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什麼是比特幣的區塊鏈?

「比特幣」是什麼?主要三角色:錢包、節點、礦工,12年間創造上億美元資產!用電力來保護金錢

bitcoin chip,3d render

在傳統系統裡,撰寫帳本的人往往擁有至高的權力,能夠寫入今天的帳本,也能修改昨天甚至去年的帳本。但比特幣並不是這樣,即使你有權改變未來,也無權改變過去。即使比特幣受到百分之五十一攻擊,攻擊者也很難改變區塊鏈過去的紀錄。中本聰(Satoshi Nakamoto)的演算法,就像是在帳本上築起一道道牆,阻擋任何人回到過去修改歷史。

若要改變十分鐘前(一個區塊)的帳本,你就必須花費比這個區塊上更多的能源,才能產生新的區塊取而代之。要取代一天前(一百四十四個區塊)的帳本,你就必須花費比這一百四十四個區塊總和更多的能源,才能做到。

bitcoin e commerce concept on digital screen

前人花費的電力完全沒有浪費掉,電力被轉換成一堵堵牆,永遠聳立在區塊鏈上,為未來的攻擊者形成障礙。比特幣就像是一個全球規模的巨大電池,不計較你的電力來自何處,任何電力都可以存進去換取報酬。這個電池會持續用能源保護著一個全球轉帳系統。

區塊鏈是什麼?有什麼應用?一個已經確定的未來趨勢,這是你不得不學習的基礎知識

區塊鏈被許多人說是自網路被發明後最具創新的一項發明.區塊鏈不只可以運用在虛擬貨幣上,還可以被用在其它的技術上,例如房地產買賣、投票選舉、及生產履歷上等等,以達到任何過程透明且不被任何一方竄改.有些人聲稱它為新型網路,並重新架構了新的金融版圖,也影響了這個社會的運作架構.但區塊鏈還是有缺陷在,例如不可篡改性這個既是優點也是缺點,萬一買家後悔此筆交易就完全挽救不回來,還有耗能、交易效率低等等的問題,故也有些聲音說某些應用上反而傳統的技術效率較高.不論它是否是一個突破性的創新,區塊鏈已經正一點一滴的改變這個世界原有的運作模式.也使得許多人們都想要在區塊鏈上獲得新的突破.

區塊鏈的特性

  1. 去中心化:區塊鏈完全不由第三方中介機構管理,而是透過分散式的存儲、驗證、傳輸與管理,這去除了中間機構如政府、銀行等的角色所帶來的剝削等負面影響.但區塊鏈又分為公有鏈、私有鏈與聯盟鏈,僅有公有鏈是去中心化的,例如比特幣、以太坊為公有鏈.
  2. 開放透明:區塊鏈運用開源的技術,除了交易的內容被加密
  3. 外,其餘數據與應用技術皆開放大眾查詢.
  4. 獨立且安全的:區塊鏈是不由第三方所管理,所以具有獨立性,且所有節點的都能安全的驗證每一筆交易,只要51%的數據節點不被控制,就無法改變任何交易的內容.
  5. 匿名性:透過加密且各個區塊串聯在一起,想要駭進區塊鏈竊取交易者資訊是不太可能的.
  6. 不可篡改:由於每一筆資料被打包成區塊後就已經成了事實,無法到任何節點做竄改.

區塊鏈的種類

區塊鏈的應用

  • 去中心化金融:區塊金融應用是目前最多被應用的產業,由於金融去中心化的特性不需要中介機構,對於消費者來說成本大大減少許多,目前的金融應用有最廣為人知的虛擬貨幣,以及可以P2P匯款的行動支付,還有綠能公司推動微電網計畫,提供消費者點對點的電力交換,就能不需要經過電力公司來買賣能源.
  • 食品的履歷應用:食品的履歷可應用區塊鏈的不可篡改性這個特性,從農場到餐桌完全透明的追蹤,不被任何人更動資料,但有個盲點就是過程是可被信任,不代表源頭就可被信任.
  • 醫療系統應用:運用區塊鏈將所有過去的就醫紀錄完整的保存在每一個人的病歷裡,並且病人可以掌握自己的醫療病史,不像現在的就醫模式,只有醫生看得到你的病例用藥紀錄,區塊鏈技術也大大增加個人的隱私.
  • 數位藝術的發展:區塊鏈使得藝術創作者大大提升了他們的收入,有別於在傳統上藝術時常在網路上被複製,創作者卻無法獲得應有的收入,也不知道作品的真偽,現在透過區塊鏈將每件作品註冊智慧財產權,並賦予獨一無二的數位簽名,來防堵非法的複製作品損害創作者的權益,像NFT的藝術作品在2021年3月的佳士得拍賣了19億台幣的作品,創下 什麼是比特幣的區塊鏈? NFT 藝術市場最高價,作者也成為了世界上最有價值的 3 位在世藝術家之一.
  • 線上音樂:過去音樂家所銷售的專輯可以分得收入很高,自從線上串流後,也大大減低了音樂家的收入,透過區塊鏈的智能合約,來讓消費者直接付款給創作者,無需任何仲介者的剝削,
  • 共享經濟:區塊鏈可以讓共享經濟更純粹的運用,在區塊鏈網路下就不需要Air bnb、uber這些中介者,他可以讓司機建立起短租服務,並讓司機與乘客直接做交易,不被扣任何手續費.
  • 保險理賠:就以醫療險為例,醫院上傳病人的病例至區塊鏈網路,保險公司就可在區鏈上用病人提供的私鑰打開智能合約就可以直接查證醫療險是否成立,這就可以大大減低來來回回查證的時間成本.
  • 虛擬賭場:虛擬賭場是利用區塊鏈的智能合約來確保下注過程公開公正.

