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| 本文作者： 吳陽煜 | 2018-02-05 19:27 |
雷鋒網(wǎng)AI金融評論按：本文譯自Medium，作者Josh Ephraim。作為一個在高校間運行的研究加密技術(shù)和區(qū)塊鏈的學(xué)術(shù)組織，伯克利區(qū)塊鏈著眼于區(qū)塊鏈技術(shù)生態(tài)領(lǐng)域的探討，和在社區(qū)內(nèi)部的普及教育，促進(jìn)創(chuàng)新的討論和進(jìn)展，通過分析具體案例、模型構(gòu)建和整合解決方案來幫助各公司從區(qū)塊鏈技術(shù)中受益。據(jù)雷鋒網(wǎng)AI金融評論了解，該組織成員包括近四十家專業(yè)從事區(qū)塊鏈咨詢和開發(fā)業(yè)務(wù)的機(jī)構(gòu)，將伯克利社區(qū)等學(xué)界與更廣泛的區(qū)塊鏈技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)連接起來。本文聚焦在數(shù)字簽名在加密技術(shù)逐漸完善的基礎(chǔ)上，一步步取代傳統(tǒng)的賬戶密碼的身份識別手段，并講解其在比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的具體應(yīng)用機(jī)制。
這是加州大學(xué)伯克利分校 CS 294–144課程：區(qū)塊鏈、加密經(jīng)濟(jì)學(xué)，在技術(shù)、商業(yè)和法律的未來前瞻。
比特幣是區(qū)塊鏈技術(shù)最早落地的應(yīng)用案例。它的定義起源于Github上的比特幣源代碼。所以要想深入了解區(qū)塊鏈技術(shù)，我們首先需要去搞懂比特幣的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是如何運作的。
在今天，關(guān)于比特幣的未來走向，區(qū)塊鏈行業(yè)內(nèi)外有著許多爭論。它到底是數(shù)字黃金（價值儲藏）還是一種全新的支付手段（交換媒介）？讓我們從創(chuàng)始人對它最原始的明文定義--比特幣白皮書中去找答案：
“一種純點對點版本的電子現(xiàn)金將允許一方在線上直接發(fā)起支付，而無需經(jīng)過任何金融機(jī)構(gòu)。”
--《比特幣：一種點對點電子現(xiàn)金系統(tǒng)》，by中本聰（Satoshi Nakamoto）
該如何完成中本聰提出的這一電子現(xiàn)金系統(tǒng)的設(shè)想？教授Dawn Song向我們詳細(xì)講述了其中運轉(zhuǎn)的每個零件部分。
一個完美的信任世界。在這里，用戶可以直接向他人發(fā)送電子現(xiàn)金用以支付。這將使得整個交易流程簡單便捷，因為沒有中間商和驗證流程的存在。但問題在于，在這個透明的世界里，隱私性和安全性將無從談起，并且在防欺詐上也將無能為力。
在現(xiàn)實世界中，如果有人給了你一張一美元的鈔票，對于本人而言知道自己持有這張鈔票，而旁人卻無從得知。但在線上，這樣將有可能導(dǎo)致一個非常重大的隱患：雙花問題（Double-Spending Problem）。在文件極易被復(fù)制和再造的前提下，如果我直接向你發(fā)送一張數(shù)字鈔票，你將沒有任何辦法分辨得出來，我給的是原始真正的鈔票，還是只是一個副本。
如果我們生活在一個完美的信任世界，我們無須擔(dān)心上述雙花問題。但在現(xiàn)實世界里，詐騙的風(fēng)險一直存在，這使得我們必須尋找其他方法，來逐步完善線上支付。
對于大部分的用戶，他們在進(jìn)行線上商務(wù)活動時會選擇一個可信第三方，來追蹤資金的歸屬。用戶通過了基于密碼驗證的身份核驗環(huán)節(jié)后登錄到一個中心化的網(wǎng)站，而這個中心化的網(wǎng)站可以對每一筆交易進(jìn)行檢查，以確保每個買家在交易中都錢花出去了，并且是他們真正所有可支配的資金，并保證每一個賣家都收到了賬款。這一切都是通過中心化的賬本來實現(xiàn)的。
通過這個系統(tǒng)，用戶能夠確實能夠體驗到簡單便捷和快速的交易性能，這個可信第三方也有能力修復(fù)錯誤和取消交易。但是，它亦暴露出了不少問題：極其低下的安全性（用戶密碼有被盜的風(fēng)險）、該中心化第三方的不公正性風(fēng)險（該第三方會作弊或在裁定交易分歧時判決不公平），以及在隱私性保護(hù)上沒有任何針對措施（沒有任何一樣事務(wù)是完全匿名的）。
