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究竟什么是区块链?

现今,区块链已经成为一个备受关注的话题。

你可能已经听过区块链这个词汇,但你真正了解区块链吗?如果你是一个刚接触区块链的新手,你可能对它区块链的概念和运作方式感到困惑。不用担心,本文将带你快速搞懂区块链的必备知识,我们将从介绍区块链的定义开始,探讨区块链的由来、特性和运作方式,并深入研究区块链的分层结构和不同类型。最后,我们还将探讨区块链在各种产业中的应用。

区块链往往被认为复杂难懂,这篇文章会以不触碰到太艰深技术层面的前提下,简单快速地帮助大家了解区块链的一切,过程中也会谈到比特币(Bitcoin),让我们一起了解吧!

区块链是什么?

❛ 一个比喻:透明箱子连在一起 ❜

区块链(Blockchain)一言蔽之,是一种纪录资料的创新技术。

之所以叫做区块链,是因为这些记录下来的资料会被放在一个一个区块(block)里面,每个区块之间又有链子(chain)连结,如下图一般。

让我们把区块链拆成「区块」跟「链」两部分做解释,你会比较好理解:

「区块」就好比是透明的保险箱,被记录下来的资料会被放在里面,公开透明,任何人都可以自由查看,却无法随意篡改,这是因为保险箱被用了密码学的方式保护了起来。

「链」则是扮演着承上启下的作用,让任何人在读取资料时能够靠着区块顺序了解写入资料的时间排序。

在区块链中,帮忙验证区块上的资料和建构区块链的人,我们就叫做「矿工」(miner)或是「节点」(node)。

区块链的由来

2008 年,一个化名为中本聪(Satoshi Nakamoto)的人,发表了一篇 9 页的白皮书,主要内容是说他利用了密码学,发明一种「点对点」(Peer-to-Peer)的「去中心化」(decentralization)电子货币系统,叫做比特币(Bitcoin)电子货币系统,而支持着这套系统运行的关键,就是区块链技术。

不过,中本聪当年这篇论文,并没有提到区块链(blockchain)字眼,那是后人在定调比特币(Bitcoin)是如何实现这套电子货币系统的运作,所归结出来的一种技术。我们可以说:

实现比特币电子货币系统的技术叫做区块链,比特币是区块链的第一个,也是最有名的应用方式。

区块链六大特性

≣ 去中心化(Decentralized)

在现今的货币系统中,银行常常扮演着交易过程的「中间人」并控制着所有交易纪录,也就是说,这是一个以银行为「中心」的货币系统。例如A想在在线转帐 100 美元给B,那么A得透过银行这位中间人并且信任它会完成这笔交易,而所有的交易纪录也保存在银行里。

而区块链技术让转帐不再需要信任基础就能完成,透过「点对点」与「去中心化」架构,完全去除了中间人的角色,改由区块链上的矿工(节点)们来验证与保存交易纪录,同时利用密码学的技术保证交易的真实性。

比特币——或者说区块链技术——所带来的革命思想,是建立一种新型态的货币系统,使人与人之间的资金转移不再依赖于中介,金流变得更自由。透过区块链技术,人们能够创造一个不需建立在信任基础上运作的世界。

≣ 不可篡改性(immutable)

引用《区块链社会学》的叙述,区块链就像布拉格的「蓝侬墙」(Lennon Wall),任何人都可以你一言我一语地写上字句,漆上图画,记录事件,表达想法。比蓝侬墙更好用的是,区块链上的纪录即使被新的盖过,旧纪录以及修改过程依然存在。这正是区块链的特质之一:不可篡改性。

值得注意的是,区块链的纪录并非完全不能被「修改」,而是不能「随意篡改」,意思是说区块链纪录被修改的话一定会留下纪录,而且没有任何一个人、一间机构、一个政权可以单方面决定是否要修改。要修改必须经过一套投票共识机制,需超过半数以上的区块链用户投票同意才能进行修改。

