第四章:介绍比特币

比特币是区块链技术的第一个应用。在本章中,读者将会详细了解比特币技术。

比特币是第一个完全分散化的数字货币,由此开启了一场革命,并且从网络和协议角度看,比特币本身被证明是非常安全和稳定的。作为一种货币,尽管其有价值,但比特币是相当不稳定和高度波动的。我们将稍后在本章解释其原因。区块链也激发了学界和业界极大的研究兴趣,并引出了许多新的研究领域。

自2008年中本聪引入比特币以来,它获得了极高的流行度,也是目前世界上最成功的数字货币,吸引了数十亿美元投入其中。在撰写本文时(2018年5月9日),目前的市值是154,792,469,342美元。大量的用户和投资者、日益上涨的价格、每天与比特币相关的新闻以及众多提供基于比特币的在线交易的初创企业与公司证明了比特币的流行度,目前比特币也在芝加哥商品交易所(CME)以比特币期货的方式进行交易。

有兴趣的读者可以访问这里了解比特比期货。

比特币的发明者,中本聪,通常被认为是假名。其发明者的真实身份未曾得知。比特币建立在密码学、数字现金、分布式计算等领域的数十年研究基础上。在接下来的一节,将向读者展示比特币的简要历史,以方便读者理解比特币发明背后所需的背景知识。

数字货币在数十年来一直是一个活跃的研究领域。早在20世纪80年代早期就提出创建数字现金的建议。1982年,David Chaum 提出了一个使用盲签名来构建难以追踪的数字货币的方案。

有兴趣的读者可以阅读 David Chaum 的原始研究论文,这篇论文描述了他发明的盲签名的密码学原始模型。

在这种方案中,银行对用户提供的盲随机序列号签名来发行数字货币。然后用户可以使用由银行签署的数字标记作为货币。该方案的局限性在于银行必须跟踪所有已使用的序列号。这个系统被设计为中心式的,且需要用户信任。

后来,1988年,David Chaum 和其他人提出了一个名为电子现金的改进版本,该版本不仅使用了盲签名,还使用了一些私人身份数据来产生一条消息,然后将其发送给银行。

该方案能够检测出二次支付,但却并未阻止该行为。 如果在两个不同的地方使用相同的标记,那么将显示两次花费者的身份。 电子现金只能代表一笔固定的金额。

Adam Back,密码学家,现任 Blockstream 首席执行官,参与区块链开发,于1997年推出了哈希现金(Hashcash)。哈希现金最初是为了阻止垃圾邮件而提出的。哈希现金背后的理念是解决一个易于验证却难于计算的难题。这个想法是,对于单个用户和单个电子邮件来说,额外的计算工作量可以忽略不计,但是发送大量垃圾邮件的人会因为实施垃圾邮件活动所需的时间和资源大大增加而被阻止。

1998年,B-money 由曾经为微软工作的计算机工程师 Wei Dai 提出,他引入了使用工作量证明(PoW)来创造财富的想法。 “工作量证明”一词随即出现并在比特币中流行起来,但是在 Wei Dai 的 B-money 中,通过为先前未解决的计算问题提供解决方案而引入了生钱的方案。 该方案在文章中被称为解决之前未解决的计算问题。 这个概念与工作量证明类似,通过广播该解决方案来解决以前未解决的计算问题,从而创造出了钱。

原始论文在这里

该系统的主要弱点是,一个具备更高计算能力的对手可以在不经网络调整适当难度级别而生成不请自来的钱。该系统也缺乏结点间的共识机制的细节,以及存在一些安全性问题,如女巫攻击并未解决。与此同时,一位计算机科学家 Nick Szabo 引入了“比特黄金(BitGold)”的概念。此概念同样基于“工作量证明”机制,但与 B-money 相比,除了难度级别可以调整外,其它问题依然存在。来自国际计算机科学学院(伯克利)的 Tomas Sander 与 Amnon Ta-Shma 于1999年在论文《可审计的、匿名的电子现金》(Auditable, Anonymous Electronic Cash)中介绍了电子现金(e-cash)方案。该方案首次使用了 Merkle 树来表示钱币,以及使用“零知识证明(Zero-Knowledge Proofs, ZKPs)”来证明钱币归属。

原始论文在这里

在该方案中,需要有一个中央银行来保存所有已使用的记录。该方案允许用户完全匿名。这仅是一种理论设计,由于缺乏有效的证据机制,因此不易实施。

可重用的工作证明(RPoW)于 2004 年由计算机科学家、开发人员和首次从中本聪获得比特币的人 Hal Finney 提出。 它使用 Adam Back 的哈希现金方案作为创建资金而花费计算资源的证明。 该方案也是一个中央系统,该中央系统维持一个数据库用以跟踪所有已使用的 PoW 令牌。因此该系统是一个使用可信计算平台(TPM 硬件)实现的远程认证的在线系统。

所有前面提到的方案设计得富有天才想象力,但从某个方面来看却很薄弱。 具体而言,所有这些方案都依赖于需要用户信任的中央服务器。

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