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    溯源:區塊鏈技術發展簡史

    來源:www.164lu.com作者:游民老趙 時間:18-05-25 分享到:

    要理解區塊鏈的歷史地位和未來趨勢,就不得不從互聯網的誕生開始研究區塊鏈的技術發展簡史,從中發掘區塊鏈產生的動因,并由此推斷區塊鏈的未來。

    要理解區塊鏈的歷史地位和未來趨勢,就不得不從互聯網的誕生開始研究區塊鏈的技術發展簡史,從中發掘區塊鏈產生的動因,并由此推斷區塊鏈的未來。

    一、比特幣誕生之前,5個對區塊鏈未來有重大影響的互聯網技術

    溯源:區塊鏈技術發展簡史

    1969年,互聯網在美國誕生,此后互聯網從美國的四所研究機構擴展到整個地球。在應用上從最早的軍事和科研,擴展到人類生活的方方面面,在互聯網誕生后的近50年中,有5項技術對區塊鏈的未來發展有特別重大的意義。

    1、1974誕生的TCP/IP協議:決定了區塊鏈在互聯網技術生態的位置

    1974年,互聯網發展邁出了最為關鍵的一步,就是由美國科學家文頓瑟夫和羅伯特卡恩共同開發的互聯網核心通信技術--TCP/IP協議正式出臺。

    這個協議實現了在不同計算機,甚至不同類型的網絡間傳送信息。所有連接在網絡上的計算機,只要遵照這個協議,都能夠進行通訊和交互。

    通俗的說,互聯網的數據能穿過幾萬公里,到達需要的計算機用戶手里,主要是互聯網世界形成了統一的信息傳播機制。也就是互聯網設備傳播信息時遵循了一個統一的法律-TCP/IP協議。

    理解TCP/IP協議對掌握互聯網和區塊鏈有非常重要的意義,在1974年TCP/IP發明之后,整個互聯網在底層的硬件設備之間,中間的網絡協議和網絡地址之間一直比較穩定,但在頂層應用層不斷涌現層出不窮的創新應用,這包括新聞,電子商務,社交網絡,QQ,微信,也包括區塊鏈技術。

    也就是說區塊鏈在互聯網的技術生態中,是互聯網頂層-應用層的一種新技術,它的出現,運行和發展沒有影響到互聯網底層的基礎設施和通訊協議,依然是按TCP/IP協議運轉的眾多軟件技術之一。

    2、1984年誕生的思科路由器技術:是區塊鏈技術的模仿對象

    1984年12月,思科公司在美國成立,創始人是斯坦福大學的一對夫婦,計算機中心主任萊昂納德.波薩克和商學院的計算機中心主任桑蒂.勒納,他們設計了叫做“多協議路由器”的聯網設備,放到互聯網的通訊線路中,幫助數據準確快速從互聯網的一端到達幾千公里的另一端。

    整個互聯網硬件層中,有幾千萬臺路由器工作繁忙工作,指揮互聯網信息的傳遞,思科路由器的一個重要功能就是每臺路由都保存完成的互聯網設備地址表,一旦發生變化,會同步到其他幾千萬臺路由器上(理論上),確保每臺路由器都能計算最短最快的路徑。

    大家看到路由器的運轉過程,會感到非常眼熟,那就是區塊鏈后來的重要特征,理解路由器的意義在于,區塊鏈的重要特征,在1984年的路由器上已經實現,對于路由器來說,即使有節點設備損壞或者被黑客攻擊,也不會影響整個互聯網信息的傳送。

    溯源:區塊鏈技術發展簡史

    3、隨萬維網誕生的B/S(C/S)架構:區塊鏈的對手和企圖顛覆的對象

    萬維網簡稱為Web,分為Web客戶端和服務器。所有更新的信息只在Web服務器上修改,其他幾千,上萬,甚至幾千萬的客戶端計算機不保留信息,只有在訪問服務器時才獲得信息的數據,這種結構也常被成為互聯網的B/S架構,也就是中心型架構。這個架構也是目前互聯網最主要的架構,包括谷歌、Facebook、騰訊、阿里巴巴、亞馬遜等互聯網巨頭都采用了這個架構。

