【得得专栏】刘志毅：区块链技术演化与比特币基础

个人介绍：刘志毅，数字经济学家，数字经济学理论提出者，主要研究领域包括人工智能、智能经济以及数字经济学等。商汤科技智能产业研究院主任，同济大学人工智能与区块链智能实验室（AIBI）研究员，中国区块链技术改革联盟首席经济学家。

出版有数字经济领域专著《智能经济：用数字经济学思维理解世界》、《无界:人工智能时代的认知升级》，正在出版专著包括《数字经济学》、《AI与区块链智能》等。

我们本书的核心是人工智能与区块链技术的范式革命，选择这两种技术的原因，就在于人工智能技术代表了生产力的革命，而区块链则代表了生产关系的变革。因此，如何理解区块链技术对生产关系的变革就是重点，接下来我从三个角度探讨这个问题：区块链技术特点、区块链数学基础以及区块链的演化过程。

我们先从区块链技术特点讨论， 区块链技术的创新主要体现在以下四个方面：

• （1） 分布式账本。交易记账由分布在不同地方的多个节点共同完成，而且每一个节点都记录的是完整的账目，因此它们都可以参与监督交易合法性，同时也可以共同为其作证。不同于传统的中心化记账方案，没有任何一个节点可以单独记录账目，从而避免了单一记账人被控制或者被贿赂而记假账的可能性。另一方面，由于记账节点足够多，理论上讲，除非所有的节点被破坏，否则账目就不会丢失，从而保证了账目数据的安全性。
• （2） 智能合约。智能合约是基于这些可信的不可篡改的数据，可以自动化的执行一些预先定义好的规则和条款。以保险为例，如果说每个人的信息（包括医疗信息和风险发生的信息）都是真实可信的，那就很容易的在一些标准化的保险产品中，进行自动化的理赔。
• （3） 密码学技术。存储在区块链上的交易信息是公开的，但是账户身份信息是高度加密的，只有在数据拥有者授权的情况下才能访问到，从而保证了数据的安全和个人的隐私。区块链的加密技术主要有哈希算法和非对称加密。
• （4） 共识机制。所有记账节点之间怎么达成共识，去认定一个记录的有效性，这既是认定的手段，也是防止篡改的手段。区块链提出了四种不同的共识机制，适用于不同的应用场景，在效率和安全性之间取得平衡。以比特币为例，采用的是工作量证明，只有在控制了全网超过51%的记账节点的情况下，才有可能伪造出一条不存在的记录。当加入区块链的节点足够多的时候，这基本上不可能，从而杜绝了造假的可能。

这里尤其是关注分布式账本的特点，所谓分布式账本技术从本质来说就是一种可以在多个站点和不同机构组成的网络中进行分享的资产数据库，每个网络节点都可以获得唯一、真实账本的副本，而账本中的任何改动都会在副本中反应出来，在这个账本中储存的资产可以是金融或者法律定义的资产，也可以是实体的或者电子的资产。在在这个账本里存储的资产的安全性和准确性是通过公私钥以及签名的使用去控制账本的访问权，从而实现密码学基础上的维护。根据网络中达成共识的规则，账本中的记录可以由一个、一些或者是所有参与者共同进行更新。换言之，在分布式网络的基础上加上非对称加密的密码学账本体系，就形成了分布式账本。

然后我们来讨论区块链技术所涉及的数学基础，在第一讲中我们探讨了信息技术哲学中的计算主义思想，本质上讨论技术背后的思想根源。信息技术发展到现在，已经形成了两个完全不同的平行世界：一个世界是我们所处的物理世界，在这个物理世界中是由实体经济主宰的世界，是由牛顿物理法则所主宰的原子的世界；一个世界是观念的世界，也就是由比特组成的世界，在这个世界中起核心作用的是信息世界的规则。连接这两个世界的方式有很多，过去三十年以来是由信息互联网作为载体进行链接，所以我们看到了信息网络的作用；接下来的数十年我们可以看到区块链网络将成为新的载体，构建两个平行世界之间的基础。

