读懂区块链：基于数字货币的底层技术（原理及应用篇）

2021-07-07 15:37

比特币作为数字货币中最具爆发力的一个品种，已经为越来越多的人们所熟知，而数字货币作为虚拟货币中的一种类型，也成为互联网金融领域中非常重要的品种，受到计算机领域和金融界人士的关注。在金融科技（FinTech）发展中也不断受到像微软、IBM等巨头们的青睐。那么比特币是怎么产生的？他的技术原理是什么？我们来详细了解一下比特币的底层技术---区块链。

区块链：比特币的底层技术

区块链技术（Block Chain），是指通过去中心化的方式集体维护一个可靠数据库的技术方案。该技术方案主要让区块(Block）通过密码学方法相关联起来，每个数据块包含一定时间内的全部数据信息，并且生成数字签名以验证信息的有效性并链接到下一个数据块形成一条主链（Chain）。整个区块链就是比特币的公共账本，网络中每一个节点都包含比特币交易信息的备份。我们看一下区块链在比特币中的工作流程：

区块链的技术原理：

我们通过区块链的含义可知，区块链不是单纯的一项技术，作为数字货币的底层技术，区块链是多种技术的综合结果。区块链的技术原理包括：密码学、P2P网络、时间戳服务器、共识算法等，这些构成了区块链综合性的技术原理。密码学我们在比特币篇中有所涉及，P2P网络也就是去中心化的分布式传输，相对也容易理解。我们具体了解一下其他的区块链技术原理。

时间戳服务器：比特币的本质是构造了一个永不停歇的时间戳系统。时间戳服务器通过对以区块形式存在的一组数据实施随机哈希运算，并加上时间戳，然后将该随机哈希值进行广播，就像发布世界性新闻，然后特定数据存在于特定时刻，该时间戳产生相应哈希函数值，这个函数值同前一个时间戳及以后出现的每一个时间戳形成一个链条。

比特币通过哈希算法和时间戳形成区块链

共识算法：比特币所有节点都遵循统一的协议规范（共识算法），其中最主要内容就是工作量机制（POW）。工作量机制可以理解为做过一定量工作的证明。比如平时考的证书、毕业论文等。比特币中的工作证明是指如果想生成一个新的区块并写入区块链，则必须解出比特币网络出的工作量证明的谜题，包括证明函数、区块和难度值。这个相对比较复杂，我们就不做描述了。除了工作量证明机制外，数字货币领域中还有权益证明（Proof of Stake,POS）、股份授权证明（Delegate Proof ofStake ，DPOS），关于这三种机制的异同，我们列表来看：

区块链三种机制（POW、POS、DPOS）的比较

由此可知，区块链存在多种共识机制，不同机制间所产生的数字货币不同，但这只是各自技术上的少许差异，区块链的整体原理差别不大。

区块链的特征

我们由前面内容可知，区块链基于开源软件、P2P网络和哈希函数，因此具备多种优异的特性。比如去中心化、分布式记账、去信任化、可追踪、不可篡改性、数据安全等。我们一一来看区块链的特征。

1.去中心化。区块链的核心思想就是去中心化，去中心化是指数据的传输不再依赖于某个中心点，而是分布式记录、分布式储存、分布式传播，P2P直接传输，基于密码学而非政府的信用背书。全网络每个节点都依据开源协议，自由安全传输数据。所有数据对全网络公开。数据的记录储存没有第三方机构管理，一个节点出现问题，其他节点仍然会继续进行数据的更新和储存，通过去中心化的方式，维持系统运行稳定。那么我们具体看一下中心化、分布式及去中心化三种机制的不同。