區塊鏈開發

區塊鏈的由來

區塊鏈的前身是由一位密碼學家David Chaum於1982年 所發表的似區塊鏈的協議論文,而1991年Stuart Haber 與 什麼是比特幣的區塊鏈? W. Scott Stornetta 提出了加密安全鏈的區塊,並想加入具有時間戳的系統來防止檔案被篡改.1992年Stuart Haber 、 W. Scott Stornetta與Dave Bayer結合了“雜湊樹”此技術來提升效率.

然而區塊鏈是由一位至今尚未公開露面的神秘人物所提出的,他叫中本聰.他於2008年發表一篇名為《比特幣:一種對等式的電子現金系統》的論文,在論文當中敘述了他所發明的比特幣以及其背後所運用的演算法.2009年發明了比特幣的軟體,這個系統開始生產了第一批50顆的比特幣,並在也開啟了 虛擬 貨幣的世界.由於比特幣發表於2008年金融海嘯後,當人們開始對銀行與政府這種勒著全球金融咽喉的中心化的機構漸漸失去信心時,比特幣與區塊鏈彷彿是全球經濟的烏托邦,讓人們對金融體系有新的想像.

區塊鏈與政治的關係:密碼龐克(Cypherpunk)

你可能會好奇區塊鏈這個科技跟政治有什麼關聯啊,其實區塊鏈、比特幣的發明的背後是有政治因素的,而這些就要講到一群熱愛密碼學的團體,名叫密碼龐克(cypherpunk).龐克這詞代表的就是叛逆、反抗與自由,反抗這個社會的主流價值觀與對個人自由的堅持,而密碼龐克這個詞是始於1993年艾瑞克·休斯所出版《密碼龐克宣言》.密碼龐克的成員皆是現在有名的科技名人,有維基解密的創始人亞桑傑、全球資訊網(WWW)發明者提摩西・柏內茲-李、臉書共同創辦人之一西恩・帕克(Sean Parker)以及比特幣發明人中本聰等等的.他們出身的年代剛好是電腦、網際網路快速增長的年代,隨著個人電腦越來越普及,但隱私與通訊安全卻沒有跟著進步,且美國政府依舊掌握著加密與解密的技術,可以隨時調查及監聽使用著的文件及語音,1992年提摩西·C·梅(Timothy May),就發起了一個加密郵件列表組織,並集結了許多密碼學家、數學家來共同討論網路時代的個人隱私與安全,並發明出許多加密相關的技術,例如盲簽名、雜湊現金、點對點技術等等.

什麼是比特幣的區塊鏈?

曾帅, 袁勇, 倪晓春, 王飞跃. 面向比特币的区块链扩容:关键技术, 制约因素与衍生问题. 自动化学报, 2019, 45(6): 1015-1030. doi: 10.16383/j.aas.c180100

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ZENG Shuai, YUAN Yong, NI 什麼是比特幣的區塊鏈? Xiao-Chun, WANG Fei-Yue. Scaling Blockchain Towards Bitcoin: Key Technologies, Constraints and Related Issues. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2019, 45(6): 1015-1030. doi: 10.16383/j.aas.c180100

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曾帅, 袁勇, 倪晓春, 王飞跃. 面向比特币的区块链扩容:关键技术, 制约因素与衍生问题. 自动化学报, 2019, 45(6): 1015-1030. doi: 10.16383/j.aas.c180100

