区块链的前世今生：为什么说区块链是即将到来的数字革命？

本文作者：本益资本陈云红，原标题《区块链——一场即将到来的数字革命》

一、区块链概述

近两年，区块链概念成为金融和科技行业的热门话题。 它的第一个也是最广泛使用的案例是比特币。

在比特币系统中，存储比特币交易记录的部分称为区块。 所有区块的集合包含了比特币从第一笔交易到最近一笔交易的所有记录。 这个包含所有记录的分类账就是硬币中的比特币区块链。 我们认为广义区块链代表了一个大规模的分布式共识系统。

1. Yap Island Stone Coin：小规模分布式共识系统

在太平洋的雅浦岛，当地人使用只能在 400 英里外的帕劳岛上开采的石灰石制成的石轮作为货币。 岛上的居民在决定支付多少石币后甚至不需要带走，只需要在石币上做个标记即可。 最有趣的是，岛上的首富拥有一枚巨大的优质石币。 这枚石币是家族祖辈出征时得到的，但在运输途中遭遇风浪，不得不弃于海中。 . 探险队回去后，通过其他队员的见证，岛上的居民认可了这枚石币的价值。 虽然这枚石币已经永远的留在了海底，但是并不影响首富家族拿它来进行交易。

在雅浦岛，全岛居民对石币达成了共识，石币的价值是因为居民的共识而赋予的。 每个居民对石币所有权的记忆可以理解为一个区块，所有居民链接在一起，形成整个雅浦岛的区块链。 从历史上看，这种简单的区块链规模小且不稳定。 由于石币的归属由每个人的记忆决定，并不能完全解决信用问题。

2. 区块链——密码学、经济学和计算机技术的混合产物

一、区块链的思想：去中心化

区块链在思想层面代表了创造者的去中心化愿景。 这个想法在凯文·凯利的《失控》一书中也有提到。 自然界生态文明的演化恰逢分散再分散转化的规律。

一只蜜蜂或一只蚂蚁几乎没有智慧，当它们形成蜂群和蚁群时，群体的智慧远远超过个体的积累。 蜂群和蚁群是自然界分散团队的典型案例。

对于人类社会来说，从古代的原始人，到后来的游牧民族、城邦，再到现在的国家，集权化的过程已经接近尾声，下一步可能会走向分权化。 区块链从诞生到应用，就像历史的转折点，标志着人类从中心化集群向去中心化进化的开始。

2、区块链的物理结构：分布式共识系统

通过之前的亚普岛石币案例，我们对分布式共识系统有了一个大概的了解。 所谓分布式共识主要包括两点：分布式和共识。 分布式是指系统的运行是由所有参与系统的个体分工合作进行的。 共识是所有参与者达成的一致决定。 简单来说，分布式共识系统是所有参与者共同决策、共同运维的系统。 我们认为，要实现系统的广泛应用，需要解决四大问题：存储问题、传输问题、扩展问题和共识问题。

存储问题主要是指如何实现数据记录在区块中的安全稳定存储。 区块链中的数据存储在计算机的存储介质中，基于密码学的应用，对存储的数据进行加密，保证用户数据的安全和隐私。

传输问题主要是指如何实现数据信息的快速、安全传输。 传输问题的解决是由于互联网传输速度和稳定性的提高。 通过网络传输速度的不断升级和各国通信基础设施的不断完善，数据在全球快速稳定传输将逐渐成为现实。

扩展问题主要是指如何扩展系统的规模。 在此，不得不感叹比特币的创造者中本聪的才华横溢。 他用经济激励来鼓励人们参与到这个系统中，每一个符合条件的参与者（参与决策、运维人员）都可以从中获得经济利益。 收益是比特币，这种合格的参与者被称为节点。 分布式共识系统拥有的节点数量基本代表了它的规模。

共识问题是系统的核心。 当共识系统在小范围内运行时，我们认为每个节点基本上都是可信的，所以达成共识不需要很多复杂的条件。 但是，当系统的应用范围扩展到全球时，各个节点的诚信就无法得到保证，如何验证节点的真实性成为难点。 对此，人们研究了多种共识证明机制，主要包括工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）、共享授权证明（DPoS）、拜占庭容错算法（pbft）等。

