比特币项目

比特币项目是区块链技术第一个大规模的成功应用,并且是首个得到实践检验的数字货币实现,在金融学和信息技术历史上都具有十分重要的意义。

简介

比特币是基于密码学和经济博弈的一种数字货币,也是历史上首个经过大规模长时间运作检验的数字货币系统。

从 blockchain.info 网站 可以从查询到比特币的汇率(以美元为单位)变化历史。

图 1.6.1.1 - 比特币汇率历史

历史

2008 年 10 月 31 日,中本聪发布比特币唯一的白皮书:《Bitcoin:A Peer-to-Peer Electronic Cash System/比特币:一种点对点的电子现金系统》。

2009 年 1 月 3 日,中本聪在位于芬兰赫尔辛基的一个小型服务器上挖出了第一批 50 个比特币,并记录下当天泰晤士报的头版标题:“ The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks ”。

2010 年 5 月 21 日,第一次比特币交易:佛罗里达程序员 Laszlo Hanyecz 用 1 万 BTC 购买了价值 25 美元的披萨优惠券。这是比特币的首个兑换汇率:1: 0.0025 美金。这些比特币在今日价值约 700 万美金。

2010 年 7 月 17 日,第一个比特币平台成立。

2011 年,开始出现基于显卡的挖矿设备。2011 年底,汇率约为 2 美元。

2012 年 9 月 27 日,比特币基金创立,此时比特币价格为 12.46 美元。

2012 年 11 月 28 日,比特币产量第一次减半。

2013 年 3 月,1/3 的专业矿工已经采用专用 ASIC 矿机进行挖矿。

2013年 4 月 10 日,BTC 创下历史最高价,266 美元。

2013 年 6 月 27日,德国会议作出决定:持有比特币一年以上将予以免税,被业内认为此举变相认可了比特币的法律地位,此时比特币价格为 102.24 美元。

2013 年 10 月,世界第一台可以兑换比特币的 ATM 在加拿大上线。

2013 年 11 月 29 日,比特币的交易价格创下 1242 美元的历史新高,而同时黄金价格为一盎司 1241.98 美元,比特币价格首度超过黄金。

2014 年 2 月,全球最大比特币交易平台 Mt.Gox 宣告因 85 万个比特币被盗而破产并关闭,造成大量投资者的损失,比特币价格一度暴跌。

2014 年 3 月,中国第一台可以兑换比特币的 ATM 在中国香港上线。

2014 年 6 月,美国加州通过 AB-129 法案,允许比特币等数字货币在加州进行流通。

2015 年 6 月,纽约成为美国第一个正式进行数字货币监管的州。

2015 年 10 月,欧盟法院裁定比特币交易免征增值税。

2016 年 1 月,中国人民银行在京召开了数字货币研讨会,会后发布公告宣称或推出数字货币。

2016 年 7 月 9 日,比特币产量第二次减半。

时至今日,比特币汇率约为 600 美元,总市值在 100 亿 美金。八成的交易量在中国。

比特币区块链目前生成了约 42 万个区块,完整存储需要约 75 GB 的空间。主流的交易所包括 Bitstamp、BTC-e、Bitfinex 等。多家投资机构(包括红杉、IDG、软银、红点等)都有布局。

注:通过 blockchain.info 可以实时查询到更多详细数据。

山寨币

比特币的“成功”,刺激了相关的生态和社区发展,大量类似数字货币(超过 700 种)纷纷出现,被称为“山寨币”,比较出名的包括以太币和瑞波(Ripple)币。

这些山寨币,要么建立在独立的区块链上,要么复用已有的区块链(例如比特币)。

原理和设计

比特币网络是一个分布式的点对点网络,网络中的矿工通过“挖矿”来完成对交易记录的记账过程,维护网络的正常运行。

比特币通过区块链网络提供一个公共可见的记账本,用来记录发生过的交易的历史信息。

每次发生交易,用户需要将新交易记录写到比特币区块链网络中,等网络确认后即可认为交易完成。每个交易包括一些输入和一些输出,未经使用的交易的输出( Unspent Transaction Outputs,UTXO)可以被新的交易引用作为合法的输入。

