区块链为何改变世界？浅谈其工作原理

编译整理：科技行者

比特币曾被视为一种“惊天动地”的产品，如今全世界都为之疯狂。

自经济衰退以来，加密货币一直备受追捧，并被誉为解决传统金融体系内不公正和腐败的良方。 支持者相信，随着这种并发货币的腾飞，它将直接与导致经济危机的机构竞争，并最终将其推倒。 比特币的非官方标语是“我们值得信赖的加密”——这无疑将矛头指向了中间商、银行家和“值得信赖”的第三方，但实际上并不值得信赖。

在传统操作中，当您用支票支付抵押贷款时，金融机构与其他相关方之间会建立一系列协议，以确保资金从您的账户转移到其他人的账户。 在此过程中，银行会记录账户中每一分钱的进出，以确保您的资金始终安全无虞。

比特币的出现，就是试图用密码学和代码来代替这些中间商提供的服务（即去中心化）。 更具体地说，它使用了区块链的分布式安全数据库，它允许比特币的所有权从一个人转移到另一个人，无论他们身在何处，交易过程将完全安全。 将执行责任委托给一组计算机。

现在，在第一个区块链建成仅8年之后，人们正在尝试将其应用于货币流通以外的程序和流程，并取得了不同程度的成功。 这让人们对区块链的好奇和热情不断升温。

那么，除了虚拟货币，区块链还有哪些协议可以自动化？ 还有哪些不必要的中间商可以去掉？

比如，区块链能否连接司机和乘客，为双方提供一个透明的支付平台？ 它可以成为电视节目、电影和其他数字媒体的存储库和信任平台，同时跟踪版税并为内容创作者提供收入吗？ 如果飞机未能按时起飞，是否可以查询承运人的航班状态并向乘客支付约定的赔偿金额？

如果答案是肯定的，那意味着区块链技术最终将杀死 Uber、Netflix 以及世界上所有的航空公司保险提供商。

以上三个应用方案绝非纯粹的幻想，它们已经成为了一组名为以太坊的区块链平台中潜在应用方向的一小部分。 在区块链领域，以太坊也有自己的加密虚拟货币，即以太币。 （以太坊后面会做进一步的阐述）

此外，目前很多企业都在积极推进区块链项目：例如微软正在为其客户提供相关工具，以实现Azure云实验性区块链应用； IBM、英特尔等多家厂商也在合作开发区块链项目。 一个名为 Hyperledger 的开源区块链解决方案。 与此同时，几家大型银行开发了自己的技术版本，试图保持领先地位。 比特币就更不用说了，作为历史上第一个也是最成功的区块链项目，其目前的应用方向已经远远超出了设计者最初的想象。

但从大局来看，这些新的区块链项目还没有在实践层面得到大规模采用。 更准确地说，没有任何区块链概念或策略给任何行业带来颠覆性的变化。 根据 Blockchain.info 公布的数据，全球每天只有 375,000 人使用比特币本身。 然而，资金从投资者那里涌入，提案更像是漂浮在炒作和勾心斗角暗流中的冰块，不断相互碰撞，相互推波助澜。

而在最终人气下降之后，哪些区块链平台可以继续存在，哪些会永远消失？ 为了做出准确的预测，我们必须了解区块链技术到底是什么以及它是如何发挥作用的。 从最合乎逻辑的角度来看，比特币无疑是最理想的讨论起点。

以比特币为例谈谈区块链是如何“运作”的？

2009 年，一位匿名黑客（也可能是一群黑客）以中本聪的名义发布了第一个真正意义上的数字货币。 该技术的工作基础是货币将只是一种会计工具——或者一种提取价值、分配所有权和提供交换手段的手段。

从历史上看，上述所有任务都是用现金完成的。 只要你有实物硬币，你就拥有所有权，交易将能够在不同的个人之间进行协商。 只要现金足够难以复制，就不需要完全说明谁拥有货币供应的哪一部分，或者不同的持有者是否曾经使用过同一张 50 美元的钞票。

然而，如果可以将法案上的每个人名单拼凑在一起，我们就会发现名单之间的实际表现将变得不必要。 因为银行和支付处理商通过在封闭系统内跟踪和处理交易，将我们的一些实物货币转化为数字记录。

作为回应，比特币通过建立一个称为区块链的单一通用数字分类账来完成这一转变。 由于只有最后添加的新信息才能进行更改，因此其结构被认为是“链”。 每个新添加的环（或块）都包含一组新的交易，这些交易会引用之前的交易链。 比如C支付了一个比特币给D，而这笔交易存在于链的一端，那么另一端指向B支付给C的比特币，然后回溯就是A给B支付了这个比特币……而很快。