    理解B/S架構,對與后續理解區塊鏈技術將有重要的意義,B/S架構是數據只存放在中心服務器里,其他所有計算機從服務器中獲取信息。區塊鏈技術是幾千萬臺計算機沒有中心,所有數據會同步到全部的計算機里,這就是區塊鏈技術的核心。

    4、對等網絡(P2P):區塊鏈的父親和技術基礎

    對等網絡P2P是與C/S(B/S)對應的另一種互聯網的基礎架構,它的特征是彼此連接的多臺計算機之間都處于對等的地位,無主從之分,一臺計算機既可作為服務器,設定共享資源供網絡中其他計算機所使用,又可以作為工作站。

    Napster是最早出現的P2P系統之一,主要用于音樂資源分享,Napster還不能算作真正的對等網絡系統。2000 年3月14 日,美國地下黑客站點Slashdot郵寄列表中發表一個消息,說AOL的Nullsoft 部門已經發放一個開放源碼的Napster的克隆軟件Gnutella。

    在Gnutella分布式對等網絡模型中,每一個聯網計算機在功能上都是對等的,既是客戶機同時又是服務器,所以Gnutella被稱為第一個真正的對等網絡架構。

    20年里,互聯網的一些科技巨頭如微軟,IBM,也包括自由份子,黑客,甚至侵犯知識產權的犯罪分子不斷推動對等網絡的發展,當然互聯網那些希望加強信息共享的理想主義者也投入了很大的熱情到對等網絡中。區塊鏈就是一種對等網絡架構的軟件應用。它是對等網絡試圖從過去的沉默爆發的標桿性應用。

    5、哈希算法:產生比特幣和代幣(通證)的關鍵

    哈希算法將任意長度的數字用哈希函數轉變成固定長度數值的算法,著名的哈希函數如:MD4、MD5、SHS等。它是美國國家標準暨技術學會定義的加密函數族中的一員。

    這族算法對整個世界的運作至關重要。從互聯網應用商店、郵件、殺毒軟件、到瀏覽器等、,所有這些都在使用安全哈希算法,它能判斷互聯網用戶是否下載了想要的東西,也能判斷互聯網用戶是否是中間人攻擊或網絡釣魚攻擊的受害者。

    區塊鏈及其應用比特幣或其他虛擬幣產生新幣的過程,就是用哈希算法的函數進行運算,獲得符合格式要求的數字,然后區塊鏈程序給予比特幣的獎勵。

    包括比特幣和代幣的挖礦,其實就是一個用哈希算法構建的小數學游戲。不過因為有了激烈的競爭,世界各地的人們動用了強大的服務器進行計算,以搶先獲得獎勵。結果導致互聯網眾多計算機參與到這個小數學游戲中,甚至會耗費了某些國家超過40%的電量。

    二、區塊鏈的誕生與技術核心

    區塊鏈的誕生應該是人類科學史上最為異常和神秘的發明和技術,因為除了區塊鏈,到目前為止,現代科學史上還沒有一項重大發明找不到發明人是誰。

    2008年10月31號,比特幣創始人中本聰(化名)在密碼學郵件組發表了一篇論文——《比特幣:一種點對點的電子現金系統》。在這篇論文中,作者聲稱發明了一套新的不受政府或機構控制的電子貨幣系統,區塊鏈技術是支持比特幣運行的基礎。

    論文預印本地址在http://www.bitcoin.org/bitcoin.pdf,從學術角度看,這篇論文遠不能算是合格的論文,文章的主體是由8個流程圖和對應的解釋文字構成的, 沒有定義名詞、術語,論文格式也很不規范。

    2009年1月,中本聰在SourceForge網站發布了區塊鏈的應用案例-比特幣系統的開源軟件,開源軟件發布后, 據說中本聰大約挖了100萬個比特幣.一周后,中本聰發送了10個比特幣給密碼學專家哈爾.芬尼,這也成為比特幣史上的第一筆交易。伴隨著比特幣的蓬勃發展,有關區塊鏈技術的研究也開始呈現出井噴式增長。

