逐层揭秘:区块链的运作原理、存在问题以及前景

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数字货币市场的大起大落,将新兴的“区块链”技术带到我们眼前。本文通过五问来探讨什么是区块链?它的运作原理是什么?它为什么会出现?还存在哪些问题?它的前景是什么?

现在在科技界流传着这样一句话“币圈一天,人间一年”,这句话调侃数字货币市场的大起大落,也将引新兴的“区块链”技术带入到我们大众的眼帘。

在这个信息爆炸的时代,许多创新的技术和产品正不断涌现,区块链正是当前最耀眼的一颗明星,被很多大佬誉为是人类未来发展趋势的技术。

那么,究竟什么是区块链?它的底层运作原理如何?区块链为什么会出现?目前它还有哪些问题?未来可能的应用场景有哪些?

带着这5个问题,我们来逐层揭开区块链的奥秘!

一、什么是区块链?

(1)从产品角度出发

我个人认为区块链的本质其实是:一种促进人类大规模协作的技术手段,解决了多点之间相互信任以及利益分配的问题。

又或者我们可以把他理解为:数字存储计算领域的共享技术,用户们链接上网,提供自己的存储空间以及算力,从而获得一定的token(代币奖励,可能会持续增值)作为利益回报,这个就比较类似滴滴,Uber,Airbnb。

(2)从技术角度出发

区块链技术是:利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法,来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约,来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算方式。

它融合了现有互联网技术非常多的优质算法,并将其按照非常精妙的规则进行组装,来完成这一系列的复杂处理。

二、区块链的运作原理

区块链系统一共有六层结构来构成,如下图,分别是:数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层。

  1. 数据层:封装了底层数据区块,以及相关的数据加密和时间戳等基础数据和基本算法;
  2. 网络层:则包括分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制等;
  3. 共识层:封装网络节点的各类共识算法;
  4. 激励层:将经济因素集成到区块链技术体系中来,主要包括经济激励的发行机制和分配机制等;
  5. 合约层:主要封装各类脚本、算法和智能合约,是区块链可编程特性的基础;
  6. 应用层:封装了区块链的各种应用场景和案例。所有的二次开发应用都基于这一层面的,就类似于众多的APP基于IOS和安卓底层操作系统一样。

这个模型中区别传统技术的创新点在于以下四个:

1. 分布式账本——不可篡改性、去中心化

交易记账由分布在不同地方的多个节点共同完成,而且每一个节点都记录的是完整的账目,因此它们都可以参与监督交易合法性,同时也可以共同为其作证。不同于传统的中心化记账方案,没有任何一个节点可以单独记录账目,从而避免了单一记账人被控制或者被贿赂而记假账的可能性。

另一方面,由于记账节点足够多,理论上讲除非所有的节点被破坏,否则账目就不会丢失,从而保证了账目数据的安全性。

2. 非对称加密和授权技术——匿名性、安全性

存储在区块链上的交易信息是公开的,但是账户身份信息是高度加密的,只有在数据拥有者授权的情况下才能访问到,从而保证了数据的安全和个人的隐私。

3. 共识机制——开放性、自治性

所有记账节点之间怎么达成共识,去认定一个记录的有效性,这既是认定的手段,也是防止篡改的手段。

区块链提出了四种不同的共识机制,适用于不同的应用场景,在效率和安全性之间取得平衡。

以比特币为例:采用的是工作量证明,只有在控制了全网超过51%的记账节点的情况下,才有可能伪造出一条不存在的记录。当加入区块链的节点足够多的时候,这基本上不可能,从而杜绝了造假的可能。

4. 智能合约——不可逆性、强制性

智能合约是基于这些可信的不可篡改的数据,可以自动化的执行一些预先定义好的规则和条款。

以保险为例:如果说每个人的信息(包括医疗信息和风险发生的信息)都是真实可信的,那就很容易的在一些标准化的保险产品中,去进行自动化的理赔。

三、区块链为什么会出现?

