【得得专栏】刘志毅:区块链技术起源与分布式账本

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。

这一讲我们来讨论关于区块链技术的内容,这也是过去两三年产业界和学界都在研究的技术体系。基于市场上已经有太多的入门类的书籍,所以我们在这一讲中不会涉及过多的具体的技术细节,而是从区块链技术的核心来讨论,然后讨论区块链如何构建信任以及对生产关系的变革。因为对于某个技术范式来说,尤其是在它的早期阶段,我们的重点不在于其技术实现细节,而是关注这个技术范式会带来的影响以及这些影响产生的基本逻辑。我们在这里会讨论区块链技术的原理和技术特质,包括其所涉及的数学基础,以及如何理解加密经济与区块链之间的关系。

区块链技术在过去两三年间受到产业界的关注,一方面原因是虚拟货币带来的炒作和泡沫所引发的讨论,另外一方面原因就是信息技术尤其是互联网技术发展到这个阶段,在区块链技术上找到了“下一代互联网”的解决方案,也就是通过“去中心化”的网络技术来构建“信任的机器”。我们理解区块链技术最重要的关键词就是“信任的机器”,一方面是互联网发展到这个阶段,由于其越来越中心化,导致的一系列数据隐私、垄断和欺诈等问题越发严重,因此需要新的技术革命来改变现状;另外一方面是,信息技术在区块链技术出现之前最大的核心在于提升“信息”的传播效率和容量,但是对传统经济的影响也仅限于这个角度,对经济的核心影响力尤其是底层逻辑改变不多,而区块链技术则提供了一种切入商业本质的技术路径。

区块链技术的原理

2008年11月1日,一个自称中本聪(Satoshi Nakamoto)的人在一个隐秘的密码学评论组上贴出了一篇论文《比特币:一种点对点的电子现金系统》,陈述了他对电子货币的新设想,中本聪勾画了对比特币的构想——第一个由用户自己掌握、无需中央管理机构或中间人的电子货币网络。其中首次提到了区块链的概念。

这篇论文非常经典,开启了区块链和数字货币的发展浪潮,其中涉及了比特币的几个基本特征:

  • (1) 一种点对点的电子现金系统,实现了点对点交易,中间不需要任何金融机构。
  • (2) 不需要授信的第三方支持就能防止双重支付。
  • (3) 全部交易盖上时间戳,并把他们并入一个不断延展的基于哈希算法的工作量证明的链条,作为交易记录,实现了不可更改。
  • (4) 最长的链条不仅将作为被观察的事件序列的证明,而且被视为来自CPU的计算能力最大的池。
  • (5) 这个系统本身需要的基础设施非常少,节点尽最大努力在全网传播信息就可以,节点可以随时离开和重新加入网络。

在比特币区块链中,当一笔交易经由某个节点或钱包产生时,这笔交易需要被传送给其它节点来作验证,具体的做法是将交易资料经由数位签章加密并经由Hash函数得出一串代表此交易的唯一Hash值后,再将这个Hash值广播(Broadcast)给比特币区块链网络中的其它参与节点进行验证,而当一笔新交易产生时,会先被广播到区块链网络中的其它参与节点,每个节点会将数笔未验证的交易Hash值收集到区块中,每个区块可以包含数百笔或上千笔交易。

而比特币区块链是以工作量证明的共识机制来决定谁来完成这笔交易的记录,也就是各节点进行工作量证明的计算来决定谁可以验证交易,由最快算出结果的节点来验证交易, 而此时取得验证权的节点将区块广播给所有节点,其他节点会确认这个区块所包含的交易是否有效,确认没被重复花费且具有效数位签章后,接受该区块,此时区块才正式接上区块链,从此区块链上所记录的交易资料无法再被窜改。而当一笔交易验证完成时,所有节点一旦接受该区块后,先前没算完POW工作的区块会失效,各节点会重新建立一个区块,继续下一次POW计算工作。

我们可以看到比特币的技术基础设施就是由区块链技术构成的,因此我们可以给区块链有一个明确的定义,即区块链是一个分布式账本,一种将数据区块以时间顺序相连的方式组合成的、并以密码学方式保证不可篡改和不可伪造的分布式数据库,同时也是通过去中心化、去信任的方式集体维护一个可靠数据库的技术方案,从而通过技术的手段实现了对于价值的编程和点对点的安全和有效传输,总体来讲,区块链技术即是通过一个加密网络构造出了一个分布式账本,可以实现对于价值的编程和传输的一种组合型技术。