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ZENG Shuai, YUAN Yong, NI Xiao-Chun, WANG Fei-Yue. Scaling Blockchain Towards Bitcoin: Key Technologies, Constraints and Related Issues. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2019, 45(6): 1015-1030. doi: 10.16383/j.aas.c180100

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面向比特币的区块链扩容:关键技术, 制约因素与衍生问题

doi: 10.16383/j.aas.c180100
  • 曾帅 1,2,3 , ,
  • 袁勇 1,2,3 , , ,
  • 倪晓春 1,2,什麼是比特幣的區塊鏈? 3 , ,
  • 王飞跃 1,2,3,什麼是比特幣的區塊鏈? 4,5 ,

中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室 北京 100190

青岛智能产业技术研究院 青岛 266109

北京市工程技术研究中心 北京 100190

国防科学技术大学军事计算实验与平行系统技术中心 长沙 410073

中国科学院大学中国经济与社会安全研究中心 北京 101408

作者简介:

曾帅 中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室助理研究员.2011年于北京邮电大学获得信号与信息处理专业博士学位.主要研究方向为社会计算, 策略优化与区块链.E-mail:[email protected]

倪晓春 中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室工程师.2008年于大连海事大学获得管理科学与工程专业硕士学位.主要研究方向为社会计算与区块链.E-mail:[email protected]

王飞跃 中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室主任, 国防科技大学军事计算实验与平行系统技术研究中心主任, 中国科学院大学中国经济与社会安全研究中心主任, 青岛智能产业技术研究院院长.主要研究方向为平行系统的方法与应用, 社会计算, 平行智能以及知识自动化.E-mail:[email protected]

通讯作者:

袁勇 中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室副研究员.2008年于山东科技大学获得计算机软件与理论专业博士学位.主要研究方向为社会计算, 计算广告与区块链.本文通信作者.E-mail:[email protected]

计量
出版历程
  • 收稿日期: 2018-02-13
  • 录用日期: 2018-04-16
  • 刊出日期: 2019-06-20

Scaling Blockchain Towards Bitcoin: Key Technologies, Constraints and Related Issues

  • ZENG Shuai 1,2,3 , ,
  • YUAN Yong 1,2,3 , , ,
  • NI Xiao-Chun 1,2,3 , ,
  • WANG Fei-Yue 1,2,3,4,5 ,

The State Key Laboratory for Management and Control of Complex Systems, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190

Qingdao Academy of Intelligent Industries, Qingdao 266109

Beijing Engineering Research Center of Intelligent Systems and Technology, Beijing 100190

Research Center of Military Computational Experiments and Parallel System, National University of Defense Technology, Changsha 410073

Center of China Economic and Social Security, The University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408

National Natural Science Foundation of China 71402178

National Natural Science Foundation of China 71702182

National Natural Science Foundation of 什麼是比特幣的區塊鏈? China 71232006

National Natural Science Foundation of China 71472174

National Natural Science Foundation of China 什麼是比特幣的區塊鏈? 61533019

National Natural Science Foundation of China 61233001

National Natural Science Foundation of China 71102117

Author 什麼是比特幣的區塊鏈? Bio:

Assistant professor at The State Key Laboratory for Management and Control of Complex Systems, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences. She received her Ph.D. degree in signal and information processing from Beijing University of Post & Telecommunication in 2011. Her research interest covers social computing, strategy optimaization and 什麼是比特幣的區塊鏈? blockchain

Engineer at The State Key Laboratory for Management and Control of Complex Systems, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences. He received his master degree in management science and engineering from Dalian Maritime University in 2008. His research interest covers social computing and knowledge automation

State specially appointed expert and director of the State Key Laboratory for Management and 什麼是比特幣的區塊鏈? Control of Complex Systems, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences. Professor of 什麼是比特幣的區塊鏈? the Research Center for Computational Experiments and Parallel Systems Technology, National University of Defense Technology. Director of China Economic and Social Security Research Center in University of Chinese Academy of Sciences. Dean of Qingdao Academy of Intelligent Industries. His research interest covers methods and applications for parallel systems, social computing, parallel intelligence, and knowledge automation

比特币与以太坊 — 区块链规模

因此,以太坊目前产生的数据远远多于比特币,而比特币仍然拥有更多的累积区块链数据,如下图所示。从 2015 年到 2018 年,比特币的区块链增长速度比以太坊快,然后从 2018 年到 2020 年,二者似乎在平行增长。最后,从 2020 年底开始,以太坊区块链的增长速度进一步加快,现在的增长速度远远高于比特币。以太坊的累计区块链规模看起来很快就会超过比特币,并加速超越比特币。虽然得知以太坊区块链的规模小于比特币区块链规模可会能令人惊讶,但在我们看来,这是因为对现况的偏见,且忘记了几年前的以太坊规模有多小,这才是造成这种惊讶的主要原因。

