比特币的逻辑 | 猿创征文

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本文关键字：比特币、区块链、真实性、合法性、持续性

文章目录 比特币的逻辑 | 猿创征文一、数字货币与比特币二、被时间戳确认的数据的真实性三、微观来看如何保证每一笔交易的合法性1. 保证每一笔被确认的交易都是通过校验的2. 如何校验每一笔交易是不是合法 三、宏观来看如何保证每个一区块的合法性四、长期来看如何保证系统的持续运行
特别说明：本文由博主与区块链博士好友交流后共同撰写，大家感兴趣可以加入文末CSDN官方粉丝群。

一、数字货币与比特币

作为区块链技术的重要起源和标志性应用，比特币在其发明后的数年中，被无数人反复研究和讨论。虽然比特币本身的价值和发展，在十年的时间中经历了无数波折与争议，但中本聪关于比特币思想的论文——比特币白皮书，无疑在当时和后来，都有着巨大的影响和研究价值。
在后来的发展中，项目方往往以“数字货币”来作为自己项目的定位。甚至基于“数字”的外延，（比如“数字经济”“数字社会”），有的研究者提出了“币改”、“赋能”等进一步的概念。然而，追本溯源，在比特币白皮书中，其实是以“电子现金（Electronic Cash）”作为比特币的定位。这其中一个相当重要的区别就是，数字货币的概念，往往需要一个中介，或者为系统提供服务的中心服务器。在此我们可以类比支付宝，支付宝可以为你提供账户的余额信息，并验证和确认两个账户间的交易信息。只要支付宝提示支付到账，那么收款方可以完全相信，这笔钱自己一定能够拿到，付款方不会有机会抵赖，支付宝系统本身也不会作弊。反之，一个拥有一百块钱的用户，不可能把这一百块钱同时或先后付给两个收款方，从而导致两个收款方的权益受损。这种良好的支付系统的背后逻辑，是系统本身需要依赖于一个可靠的平台作为中介，这个平台可以保证用户的权益。

而在比特币白皮书中，指出了这种基于信用中介的支付方式（trust based model）的弊端——无法实现“不可逆的交易”（non-reversible transactions）。中本聪认为，在贸易过程中，很多服务和商品是无法退货的，如果支付本身不能做到不可逆，那么这种支付方式就必须要有很强的信用中介来为交易提供背书，从而增大交易的成本，并且限制了实际可行的最小交易规模。这一观点，也被后来人称为“去中介化”思想，并进一步阐发为“去中心化”思想。
而有趣的是，在实际交易环境中，有一种交易方式是可以实现消除中介的交易方式的——现金支付。交易双方一手交钱一手交货，不用担心支付回滚，也不需要第三方平台担保。这也是中本聪将“比特币”命名为电子现金的重要原因。
基于对一种时序上不可逆的电子现金的设计需求，中本聪设计了基于时间戳的机制。这个“时间戳”，后来也被称为“区块高度”，即：在第n个区块上被确认的交易，在第n+1个区块起的账本状态中，都是被认可的，不会被撤销。这样的设计，实现了一种按时序进行交易确认的数据记录方式，同时，每一个“时间戳”，也形成了不同的区块。
然而，这种看似简单的记录方式，（也就是被后来称为“区块链”的账本记录方式），如果希望保证系统运行的一致性和鲁棒性，还有以下几个问题需要解决。

二、被时间戳确认的数据的真实性

简单来说，第n+1个区块起，前n个区块的记录内容都是被确认的，但是怎么保证这些被确认的交易是“当时真的被确认了”，而不是“后来修改的”。
对于这一问题，中本聪采用的方案是密码学中经典的Hash加密算法。Hash加密算法的重要特征之一是局部敏感—>即如果对原文局部做一点点的改动，就会导致密文（hash值）完全变化。中本聪利用了这一点，将每一个区块的整体做一个hash，把hash值放在下一个区块中。这样，如果第m个区块所记录的交易被修改，那么第m个区块所生成的hash值，会与第m+1个区块中存储的“第m个区块的hash值”不一致。如果想要同时修改第m+1个区块中存储的“第m个区块的hash值”，那又会导致第m+1个区块的hash值与第m+2个区块中的hash值不一致。因此，各个区块被以一种锁定的类似于“链”的结构，按照时序排列起来，并逐次连接。这也是后来这种数据记录方法被称为“区块链”的原因。

三、微观来看如何保证每一笔交易的合法性

在任何一个系统中，肯定存在希望借助系统漏洞进行牟利的用户。在比特币这样的去中心化交易系统中，怎么保证每一笔被确认的交易都是通过校验的，以及怎么校验一笔交易的合法性，是一个亟待解决的问题。

1. 保证每一笔被确认的交易都是通过校验的

对于这一问题，中本聪设计了“对等服务器”的网络结构。也即，虽然比特币的系统摒弃了传统平台的中心化服务器设计，但是比特币系统并不完全是p2p的，在系统中合法存在多个甚至大量服务器，这些服务器拥有较高的计算能力，能够对每一笔交易的合法性进行快速的计算和检验。这一点虽然在比特币白皮书中没有单列一章，（可能是因为其设计较为直观，不需要在白皮书中专文阐述），但是在比特币的运行过程中起到了较为重要的作用。
在比特币中这些服务器往往被称为“全节点”，它们共同支撑并保证系统的良好运行和快捷服务。这一设计模式在后来产生了巨大的影响——尤其是在山寨币被各国打压之后——后继者们将“去中心化场景中全节点的多方参与模型”抽取出来，辅之以各种机制设计，成为了区块链发展过程中重要的一个分支——不依赖于货币而存在的联盟区块链。