這種類型的系統(tǒng)有一個很好的例子：Venmo。Venmo能夠?qū)?jīng)過它的中心化賬本發(fā)送或接收的每筆支付進(jìn)行追蹤。具體到每一筆支付中，它會從買家的賬戶中扣除錢款，并將這筆錢存入賣家的賬戶。但如果你是Venmo的用戶，你首先得相信Venmo能將公平準(zhǔn)確地處理每筆交易。
在2.0版本中，用戶開始使用數(shù)字簽名以進(jìn)行身份核驗，來取代輸入用戶名和密碼的驗證方式。
使用密碼登錄的驗證方式的確顯現(xiàn)出了很大的便利性，但與此同時它存在著重大的安全漏洞，在安全性上很脆弱。中心化第三方實體需要花大量精力對這套驗證系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)管理，然而它依然極易遭到攻擊。在過去數(shù)年里，公司被黑客入侵的事件屢見不鮮，產(chǎn)生了許多受害者。
由此，出現(xiàn)了一種替代密碼驗證的全新身份核驗手段：數(shù)字簽名。
當(dāng)你在現(xiàn)實世界中簽下你的名字，其唯一性使得別人都知道這個簽名代表著你本人，當(dāng)這個簽名與一份特定文檔綁定在一起時，例如簽署在文末，這就意味著這個簽名不能夠被用以表示你本人同意另一份文件。
比如教皇，至今仍使用如圖上的這種戒指圖章來簽署文件（更常見于幾個世紀(jì)以前）。通過將這枚戒指壓印在蠟中，圖像才能最終成形。而這個圖像，在理論上，是被公眾熟知所認(rèn)為專屬于教皇的簽名（因為沒有其他人擁有這枚戒指）。
現(xiàn)在，我們假定有個叫Emily的人需要設(shè)置一個數(shù)字簽名，她將首先需要生成一個公鑰（Public Key，以下圖中簡稱PK）和一個秘密的私鑰（Secret Key，以下圖中簡稱SK）。公鑰就類似于教皇戒指的印記，而私鑰只有Emily自己知道，就如同是教皇的這枚戒指，只教皇一個人控制支配并從來不與其他人共享。
當(dāng)Emily需要發(fā)送一段信息時，她將要將她的私鑰和這段信息一同輸入，通過應(yīng)用到數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換后，生成了Emily在這段信息上加注的數(shù)字簽名。然后，當(dāng)你接收到這段信息后，你就可以通過這個簽名以及公鑰，來檢驗這段信息是否真的是Emily用她的私鑰所簽署過的，來辨別真?zhèn)巍?/p>
為什么我們需要數(shù)字簽名？出于更高安全性的考慮。當(dāng)你使用私鑰進(jìn)行加密后，一個中心化的第三方實體或黑客將無法偽造或篡改你的交易（除非他們設(shè)法取得了你的私鑰）。由于用戶的私鑰不是保存在這個中心化實體的服務(wù)器上，黑客在入侵這些服務(wù)器后，也無法偷得用戶的信息。也正因為如此，數(shù)字簽名還有了隱私性的保障。和以往要向中心化的第三方實體提交個人信息不同，用戶可以通過提供類似筆名的公鑰來進(jìn)行身份驗證。
但無論如何，值得注意的是，用戶沒有辦法把他們的私鑰單單存儲在腦海當(dāng)中，如同此前他們憑記憶保存他們的用戶名和密碼一樣。啟用私鑰后，對于個人而言，用戶還需自行對他們的私鑰進(jìn)行管理。
而對于那些中心化的第三方實體來說，它們同樣需要在服務(wù)器上對公鑰進(jìn)行管理。因此，因為公鑰與用戶的個人身份存在著一定的聯(lián)系，隱私性有被泄露的風(fēng)險。最后，中心化的第三方實體依然有辦法實現(xiàn)作弊和發(fā)起任何不公平的行為，因為它們?nèi)匀徽乒苤@個交易所必需的中心化賬本。它們能夠隨意拒絕或不執(zhí)行用戶的交易，甚至能撤回篡改交易。
在這個版本中，用戶依然可以在每筆交易中簽署添加數(shù)字簽名。用戶依然需要對自己想私鑰進(jìn)行保管，而公鑰依然存儲在中心化的第三方實體那里。并且，這些實體依然管理著賬本。
但有所不同的是，這些中心化的第三方實體每十分鐘就需要將數(shù)字簽名應(yīng)用到成批次（加上以往批次）的交易當(dāng)中，這些就被稱作是“區(qū)塊”（Blocks）。
一個區(qū)塊就是一批次交易加上數(shù)字簽名的集合。而整個鏈條則包括了一段時間內(nèi)的所有交易。這就是為什么它被稱作為“區(qū)塊鏈”的原因。
相對2.0版本來說，這是一個很大的提升和進(jìn)步，因為第三方實體不再能夠罔顧事實刪除交易數(shù)據(jù)，或面對不同的用戶提供不同的批次交易。但由于賬本仍然是中心化的，中心化的第三方實體依舊可以任意拒絕或發(fā)布交易。
在以往我們討論過，過度信任這樣一個中心化的實體會產(chǎn)生什么問題。銀行可能會走向倒閉，政府會對貿(mào)易活動進(jìn)行限制，還會凍結(jié)資產(chǎn)，甚至?xí)l(fā)惡性的通貨膨脹。所以如果公眾可以在交易中有所創(chuàng)新，無需信任中心化的第三方實體，這將是一件偉大的事情。