2008年由中本聪第一次提出了区块链的概念,他创造第一个区块,即:“创世区块”

创世区块 – 原始区块链 ,是一种去中心化的数据库,它包含一张被称为区块的列表,有着持续增长并且排列整齐的记录。每个区块都包含一个时间戳和一个与前一区块的链接:设计区块链使得数据不可篡改 ———一旦记录下来,在一个区块中的数据将不可逆。

区块链的设计是一种保护措施,比如(应用于)高容错的分布式计算系统。

区块链使混合一致性成为可能。这使区块链适合:记录事件、标题、医疗记录和其他需要收录数据的活动、身份识别管理,交易流程管理和出处证明管理。

2009年1月3日,比特币的创始人中本聪在创世区块里留下一句永不可修改的话:

The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks(2009年1月3日,财政大臣正处于实施第二轮银行紧急援助的边缘)。

当时正是英国的财政大臣达林被迫考虑第二次出手纾解银行危机的时刻,这句话是泰晤士报当天的头版文章标题。

区块链的时间戳服务和存在证明,第一个区块链产生的时间和当时正发生的事件被永久性的保留了下来。

当时主要就是为了——解决金融危机的问题,建立一个不被任何组织和机构组织操控的,基于机器信任,代码信任的,去中心化的电子现金系统。

巨大价值:区块链实现从信息互联网到价值互联网的转移

互联网技术成功实现了信息的去中心化,TCP/IP协议帮助了全世界人民进行互联互通、畅快交流,但却无法实现价值的去中心化。

换句话说,互联网上能去中心化的活动是无需信用背书的活动,需要信用做保证的都是中心化的、有第三方中介机构参与的活动。

因此,为了解决这样一个全球的信用问题-区块链技术应运而生了。

它提供了一种无中介,无需信任单节点,全网共识的一种网络方法。可以防止我们在与陌生人进行价值交换活动时,被恶意欺诈的风险。

为什么说区块链是一个颠覆性的技术?

我认为未来它可能会重塑社会的“信任关系”,当社会关系的基础协议依赖于可信任的底层技术时,信息和交易都变得开放透明、不可篡改,社会规则和建立在此基础之上的组织形态也会发生重大的变化。

四、目前它还有哪些问题?三元悖论

以太坊创始人Vitalik提出区块链技术“不可能三角”,是三个因素:

  • 可扩展性
  • 去中心化
  • 安全性

也就是一个区块链的系统,不可能在同一时间,在这三个方面同时取得优化、最佳,它必须以牺牲其中若干个因素去换取在另外一个领域上的提升。也因此产生了区块链的不可能三角,也即“三元悖论”。

1.追求“去中心化”和“安全性”则无法达到“可扩展性”

比特币区块链技术便是一种极致追求“去中心化”“安全”的技术组合。

1)从数据结构上,它采用拥有时间戳的“区块+链”的结构,在可追溯、防篡改上具备安全优势,也易于分布式系统中的数据同步。

但是若需要对信息进行查询、验证,则涉及到对链的遍历操作,而遍历是较为低效率的查询方式。

2)在数据存储上,它的每一个节点都下载和存储所有数据包,利用强冗余性获得强容错、强纠错能力,使得网络可以民主自治,但同时也带来了巨大的校验成本和存储空间损耗。

它并不像分布式数据库那样随着节点的增加可以通过分布式存储提高整体存储能力,而只是简单地增加副本。

未来随着区块链技术所承载的内容增多,单个节点的存储空间将是个问题

3)在并发处理上,比特币区块链技术最终只允许一个 “矿工”获得记账权建立一个交易区块,这种机制可以有效保证一个民主网络运行的安全和稳健,但其实质上是拥有所有数据的整个“链条”在进行串行的“写”操作。