≣ 公开透明(Transparent)

区块链的特点之一是公开透明,所有的交易数据都被公开记录在区块链上,这意味着任何人都可以查看和验证区块链上的交易。

用户可以透过「区块链浏览器」(例如:TronScan、EtherScan)来查看这些资料。区块链浏览器是一种软件工具,通常以网页形式提供,让用户方便地检索区块链上的信息。

≣ 匿名性(Anonymous)

虽然区块链是公开透明的,但参与者可以使用密码学技术保护其身份和隐私。参与者使用一组由英文字母和数字随机组成的代码作为名称,只要不透露这个代码给别人,别人就无法得知参与者背后的真实身份,保持了身份的匿名性。

≣ 共识机制(Consensus)

区块链就象是一个高度民主化的小型社会,要想让它正常运作,我们就必须设立一套运行规则让所有参与区块链的矿工们遵守,以此保证区块链系统的公平与一致性,这就是「共识机制」。

目前最广泛的共识机制有比特币采用的工作量证明(Proof of Work, PoW),或是以太坊采用的权益证明(Proof of Stake, PoS),我们会在之后的文章仔细分析两者的不同。

≣ 无国界

无论其国籍、种族、性别、年龄、阶级、财富或政治立场,公有区块链无需许可也无远弗届,允许所有人加入。每个人都享有区块链应用的平等权利,没有人被排除在外。这是一个开放的网络,所有用户都可以参与区块链来验证交易和数据的共识过程。

2022 年 10 月,知名饶舌歌手 Kayne West 因争议性言论,被金融巨头摩根大通关闭银行账户⋯⋯后来他戴着中本聪的帽子现身,似乎暗示着他将拥抱比特币、一视同仁的区块链世界。区块链只按事实和规则行事,没有立场,为所有人敞开大门。

银行为华尔街服务,区块链为所有人服务。

区块链是怎么运作的?

区块链技术发展至今,已经有上百条区块链被创造出来,每条都有自己的特色与优缺点。这边让我们使用中本聪创造的「比特币区块链」作为例子,带着大家一步一步了解区块链的基础运作模式吧!

假设今天 A 想要支付 10 个比特币给 B:

当 A 发起交易,这段交易纪录将自动被广播到区块链上,通知「A 付了 10 个比特币给 B」让比特币区块链的矿工们知道。这时,矿工们就会透过数位签章(Digital Signature)来验证这段交易的真实性。如果验证成功,该交易记录就会被写入矿工们的帐本里。

尽管每个矿工都在进行记帐,但只有一位矿工能够将这些交易记录打包整理并连接到比特币区块链中的下一个区块。大家利用各自的计算机资源竞争完成一道数学问题的速度,第一个计算完成的人将有权利编写下一个新区块,同时获得一定数量的比特币作为报酬。这套共识算法被称为工作量证明(Proof-of-Work,PoW)机制。

以上就是简化版的区块链运作模式。在此,我们整理出一些你可能会产生的疑问,并用简答方式回应:

≣ 比特币矿工是什么?为什么要有矿工?

比特币矿工是负责记录比特币区块链上交易的一群人。为了实现「去中心化」的电子货币系统,必须由一群互不认识的陌生人,来负责记帐、维护这个系统。

≣ 矿工们为什么愿意记帐?

因为可以赚钱!矿工记帐可以获得比特币做为「记帐奖励」,中本聪在比特币白皮书中提出的做法,就是透过「奖励诱因」激励矿工们贡献他们的计算机资源来维护区块链的运作。

≣ 如何决定哪ㄧ个矿工可以获得比特币奖励?

由「PoW 共识机制」来决定。多个矿工竞争解答一个数学问题,第一个成功解答的矿工将获得打包下一个新区块的权利以及获得相应的比特币奖励,这就是「工作量证明」共识机制。

≣ 为什么交易纪录要被广播到区块链上?