    向大眾完整清晰的解釋區塊鏈的確是困難的事情,我們以比特幣為對象,盡量簡單但不斷深入的介紹區塊鏈的技術特征。

    1、區塊鏈是一種對等網絡(P2P)的軟件應用

    我們在前文提過,在21世紀初,互聯網形成了兩大類型的應用架構,中心化的B/S架構和無中心的對等網絡(P2P)架構,阿里巴巴,新浪,亞馬遜,百度等等很多互聯網巨頭都是中心化的B/S架構,簡單的說,就是數據放在巨型服務器中,我們普通用戶通過手機,個人電腦訪問阿里,新浪等網站的服務器。

    21世紀初以來,出現了很多自由分享音樂,視頻,論文資料的軟件應用,他們大部分采用的是對等網絡(P2P)架構,就是沒有中心服務器,大家的個人計算機都是服務器,也都是客戶機,身份平等。但這類應用一直沒有流行起來,主要原因是資源消耗大,知識版權有問題等。區塊鏈就是這種領域的一種軟件應用。

    2、區塊鏈是一種全網信息同步的對等網絡(P2P)軟件應用

    對等網絡也有很多應用方式,很多時候,并不要求每臺計算機都保持信息一致,大家只存儲自己需要的的信息,需要時再到別的計算機去下載。

    但是區塊鏈為了支持比特幣的金融交易,就要求發生的每一筆交易都要寫入到歷史交易記錄中,并向所有安裝比特幣程序的計算機發送變動信息。每一臺安裝了比特幣軟件的計算機都保持最新和全部的比特幣歷史交易信息。

    區塊鏈的這個全網同步,全網備份的特征也就是常說的區塊鏈信息安全,不可更改來源。雖然在實際上依然不是絕對的安全,但當用戶量非常大時,的確在防范信息篡改上有一定安全優勢。

    3、區塊鏈是一種利用哈希算法產生”通證(代幣)”的全網信息同步的對等網絡(P2P)軟件應用

    區塊鏈的第一個應用是著名的比特幣,討論到比特幣時,經常會提到的一個名詞就是“挖礦”,那么挖礦到底是什么呢?

    形象的比喻是,區塊鏈程序給礦工(游戲者)256個硬幣,編號分別為1,2,3……256,每進行一次Hash運算,就像拋一次硬幣,256枚硬幣同時拋出,落地后如果正巧編號前70的所有硬幣全部正面向上。礦工就可以把這個數字告訴區塊鏈程序,區塊鏈會獎勵50個比特幣給礦工。

    從軟件程序的角度說,比特幣的挖礦就是用哈希SHA256函數構建的數學小游戲。區塊鏈在這個小游戲中首先規定了一種獲獎模式:給出一個256位的哈希數,但這個哈希數的后70位全部是0,然后游戲者(礦工)不斷輸入各種數字給哈希SHA256函數,看用這個函數能不能獲得位數有70個0的數字,找到一個,區塊鏈程序會獎勵50個比特幣給游戲者。實際的挖坑和獎勵要更復雜,但上面的舉例表達了挖礦和獲得比特幣的核心過程。

    2009年比特幣誕生的時候,每筆賞金是50個比特幣。誕生10分鐘后,第一批50個比特幣生成了,而此時的貨幣總量就是50。隨后比特幣就以約每10分鐘50個的速度增長。當總量達到1050萬時(2100萬的50%),賞金減半為25個。當總量達到1575萬(新產出525萬,即1050的50%)時,賞金再減半為12.5個。根據比特幣程序的設計,比特幣總額是2100萬。

    從上述介紹看,比特幣可以看做一個基于對等網絡架構的猜數小游戲,每次正確的猜數結果獎勵的比特幣信息會傳遞給所有游戲者,并記錄到每個游戲者的歷史數據庫中。

    4、區塊鏈技術因比特幣的興起產生的智能合約,通證、ICO與區塊鏈基礎平臺

    從上面的介紹看,比特幣的技術并不是從天上掉下來的新技術,而是把原來多種互聯網技術,如對等網絡架構,路由的全網同步,網絡安全的加密技術巧妙的組合在一起,算是一種組合創新的算法游戲。