区块链的三个要素分布是交易、区块和链,对于区块链上的一次交易(Transaction)来讲,区块链上的一个节点发生一次操作,会导致区块链账本状态的一次改变,并通过哈希算法形成一个固定的哈希值(hash),添加一条记录,从而产生一个区块(Block),这个区块会记录一段时间内发生的交易和状态结果,从而促进区块链网络的所有节点对当前账本状态达成一次共识,而由一个个区块按照发生顺序进行串联,从创始区块(genesis block)开始连接到当前区块,形成整个网络状态变化的日志记录,形成了链(chain)。

这里的关键在于记账,比特币的网络中,大约每10分钟出一页账单,账单记录这10分钟之类的所有交易,我们把这个账单叫做“区块”。这个记账的权力是可以竞争的,也就是说,记账的人每次获得一次记账权,就会获得系统产生的新比特币作为奖励,也就是说,中本聪把比特币的发行和记账行为绑定在一起了。中本聪规定比特币额的总量为2100万枚,每个比特币的产生伴随着每一个区块的产生。一开始每个区块的奖励是50枚比特币,每4年减半一次,直到2140年全部奖励完成,比特币发行完毕。

如何保证整个账单不被篡改呢?比特币每一页账单都有严格的顺序,如果有人想修改数据,就得重新计算超难的数学题,因此需要在非常短的时间内赶上现在的账单数量,这个操作的成本非常高,以至于篡改数据成为不可能。只有当一个人掌握的运算能力达到全部网络运算能力的51%以上,才有可能在理论上改掉一页账本里的数据。但是对于一个节点足够多的分布式网络来说,单一节点的算力要达到全网的51%几乎是不可能的,这样确保了记账的公平性,这在账本历史上是前所未有的创新。

比特币实现了分布式记账,在没有中心化机构监督的情况下,能够安全的进行比特币的发行、记账和激励这是一个伟大的发明,而比特币底层的技术,就是区块链。在区块链系统中,每笔交易的副本会被广播给全网所有的用户,而不是被一个中心控制的两本分类账。这个分布式账本的局限性仅仅在于用户数量和全网的算力,所以理论上这个账本可以无限记账。

如果每个人都有系统中每笔交易的副本,那么没有交易能够不经验证就修改,这样的话,除了输入的时候,其他过程是不可能发生欺诈或者错误的。区块链技术的发展使得分布式记账成为可能,解决了以往记账形式不能解决的假账、坏账的难题。

因此,从技术层面来说区块链的本质是一个分布式账本,通过加密技术构成一个可信的网络,从而实现对于社会价值的编程,而当区块链能够真正的与各行各业开始结合以后,这个账本能够从简单的记账到能够记录我们生活的一切的时候,区块链便能够影响和改变我们生活的方方面面。我们在这里重点关注这个技术在未来可能对市场经济的基本结构发生的推动作用,也就是如何构建“信任”和“信用”的网络。这里的基本逻辑在于市场的核心在于交易,而市场机制中的交易是陌生人与陌生人之间的,如何构建起陌生人之间的信任是经济的最根本问题。

在区块链技术出现之前,所有的交易活动一定要依赖中介才能产生信任:传统的经济活动需要法律制度和银行提供信用保障,交易主体如果不守信用会受到制度的惩罚,不过这其中会产生非常高的交易成本;互联网经济则需要依赖支付宝以及微信支付等中间工具来保障信用,也就是通过第三方中介作为保障。换言之,在传统经济或者互联网经济中,都是通过一个所谓三方机制来协调信号用的产生的,如果没有中介则两个完全陌生主体的交易成本就会非常高,而建立一个有信用的三方机制的市场需要很高的制度成本和社会成本,这是区块链技术出现之前的基本市场机制,也是难以解决的核心问题。

在这里我们需要理解账本的经济学价值,从人类开始协作和生产开始,账本就已经出现了。账本是商业活动的核心要素,最常见的就是用于记录金钱和产权这类资产。账本不仅是业务的基础需求,也是监管和审计的基础。大体来说,伴随着账本技术的变化,我们可以将经济发展分为四个不同的时间阶段:

