的是成本的急速上升，包括网络传输成本，以及存储成本。当前以太坊的全节点的大小已经有几百个G了，而且还在不断的增长，这么大的存储对于普通人来讲是不乏接受的，所以最后也会演化成几个大玩家之前的游戏。
去中心化还带来了网络处理能力的不足，比特币和以太坊的TPS（transaction per second）只有个位数。Fabric只有几百。我们来看下今年双十一，阿里的tps高达54.4万。很明确的来讲，这样的tps根本无法满足我们在生活中的应用。
我们的智能合约也要公布给所有的人，在现有的技术环境下，很多代码都是有漏洞的，代码公布之后，被别有用心的黑客盯上，将是一个巨大的灾难。一个具体的case，美图秀秀公司发的美图币，因为智能合约的公开，被人找到漏洞，如下所示，这行代码一共造成了60亿人民币的损失。

cnt 和 _value 的计算结果生成了局部变量。第二个参数，即 _value,，可以是一个任意的 256 字节整数，通过将两个 _receivers 注入到 batchTranser()，再加上这个极其大的 _value，我们就能使得量溢出，将其 amount 的量变成 0。通过将量回归到 0，攻击者就可以绕过合理性检测代码，使得转账方的金额根本没有减少。最后，出现了一个非常有趣的结果：两个 receriver 的余额上增加了超级大的 _value，而这一切都不会花费钱包里哪怕一毛钱！

数据难以篡改，这个真的是个双刃剑，在现在这个社会，我们的隐私万一被泄露，并且记录到链上，还无法删除，真的是件可怕的事情。
发行量固定。这个固然不会造成通货膨胀，但是这个数量远远不够人们在实际生活中的需要啊，2100万枚必然会造成通货紧缩。
最终结算性问题：国际清算银行在《金融市场基础设施原则》里讲过一个原则，就是你要明确每一笔交易完成的时间点，这个时间点确定了，那就能确定这笔交易最终完成的那个时间点，这个点也是不可回退的一个点。
此外，区块链技术只能保证链上数据的难以篡改，无法保证链下到链上的数据的真实性与可靠性。

最后，在聊聊Libra和DCEP。

聊聊Libra和DCEP

前面有提到，Libra是Facebook联合PayPal，Visa，万事达，eBay，Uber，沃尔玛等多家组织联合发起的。这个事情的影响有多大呢，用央行支付司穆长春的话来说就是震惊了全世界的央行。虽然比特币，以太币也引起了央行的极大关注，但是Libra引起了包括美国，中国，日本，法国在内的多个国家成立了专门的工作组去评估这件事情的影响。那么其核心特点是什么呢？

技体系是区块链技术（其技术体系虽然是区块链，但是和传统的比特币这种技术架构是不同的，其采用的是双层架构体系。即底层采用许可链机制，上层的运营采用中心化的数据库，这样做主要是为了满足支付的需求）
Libra具备了价值体系，换句话说没发行一个Libra就必须有资产进行抵押，资产主要是一篮子货币。
强大的治理体系，核心成员包括大型互联网工资，支付公司，银行清算组织，还有一堆学术机构。Libra试图用自己强大的用户基础来推动世界货币体系的变革。

下面看下DCEP，DCEP的全称是Digital Currency Electronic Payment，即数字货币和电子支付工具。技术体系和Libra是很相似的。然后其主要是用来代替纸质的人民币的，同时和人民币一样，具备无限法偿性。相比之下微信和支付宝钱包里面的钱如果支付宝微信破产了，是没有任何保障的。其实，这是DCEP对于个人而言的优势吧。

对于国家来讲，DCEP的生命周期是全部可监管的，反洗钱，反逃税，反恐怖融资的工作更加的便利。