与传统金融机构维护的分类账不同，比特币的区块链在世界各地联网的计算机上进行复制，任何拥有计算机和互联网连接的人都可以访问。

在这个网络中，还有一类参与者叫做“矿工”，他们的职责是检测用户的交易请求，汇总并验证相关信息，并将其作为新区块添加到区块链中。

所谓验证就是检查某人是否真的拥有交易所需的比特币，并且他没有将比特币花在别处。 比特币区块链的所有权由一对密钥决定：第一个称为公钥，区块链中的任何人都可以查看； 第二个称为私钥，由区块链的真正所有者共享。 这是严格保密的。 这两个密钥之间存在特殊的数学关系，这确保了它们可以组合成有用的签名数字信息。

我们来看一下具体的工作原理：如上例，C收到一条消息，与自己的私钥结合，经过一系列的计算，可以得到一个很长的数字。 任何拥有原始消息和相应公钥的人都可以使用他们的计算来证明这个很长的数字实际上是用正确的私钥创建的。

需要注意的是，在比特币中，用于交易签名的私钥来自比特币最近一笔支付对应的公钥。 当交易被处理时，这些比特币将被分配一个新的公钥。

在这个过程中，“矿工”的主要作用是保证新交易的不可逆性，从而保证它是最终结果，不可篡改。

而整个区块链的不可逆性只有当我们邀请任何人和每个人都参与到账本中时才能保证。 如果比特币区块链由某个司法管辖区内一家银行的已知验证者运行，以强制方式强制执行交易结果将非常简单，任何不遵守规则的人都没有什么可隐瞒的。

然而，在比特币中，没有中央机构执行这些规则。 在中国、东欧、冰岛和委内瑞拉，各种“挖矿”公司受不同文化的驱使，在世界各地以不同的法律制度和监管要求匿名经营。 这意味着除了比特币代码本身，没有其他证据可以证明它的存在，更不用说追究它的责任了。 为确保正确的使用行为，比特币采用了所谓的工作量证明方案。

工作量证明如何确保区块链正常运行？

首先，具体分析公链试图通过工作量证明解决的问题。 在这个开放的点对点网络中，“矿工”将接收交易消息并收集它们以创建新的区块。 在这样做的过程中，他们相互竞争，因为第一个创建有效区块的人会得到报酬（比特币）。 在这种情况下，重点在于如何防止“矿工”删除刚刚添加到区块链中的区块。 这种方式虽然不能实现比特币盗窃，但是可以多次使用同一个比特币。 例如，我可以去一些不知名的商家，用比特币买一杯咖啡。 如果我是“矿工”，我以后可以访问我自己的比特币区块链版本，取消交易，并将修改后的区块链发送给我的同行——这意味着看似花掉的比特币又回到了我自己的口袋里。

为避免这种情况，比特币网络上的所有“矿工”都拥有相同的区块链副本比特币工作原理及计算过程，所有更改和交易都是不可逆的。 同时，为了让所有参与者保持同步，比特币“挖矿”软件对计算资源或电力有着极高的要求。 因为只有这样它才能完成在记录中添加新块甚至更昂贵的更改块等操作。

此外，任何试图添加新块的“矿工”还必须提供密码证明。 为了生成证明，“矿工”需要通过多轮哈希函数消化新的区块。 多轮哈希函数是一种计算过程，可以接收任意长度的数据块，并将其简化为固定长度且无意义的字符串和数字——这就是哈希值。 为了使这个过程更加困难，区块链还要求生成的哈希值以一定数量的零开头。 困难在于我们无法预测任何给定的数据集将代表什么哈希值，因此矿工需要对已验证的区块进行重复计算，每次都在数据集中插入一个随机数。 当这个数字发生变化时，也会产生一个新的与之对应的哈希结果。 只有当最后一个“矿工”得到正确数量的零时，他们的任务才算完成。

第一个找到匹配哈希的“矿工”向其他“矿工”宣布新区块，然后其他“矿工”对其进行检查并将其添加到存储在其上级计算机上的完整区块链版本中。 对于完成所有这些工作，“矿工”将获得新的比特币和其他“挖矿”费用作为奖励。

我们将哈希视为锁定链上特定块的一种方式。 举个更形象的例子：如果你有一把锁，需要钥匙才能关上，而你手头有大量的钥匙，却不知道哪一把能匹配这把锁，你只好一把一把地试. 当您最终找到正确的钥匙时，您可以将它插入锁中，以供任何人检查此匹配的正确性。