从科学哲学的角度来看，数学是所有现代科学理论的基本思考方式。科学哲学之父泰勒斯提出在数学中通过逻辑证明命题的正确性，奠定了整个西方科学研究的实证经历了基础。而另外一位伟大的哲学毕达哥拉斯则奠定了数学哲学的基础，他建立了“万物皆数”的概念，也就建立了从古希腊一直延续至今的对基础数学理论重视的科学精神。我们可以看到，目前西方学者所取得的大部分基础性研究工作的进展，都是建立于数学基础理论的研究之上的。

这里需要注意的是，就具体技术范式而言，过去数十年间关于互联网的研究基础在于其背后的数学基因，整个互联网网络都建立于图灵机的架构下以及相关的算法逻辑之中。那么，区块链技术也应该拥有自己的数学理论基础，只有在数学和算法的基础上才能发展出一整套应用场景和技术演化过程出来。这里我们简要的讨论下区块链技术已经具备的应用数学范式的条件：

• 第一， 区块链技术不是单一的技术，而是一组技术的组合。这其中包括密码学、大数据、网络通讯、计算机科学以及通信技术等等，而这些技术背后都包含有相应的数学理论，这使得区块链技术拥有了跨学科研究的数学理论基础，也有了能够基于图灵机的信息技术框架讨论的核心架构。
• 第二， 区块链技术所涉及的理论难题都与数学研究相关，包括通过非对称密码学解决拜占庭将军难题、通过博弈论的数学算法解决共识机制问题以及通过大规模的数学运算解决分布式网络的效率问题等等，可以看到区块链技术与数学之间是紧密相连的。
• 第三， 区块链技术在更复杂的应用场景中有着非常重要的数学应用前景，这其中包括不限于数字金融领域的应用、数字身份的应用以及在智慧城市中应用，无论哪一种场景都是以往互联网技术无法单独解决的具体场景，而每一种场景中所涉及的数学问题又非常复杂，包括不限于数理统计、群论、拓扑数学理论等等。

我们可以看到，区块链技术所涉及的技术范式实际上是在过去数十年间所积累起来的，尤其是关于密码学相应的理论。除此之外，我们看到基于网络理论的数学研究已经涉及到图论相关的领域，即以空间、维度与变换作为研究对象，这使得区块链技术在未来有了更大的研究前景。在近几年的关于互联网的研究中，所涉及的基于网络经济、分享经济以及信息经济的数学理论研究，实际上都跟区块链技术有着或多或少的联系。我们将区块链技术作为“下一代互联网”，则需要弄清楚这些理论背后的数学基础与区块链技术发展之间的关系。

最后我们来分析区块链1.0到区块链3.0技术的演变。值得注意的是，目前的这个分阶段主要是以过去十年间区块链技术发展为基础来划分，事实上区块链技术还处在非常早期的阶段，在更长的时间周期内我们可以预期到这个划分会被重新定义。基于现有的约定俗成，我们按照目前的技术发展阶段来为各位读者介绍。

所谓区块链1.0阶段，最典型的代表即使于2009年1月份上线的比特币区块链。比特币区块链系统最重要的目标就是做一个“点对点的电子现金系统”，发送方和接收方直接交易，它们之间不需要中介机构的接入。比特币的区块链是基于工作量证明形成的带时间戳、存储数据的数据块和由哈希指针连接形成的链条。这个链条上以分布式的方式存储在比特币网络的每个节点上，因此也就形成了我们前文所说的分布式账本的概念。

这里要稍微介绍下比特币区块链技术涉及的一些基本概念，主要有以下三个：

工作量证明：所谓工作量证明指的是在比特币网络中的节点按照规则进行加密哈希计算，以竞争获得生成新区块的权利。节点在竞争获胜后就获得记账权，在生成区块成为最新区块后能够获得与区块相对应的生产奖励，工作量证明是最重要和最基础的共识机制之一。

最长链原则：比特币工作量证明机制的本质是一个节点一票，而最长链包含了最大的工作量，所以“大多数人”的决定就可以表达为最长链。通俗来讲就是，比特币区块是依靠矿工们不断进行数学运算而产生的，每一个区块都必须引用其上一个区块，因此最长的链也是最难以推翻和篡改的，所以节点永远认为最长链才是有效的区块链，只有在最长链上挖矿的矿工才能够获得奖励，这就是我们常说的比特币最长链原则。