    由于比特幣通過運作成為可以兌換法幣,購買實物,通過升值獲得暴利,全世界都不淡定了。抱著你能做,我也能做的態度,很多人創造了自己的仿比特幣軟件應用。同時利用政府難以監管對等網絡的特點,各種山寨幣與比特幣一起爆發。這其中出現了很多欺詐和潛逃事件,逐步引起各國政府的關注。

    區塊鏈基礎平臺:用區塊鏈技術框架創建貨幣還是有相當的技術難度,這時區塊鏈基礎平臺以太坊等基礎技術平臺出現了,讓普通人也可以方便的創建類“比特幣”軟件程序,各顯神通,請人入局挖幣,炒幣,從中獲得利益。

    通證或代幣:各家“比特幣”、“山寨幣”如果用哈希算法創建的猜數小游戲,產生自己的“貨幣”時,這個“貨幣”統稱“通證”或“代幣”。

    ICO:由于比特幣和以太幣已經打通與各國法幣的兌換,其他新虛擬幣發幣時,只允許用比特幣和以太幣購買發行的新幣,這樣的發幣過程就叫ICO,ICO的出現放大了比特幣,以太幣的交易量。同時很多ICO項目完全建立在虛無的項目上,導致大量欺詐案例頻發。進一步加深了社會對區塊鏈生成虛擬貨幣的負面認識。

    智能合約:可以看做區塊鏈上的一種軟件功能,是輔助區塊鏈上各種虛擬幣交易的程序,具體的功能就像淘寶上支付寶的資金托管一樣,當一方用戶收到的貨物,在支付寶上進行確認后,資金自動支付個給買家貨主,智能合約在比特幣等區塊鏈應用上也是承擔了這個中介支付功能。

    三、區塊鏈技術在互聯網中的歷史地位和未來前景

    1、區塊鏈處于互聯網技術的什么位置?是頂層的一種新軟件和架構。

    我們在前面的TCP/IP介紹中提到,區塊鏈與瀏覽器、QQ、微信、網絡游戲軟件、手機APP等一樣,是互聯網頂層-應用層的一種軟件形式。它的運行依然要靠TCP/IP的架構體系傳輸數據。只是與大部分應用層軟件不同,沒有采用C/S(B/S)的中心軟件架構。而是采用了不常見的對等網絡架構,從這一點說,區塊鏈并不能顛覆互聯網基礎結構。

    2、區塊鏈想要顛覆誰?想顛覆萬維網的B/S(C/S)結構。

    它試圖要顛覆其實是1989年誕生的萬維網B/S,C/S結構。前面說過。由于1989年歐洲物理學家蒂姆. 伯納斯. 李發明萬維網并放棄申請專利。此后近30年中,包括谷歌,亞馬遜,facebook,阿里巴巴,百度,騰訊等公司利用萬維網B/S(C/S)結構,成長為互聯網的巨頭。

    在他們的總部,建立了功能強大的中心服務器集群,存放海量數據(603138),上億用戶從巨頭服務器中獲取自己需要的數據,這樣也導致后來云計算的出現,而后互聯網巨頭把自己沒有用完的中心服務器資源開放出來,進一步吸取企業,政府,個人的數據。中心化的互聯網巨頭對世界,國家,互聯網用戶影響力越來越大。

    區塊鏈的目標是通過把數據分散到每個互聯網用戶的計算機上,試圖降低互聯網巨頭的影響力,由此可見區塊鏈真正的對手和想要顛覆的是1990年誕生的B/S(C/S)結構。但能不能顛覆掉,就要看它的技術優勢和瓶頸。

    3、區塊鏈的技術缺陷:追求徹底平等自由帶來的困境

    區塊鏈的技術缺陷首先來自與它的對等網絡架構上,舉個例子,目前淘寶是B/S結構,海量的數據存放在淘寶服務器集群機房里,幾億消費者通過瀏覽器到淘寶服務器網站獲取最新信息和歷史信息。