从理论上讲，这项工作和“矿工”获得的奖励是对良好行为的激励。 比特币“矿工”以提供计算资源和购买硬件的形式大量投资于这个服务网络。 所以这里的基本思想是他们不应该做任何可能导致货币完整性或贬值的事情（包括双重支出之类的事情）。

此类操作还面临另一种保护机制，因为更改旧块内容的成本将添加到区块链中每个新块的创建中。 创建新块时，它将包含前一个块。 对旧块的任何更改都会使所有后续块的哈希值失效。 因此，不可能将伪造块插入原始块而不重复自该块以来所做的一切。 正如前面提到的开锁隐喻，最后一把锁的设计取决于之前所有的锁，因此更改区块链中的任何一把锁都意味着必须为后续的每一把锁找到新的钥匙。

通过强迫“矿工”提供昂贵的证明并获得报酬，中本聪建立了第一个实用的点对点数字货币。 但除此之外，他还解决了另一个困扰计算机科学家数十年的难题——一致性。 比特币在过去 8 年中从未下线，这意味着它找到了一种方法来激励潜在的不可信参与者处理交易，从而获得可靠的结果。 结果是任何有互联网连接的人都可以查看和添加数据链路，而几乎不会受到攻击的影响。

区块链技术如何应用​​到其他领域？

事实证明，这样的系统可能不仅仅适用于金融领域。 “矿工”在进行交易验证时，实际上是在运行数据处理程序，支持或反对交易请求。 但是，如果他们能够运行更复杂的程序（例如社交媒体网络中的软件）会怎么样？ 如果区块链用于简单货币交易以外的数据，例如在线论坛上的消息，会怎样？

上面提到的以太坊是由多伦多19岁的计算机系学生Vitalik Buterin于2013年设计的，其目的是延续比特币在货币领域的成就，并将其扩展到其他领域。

以太坊自己的货币以太币与比特币的不同之处在于，以太坊用户交易被称为智能合约——可以编写无限复杂程度的小程序。 之后，用户可以通过向程序发送加载指令的交易，与其他“矿工”进行交流和互动。

实际上，这意味着任何人都可以将软件程序嵌入到交易中，并确保它在区块链的生命周期内不会被更改或访问。 理论上，以太坊可以带来足以取代 Facebook、Twitter、Uber、Spotify 或任何其他数字服务的解决方案。 这些新版本将完美无缺，对审计人员完全透明，并且能够在没有创建者参与的情况下无限期运行。

什么是许可分类账？

就在 Buterin 试图用区块链技术构建一套扩展到全世界的超级计算机时，另一种趋势将这项技术推向了另一个方向——即走向封闭和受控的迭代路径。

2014年9月，巴克莱、高盛、摩根大通等多家金融机构联合成立R3联盟，探索如何通过区块链技术提高银行间支付效率。

这些机构意识到像比特币和以太坊这样的区块链的开放结构显然与他们自己的需求背道而驰。 加密货币主要关注用户的匿名性，由开放区块链上的公共字母数字地址表示，没有任何关于他们真实身份的指示。 包括美国在内的多个国家/地区的银行法禁止此类匿名。

从法律角度来看，金融机构有理由保护客户数据并控制此类数据流向其他国家或地区。 鉴于公共区块链网络中的每台计算机都复制了整个交易记录，因此在使用这些交易记录链时根本不可能遵守监管机构提出的要求。

因此，区块链技术中的“许可分类账”方法诞生了。 也就是说，在一个许可的账本中，添加区块的人的身份是已知的，系统中的数据只能被选定的人员查看。 由于创建新区块的权利是由运行代码的人决定的，而不是由随机分配机制决定的，因此无需为“挖掘”或支付加密货币提供工作证明。

这类系统适用于区块链上参与者之间信任度较低，但希望模拟中立的第三方服务的情况（如银行进行国际电汇结算时）。

就在 2016 年，R3 联盟发布了第一个许可分类账解决方案 Corda。 然而，短短几个月，Corda 就迎来了自己的竞争对手——脱离 R3 联盟的摩根大通，也发布了自己的许可账本 Quorum。

目前，许可分类账方法也从银行和金融机构扩展到其他行业，尤其​​是那些负责监督敏感客户数据的行业。 其中许多相关项目都是使用 Hyperledger 提供的工具构建的。 （HyperLedger 目前主要为想要使用智能合约但对开放以太坊和比特币等区块链犹豫不决的企业开发产品。）