相比关系数据库将数据分为若干表,仅仅根据操作涉及的数据锁定若干表或表中的记录、其他表仍能并发处理相比,比特币区块链技术的串行操作效率远低于普通数据库。

4)在对内容的验证上,比特币区块链让每个节点都拥有所有的内容,同时对区块内的所有内容进行哈希,这增强了:民主性、隐私性、安全性。但是这种整体哈希的设计思路则意味着,不能以地址引用的方式存储数据,否则由于所引用地址上所存储的信息由于并未进行哈希校验而可能存在篡改。

因此,比特币区块链技术缺乏高效的可扩展性,在对大型内容的处理上存在效率问题。

2.追求“可扩展性”和“安全性”则无法完全 实现“去中心化”

“共识机制”角度看:为了在确保“安全”的前提下解决比特币区块链技术所采用的工作量证明方式的低效性,权益证明(Proof of Stake)、股份授权证明(Dele⁃ gate Proof of Stake)等机制被采用。

但是无论是基于网络权益代表的权益证明,还是利用101 位受委托人通过投票实现的股份授权证明,实际上都是对“去中心化”的退让,形成了部分中心化。

同样在区块链技术的演化上,除了以比特币为代表的公有链技术外,又衍生了联盟链技术和私有链技术。

联盟链技术只允许预设的节点进行记账,加入的节点都需要申请和身份验证,这种区块链技术实质上是——在确保安全和效率的基础上进行的“部分去中心化”或“多中心化”的妥协。

而私有链技术的区块建立则掌握在一个实体手中,且区块的读取权限可以选择性开放,它为了安全和效率已经完全演化成为一种“中心化”的技术。

3.追求“可扩展性”和“去中心化”则必须 牺牲“安全性”

一个极端的案例便是:基于 P2P(Peer-to-Peer)的视频播放软件。

以往当在线观看人数增多时,基于中央服务器设计的视频服务器会因承载压力变大而速度缓慢。

为了提高效率,P2P 视频播放软件的设计使得一个节点在下载观看视频文件的同时,也不断将数据传输给别人,每个节点不仅是下载者同时也是传输者,使资源的分享形成不再依赖于中央服务器的“去中心化”模式。

同时,由于视频一秒有24 帧,少量图片的局部数据损坏并不影响太多的视觉感官,但是用于数据校验而出现的图像延迟则是不可接受的。于是 P2P 视频播放软件牺牲了“安全”性,允许传输的数据出现少量错误。

在这种去中心化的网络中,参与的节点越多,数据的传播越快,传播的效率越高。

当然这对于严谨的金融业来说,数据的错误是不可接受的,安全也是金融业所首要考虑的问题。

总之,从当前的技术条件来看尚无法实现“高效低能”、“去中心化”和“安全”三者皆得的区块链技术。但是若对其一个或若干个要求进行妥协,所产生的新技术 集合由于更符合实际需求,有可能它对实际应用的吸引 力反而增强。

五、未来可能的应用场景有哪些?

现今的商业成本是很高的。

举个例子:两个公司之间签订了一个合约,需要建立很多机制来保证合同能顺利执行。当出现一方违约的情况,就需要法院和律师、警察来协助我们判决和推动执行。

在区块链的世界中,可以通过智能合约来自动执行类似合约,可以帮助我们节省大量的人工和时间成本,人们几乎不需要担心任何节点发生意外,也没有人能够恶意地去破坏或者篡改。

区块链通过升级现代商业社会的三个基石来改变世界:

  • 复式记帐法——传统的复式记帐法变成了分布式账本;
  • 有限制度公司——有限公司制度变成了 DAO 分布式自治组织;
  • 保护私有财产的法律制度——保护私有财产的法律制度变成了智能合约。

通过这些全新的运行方式,我们整个商业社会往一个全新的方向发展。

事实上,从我这边来看,有很多聪明的朋友,正在做各种各样的尝试。

目前,区块链在支付、结算、证券交易,以及在医疗、保险、物联网都有很多的探索。

1. 物联网,会是一个非常有趣的应用方向

IBM 曾经提出一个叫做《设备民主》的白皮书,里面提出:到 2050 年,全世界至少有 1 千亿设备会被连入物联网。

但是到现在为止,全球还没有合适的设备,能同时管理数亿个同时连入的终端。事实上,即使有这样一个中心化管理设备,本身的安全性也有极大的隐患。中心化的设备一旦瘫痪,整个物联网都会瞬间崩溃。