    如果用區塊鏈技術,就是讓幾億人的個人電腦或手機上都保留一份完整的淘寶數據庫,每發生一筆交易,就同步給其他幾億用戶。這在現實中是完全無法實現的。傳輸和存儲的數據量太大。相當于同時建立幾億個淘寶網站運行。

    因此區塊鏈無法應用在數據量大的項目上,甚至小一點的網站項目用區塊鏈也會吃力。到2018年,比特幣運行了近10年,積累的交易數據已經讓整個系統面臨崩潰。

    于是區塊鏈采用了很多變通方式,如建立中繼節點和閃電節點,這兩個概念同樣會讓人一頭霧水,通俗的說,就是區塊鏈會向它要顛覆的對象B/S結構進行了學習,建立數據服務器中心成為區塊鏈的中繼節點,也用類瀏覽器的終端訪問,這就是區塊鏈的閃電節點。

    這種變動能夠緩解區塊鏈的技術缺陷,但確讓區塊鏈變成它反對的樣子,中心化。由此可見,單純的區塊鏈技術由于技術特征有重大缺陷,無法像萬維網一樣應用廣泛,如果技術升級,部分采用B/S(C/S)結構,又會使得區塊鏈有了中心化的信息節點,不在保持它誕生時的夢想。

    4、從互聯網大腦模型看區塊鏈的未來前景

    我們知道互聯網一般是指將世界范圍計算機網絡互相聯接在一起的網際網絡,在這基礎上發展出覆蓋全世界的全球性互聯網絡稱互聯網,即是互相連接一起的網絡結構。

    從1969年互聯網誕生以來,人類從不同的方向在互聯網領域進行創新,并沒有統一的規劃將互聯網建造成什么結構,當時間的車輪到達2017年,隨著人工智能,物聯網,大數據,云計算,機器人,虛擬現實,工業互聯網等科學技術的蓬勃發展,當人類抬起頭來觀看自己的創造的巨系統,互聯網大腦的模型和架構已經越來越清晰。

    通過近20年的發展依托萬維網的B/S,C/S結構,騰訊QQ,微信,Facebook,微博、twitter亞馬遜已經發展出類神經元網絡的結構。互聯網設備特別是個人計算機,手機在通過設備上的軟件在巨頭的中心服務器上映射出個人數據和功能空間,相互加好友交流,傳遞信息。互聯網巨頭通過中心服務器集群的軟件升級,不斷優化數億臺終端的軟件版本。在神經學的體系中,這是一種標準的中樞神經結構。

    區塊鏈的誕生提供了另外一種神經元模式,不在巨頭的集中服務中統一管理神經元,而是每臺終端,包括個人計算機和個人手機成為獨立的神經元節點,保留獨立的數據空間,相互信息進行同步,在神經學的體系中,這是一種沒有中心,多神經節點的分布式神經結構。

    有趣的是,神經系統的發育出現過這兩種不同類型的神經結構。在低等生物中,出現過類區塊鏈的神經結構,有多個功能相同的神經節,都可以指揮身體活動和反應,但隨著生物的進化,這些神經節逐步合并,當進化成為高等生物時,中樞神經出現了,中樞神經中包含大量神經元進行交互。

    四、關于區塊鏈在互聯網未來地位的判斷

    1.對比特幣的認知:一個基于對等網絡架構(P2P)的猜數小游戲,通過高明的金融和輿論運作,成為不受政府監管的”世界性貨幣”。

    2.對區塊鏈的認知:一個利用哈希算法產生”通證(代幣)”的全網信息同步的對等網絡(P2P)軟件應用。

    3.區塊鏈有特定的用途,如大規模選舉投票,大規模賭博,規避政府金融監管的金融交易等等領域,還是有不可替代的用處。

    4.在更多時候,區塊鏈技術會依附于互聯網的B/S,C/S結構,實現功能的擴展,但總體依然屬于互聯網已有技術的補充。對于區塊鏈目前設想的絕大部分應用場景,都是可以用B/S,C/S結構實現,效率可以更高和技術也可以更為成熟。