一笔合法的交易,即引用某些已存在交易的 UTXO,作为交易的输入,并生成新的输出的过程。

在交易过程中,转账方需要通过签名脚本来证明自己是 UTXO 的合法使用者,并且指定输出脚本来限制未来对本交易的使用者(为收款方)。对每笔交易,转账方需要进行签名确认。并且,对每一笔交易来说,总输入不能小于总输出。

交易的最小单位是“聪”,即 10^{-8} 比特币。

下图展示了一些简单的示例交易。更一般情况下,交易的输入输出可以为多方。

交易

目的

输入

输出

签名

差额

T0

A 转给 B

别人给 A 的交易的输出

B 账户可以使用该交易

A 签名确认

输入减输出,为交易服务费

T1

B 转给 C

T0 的输出

C 账户可以使用该交易

B 签名确认

输入减输出,为交易服务费

...

X 转给 Y

别人给 X 的交易的输出

Y 账户可以使用该交易

X 签名确认

输入减输出,为交易服务费

下面分别介绍比特币网络中的重要概念和设计思路。

概念

账户/地址

比特币账户采用了非对称的加密算法,用户自己保留私钥,对他发出的交易进行签名确认,并公开公钥。

比特币的账户地址其实就是用户公钥经过一系列 hash(HASH160,或先进行 SHA256,然后进行 RIPEMD160)及编码运算后生成的 160 位(20 字节)的字符串。

一般,也常常对账户地址串进行 Base58Check 编码,并添加前导字节(表明支持哪种脚本)和 4 字节校验字节,以提高可读性和准确性。

交易

交易是完成比特币功能的核心概念,一条交易将可能包括如下信息:

  • 付款人地址:合法的地址,公钥经过 SHA256 和 RIPEMD160 两次 hash,得到 160 位 hash 串;
  • 付款人对交易的签字确认:确保交易内容不被篡改;
  • 付款人资金的来源交易 ID:从哪个交易的输出作为本次交易的输入;
  • 交易的金额:多少钱,跟输入的差额为交易的服务费;
  • 收款人地址:合法的地址;
  • 收款人的公钥:收款人的公钥;
  • 时间戳:交易何时能生效。

网络中节点收到交易信息后,将进行如下检查:

  • 交易是否已经处理过;
  • 交易是否合法。包括地址是否合法、发起交易者是输入地址的合法拥有者、是否是 UTXO;
  • 交易的输入之和是否大于输出之和。

检查都通过,则将交易标记为合法的未确认交易,并在网络内进行广播。

可以从 blockchain.info 网站查看实时的交易信息。例如一次较新的交易0beca08914de596217f098d744e3fb8da68aa5e00dd8f63a3364b451f3f4a70f。

脚本

脚本(Script) 是保障交易完成(主要用于检验交易是否合法)的核心机制,当所依附的交易发生时被触发。通过脚本机制而非写死交易过程,比特币网络实现了一定的可扩展性。比特币脚本语言是一种非图灵完备的语言,类似 Forth 语言。

一般每个交易都会包括两个脚本:输出脚本(scriptPubKey)和认领脚本(scriptSig)。

输出脚本一般由付款方对交易设置锁定,用来对能动用这笔交易输出(例如,要花费交易的输出)的对象(收款方)进行权限控制,例如限制必须是某个公钥的拥有者才能花费这笔交易。

认领脚本则用来证明自己可以满足交易输出脚本的锁定条件,即对某个交易的输出(比特币)的拥有权。

输出脚本目前支持两种类型:

  • P2PKH:Pay-To-Public-Key-Hash,允许用户将比特币发送到一个或多个典型的比特币地址上(证明拥有该公钥),前导字节一般为 0x00;
  • P2SH:Pay-To-Script-Hash,支付者创建一个输出脚本,里边包含另一个脚本(认领脚本)的哈希,一般用于需要多人签名的场景,前导字节一般为 0x05;