对于比特币和以太坊这两种情况而言,上图中的区块链总规模包含了所有的交易数据,是一个人为完全同步和验证链而需要从对等方那里下载的所有数据。这包括授权每笔交易的所有数字签名。在以太坊和 Geth 的情况下,我们通过将 Geth 节点与互联网断开,并成功从各种样本交易(包括 2016 年和 2017 年的交易)中检索数字签名,测试了签名的包含情况。以太坊区块链数据还包括部署每个智能合约所需的所有代码,我们也测试了这些代码是否存在于我们的本地机器上,该机器有几百 GB 的存储空间。

什么是 9 TB 以太坊区块链?

这个大数据集用于所谓的“存档节点”。就我们所知,这个数据量较大是因为该节点在内存中存储和索引来自网络历史状态的结果。所有这些结果都可以从较小的区块链数据集中计算出来。我们可以把这个 9 TB 的大数据集看作是追踪和审计从以太坊的诞生之日起的每个点的资金流所需要的数据量。从这个意义上说,它是一个值得注意的指标。

当用以下命令在我们的非存档 Geth 节点上查找最近的交易哈希时,我们得到了一个成功的结果:

eth.getTransactionFromBlock(“Block number”, “Transaction Index”)

即使在一个只有几百 GB 存储数据的非存档节点上查询很早的以太坊交易,运行上述命令也能成功获得结果。交易签名也能显示出来。值得一提的是,截至 2021 年 11 月 21 日,我们的 Geth 节点在 Chaindata 目录中有 528 GB 的数据。其中 267 GB 在 “早期”文件夹中,数据与较早的区块相关。

比特币 UTXO 集与以太坊头状态

Peter Szilagyi 对以太坊的头状态需要 130 GB 数据作出评论之后,下一个问题产生了。我们收到了一些问题,例如为什么与比特币中某种程度上同等或类似的指标(UTXO 集大小,即未花费的比特币交易输出)相比,这个数字如此之大。对于以太坊和比特币的两种情况,最后一个区块和状态头或 UTXO 集是一个节点评估传入区块有效性所需的全部数据。

在写这篇文章的时候,比特币的 UTXO 集包含大约 7600 万个输出,占用了 4.6 GB 的磁盘空间。比特币核心支持删减区块链,节点可以丢弃较早的区块链数据,只保留一些最近的交易以及 UTXO 集。这意味着,人们可以完全验证整个比特币区块链,并检查新区块的有效性,而所需磁盘空间远远低于 10 GB。这是一个相当有用的功能,体现了强大的效率。例如,4.6GB 只占整个比特币区块链规模的 什麼是比特幣的區塊鏈? 1.2% 左右。

这种效率似乎并不适用于以太坊。根据 Peter 引用的数字,以太坊上的头状态占 130 GB,大约是区块链规模的 43%,远远高于比特币的 1.2%。以太坊也有早期交易和账户,为什么这些不能删减,至少在理论上,实现类似的节省?可以说,据我们所知,以太坊的开发者并没有试图使其更高效,因为有其他的优先事项,但即使他们尝试这样做,也不太可能达到比特币中可以看到的效率节省。

以太坊的状态链

在以太坊中,节点存储的数据库有两种主要类型:区块链(所有交易加上区块头)和状态。状态是从交易历史中计算出来的,基本上包含:所有以太坊账户余额、与每个部署的以太坊智能合约相关的存储和账户nonces。状态基于之前的状态和区块中的新交易,在每个区块后更新和计算。状态的 Merkle 根哈希值包含在每个区块头中,确保网络状态的共识。随着以太坊的发展,状态数据持续增长,如上所述,最新状态的大小与区块链本身相当。如果一个节点要存储每一个区块所有的完整状态,这将是一个巨大的数据量,甚至可能大大超过 9 什麼是比特幣的區塊鏈? TB 的存档节点。

一个单独的以太坊交易对状态产生的影响可能非常小,也可能很大。例如,一个只是将以太币从一个地址发送到另一个地址的“常规”交易,对状态的影响很小。同时,一个因为耗尽燃料而失败的交易,对状态产生的影响也很小。相比之下,其他类型的交易,在区块链上的数据足迹本身可能很小,但对状态的影响可能很大,例如,一个交易可能与智能合约交互,这可能改变多个账户余额。如果以太坊区块链只包含对状态影响最小的交易,那么状态大小就会小得多,可以接近比特币 UTXO 集 c1% 的效率水平。