[科普] Blockchain & Bitcoin

Posted 2021-04-29 异璧集

A blockchain, originally block chain, is a continuously growing list of records, called blocks, which are linked and secured using cryptography.

以上是来自维基百科对blockchain的定义，其实很简单，就是由一些block串起来的chain。不过这些block组成chain的过程是基于了密码学技术。而block的内容并没有规定具体是什么，但通常是transaction records。

上面的定义其实就是blockchain的本质，但金融圈的人可能更喜欢的定义是“a distributed ledger”，也就是分布式记账本。

传统的记账是集中式的，由一个被信任的实体来管理维护，比如银行的账本。而当这个被信任的实体没能很好的履行其任务时，比如记录出错，甚至账本丢失，那样就会导致一些账户的钱减少丢失。

而分布式记账技术则避免了上面的缺点，不再需要一个被信任的实体来维护账本，账本的管理维护由分布的节点（即运行分布式记账软件的机器）来完成。每个节点都保有一份完整的记录，即blockchain，该记录的更新由所有参与的节点共同完成。

blockchain最重要的特点是完整可溯，每个block一旦被添加到chain上，block里面的数据就会永久保留下来，无法变更，这样就保证了记录不会被篡改，也不会被丢失。

这样的优点使得blockchain适合用来实现数字货币，而Bitcoin正是blockchain的首次应用，也就是说bitcoin是用blockchain技术实现的。

在Bitcoin里，所有的货币交易转账都用blockchain记录下来了，截止到2018年1月，当前约有50万个block，block里面则是bitcoin诞生到现在的所有transactions。所有的block，以及每个block里面的transactions都可以在blockchain.info这个网站上查看到，所以bitcoin本质其实就是一份公开的账本，这份账本目前大小已经达到150多GB，由分布在全球的数万个节点node维护，这些节点在各自的机器上都保存了这150GB的账本数据。新的交易发生时，会广播到所有节点，节点将交易收集到一个block里面，每个block的大小限制为1MB，差不多达到这个限制后，某个节点会propose添加新的block到chain上，经过P2P网络协议的分布式协商，让所有节点都接受这个新的block，一旦这个新的block添加完成，这也就意味着block里面的transactions被执行了，而整个账本的大小自然又增加了。

回到blockchain的本质定义，a chain of blocks, which are linked and secured using cryptography，也就是密码学如何保证了chain上的block内容是无法变更，永久保存的。

这里用到的cryptography技术主要就是hash。hash是一种数学函数y=h(x)，其中x可以是任意大小的，但y却是固定长度的。以Bitcoin中使用的hash函数SHA-256为例，不管输入x为多大，输出y都是256bit。

hash函数最重要的一个特点是collision resistance，也就是说很难找到两个不一样的a, b，使得h(a) = h(b)。这里说的很难并非是不可能，而是说要花费很长时间穷尽所有可能才能找到，或者说找到这样的collision的概率是negligible。以SHA-256为例，因为输出y有2^256种可能，所以至少需要尝试2^128次才可能找到造成冲突的不一样的a, b。尝试这么多次可能需要计算机运行上千年时间才能找到，所以在实际中可以看做是安全的。

而当一种hash函数被发现有更快的方法找到collision的时候，这种hash函数也就不安全了，比如MD5也是一种hash函数，但由于王小云的努力，已经可以在几个小时内找到这样的a, b，使得md5(a) = md5(b)。不过这仅仅是意味着找到冲突而已，并不能通过h(x)来找到x，因为hash函数是单向不可逆的。

hash函数这样的特点使得其适合用来标识检验文件，对于文件x，任何微小的改动x'，都会使得h(x)!=h(x')，而且不管改动多微小，hash值却会变化非常大，也就是说不能通过hash值变化的多少来推断x的变动多少。

而blockchain里的blocks就是通过hash函数来保证其内容的完整性的，chain上每个block开始的部分都是上一个block内容的hash值，所以一旦一个block的内容被更改，那么其hash值就会发生变化，所以下一个block内容也必须更改才能使得其记录的hash值与上一个block的变更保持一致，这样会导致后续的所有block都必须更改才能保证整个chain是有效的。

通过这样的hash函数将block串起来，使得blockchain具有immutable，或者说tamper-resistant的特点，因为一旦有任何篡改，都会导致后续的所有blocks失效，要想篡改成功就必须篡改后续所有的blocks，而且由于blockchain是分布式的，篡改一个节点的blockchain并没有用，除非能同时控制大多数的节点（而这在现实中基本也是不可能的）

blockchain上的blocks是通过指向前一个block的hash值链接在一起的，而每个block内部的records则同样是由hash值链接在一起的，不过block内部的records是按照二叉树形式串联的，而非挨个的排列，这样做是为了便于快速查找block里面的record。

上面说的基本上就是blockchain的本质内容了，a chain of blocks that are linked by hash pointers. 由于其完整可回溯，不可变更，所以可以用来做分布式记账 distributed ledger，这样就可以不必依赖被信任的第三方，只靠互相之间不信任的分布式节点就可以自动维持运行。