2. 如何校验每一笔交易是不是合法

对于这一问题，中本聪则是采用了“基于UTXO的交易机制”和“基于默克尔树的交易验证方法”共同作用。UTXO机制保证了某一笔钱（也就是第i笔交易的输出）只能被花费一次，花费一次之后，它就作为本笔交易（第j笔交易）的输出而保存下来，下一笔交易如果想花费剩下的钱，只能去花第j笔交易的输出，而不能再次花费第i笔交易的输出。
这种交易方式虽然看似复杂，但是其设计却简化了一个关键过程——“交易检验”，也就是说如果系统需要检验本笔交易是不是合法，只要检验本笔交易中，负责付钱的那个“输入”，同时也是某一笔前置交易的“输出”，是不是已经被花过了。而默克尔树进一步地加速了这个检验过程，它能够快速地提供或定位某笔交易的地址，从而便于检查该笔交易的对应输出是否被花过。

三、宏观来看如何保证每个一区块的合法性

既然交易是不可逆的，不可回滚的，那么也即意味着，在区块链系统中，交易一旦打包进入区块，哪怕是非法的，也只能被认可。（虽然后来以太坊背弃了这一初衷，在the DAO事件中回滚了交易状态）。这一设计显然带来了某种“机会”：如果某一用户强行记录一个非法交易——比如悄悄给自己转一笔钱——那么这个被记录到区块中的交易就生效了。
对于这一问题，中本聪的设想是一种民主式思维的解决方法——one CPU one vote，即算力越大话语权越大。（当然后来CPU算力被GPU取代）。中本聪认为，不诚实的“全节点”，不会被大多数“人”所认可。大多数“人”所认可的账本，才是正确的交易数据。为此，中本聪引入了“POW”算法，设计了一种挖矿机制：想要把你认可的交易记录到区块中，你要先证明你不是批量生产的“小号”。虽然后来大多数人诟病“POW”挖矿机制对资源的巨大消耗，但是这种挖矿机制实质上体现了一种重要的信号博弈思想：参与者必须发布一种作弊者无法发布的信号，以证明自己是忠实参与者。在挖矿机制中，这种“信号”就是通过算力强行枚举获得的合法随机数，这一随机数证明了该节点确实是一个服务器式的全节点。
当然，这一机制也有一个问题：在完全去中心化的场景中，可能某一个周期内有两个甚至多个全节点获得了记账权。而他们所选择记账的内容又不一样，这就会导致系统内全节点的数据不一致。在后来的以fabric为首的联盟链中，这一问题得到了优化——通过中心化却无决定权的排序服务节点（orderer 节点）来解决。但是显然比特币的网络结构不允许这样的设计。在这里中本聪实质上采用了一种重要的分布式思想——尽管他没有在白皮书中详述——数据的最终一致性。虽然在网络中，由于地理位置、网络位置等因素，可能会产生区域性的差异，比如不同区域的节点所认可的已有区块不同，但是随着网络的演化，最终大家会采用链条最长的那个账本，并最终达成一致。这也是比特币软分叉的概念。

四、长期来看如何保证系统的持续运行

前文提到，在比特币中，系统的良好运行，依赖于全节点的忠实工作。而全节点想要运行，必须要参与“挖矿”，这种挖矿是要产生实际的资源消耗的。如果想要全节点保持忠诚，就必须补偿这些全节点的资源成本，否则，全节点最终必然走向减少甚至作恶。
在比特币中，中本聪采用了将货币发行与周期奖励相结合的方式。在每一个区块周期中，通过GPU计算获得记账权的全节点，可以获得一笔固定的比特币收入，按照中本聪的预期，这笔收入能够补偿该全节点的计算成本。当然，考虑到对通货膨胀的规避，中本聪采用了通货紧缩的货币发行方式，通过周期性的减半，来实现货币总量的可控。而根据中本聪在比特币白皮书中的阐述，由于每笔交易都有一定数量的手续费，因而即便在比特币被完全发行之后，忠实的全节点也能够通过手续费，继续维持良好的运行。
通过以上问题的解决，中本聪构建了一个简单粗糙，却在后续的十几年中被证明可靠的电子现金系统的完整运行逻辑。当然，在比特币中，有很多有意思的问题值得探究。比如比特币的走势、比特币的交易行为、比特币的地址关联聚类等。在此仅举一例已有成果较少的研究切入点：
比特币的重要设计之一，是基于共识过程的发币激励方式。在论文中，中本聪阐述，激励系统有助于鼓励节点保持诚实，假定一个贪婪的攻击者能够调集比诚实节点加起来还要多的算力，那么他会面临一个选择：要么将其用于诚实工作产生新的电子货币，要么将其用于进行双花攻击。根据中本聪的观点，按照规则行事，诚实地进行工作，是有利可图的。破坏这个系统会使其自身财富的有效性受损。

这里就有一个很有意思的值得探究的点：破坏系统和遵守系统，到底哪个收益会更大？进一步地：是否存在某个状态，使得破坏系统和遵守系统的收益相等？再进一步地：如果这个临界状态存在，那么当前比特币的演化路径，是否在接近或者远离这个状态？如果接近或达到这个临界状态，那么是否表示比特币的系统存在巨大的风险？还可以拓展为：在与比特币类似的去中心化多方参与系统中，尤其是依赖于激励（如通证经济学）的系统，是否可以用某种无限期重复博弈的视角，去分析其安全性和系统演化方向？
在比特币白皮书的最后，中本聪对这一问题进行了简单的计算，但是随着比特币的演化和比特币网络参与方的延展，这一问题也可能会出现新的变化。

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