以 P2PKH 为例,输出脚本的格式为

scriptPubKey: OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

其中,OP_DUP 是复制栈顶元素;OP_HASH160 是计算 hash 值;OP_EQUALVERIFY 判断栈顶两元素是否相等;OP_CHECKSIG 判断签名是否合法。这条指令实际上保证了只有 pubKey 的拥有者才能合法引用这个输出。

另外一个交易如果要花费这个输出,在引用这个输出的时候,需要提供认领脚本格式为

scriptSig: <sig> <pubKey>

其中, 是拿 pubKey 对应的私钥对交易(全部交易的输出、输入和脚本)hash 值进行签名,pubKey 的 hash 值需要等于 pubKeyHash。

进行交易验证时,会按照先 scriptSig 后 scriptPubKey 的顺序进行依次入栈处理,即完整指令为:

<sig> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

读者可以按照栈的过程来进行计算,体会脚本的验证过程。

引入脚本机制带来了灵活性,但也引入了更多的安全风险。比特币脚本支持的指令集十分简单,基于栈的处理方式,并且非图灵完备,此外还添加了额外的一些限制(大小限制等)。

区块

一个区块将包括如下内容:

4 字节的区块大小信息;

80 字节的区块头信息:

  • 版本号:4 字节;
  • 上一个区块头的 SHA256 hash 值:链接到一个合法的块上,32 字节;
  • 包含的所有验证过的交易的 Merkle 树根的哈希值,32 字节;
  • 时间戳:4 字节;
  • 难度指标:4 字节;
  • Nonce:4 字节,PoW 问题的答案;

交易个数计数器;

所有交易的内容。

设计理念

如何避免作恶

基于经济博弈原理。在一个开放的网络中,无法通过技术手段保证每个人都是合作的。但可以通过经济博弈来让合作者得到利益,让非合作者遭受损失和风险。

实际上,博弈论早已被广泛应用到众多领域。

一个经典的例子是两个人来分一个蛋糕,如果都想拿到较大的一块,在没有第三方的前提下,该怎么指定规则才公平?

最简单的一个方案是负责切蛋糕的人后选。

注:如果推广到 N 个人呢?

比特币网络需要所有试图参与者(矿工)都首先要付出挖矿的代价,进行算力消耗,越想拿到新区块的决定权,意味着抵押的算力越多。一旦失败,这些算力都会被没收掉,成为沉没成本。当网络中存在众多参与者时,个体试图拿到新区块决定权要付出的算力成本是巨大的,意味着进行一次作恶付出的代价已经超过可能带来的好处。

负反馈调节

比特币网络在设计上,很好的体现了负反馈的控制论基本原理。

比特币网络中矿工越多,系统就越稳定,比特币价值就越高,但挖到矿的概率会降低。

反之,网络中矿工减少,会让系统更容易导致被攻击,比特币价值越低,但挖到矿的概率会提高。

因此,比特币的价格理论上应该稳定在一个合适的值(网络稳定性也会稳定在相应的值),这个价格乘以挖到矿的概率,恰好达到矿工的收益预期。

从长远角度看,硬件成本是下降的,但每个区块的比特币奖励每隔 4 年减半,最终将在 2140 年达到 2100 万枚,之后将完全依靠交易的服务费来鼓励矿工对网络的维护。

共识机制

传统的共识问题是考虑在一个相对封闭的体系中,存在好节点、坏节点,然后如何达成一致。

对于比特币网络来说,因为它是开放的,网络质量也是完全无法保证的,导致问题更加复杂,难以依靠传统的一致性算法来实现。

比特币网络对共识进行了一系列的放宽,同时对参与共识进行了一系列的限制。

首先是不实现最终共识,理论上现有达成的任何结果都可能被推翻,只是被推翻的可能性随着时间而指数级的下降,要付出的代价迅速上升。

此外,达成共识的时间比较长,而且是按照块来进行阶段性的确认(快照),提高网络可用性。

此外,通过进行 PoW 限制合法提案的个数,提高网络的稳定性。

挖矿

原理与过程

了解比特币,最应该知道的一个概念就是“挖矿”,挖矿是参与维护比特币网络的节点,通过协助生成新区块来获取一定量新增的比特币。

当用户发布交易后,需要有人将交易进行确认,写到区块链中,形成新的区块。在一个互相不信任的系统中,该由谁来完成这件事情呢?比特币网络采用了“挖矿”的方式来解决这个问题。