在比特幣的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)里，用戶可以實現(xiàn)真正的隱私性保護(hù)（他們的身份對應(yīng)于密鑰），每筆交易在簽署數(shù)字簽名后在區(qū)塊鏈上發(fā)布進(jìn)行。最大的區(qū)別在于，賬本是完全去中心化的。
實現(xiàn)了完全的去中心化，意味著整個社區(qū)都在記錄維持著純公共化的賬本，由此沒有任何一個單獨的組織能夠?qū)灰走M(jìn)行限制。而在區(qū)塊鏈上，對這個公共賬本進(jìn)行記錄維持和驗證的途徑就是挖礦。網(wǎng)絡(luò)通過制定一名參與者的方式來對區(qū)塊上的交易進(jìn)行排序。所有的礦工彼此競爭，都希望成為這一個對交易進(jìn)行排序的唯一玩家，原因在于這個幸運的勝出者將由于創(chuàng)造了下一個區(qū)塊而獲得了額外比特幣的獎勵，這些獎勵由系統(tǒng)產(chǎn)出（通常來說，每位礦工的獎勵為12.5比特幣）。
Professor Song 將挖礦形容為“哈希老虎機(jī)”。一個哈希函數(shù)通過特定的輸入后，應(yīng)用于函數(shù)轉(zhuǎn)換后生成一個單獨的隨機(jī)的輸出結(jié)果。誰最快找到這個正確的輸出結(jié)果，就得到創(chuàng)造下一個區(qū)塊的權(quán)力，也就贏得了這筆獎勵。從這點來看，挖礦的確是碰運氣的事，就像買彩票一樣。
值得注意的是，哈希函數(shù)有幾個重要的性質(zhì)：
抗原像性（Pre-image resistance）：給定一個輸入后，從計算機(jī)科學(xué)的角度來講很難去確定一個輸出。
抗碰撞性（Collision resistance）：非常困難實現(xiàn)兩個不同的輸入得到同樣的輸出。
確定性（Deterministic）：給定輸入的輸出總是同樣的結(jié)果。
看起來隨機(jī)。
隱藏有關(guān)輸入的信息。
所以，礦工們的挖礦機(jī)器計算哈希函數(shù)的速度越快，成為第一個挖得下一個區(qū)塊的可能性就越高。這就是工作量證明（proof of work ）系統(tǒng)。無論是誰，只要投入了最多的算力都將被賦予挖掘下一個區(qū)塊的權(quán)力，和得到系統(tǒng)獎勵的比特幣。而挖掘出來新的區(qū)塊包含了上一個區(qū)塊的哈希值和交易信息，以及被稱為“nonce”的隨機(jī)數(shù)（勝者的中獎彩票券：一串提供理想哈希值的數(shù)字，賦予了礦工創(chuàng)造下一個區(qū)塊的權(quán)力）。
（如圖所示，綠色區(qū)塊是創(chuàng)世區(qū)塊。黑色區(qū)塊鏈條是被大眾所接受的鏈條，故紫色鏈條即遭廢棄。）
當(dāng)?shù)V工們同時找到了同一個區(qū)塊，就會發(fā)生分叉現(xiàn)象（Fork）。這種情況經(jīng)常發(fā)生，而更長的鏈條將會勝出。更長的鏈條也是承載了最多工作量的鏈條，緊接著后續(xù)的區(qū)塊就會被添加到這條鏈上，而另一條鏈就遭廢棄。在廢棄區(qū)塊中被寫入的交易在之后將會被添加到勝出的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。
區(qū)塊鏈?zhǔn)菄?yán)格排序的信息序列。
寫入?yún)^(qū)塊的權(quán)限是基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的規(guī)則，而讀取的權(quán)限是全球性的。
沒有信息可以被修改（不可篡改性）。
沒有中間商。
更加透明化。
理論上，交易效率可以被優(yōu)化提升，并像傳統(tǒng)金融工具一樣進(jìn)行清算和結(jié)算。
Professor Song將區(qū)塊鏈形容為具有一致性的分布式公告牌（每個服務(wù)器得到的結(jié)果一致)，同時具有可用性（新出現(xiàn)的交易處理效率更高）。但區(qū)塊鏈所蘊含的潛在優(yōu)點遠(yuǎn)不止此。分布式系統(tǒng)要實施正常運轉(zhuǎn)非常困難，比特幣也還實現(xiàn)低交易費用、高交易效率的性能，也尚未成為一種真正的價值儲藏、交換媒介或賬戶單位。
他最后引用這樣一句話作為結(jié)束：
在一個分布式系統(tǒng)中，你的電腦可能會因為一個甚至你都沒有意識到存在的計算機(jī)故障而導(dǎo)致癱瘓。
--Leslie Lamport（圖靈獎得主，計算機(jī)科學(xué)家），1987
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