UTXO（未使用的交易输出）：比特币的记账方式，本质上比特币账本可以认为是一个状态转换系统，每一个新区块和它之前所有区块形成了一个新的状态，而在确认之前是不可以随意篡改的，而UTXO就是这种记账方式的基础技术概念。因此有一种说法就是，世界上没有比特币只有UTXO，地址中的比特币指代的是没有花掉的交易输出。

接下来介绍区块链2.0，其中2015年7月上线的以太坊是代表。以太坊最大的价值在于，通过智能合约机制构建了去中心化应用的平台，也就是构建了基于区块链技术的操作系统。由于比特币区块链存在着事实上的缺陷，包括缺少图灵完备性（无法支持所有的计算）、无法为账户的取款额度提供精细样本以及无法进行复杂的合约计算等等，因此以太坊就被创始人维塔利克创造出来了。按照他的说法，以太坊的目标是，“提供一个区块链，内置有城市的图灵完备的编程语言，用这种语言可以创建合约来编码，实现任意状态转换功能。”也就是说，以太坊创造了新的公有链，这个区块链是具备图灵完备的脚本的，能够用来创造复杂的智能合约，来控制所有区块链状态的转换，因此可以进行链上的数字资产的确认和转移，从而实现了从信息互联网到“价值互联网”的转换。以太坊区块链有一个非常伟大的计划，它希望把以太坊区块链建成世界计算机，建立一个全球性的大规模的协作网络，所有人都在以太坊区块链上做计算和运用。当然，这个想法目前还没有得到完全的验证，但是已经具备了基本的雏形。

这里要介绍的重要概念是智能合约，这个概念是著名计算机科学家和密码学家尼克.萨博在1994年提出的，他定义到“一个智能合约是，一个计算机化的交易协议，它执行一个合约的条款”。智能合约的设计目标是执行一般合同的条件，与此同时最大限度地降低恶意和意外的状况，以及最大限度地减少信用中介的使用。

智能合约不是合同，智能合约就是一套保证你的合同能够在不借助于第三方的情况下得到执行的计算机程序。我们可以这么理解：区块链存储的是状态，而智能合约是它用于状态转换的方式。智能合约不是合同，是一个计算机程序，这个计算机程序能够保证你们俩合同签完之后，谁自动触发相应执行的条款，这是区块链的2.0的本质。值得注意的是，尼克.萨博在其论文中还讨论了如何把智能合约用于实体资产形成智能资产的逻辑，也就是如何通过智能程序设定的规则来实现对资产的控制。

事实上，我们可以看到区块链1.0的核心是数字现金，区块链2.0的核心是数字资产，而区块链3.0则应该是大规模商业化应用的平台。原因在于即使是区块链2.0仍然有缺陷，它能够支持一部分的应用开发，但是它在性能上，在很多方面仍然有缺陷，它不能支持大规模的商业应用开发，比如说交易的速度，比特币的交易速度只有每秒7笔，以太坊绝对不超过20笔。

到目前为止，真正的区块链3.0应用尚未实现，无论是以超级账本（HyperLedger）为代表的联盟链还是以通用公链为代表的EOS等都还在探索和成长过程中。我们可以预期的是区块链3.0时代，将形成以行业类基础公链、功能类基础公链和通用类基础公链同时并存的产业生态，这也是我们对区块链3.0阶段发展的预期。

目前的区块链技术所处的阶段可以类比为90年代末的互联网所处的阶段，也就是处于相对早期的阶段。但是这并不意味着我们就要无视它的发展，由于区块链技术的发展不依赖于硬件的发展，而是依赖于算法、数学以及软件生态的发展，因此从逻辑上来说它的发展速度相对互联网来说会更加迅速。一方面区块链技术能够应用于金融尤其是数字资产相关的领域，另外一方面区块链技术在解决去中心化问题上能够为互联网提供新的技术基础。因此，可以预期未来数十年间区块链技术将实现真正的大规模商业化应用，成为下一个真正引发产业变革的基础技术。