區塊鏈給我們帶來什麼（一）數字貨幣

LowesYang發表於2018-10-22

2009年，中本聰將比特幣與區塊鏈的概念帶給了世人。從創世區塊至今已有8年，時間長河證明了比特幣在其去（弱）中心化、安全性、匿名性等方面相比於傳統貨幣與中心化的電子貨幣的巨大優勢。比特幣的成功帶動了數字貨幣的集體繁榮，截止2017年6月20日，數字貨幣種類已達885種，其中除了比特幣外，也不乏有力的競爭者如萊特幣（LTC），位元現金（BCC，由BTC硬分叉），以太幣及以太經典（ETH、ETC）等。

本文希望以比特幣為例，從更本質層面來闡述，區塊鏈技術如何使得數字貨幣擁有了貨幣的性質。

貨幣到底是什麼？

首先是兩個基本點：

貨幣的本質是一種記賬方式。
信任是交易的基礎。

當我們使用貨幣發生交易，只是在一個隱形的賬本上進行了一次會計操作。當A從B這裡拿貨時，A將一個債務契約交給B，表明“A欠B xxx物品”，B可以使用這個債務契約去與其他人交易。

在現代社會中，這樣的債務關係被記錄在了一個由國家背書的中心化賬本上，用法定貨幣來衡量其價值，並承諾和承認：這種法定貨幣，可以交易流通；可以兌換黃金；可以貯藏，或是存在銀行；可以對匯，在世界範圍流通……

因此，人們生活中的日常交易，只是記錄了類似“xxx物品的價值所有權從A轉移到了B”這樣一個會計條目，法幣則是這種價值轉換的代言物。實際上對於法幣的價值背書——黃金來說，仍然躺在國庫中絲毫未動。

中心化信任

我們相信法定貨幣並使用它，是因為我們信任國家和政府的強制力與威嚴可以保證這個中心化賬本的公正。然而這種中心化的信任往往是低效且不合理的：

場景一：當我向銀行貸款後，銀行的賬本會記錄一條我的欠款記錄，但這個賬本確是交由銀行管理，並且國家只承認銀行的賬本。由於我們信任國家機器，而國家通過強制力保證銀行履行義務，因此我們選擇信任銀行，信任這一套金融體系。但這從邏輯上來看其實是非常可笑的——A與B之間的債務關係不由C來證明，而是由A、B中的某一方來證明。

場景二：銀行間的跨行結算依賴於清算中心，這是一個典型的中心化的架構。這種架構的弊端顯而易見：

各銀行間的清算、結算、託管和註冊服務的工作量都集中在清算中心，給清算中心帶來了巨大的工作量，顯著增加成本（包括特定業務的手續費、系統運維成本、人力成本等等）。
中心化的機構需要巨大的成本和精力來保證更好的容災能力。例如“9.11”事件後，紐約聯邦儲備銀行立刻停止了靠近紐約的新澤西美元支付清算系統的執行，啟動災備系統，將美元支付清算系統從紐約新澤西切換到里士滿和達拉斯。雖然用“多箇中心”的方案，也可以解決這一問題，但無疑是昂貴和低效的。

中心化信任是人類經濟社會發展出來的必然產物，但它具備一定的歷史侷限，有自己的弊端和風險。也正是如此。我們需要花費更大的成本去規避風險、揚長補短。目前的貨幣體系正是基於中心化信任，故不得不承擔著連帶的風險。

比特幣為什麼可以當做貨幣？

區塊鏈技術的出現讓我們看到了去中心化信任的希望，它賦予比特幣三個重要特點：

分散式記賬：比特幣網路中存在一個總的賬本，即以區塊的鏈條形式存在。每個節點可以擁有自己的賬本，節點間點對點的通訊。當產生一筆交易時，節點將其廣播至其他幾點，若某一節點的礦工通過了工作量證明，有權利產生新的區塊（新的一頁賬單），則會對該交易進行確認、驗證後，打包進區塊，將新賬本廣播至全網。其他節點收到新區塊，通過驗證後加入到自己的區塊鏈（賬本）中。
賬本無法偽造，且不可逆：比特幣使用POW（工作量證明）的共識演算法（具體演算法細節在下文有詳述），這樣的機制保證了新區塊的產生需要付出一定的代價，大大降低了偽造、欺騙的價效比，從而保證了各節點賬本的一致性和真實性。
比特幣本質上是UXTO（Unspent Transaction Output，未花費交易的輸出）：在比特幣的區塊中，一筆交易包含輸入和輸出。一個使用者擁有的比特幣數量，等價於他與其他人交易時，整個區塊鏈中確認的交易中以他的地址為輸出的那些交易所代表的金額。這本質上也是一個賬單條目。我花費固定數量的比特幣，實質是花費了某些交易的輸出。