工作量证明是指你需要提供工作量来证明你的可靠性，最早应用于比特币区块链。 特定工作量的定义在比特币中体现为找到一个随机数，使其满足生成新区块的规则。 谁最先找到合适的随机数，谁就有权生成新的区块，同时也获得一定数量的比特币铸币权。 这个过程被称为挖矿。 如果节点记录的数据信息有误，新的区块将不会被其他节点接受，计算随机数消耗的电能也将被浪费。

基于人都是逐利者的经济原理，节点记录信息将保持真实可靠以获得奖励。 工作量证明在比特币运行初期几乎没有问题。 任何人都可以参与比特币新区块的产生，也可以随时退出。 但是随着科技的发展，计算设备已经从最初的CPU、GPU发展到中心化的大型ASIC矿机。 单个节点的算力与矿机相差甚远，比特币节点分布呈现中心化趋势。 此外，随着计算难度的增加，比特币挖矿也造成了大量的能源浪费。

权益证明是近年来新兴的证明机制。 根据各节点持有虚拟货币的比例和时间，确定有权产生新区块的节点，奖励是根据其持有货币的数量和时间给予相应的利息。 权益证明不再需要节点竞争算力，节省了能源消耗，可以大大缩短共识时间。

股份授权证明类似于股权证明。 所有持币者投票选出一定数量的节点轮流执行记账和验证交易的功能，类似于议会制。

拜占庭容错算法不同于前面提到的PoW和PoS，它是传统分布式共识算法的改进版本，主要解决拜占庭将军问题。

拜占庭将军的问题主要是假设有十位将军要共同下达进攻或撤退等军事命令，但他们无法面对面讨论决定，所以他们通过信使传递信息。 如果其中有叛徒，故意发出错误的信息进行干扰，就不可能达成一致的决定。 通过复杂的数学证明，当有 n 个叛徒时，成员总数 > 3n+1 就可以找到叛徒，pbft 算法就是基于这个原理工作的。

简单来说，pbft算法推荐一个主节点记录信息并形成新区块，然后将新区块广播给所有其他节点（预准备阶段）； 所有其他节点验证新块并广播它（准备阶段）； 当节点总数为3n+1时，如果该节点收到2n个节点的信息与自己匹配，则继续全网广播（commit阶段）； 当节点收到2n+1个节点的commit信息后，决定新区块。 生成（回复阶段）。 pbft算法不需要虚拟货币作为经济激励，由于验证时间远短于随机数运算时间，只需2-5秒即可达成共识。 但是pbft算法对节点的真实可靠性有一定的要求，即出错的节点需要少于总节点的三分之一，且不存在算力壁垒，因此只适用于有限范围的分布式共识，其中大多数节点是可靠的系统。 值得一提的是，中国人民银行规划的数字货币采用的是PBFT算法。

总的来说，区块链是基于去中心化的思想和分布式共识系统，可以实现大规模应用。 根据其应用范围的大小，区块链可分为公有链、联盟链和私有链三类。

公链是区块链的广义表现形式，是完全公开、公开的。 任何人都可以作为节点参与其中，读取数据记录，使用系统。 具有完全去中心化、公开透明、数据不可篡改等特点。 目前最大的公链是比特币区块链。

联盟链是多个机构组成联盟，共同参与管理的区块链。 每个组织有一个或多个节点，所记录的数据资源只允许在联盟链内互通，不完全公开透明，各方权限由联盟成员共同决定。

私有链是指在机构或组织内部运行的区块链，参与决策的节点由机构自行决定。 私有链可以实现企业内部数据的公开透明，其安全性和运行效率远高于公有链和联盟链。 整体来说，私有链非常适合大型企业，尤其是金融机构。

三、区块链的起源与发展

1. 区块链1.0阶段：虚拟货币

2008年，中本聪在比特币论坛上发表了一篇论文《比特币：一种点对点的电子现金系统》，阐述了一种新型的数字货币：比特币。 比特币是一种P2P电子现金系统，允许用户在不通过银行系统的情况下进行点对点的在线交易。

1.0阶段的区块链是比特币交易记录的账本，记录交易时间。 区块是数据记录的集合，链将父区块通过哈希运算得到的哈希值存储在每个区块的头部，用于追溯和回溯上一个区块。 因此，每个区块每个区块都可以与前一个区块保持联系。

首先，让我们看一下区块链结构中的块。 下图描述了块中主要部分数据记录的存储方式。 这种类似二叉树的存储结构被称为“默克尔树”。 Merkle树的底层是由两两分组的比特币交易记录组成的，也就是数据。 对一组交易数据进行哈希处理，得到相应的输出。 值，将两组输出值再次进行哈希运算，得到上一层的输出值，最终形成最终的哈希输出值，称为“默克尔树根值”。