中心化、分布式、去中心化示意图

这个看起来这个可能会有些难度，我们拿中国解放后银行系统的变迁史来解释这个问题。中国银行业的变迁也经历了中心化与去中心化的变迁。1948年全国解放前夕，中国人民银行成立，以蒋介石为首的四大家族的代理银行“四行两局”（中央银行、中国银行、交通银行、农民银行和中央信托局、邮政储金汇业局），除了中央银行和农民银行被迁入台湾之外，其余被并入中国人民银行或者被取消。随后1949-1956年，中行、建行、农行重新组建，不过后来又被并入中国人民银行，其余私营银行也通过公私合营的方式并入中国人民银行，1957年-1979年，新中国建立了大一统的金融体系，中国人民银行基本上承担了所有国内的金融业务：既承担发行人民币、组织和调节货币流通的中央银行职责，又承担统一管理国家金融机构和运作的监管职能，同时又开展存贷款、汇兑和外汇进出的商业银行的职能。1979年改革开放后，中国银行、中国建设银行从中国人民银行独立出来，中国农业银行重新设立。1984年设立中国工商银行。自此，四大国有商业银行开始成为全国最大的商业银行。1987年后股份制商业银行开始成立比如交通银行、招商银行。1994年以后，开始设立三大政策性银行。此后城市商业银行、农村商业银行、外资银行开始成立并不断发展。中国银行业去中心化完成。不过，中国人民银行仍然是银行业监管部门。监管中心地位没有改变，去中心化的范围只是去中央银行以外的其他职能。我们列表来看，这样就对三种方式有一个直观的了解了。

解放后中国银行业发展史

2.去信任化。纸币是以国家信用做背书，强制使用的的价值符号。各国央行是纸币的发行机关，中国人民银行是发行和管理人民币流通的监管机构。政府和银行是可以信任的中心化平台。而区块链是去中心化信任的，将记账权交给一套算法。中国是一个世界性大国，政府和央行相对比较权威，但是有些小国家中心记账人可能有很大的操纵特权，政府的可靠程度较大国相对弱化。在这些国家，区块链的一套算法（共识机制）可能比某一特定中心更加可靠。比如非洲的津巴布韦，2015年津巴布韦央行宣布175千万亿津巴布韦元可兑换5美元。没错，你没有看错，虽然我也不知道怎么计算，但我知道同彻底沦为垃圾货币的津币相比，比特币这种数字货币可能更有吸引力。区块链通过多方同时记账，同时保存一个不可篡改的账本，而且记录公开透明，可以降低中心化带来的信任成本。

传统记账方式与区块链记账方式比较

3.不可篡改性。区块链的不可篡改性是由工作量证明机制（POS）与共识机制共同保证的。区块链条被全网公认。由于多点记录，信息不能被随意篡改。只有当算力达到全网络总和的51%时才能修改已经被记录的信息。但是目前在算力极大提升情况下，基本无实现可能。

4.加密安全性。区块链通过非对称加密和可靠数据库完成信用背书，通过共识算法建立互信关系。每个参与节点都能获得一份完整的数据库信息，更改信息成本太大，而且参与系统的节点越多，计算能力越强，数据安全性越高。区块链采用非对称加密方法进行加密，非对称加密是通过利用公钥和私钥的配合而实现的，每个参与者都可以用公钥来加密一段信息，而要解密时只有信息的拥有者才能用对应的私钥来接收。非对称加密在保护个人隐私，确保加密安全方面具有独特作用。

区块链的分类

区块链按照应用范围可分为公有链、联盟链和私有链。公有链（PublicBlockchain)是指全世界人任何人都可读取的、任何人都能发送交易且交易能够获得有效确认的，任何人都能参与其中共识过程的区块链，将经济奖励和数字验证结合起来。公有链被认为是“完全去中心化”的，稳定性相对较好。联盟链（Federated Blockchain）是指其共识过程受到预选节点控制的区块链。联盟链为“部分去中心化”。联盟链应用于特定行业，依托联盟链实现高效率的执行复杂标准的业务处理。而且具备良好的可追溯特征。比如目前银行业著名的R3区块链联盟，R3区块链为了绕过全球同业银行金融信息协会体系，试图在所有加入银行间建立区块链“联盟链”，加入的银行可以访问和使用数据，也可以进行清算和支付，不完全对外公开，同时最大化利用相关中介降低成本。私有链（Private Blockchain）即完全私有的区块链，是指写入权限仅在一个组织手里的区块链。读取权限或对外开放，或被任意程度的进行限制。私有链的优点在于不完全解决去中心化信任问题，和现有法规兼容。比如私有链应用于房产登记部门，多为政府部门主导，具有安全、可追溯的优点。效率高而且成本低，可以保证足够安全。