    5.無論是從信息傳遞效率和資源消耗,還是從神經系統進化看,區塊鏈無法成為互聯網的主流架構,更不能成為未來互聯網的顛覆者和革命者。

    6.當然B/S,C/S結構發展出來的互聯網巨頭也有其問題,但這些將來可以通過商業的方式,政治的方式逐漸解決。

    五、簡易版的區塊鏈技術演進史

    1982年 提出拜占庭將軍問題

    Leslie Lamport等人提出拜占庭將軍問題(Byzantine Generals Problem),把軍中各地軍隊彼此取得共識、決定是否出兵的過程,延伸至運算領域,設法建立具容錯性的分散式系統,即使部分節點失效仍可確保系統正常運行,可讓多個基于零信任基礎的節點達成共識,并確保資訊傳遞的一致性,而2008年出現的比特幣區塊鏈便解決了此問題。

    David Chaum提出密碼學網路支付系統

    David Chaum提出注重隱私安全的密碼學網路支付系統,具有不可追蹤的特性,成為之后比特幣區塊鏈在隱私安全面的雛形。

    1985年 提出橢圓曲線密碼學

    Neal Koblitz和Victor Miller分別提出橢圓曲線密碼學(Elliptic Curve Cryptography,ECC),首次將橢圓曲線用于密碼學,建立公開金鑰加密的演算法。相較于RSA演算法,采用ECC好處在于可用較短的金鑰,達到相同的安全強度。

    1990年 提出Paxos

    David Chaum基于先前理論打造出不可追蹤的密碼學網路支付系統,就是后來的eCash,不過eCash并非去中心化系統。

    Leslie Lamport提出具高容錯的一致性演算法Paxos。

    1991年使用時間戳確保數位文件安全

    Stuart Haber與W. Scott Stornetta提出用時間戳確保數位文件安全的協議,此概念之后被比特幣區塊鏈系統所采用。

    1992年提出橢圓曲線數位簽章演算法

    Scott Vanstone等人提出橢圓曲線數位簽章演算法(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm,ECDSA)

    1997年Adam Back發明Hashcash技術

    Adam Back發明Hashcash(雜湊現金),為一種工作量證明演算法(Proof of Work,POW),此演算法仰賴成本函數的不可逆特性,達到容易被驗證,但很難被破解的特性, 最早被應用于阻擋垃圾郵件。Hashcash之后成為比特幣區塊鏈所采用的關鍵技術之一。(Adam Back于2002年正式發表Hashcash論文)

    1998年Wei Dai發表匿名的分散式電子現金系統B-money

    Wei Dai發表匿名的分散式電子現金系統B-money,引入工作量證明機制,強調點對點交易和不可竄改特性。不過在B-money中,并未采用Adam Back提出的Hashcash演算法。Wei Dai的許多設計之后被比特幣區塊鏈所采用。

    Nick Szabo發表Bit Gold。

    Nick Szabo發表去中心化的數位貨幣系統Bit Gold,參與者可貢獻運算能力來解出加密謎題。

    2005年可重復使用的工作量證明機制(RPOW)出現

    Hal Finney提出可重復使用的工作量證明機制(Reusable Proofs of Work,RPOW),結合B-money與Adam Back提出的Hashcash演算法來創造密碼學貨幣。

    2008年Blockchain 1.0:加密貨幣發布

    數位貨幣與支付系統去中心化、比特幣:Satoshi Nakamoto(中本聰)發表一篇關于比特幣的論文,描述一個點對點電子現金系統,能在不具信任的基礎之上,建立一套去中心化的電子交易體系。

    2012年Blockchain2.0:智慧資產、智慧契約發布

    市場去中心化,可作貨幣以外的數位資產轉移,如股票、債券。如Colored Coin便是基于比特幣區塊鏈的開源協議,可在比特幣在區塊鏈上發行多項資產。

    2014年Blockchain 3.0:更復雜的智慧契約出現

    更復雜的智慧合約,將區塊鏈用于政府、醫療、科學、文化與藝術等領域。

    2016年Blockchain 2.5:金融領域應用、資料層

    Blockchain2.5:強調代幣(貨幣橋)應用、分散式帳本、資料層區塊鏈,及結合人工智慧等金融應用

    Blockchain 3.0:更復雜的智慧契約

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