区块中除了存储“交易数据”外，还有“区块大小”、“区块头”、“交易计数器”三部分。 整个区块的核心部分是“区块头”和数据记录。

区块头主要包括：父区块哈希值、默克​​尔树根值、时间戳、目标值和随机数，是链接各个区块的关键。 区块头中的父区块哈希值引用是前一个区块的哈希值，用于定位前一个区块。 Merkle树的根值是上述二乘二数据哈希运算得到的最终值，用于验证区块中的数据是否被篡改。

比特币如何运作：

比特币的流通主要分为铸币、交易和维护三个部分。 比特币铸币不同于传统的国家央行发行货币。 它不依赖于任何货币发行机构。 每一个符合要求的新区块的记录者都可以获得铸币权。 从创世区块产生，每产生一个新区块，将有权发行50个比特币。 每产生 210,000 个区块后，该数量将减半。 2012年和2016年两次奖励减半。 目前，矿工只有 12.5 个比特币可以发行一个新区块。 由于这样的特点，比特币最终的总量只有2100万左右。

比特币交易涉及两部分：交易双方和所有节点。 首先，比特币存储在一个由数字和字母组成的地址中。 一个比特币地址对应一个公钥和一个私钥（公钥由私钥生成，地址由公钥生成，整个过程不可逆）。 当一笔比特币交易发生时，比如小明要转10个比特币给小红，小明会在全网广播一条消息，从他的其中一个地址（假设地址中有20个比特币）转10个比特币到小红的地址消息，并用相应的私钥签名，整个交易的输出就是设定的比特币脚本，通过它来验证交易的有效性。 还有一点很重要，每个地址的比特币在交易的时候都要清零，剩下的钱会转到自己的新地址。

按照上面的例子，小明从一个存放20个比特币的地址转10个比特币给小红，把剩下的10个比特币转到他的新地址，也是为了他比特币钱包的安全（公钥泄露后，可能被量子计算机破解）。 这是双方之间的交易过程，但比特币作为一种无需中央权威机构授权的电子货币，需要所有节点达成共识才能确认交易。 达成共识的主要过程是每个矿工在收到交易广播后首先验证输入的地址是否有足够的余额（通过回溯该地址涉及的上一笔交易），并将该交易包含到自己打包的区块中，同时计算出合适的随机数（挖矿），最先找到合适随机数的人可以向全网广播他找到了一个新的区块，该区块将连接到该区块的主链上区块链（累积难度最高的链）。 当交易连接到主链时，即表示交易成功。

比特币维护主要是指对区块链的维护。 比特币的核心是分布式账本，由所有节点共同维护。 比特币早期，全网算力很低比特币区块链中记录的是，只有极少数节点在挖矿，所以整个区块链非常脆弱，对应的比特币价值也很低。 十年的发展，比特币全网算力暴增，矿工数量也随之增加。 比特币的主链越来越难破解，近年来其价值也快速增长。 可以说，区块链是比特币的基础。 如果区块链出现问题，比特币将变得一文不值。

根据比特币区块链的结构和运行原理，我们可以将区块链1.0的技术架构分为数据层、网络层、共识层、激励层和应用层。 数据层是指区块链的底层架构，网络层主要是指信息传输和验证机制，共识层是指比特币采用的共识机制，激励层是指比特币采用的经济激励机制，应用层是指比特币货币应用领域。

总的来说，比特币综合了密码学、经济学、去中心化、分布式共识等理论，通过至今近10年的发展证明了P2P电子货币体系的可行性和稳定性，同时支撑比特币体系的关键技术是区块链. 比特币具有去中心化、免信任、数据不可篡改等特点，但作为区块链初级阶段的应用，存在很多难以改进的缺陷，如挖矿造成的能源浪费、区块大小限制（1MB大小） 、交易确认效率低等。

2. 区块链2.0阶段：智能合约的衍生

以太坊于 2015 年推出，扩大了智能合约在区块链中的应用。 以太坊官网给出的定义是运行智能合约的分布式平台。 以太坊区块链不仅存储了以太坊（以太坊中的虚拟货币）的交易记录，还存储了所有在以太坊上创建和执行的智能合约。 区块链2.0阶段是分布式计算机，存储智能合约并通过计算机代码自动执行。