目前,每 10 分钟左右生成一个不超过 1 MB 大小的区块(记录了这 10 分钟内发生的验证过的交易内容),串联到最长的链尾部,每个区块的成功提交者可以得到系统 12.5 个比特币的奖励(一定区块数后才能使用),以及用户附加到交易上的支付服务费用。

注:每个区块的奖励一开始是 50 个比特币,每隔 21 万个区块自动减半,即 4 年时间,最终比特币总量稳定在 2100 万个。因此,比特币是一种通缩的货币。

挖矿的具体过程为:参与者根据上一个区块的 hash 值,10 分钟内的验证过的交易内容,再加上自己猜测的一个随机数 X,让新区块的 hash 值小于比特币网络中给定的一个数。这个数越小,计算出来就越难。系统每隔两周(即经过 2016 个区块)会根据上一周期的挖矿时间来调整挖矿难度(通过调整限制数的大小),来调节生成区块的时间稳定在 10 分钟左右。为了避免震荡,每次调整的最大幅度为 4 倍。

为了挖到矿,参与处理区块的用户端往往需要付出大量的时间和计算力。算力一般以每秒进行多少次 hash 计算为单位,记为 h/s。

汇丰银行分析师 Anton Tonev 和 Davy Jose 表示,比特币区块链(通过挖矿)提供了一个局部的、迄今为止最优的解决方案:如何在分散的系统中验证信任。这就意味着,区块链本质上解决了传统依赖于第三方的问题,因为这个协议不止满足了中心化机构追踪交易的需求,还使得陌生人之间产生信任。区块链的技术和安全的过程使得陌生人之间在没有被信任的第三方时产生信任。

如何看待挖矿

2010 年左右,挖矿还是一个很有前途的行业。但是现在,建议还是不要考虑了,因为从概率上说,由于当前参与挖矿的计算力实在过于庞大(已经超出了大部分的超算中心),获得比特币的收益已经眼看要 cover 不住电费了。特别那些想着用云计算虚机来挖矿的想法,意义确实不大了。

从普通的 CPU(2009 年)、到后来的 GPU(2010 年) 和 FPGA(2011 年末)、到后来的 ASIC 矿机(2013 年初,目前单片算力已达每秒数百亿次 Hash 计算)、再到现在众多矿机联合组成矿池。短短数年间,比特币矿机的技术走完了过去几十年的集成电路技术进化历程,并且还颇有创新之处。确实是哪里有利益,哪里的技术就飞速发展!目前,矿机主要集中在中国大陆(超过一半的算力)和欧美,大家比拼的是一定计算性能情况下低电压和低功耗的电路设计。全网的算力已超过每秒 10的18次方 次 Hash 计算。

很自然的,有人会想到,如果我有很强大的计算力,所有的块都是我算出来了,拒不承认别人的交易内容,那是不是就能破坏比特币网络。确实如此,基本上拿到 1/3 的计算力,比特币网络就存在被破坏的风险了;拿到 1/2,概率上就掌控整个网络了。但是这个将需要付出巨大的计算成本。

那么有没有办法防护呢?除了尽量避免计算力放到同一个组织手里,没太好的办法,这是目前 PoW(Proof of Work)的协议规定的。

也有人觉得为了算出一个块,大部分计算力(特别是没算出来的算力)其实都浪费了。有人提出用所谓的 PoS(Proof of Stake)和 DPoS,即大节点作为多个节点代理人的模式来节约计算力。那怎么选大节点?又容易导致“富则越富”问题。这其实就是完全民主 vs 选举人制度嘛。

个人认为,无论 PoW 还是 PoS,都无法解决所有问题。要从根本上解决,得引入随机代理人制度,通过算法在某段时间内只让部分节点参加计算,并且要发放一部分“普世奖励”给所有在线节点。