第一个阶段:简单账本,出现于公元前3000年到公元1490年。在数万年以前的原始社会,人们凭借大脑记忆来记住每天猎取猎物的数量。随着部落文化的产生,生产力迅速提高,单凭大脑已经没法记住变化多端的数字,于是,人类发明了符号来简化记录,或者把交易的场景直接绘出来,出现了了泥板标记、甲骨刻字、竹板刻书等阶段。

随着生产力的发展,经济的繁荣,人们开始根据收支情况,按照时间的发生顺序来记录流水账,流水账发展成日记账和现金出纳账,也就是说按照时间、物品名、人名等设立主题账本,这时候记账的历史已经发展到了单式记账时期,简单账本阶段出现。

第二个阶段:复式账本阶段,从1490出现发展到现在,都是最主流的记账方式。随着经济的发展,简单账本容易被篡改,很难做统计的缺点日益明显,已经不能满足人们记账的需求,于是出现了复式账本。

在西方,复式记账法最早出现在12-13世纪的意大利的威尼斯,主要在商人和银行家之间进行,在中国,复式记账法最早要属明末清初的龙门账,然后又发展成四脚账。复式账本和简单账本不一样的地方在于,复式记账不仅能够核算经营成本,还可以分化出利润和资本,保证企业经营的持久性。复式记账法是指以资产与权益平衡关系作为记账基础,对于每一项经济业务,都要在两个或两个以上的账户中相互联系进行登记,系统地反映资金运动变化结果的一种记账方法,即“有借必有贷,借贷必相等”。德国哲学家歌德(Goethe)将它赞誉为“人类智慧的绝妙创造之一,每一个精明的商人从事经营活动都必须利用它”。

第三个阶段:从1960年左右开始就出现了数字账本,即通过数字化技术记录复式账本的信息。随着信息技术的发展,经济组织方式的进化,企业的经营者和所有者不再是一个人,多位股东不参与公司具体事务,但是对账本具有随时查看的需求,于是电子账本出现了。计算机技术的发展让会计行业迅速数字化,数字账本出现。账本的数字化也经历了三个阶段,一开始是人工录入,接着实行自动化记账,最后进入智能化记账,记账的方式越来越高效和精准。

第四个阶段:随着区块链技术在2009年产生,分布式记账就正式登上了历史舞台。数字账本虽然更高效更方便,但是依然存在着三大问题:一是信任问题,谁来记账,谁来保证记账的准确性;二是安全问题,谁运行系统,谁保证系统不出错;三是许可问题,谁该看什么数据,谁不该看什么数据。这些问题数字账本依然无法解决,分布式账本应运而生。而比特币的诞生让分布式账本成为可能,基于算法的信任,形成了互信监督的系统,也就是说人人可记账,人人可查阅的分布式账本出现了。

我们可以看到,从比特币的发展过程与经济的发展视角中,区块链技术的本质在于提供了分布式记账的技术基础,我们可以看到分布式记账的好处如下:

  • 第一, 分布式账本无需信用中介,依靠机器的共识机制进行记账,人人都是参与者,人人都是监督者,这样大大提高了记账的民主性,降低了信用的成本。
  • 第二, 分布式账本的信息会被打包成一个区块链,并且加密,盖上独一无二的时间戳,这样可以防止重复支付现象的产生。一个个区块按照时间戳顺序,链接成一个总账本。所有人都能验证交易的合法性,通过共识机制确认记账权,数据可以透明分享,数据不可篡改,解决了账目造假的问题。
  • 第三, 高效、分布式账本的每个区块,都可以看做这个账本的一页,这个区块链可以无限的叠加,最后形成一个事无巨细的账本,所有的账本都在区块上一目了然,降低了信任成本,增加了账目的精确度,让整个账本的运行更加高效。

简而言之,分布式账本作为区块链技术的一大特性,很好了解决了信用的问题,分布式账本技术的出现则可能是账本技术继数字化之后的又一次重大飞跃。所有关于区块链技术的理解都需要从其分布式记账这个角度着手,然后才能开始讨论它在其他领域的特性与应用。