這些特點，讓我們不需要相信某個中心化的機構來發行、監管比特幣。只要全網大多數的節點對總賬本達成了一致，則其中的交易記錄（包含UXTO）將會被大多數人所信任的，從而通過消耗比特幣（UXTO）所產生的交易行為，也將通過同樣的機制獲得全網的信任。如此，比特幣其實就擁有了貨幣的一些基本職能。

另外，這些特點也賦予了比特幣和黃金相似的三個重要屬性：

獲取成本：黃金的開採需要耗費成本，而比特幣的開採同樣也要耗費計算力，一個是人力和裝置成本，一個是硬體和電力成本。
稀有性：地球上的黃金總量有限，比特幣的總量也是有限的（總共約為2100萬個）。其稀有性決定了它有貯藏的價值。
難以偽造：人們可以依靠化學手段來判斷黃金的真偽，而比特幣依靠其密碼學原理和共識演算法來防止偽造。

區塊鏈技術所實現的這一整套分散式與共識機制，使得比特幣與黃金一樣，能夠成為一般等價物，在商品交換中流通。從過去8年比特幣的發展也證明了這一點。

數字貨幣的關鍵機制

儘管都是基於區塊鏈技術，但不同的數字貨幣擁有的理念與演算法，各有千秋。其中最重要的特性，同時也是決定了數字貨幣間的主要差異的環節，便是共識機制。

共識機制，即區塊鏈節點就區塊資訊達成全網一致共識的機制，可以保證最新區塊被準確新增至區塊鏈、節點儲存的區塊鏈資訊一致不分叉，甚至可以抵禦惡意攻擊。

目前典型的共識演算法共有四種：

POW演算法（工作量證明）：該演算法通過節點消耗計算力來進行制定的雜湊運算，找到合理的隨機數，當該隨機數小於比特幣網路所規定的目標值時，則該節點有權產生一個新區塊，在上面留下自己的數字簽名，所計算得的雜湊值，新區塊頭的標識（也是一個雜湊字串）和上一個區塊頭的標識等其他資訊，驗證並打包一些該節點中存在的交易（可以是來自其他節點的，也可以是自己節點產生的）至新區塊中，然後廣播至全網。其他節點收到區塊並驗證通過後，加入自己的區塊鏈中。使用這種共識演算法的數字貨幣，代表的有比特幣、萊特幣、以太幣等。
POS演算法（權益證明）：該演算法根據節點持有貨幣的量和時間（常以幣天為單位），進行利息發放和區塊產生機制。例如持有100個幣，共持有了30天，那麼幣天就為3000。以未來幣為例：一個賬戶用自己的私鑰在原先的區塊上產生一個64位元組的“生成簽名”，之後通過SHA256雜湊該簽名。將結果的前八個位元組作為一個數字，稱為”hit”。將”hit”與目前的目標值相比，如果計算出的”hit”值要比目標值低，則有權生成一個新區塊。目標值隨著時間的流逝而增長，如果在最初的一秒內沒有賬戶的”hit”值低於目標值，則下一秒“目標值”就會翻倍，直到一個活動賬戶的”hit”有一個較低的數值。另外還有一個“基本目標”值，以60秒的間隔設定為目標值，從而使區塊平均產生的時間限制在60秒左右。某個節點產生新區塊後，廣播至其他節點，通過其他節點的驗證後加入到各自的區塊鏈中。
DPOS演算法（委任權益證明）：該演算法是POS演算法的改進。POS演算法的一個弊端是，最終區塊鏈的區塊產生權掌握在賬戶餘額最多的少數節點中，這對去中心化帶來了一定的挑戰。DPOS的改進之處是：每個持幣節點可以將其投票權授予一名代表，獲票數最多的前100位代表按照既定時間表輪流產生區塊。每名代表被分配到一個時間段生產區塊。所有的代表將收到等同於一個平均水平的區塊所含交易費的1%作為報酬。如果某代表錯過了太多的區塊，那麼系統將推薦使用者去更換一個新的代表；若被發現簽發了一個無效的區塊，那麼所有標準錢包將在每個錢包進行更多交易前要求選出一個新代表。DPOS的典型應用例子是位元股。
PBFT（實用拜占庭容錯演算法）：這個演算法在保證活性和安全性（liveness & safety）的前提下提供了(n-1)/3的容錯性（為什麼是(n-1)/3，可參考拜佔庭將軍問題）。PBFT是一種狀態機副本複製演算法，即服務作為狀態機進行建模，狀態機在分散式系統的不同節點進行副本複製。整個節點網路分為兩種節點：主節點與副本節點。整個流程是這樣的：① 客戶端向主節點傳送請求呼叫服務操作。② 主節點通過廣播將請求傳送給其他副本節點。③ 所有副本節點都執行請求並將結果發回客戶端。④ 客戶端需要等待f+1個不同副本節點發回相同的結果，作為這個操作的最終結果（這裡f是指有可能失效的副本節點的最大個數）。這保證了客戶端不會被失效（假的）副本節點給的最終結果所欺騙。