工具

客户端

客户端分为三种:完整客户端、轻量级客户端和在线客户端。

  • 完整客户端:存储所有的交易历史记录,功能完备;
  • 轻量级客户端:不保存交易副本,交易需要向别人查询;
  • 在线客户端:通过网页模式来浏览第三方服务器提供的服务。

钱包

矿机

专门为“挖矿”设计的硬件,包括基于 GPU 和 ASIC 的芯片。

脚本

比特币交易支持一种比较简单的脚本语言(类 Forth 的栈脚本语言),可以写入 UTXO。交易发生时,输入的解锁脚本和输出的锁定脚本进行执行,检验交易合法性。

比特币脚本并不支持循环等复杂的流控制,因此它是非图灵完备的。

识机制

比特币网络是公开的,因此一致性协议的稳定性和防攻击性十分关键。

比特币区块链采用了 PoW 的机制来实现一致性选择。

目前,Proof of 系列中比较出名的一致性协议包括 PoW 和 PoS,都是通过经济惩罚来限制恶意参与。

PoW

工作量证明,Proof of Work,通过计算来猜测一个数值(nonce),得以解决规定的 hash 问题(来源于hashcash)。保证在一段时间内,系统中只能出现少数合法提案。

同时,这些少量的合法提案会在网络中进行广播,收到的用户进行验证后会基于它认为的最长链上继续难题的计算。因此,系统中可能出现链的分叉(Fork),但最终会有一条链成为最长的链。

hash 问题具有不可逆的特点,因此,目前除了暴力计算外,还没有有效的算法进行解决。反之,如果获得符合要求的 nonce,则说明在概率上是付出了对应的算力。谁的算力多,谁最先解决问题的概率就越大。当掌握超过全网一半算力时,从概率上就能控制网络中链的走向。这也是所谓 51% 攻击 的由来。

参与 PoW 计算比赛的人,将付出不小的经济成本(硬件、电力、维护等)。当没有成为首个算出的“幸运儿”时,这些成本都将被沉没掉。这也保障了,如果有人恶意破坏,需要付出大量的经济成本。也有设计试图将后算出结果者的算力按照一定比例折合进下一轮比赛考虑。

有一个很直观的例子可以说明为何这种经济博弈模式会确保系统中最长链的唯一。

图 1.6.5.1 - Pow 保证一致性

超市付款需要排成一队,可能有人不守规矩要插队。超市管理员会检查队伍,认为最长的一条队伍是合法的,并让不合法的分叉队伍重新排队。只要大部分人不傻,就会自觉在最长的队伍上排队。

PoS

权益证明,Proof of Stake,2013 年被提出,最早在 Peercoin 系统中被实现,类似现实生活中的股东机制。

其原理是通过保证金(代币、资产、名声等具备价值属性的物品即可)来对赌一个合法的块成为新的区块,收益为抵押资本的利息和交易服务费。提供证明的保证金(例如通过转账货币记录)越多,则获得记账权的概率就越大。合法记账者可以获得收益。

PoS 是试图解决在 PoW 中大量资源被浪费的缺点。恶意参与者将存在保证金被罚没的风险,即损失经济利益。

+

一般的,对于 PoS 来说,需要掌握超过全网

的资源,才有可能左右最终的结果。这个也很容易理解,三个人投票,前两人分别支持一方,这时候,第三方的投票将决定最终结果。

PoS 也有一些改进的算法,包括授权股权证明机制(DPOS),即股东们投票选出一个董事会,董事会中成员才有权进行记账。

闪电网络

比特币的交易网络最为人诟病的一点便是交易性能:全网每秒 7 笔的交易速度,远低于传统的金融交易系统;同时,等待 6 个块的可信确认导致约 1 个小时的最终确认时间。

闪电网络的主要思路十分简单 -- 将大量交易放到比特币区块链之外进行。该设计最早是 2015 年 2 月在论文《The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments》中提出。

比特币的区块链机制自身提供了很好的可信保障,但是很慢;另一方面考虑,对于大量的小额交易来说,是否真实需要这么高的可信性?闪电网络通过智能合约来完善链下的交易渠道。