公有链、联盟链、私有链网络示意图

私有链、联盟链及公有链三种区块链差异

区块链的应用领域与发展阶段

区块链技术作为比特币的底层技术，随着比特币的崛起而为人所知，以太币、瑞波币、莱特币等数字货币作为比特币的竞争币，也逐步走入人们的视野。区块链的研究及相关企业的投资也层出不穷。按照区块链的应用领域，可以将区块链技术分为三个阶段：区块链1.0阶段、区块链2.0阶段和区块链3.0阶段。

数字货币领域

区块链1.0：可编程货币。比特币是为构建一个去中心化、去信任化的数字货币，虽然价格波动较大，也涉及到洗钱、操纵市场和虚假交易等负面信息。不过，仅仅从区块链编制数字货币的技术角度讲，区块链确实取得了颠覆性的效果，对传统的金融体系有了新的认识。

其他金融领域：银行、证券、保险等

区块链2.0：可编制金融。目前，区块链已经用在包括银行、证券、保险等金融领域，人们试着通过“智能合约”的方式进行金融区块链的编制。比如进行股权登记、股权转让、结算等方面。区块链在银行中的运用主要在：一是点对点的交易，如基于P2P的跨境支付、汇款贸易结算等。二是登记，作为可靠的数据库记录各种信息。三是确权，如土地所有权、股权等合约的真实性验证和转移。四是智能管理，即利用“智能合约”检测是否具备生效的各种环境，一旦满足了预先设定的程序，合同就会自动处理，比如自动付息等。比如知名的R3区块链联盟，作为一家软件服务企业，已经与全球80多家银行、金融机构、监管机构、行业协会和技术企业展开合作，专门为其他企业的金融服务开发区块链技术。

非金融领域

区块链3.0：区块链在其他行业中的应用。比如在物联网、众筹、公证和记录、供应链、医疗等方面，依靠分布式的记账方式，可以降低信任成本，提高安全程度，并实现信息记录，提高行业运行效率和应用范围。区块链去中心化的理念与物联网未来发展趋势非常一致，与物联网“万物互联”的理念不谋而合，能够解决物联网基础设施投入过大、维护成本过高及数据安全等方面的问题。区块链也可以运用于商品的供应链中，消费者可以查询商品的原料、加工、包装盒经销等一系列记录，可以确保商品的质量安全，建立回溯机制，减少市场中假冒伪劣现象，维护市场经济秩序。另外，在医疗应用领域，可以解决数据隐私问题。患者在医疗相关的个人信息有不被他人知悉、观看、研究、发表和商业利用的权利，但患者个人信息的保护却是一个难题。通过区块链技术，进行用户认证、安全审计和访问控制等设置，可以更好地保护患者的医疗隐私

区块链的发展阶段

区块链的不足

区块链具有去中心化去信任的特性，因此区块链的信息也很容易被解读，信息保护性不足。比特币在产生之后，出现许多交易所网站被攻击、交易所价值数千万的比特币不翼而飞的情况。交易所脆弱的防火墙能否阻止黑客的进攻仍须考验。因此，区块链应用中保护机制的建立仍然任重而道远。另外，区块链作为一种技术，能否应用于其他行业和领域还要看能否解决其痛点所在，而且还要确定区块链的应用不会带来其他负面作用。由于区块链的特性，比特币等数字货币被用来参与洗钱等非法活动，并成为贩毒、诈骗等隐秘犯罪的工具。技术成为助长犯罪的工具，也是区块链技术产生之初未曾意料到的。

因此，我们要正视区块链技术的原理及应用，区块链的产生有其背后的各种因素。不过如果说区块链以后将成为革命性的技术，能巨大的改变未来金融的格局。我想这样说还为时尚早。毕竟发行货币不仅仅只是一个经济问题，还牵涉到货币发行权的政治问题。自古以来，铸币权大部分时间都属于政府主导，目前全球纸币的发行权都属于主权政府或者主权政府联盟。因此，很难讲有颠覆金融格局的作用。但是，区块链作为数字货币的底层技术，其去中心化、不可篡改性等优异特性仍然对部分行业有很大的吸引力，虽然区块链的研究仍然处于开发、测试阶段，但如果利用得当，总会在更多的领域产生积极作用。

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