那么，智能合约将如何运作？

无论区块链技术最终如何呈现，其上运行的智能合约都需要各种配套技术作为基础。 这些互补技术目前随着区块链的普及而快速发展，对区块链技术本身的发展有着至关重要的影响。

“一旦有了智能合约，就会面临一系列问题，”康奈尔大学 IC3 协调员 Ari Juels 说。 这些问题分为以下几类：

首先，区块链无法存储大量数据。 对于大多数项目来说，这显然是一个问题。 比如，有人建议用区块链技术进行视频直播，但它根本无法容纳庞大的视频数据。

其次，将智能合约放在区块链上的另一个问题是区块链本身不知道现实世界中发生了什么。 如果您的智能合约是航空保险系统，它必须知道我们的航班何时起飞和降落。 然而，区块链技术从未被设计成具有查询网站的能力。 因此，它所知道的关于外​​界的一切都需要主动注入。

理想情况下，开发人员会为区块链设计数据存储和访问方案（但要注意不要再次引入现有的缺陷，尤其是对于最不可靠的对象——人类。）毕竟区块链诞生的初衷是完全屏蔽人类接触. 为此，开发者必须充分考虑和探索“可信方”的概念。

存储静态数据的问题可以通过分布式文件共享服务来解决，比如Protocols Labs搭建的Interplanetary数据库或者Storj Labs的去中心化云存储系统。 这些系统已经帮助全世界的人们释放了更多的磁盘空间，我相信它们也将适用于基于区块链技术的智能合约系统。 因为其中的数据会一直冗余存储在世界各地的多台计算机上，使其始终可用且难以追踪。

至于将实时数据输入区块链，这可以使用区块链开发人员称为“预言机”的东西来完成。 这些服务可靠地查询实时数据源并将它们传送到区块链以供输入。

在 IC3，Juels 实施了一个名为 Town Crier 的自动化预言机。 它负责确保注入区块链的数据来自可信来源且未被篡改。 它使用英特尔处理器上的“可信软件”芯片。 这些芯片运行加密盾背后的代码，但仍然可以证明程序正在按预期执行。

区块链技术的融资潜力从何而来？

如果现代社会所依赖的许多数字服务需要在区块链上重建，那么我们将不得不为需要完成的工程和研究付出代价。

但是，如果我们想要创建的是一种技术解决方案，如果成功的话，会破坏许多企业赖以生存的宝贵数据呢？ 理想情况下，像以太坊这样的开放区块链会信任创建数据的人，允许他们选择共享数据的方式。 在这样的环境中，任何企业都无法通过向客户出售有关其浏览行为、购买历史或位置的数据来继续生存。 而区块链公司也不能以此来限制知识产权，因为开放的区块链上的节目，每个参与者都可以随意观看。

尽管如此，区块链业务的潜在融资机制已经出现：新趋势之一是首次代币发行 (ICO)，即首轮公开发行（或 IPO）。

在与 ICO 项目团队合作设计智能合约时，用户必须持有特定的加密货币才能使用该应用程序。 相反，项目团队创造了一堆这样的硬币，并在发布前在公开市场上出售。

这有点像在现实中，有人走进自助洗衣店却发现运行机器的唯一方法是使用定制硬币。 因此，加密货币所有者不是仅仅将其出售给投资者比特币工作原理及计算过程，而是将这些硬币出售给公众，然后按洗衣服的价值收取费用。

迄今为止，已有超过5亿美元以售币形式流入区块链公司手中。 如此庞大的投资引起了一些观察家的抱怨。 然而，也有许多人认为，作为一种新型投资工具，ICO 与其实际应用本身一样具有颠覆性。

致力于区块链技术研发的新基金公司Placeholder创始人Joel Monegro表示：“金钱不是万恶之源，公平才是万恶之源。”

区块链初创公司经常引用他的论点，认为股权应该分配给创始人和员工，以鼓励他们囤积财富，而不是改进产品。

另一方面，特定于应用程序的加密货币不再是一种金融工具，而仅仅是一种获取技术的手段。 因此，使用该服务的人越多，访问该服务所需的货币就越有销路。

Hacera 的 Levi 总结道：“时代变了，而且变化很快。 我们中的一些早期采用者在三四年前两手空空，现在凭借他们的信念和加密货币市场的蓬勃发展，赚取了可观的收入。” 我们仍然需要扩展以太坊和以太坊的工作方式，企业需要更多地去中心化和保护他们的敏感数据。 我们现在面临着一种新的、不同类型的挑战：在庞大的资金量下，不知道有多少前辈和新人愿意坚守自己的事业，继续努力，用上这些技术。改变了自己，进一步改变了世界。

-结尾-