具体来说，以太坊通过一套图灵完备的脚本语言EVM语言来构建应用。 同时，用户可以直接使用当今主流的C语言、Python、Java等高级语言，再通过以太坊编译器将其转化为EVM语言。 其中，智能合约编译使用的新语言，如Solidity、Serpent，使用主流语言的语法，简单易用。

因此，以太坊的区块链结构比比特币复杂。 根据前面的解释，我们知道比特币区块链的每个区块都包含一棵Merkle树，用于存储用户交易记录。 在以太坊区块链中，每个区块存储三棵 Merkle 树交易树、状态树和收据树，分别包含交易记录、账户和交易收据。 交易记录为以太坊的交易记录； 账户包括外部账户和合约账户，外部账户代表对应的以太坊用户和节点的身份，合约账户即智能合约，一般存放合约的代码； 交易收据主要是指每笔交易完成后返回的结果比特币区块链中记录的是，比如执行合约消耗的成本记录，合约日志等。

例如执行合约的成本记录、合约日志等。以太坊中的费用不仅包括每笔交易的交易费用，还包括合约创建、合约执行等一系列活动所消耗的资源，以 Gas（燃料）命名。 具体来说，以太坊中的外部账户通过发送交易激活合约账户，合约账户也可以发送消息建立连接。 同时，所有交易和智能合约的运行都需要消耗费用，即以太币。 每个智能合约同时在以太坊节点上运行并存储结果。 消耗掉的以太奖励给矿工，剩余的燃料返还给矿工。 发送交易方。

以太坊和比特币最大的不同在于记账模式不同。 根据前面对比特币的介绍，我们知道在使用比特币时，每发生一笔交易，账户中的所有余额都需要用完，所以在每笔交易中，你的输入（余额）不仅会产生一个成本输出（需要交易给其他人的金额），未花费的部分将输出到你的新地址，称为 UTXO（未花费的交易输出）。 所以一个用户当前拥有的比特币数量实际上等于他所有UTXO的累计值。 这和我们普通的银行系统或者金融机构的记账方式是完全不同的，而我们传统银行机构使用的记账方式基本都是在以太坊上使用的，也就是每个用户对应一个账户，主要是因为以太坊是智能合约设计的，账户中不仅有以太坊余额，还包含智能合约代码、交易序列号等，不适合UTXO模式。 然而，这种模式有很大的缺点。 以太坊中的所有节点都需要同时验证所有交易。 当交易量增加时，效率必然会大大降低。 为此，以太坊正在研究一种“分片”技术来解决交易效率和可扩展性的问题。

分片技术简单来说就是把整个以太坊系统分成几个独立的块，每个块由一个专门的节点维护，并且需要保证每个块之间可以相互通信，这使得以太坊中的节点可以同时处理更多交易。 目前，分片技术还处于概念阶段，如何实现片上通信、如何保证单片机的可靠性等问题仍在研究中。

相比区块链1.0的结构，区块链2.0有所调整。 一般分为数据层、网络层、共识层、激励层、智能合约层。 智能合约层对应1.0架构的应用层。

总的来说，以太坊为区块链爱好者提供了一个开放的平台。 基于智能合约图灵完备的编程语言，可以开发很多应用场景，如房屋租赁、远期合约、金融贷款、赌博等，具有广阔的想象空间。

3. 区块链3.0阶段：区块链社会

区块链的概念最早于2008年作为比特币的底层网络被提出。 2017年经过近10年的发展，数字货币不再是研究对象。 区块链作为能够解决人们信用问题的新一代价值传输网络，被寄予厚望。

未来，所有个人信息，包括健康状况、身份、工作和家庭关系，都可能存储在区块链上。 这些信息可以立即调用，是否公开由个人决定。 整个社会系统相当于基于区块链的构建。 陌生人可以在没有第三方中介信用背书的情况下自由进行交易，可以节省很多因信用不对称而产生的额外成本。

如果以太坊的分片技术研究进展顺利，上述想法可能会成为现实。 整个人类社会的结构是基于多条区块链，其主链由一个类似于联合国的组织控制，每个国家都有自己的区块链，会进一步细分到各个省市和行业. 最重要的是，所有的区块链都可以传递信息，每条区块链承担不同的功能，由不同的人群维护，最终形成区块链社会。

（未完待续）