然后blockchain具体应用到Bitcoin的话，block里面的内容就是货币转账记录。要实现这种数字货币，还需要另一个密码学技术，即public key crypto.

public key (pk)是和private key (sk)配对的，public key是公开的，用来标识用户/账户，而private key仅对用户自己可见。用户在转账时是转到对方的public key上，而转账交易则需要用自己的private key来签名，这样其他人就可以用public key来检验这个签名是否有效。

Bitcoin中所有的货币流转都是有记录的，以下图为例进行说明：

第一行Alice获得了系统给予的25个比特币。前面说了bitcoin有50多万个block，每个新block添加的时候，系统都会给出固定数量的比特币，这是给负责找到这个新的block，并进行了更新的那个节点的，也就是所谓的比特币挖矿节点。其中细节太多，这里就先不说了。

这25个比特币是转到了Alice的public key上的（实际上使用的是叫address，是Alice的public key的hash值），当Alice要使用这25块钱来向Bob支付17块的时候（图中的第二行），需要使用Alice的private key来签发这个转账交易。

每个交易都有input，其实也就是某个交易的output，这里第二行交易的input就是第一行的output，第一行交易没有input，因为那是系统给出的。也就是说Alice需要指定自己public key收到的output，来作为转账给别人的input。

由于Alice只向Bob付了17块，但整个input需全部用完，所以剩下的8块转到Alice的public key上。每个用户都可以生成无数多个public key，且这些public key都只对应该用户自己才知道的唯一private key。这样的话，就可以通过不断变更public key来自己转账给自己，以达到匿名的效果。

只要用户知道private key，就可以使用其对应的所有public key上收到的output转账，当然前提是那个output是unspent的，即没有被作为input使用过。

回到图中的第三行交易，Bob收到了Alice的17块，然后他就可以使用第二行中的output，加上Bob用private key来签名，就可以向Carol支付8块，同样剩下的9块则可以转到Bob拥有的任何public key上。

最后一行则是Alice向David支付6块，使用的是第二行中Alice向Bob转账后剩下的8块作为input，然后output则是david的public key，以及又是剩下的2块到Alice的任一public key下。

因为用户的public key (pk)是和private key (sk)配对的，所以只有拥有private key来签名，才能使用public key上收到的转账，一旦private key丢失，那么所有人都将无法使用那部分钱，即使是系统也无法回收。举例来说，假如David遗失了自己的private key，那么Alice转给David的6块将永远是unspent状态，所有人都无法使用那6块钱。

以上就是Blockchain & Bitcoin的核心内容了，省略了比特币挖矿过程，以及所谓的blockchain 2.0，也就是Ethereum，smart contract，以及ICO之类的应用，这些以后有机会再介绍吧。如果有兴趣想深入了解的话，推荐去上Coursera上的Bitcoin and Cryptocurrency Technologies这门课。

或者可以在TEA茶阅上查看下面这篇经济学人的专题报道，中文版是我这两天整理翻译出来的。文章很长，音频有近半个小时，所以可能需要花很久的时间才能看完。虽然是两年前的报道，但内容并没有过时。不过我觉得这篇文章有个缺点就是有些地方混淆了blockchain & bitcoin 这两者的关系，这或许是因为在早期的时候只有bitcoin是在被使用的一个blockchain，人们想的更多的是利用这个现成的平台，而今天，则出现了五花八门各种类型的数字货币和区块链应用，也就是说现在有很多不同的blockchain存在，人们可以不必非要用bitcoin的blockchain来做blockchain可以做的事情，创造新的blockchain来做各种可能的事情，这或许就是未来的发展。

而bitcoin作为第一个出现的blockchain，其历史地位只会随着更多blockchain的出现而抬高。虽然bitcoin设计是作为一种数字货币，但它的本质是一个blockchain，一份公开的无法变更的账本（当前已达150GB），所以如果你想在这个世界永久地留下点什么的话，或许可以考虑往bitcoin的blockchain上铭刻下自己的信息，比如你的爱情告白，这或许能比钻石更加久远，因为这是全世界都可以永久可看的。

往bitcoin的blockchain上留信息的方法就是转账时的output那里不指定收款方的public key，而是直接使用op_return，随后就可以添加一定数量的文字。这样的话，没人能收到这笔钱，相当于这笔钱被销毁了，不过重要的是你的文字被作为这次transaction的一部分永久的进入了blockchain。有钱人如果想烧钱的话，可以买下大量比特币（比如1000个bitcoin），然后全部op_return销毁掉，顺带附上一句“我是有钱人”，这样全世界都会永久地知道你确实是有钱人，因为你曾经拥有1000*14120=1.4千万美元，然后还直接烧掉了，虽然可能没有直接烧美钞有快感，但关键是能让全世界都永久知道，而这或许会有另一种不一样的快感。

所以blockchain的本质是能够让你相信上面的信息，让事物变得可信，这是其根本意义。所以我把上面这篇经济学人的报道的标题翻成《区块链：让事物可信的伟大链条》，想要阅读的话，可以点击[阅读原文]进入网站查看。