因此 IBM 的结论是:区块链是目前我们想到的管理物联网的最好方案,依靠安全可靠的分布式系统来做底层的物联网管理。

2. 去中心化的交易系统,最近至少在行业内是被追逐的一个目标

建立在区块链上的去中心化交易系统,将是极度透明的,这意味着,传统交易中可能会发生的虚假交易几乎是不可能的。

比如:Borderless,它提供一个具有极高性能的去中心化交易平台,能够提供一切你所希望在一个交易平台上应该具有的功能。不仅订单的执行在你提交的瞬间就能够完成了,并且还能提供抵押债券让你能够使用杠杆和提供利息,期权合约能够让你对冲你的仓位。

中心化的交易所已经一次又一次的让世界知道,它们是多么的不可靠和不值得信任。

  • 无论是MFGlobal,Mt.Gox,或者是BitStamp,让我们可以看到:如果让第三方保管你的钱会发生什么?
  • 无论它们规模有多么庞大,有多少审计、监管机构或是保险公司,那些全球中心化的银行和交易所,还是每天都充斥着各种欺诈、滥用职权或者盗窃行为。

去中心化让Borderless面对失败时具有鲁棒性(Robustness),指:原始载体在经历各种信号处理过程后,隐藏信息仍能保持完整性或仍能被准确鉴别,不因处理攻击后而导致秘密信息丢失的能力。

当一个中心化的交易所被泄露数百万美元将会瞬间影响数千个用户,而一个去中心化的系统被攻击、或者出现故障只会影响单个用户和他的资金。用户能够控制他们自己的安全性,这其实可能远比任何中心化实体要好得多。

3. 去中心化存储也是一个非常大的方向

传统的网络下,访问网络或服务器文件都离不开 HTTP 协议。

当你输入网址,点击网页连接,就会向中心服务器地址寻找文件。如果有很多人同时访问,就容易造成网络堵塞,速度很慢。

现在有一种基于区块链的分布式存储式技术叫做 :IPFS (星际文件系统:Inter Planetary File System),这个概念非常棒,未来有可能会取代传统的 HTTP 协议。IPFS 将文件碎片化存储在距离用户最近的计算机或服务器中,这样加载速度就会大幅提升。

如果你所在的城市或者邻居有节点,那速度就更快了,甚至可以等同于访问本地文件。

4. 医疗领域也是一个爆发的点,这可能很多人没有想到

早期每个人的医疗档案,比如:身高、血糖、血压,这些数据如果流失,大家不觉得会造成很大的困扰。但未来有一些生物资料绝对不可以流失,比如:你的虹膜和指纹。

如果你的指纹信息大规模外流,带来的可能不是医疗上的灾难,而是整个金融系统的灾难。

基于这样的认识,很多人提出,区块链很可能是目前唯一的解决方案。因为区块链不仅仅能够杜绝篡改,还能够提供多权限的复杂管理。

也就是说,你的重要数据是分层的,由你、你的家人、你的医生、你的朋友一起来在不同层面上进行分享和保护,其中某个节点的泄露,不会造成整个数据库的崩溃。

总之,区块链的应用场景在未来,我认为是会逐渐丰富起来的,它带给我们更多的不仅仅是一种技术,而更多是这种思维或者分布式商业的理念。

 

本文由 @囧囧有神 原创发布于人人都是产品经理。未经许可,禁止转载

题图来自 Pixabay,基于 CC0 协议

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评论
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  1. 受教受教👏👏👏

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    1. 不敢当啊 多多交流

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  2. 感谢分享,收获很多。

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    1. 谢谢 南哥 嘿嘿 写文章我自己也是学习的过程 也有收获 新的体会

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