核心的概念主要有两个:RSMC(Recoverable Sequence Maturity Contract)和 HTLC(Hashed Timelock Contract)。前者解决了链下交易的确认问题,后者解决了支付通道的问题。

RSMC

Recoverable Sequence Maturity Contract,中文可以翻译为“可撤销的顺序成熟度合同”。这个词很绕,其实主要原理很简单,就是类似准备金机制。

我们先假定交易双方之间存在一个“微支付通道”(资金池)。双方都预存一部分资金到“微支付通道”里,之后每次交易,就对交易后的资金分配方案共同进行确认,同时签字作废旧的版本。当需要提现时,将最终交易结果写到区块链网络中,被最终确认。可以看到,只有在提现时候才需要通过区块链。

任何一个版本的方案都需要经过双方的签名认证才合法。任何一方在任何时候都可以提出提现,提现需要提供一个双方都签名过的资金分配方案(意味着肯定是某次交易后的结果)。在一定时间内,如果另外一方提出证明表明这个方案其实之前被作废了(非最新的交易结果),则资金罚没给质疑成功方。这就确保了没人会拿一个旧的交易结果来提现。

另外,即使双方都确认了某次提现,首先提出提现一方的资金到账时间要晚于对方,这就鼓励大家尽量都在链外完成交易。

HTLC

微支付通道是通过 Hashed Timelock Contract 来实现的,中文意思是“哈希的带时钟的合约”。这个其实就是限时转账。理解起来其实也很简单,通过智能合约,双方约定转账方先冻结一笔钱,并提供一个哈希值,如果在一定时间内有人能提出一个字符串,使得它哈希后的值跟已知值匹配(实际上意味着转账方授权了接收方来提现),则这笔钱转给接收方。

不太恰当的例子,约定一定时间内,有人知道了某个暗语(可以生成匹配的哈希值),就可以拿到这个指定的资金。

推广一步,甲想转账给丙,丙先发给甲一个哈希值。甲可以跟先乙签订一个合同,如果你在一定时间内能告诉我一个暗语,我就给你多少钱。乙于是跑去跟丙签订一个合同,如果你告诉我那个暗语,我就给你多少钱。丙于是告诉乙暗语,拿到乙的钱,乙又从甲拿到钱。最终达到结果是甲转账给丙。这样甲和丙之间似乎构成了一条完整的虚拟的“支付通道”。

HTLC 的机制可以扩展到多个人,大家可以想象一下,想象出来了就理解了闪电网络。

闪电网络

RSMC 保障了两个人之间的直接交易可以在链下完成,HTLC 保障了任意两个人之间的转账都可以通过一条“支付”通道来完成。整合这两种机制,就可以实现任意两个人之间的交易都可以在链下完成了。

在整个交易中,智能合约起到了中介的重要角色,而区块链则确保最终的交易结果被确认。

侧链

允许资产在比特币区块链和其它链之间互转。降低核心的区块链上发生交易的次数。

也来自比特币社区, 2013 年 12 月提出,2014 年 4 月成立项目。

通过简单地复用现有比特币的方式,实现比特币和其他帐簿资产在多个区块链间的转移。

Blockstream 基于侧链技术探索更多功能,已发布商业化应用 Liquid,并与普华永道进行相关合作。

小结

本章介绍了比特币的相关知识。比特币作为数字货币领域的重大突破,对分布式记账领域有着很深远的影响。

虽然在隐私保护等方面,比特币仍然为人诟病,但其底层的区块链技术已经受到重视,在许多方面都具有技术优势。

细分来看,比特币网络系统中并没有特殊创新的技术,它有机的组合了如下领域的已有成果:

  • 密码学
  • 博弈论
  • 记账技术
  • 分布式系统
  • 控制论

甚至可以说,对这些技术的应用并没有达到十分专业的地步。

但正是如此巧妙地组合,让它能完成这样一件了不起的创举。

这或许就是“大师”与“专家”境界的些许差异。

原文发布于微信公众号 - 智能计算时代(intelligentinterconn)

原文发表时间:2016-10-16

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