基于区块链「公开透明」的特性,将交易纪录公开让所有人都可以看到、查询。

≣ 矿工们是如何验证交易纪录?

透过「数位签章」技术。意思是说将电子文件以数学算法或其他方式运算,成为一定长度之数位资料,然后再由签署人的私钥对其加密,形成电子签章,且可以用公钥来做验证。

≣ 如何防止区块链纪录被篡改?

基于「最长链原则」。在区块链中,如果有多个矿工同时挖出区块,其他矿工们会选择加入最长的区块链,也就是有更多区块连接的链子作为主链。

因为每个矿工都是记帐者,这意味着即使一个人的帐本被篡改,仍然有众多其他矿工的帐本存在。要篡改整个区块链,需要拥有强大的计算能力和设备,以击败全世界超过半数的矿工,这是相当困难的一件事。

以上这些进阶观念,我们会在 比特币是什么 这篇文章中深入探讨。让我们先继续导览区块链的其它概念,区块链的分层结构、分类、迭代与应用。

区块链分层结构

≣ 六层结构

区块链采用「分层」的设计,每一层都扮演一个模块(block)的角色,提供再往上一层所需的功能和服务。这种模块化(modular)设计使得系统的维护、测试和扩展更加容易。

数据层(Data Layer)

作为区块链的最底层,数据层承担着储存、加密和验证底层资料的重要任务。这些底层资料可以是交易纪录、公私钥、时间戳记等信息,它们以链式结构的形式被封装起来,使得数据能够按照一定的顺序和规则进行连接和验证,形成一个不断增长的区块链。

网络层(Network Layer)

区块链中所有的节点构成一个庞大的分散式点对点(P2P)网络,网络层负责节点之间的互动机制。

共识层(Consensus Layer)

共识层确立了记帐的责任和方式,建立了区块链节点之间达成共识的规则(例如 PoW、PoS、DPoS),决定谁是下一个区块的生成者,验证交易的合法性、维持数据的一致性。

激励层(Actuator Layer)

区块链的奖励机制,让节点透过维护网络来争取记帐权。主要出现在公有链。

合约层(Contract Layer)

合约层是区块链的可程序设计基础,它封装了各种指令码、算法和智能合约,使特定事件能够在区块链上自动执行。

应用层(Application Layer)

应用层是区块链技术的最上层,涵盖了各种区块链的应用场景和案例。

而这六层又分别和我们常听到的 Layer 0、Layer 1、 Layer 2、Layer 3、Layer 4 有什么样的对应关系呢?请参考下面这张图片的说明:

≣ Layer 0~4

Layer 0

实现不同链之间数据通信、交互。

Layer 0 是地基,是开发人员的基础设施,重点在于跨链通信和模块化区块链。

举例来说,Cosmos 的目标是成为区块链的网络。它提供了一套「发链」的工具,使每个社区都能基于 Cosmos 的系统与规则,轻松建立一条自己的 L1 区块链。这些独立的区块链之间可以进行「跨链」数据通信和交互,实现了「多链」之间的互动。

Layer 1

在一条链上包办验证、共识和交易。

Layer 1 是指单体区块链,即一条链承担了数据验证、共识和交易执行的功能。

例如比特币和以太坊都属于 L1 区块链。不同的 L1 区块链无法直接实现数据和信息的交互,因为每条 L1 区块链都拥有独立的规则和运作方式,它们之间可能存在冲突。

顺带一提,L1 区块链可以单独存在,不一定需要 L0 的支援才能运行。

Layer 2

链下扩容解决方案,提高可扩展性和交易速度。

Layer 2,也称为链下扩容,是建立在主要网络(Layer 1)之外的解决方案,旨在提高可扩展性并改善交易速度等问题。

随着区块链应用的普及,L1 区块链可能会面临交易拥塞和高手续费的问题。于是基于原本的 L1 系统规则,L2 区块链透过将一部分交易或数据移至链下操作,有效提高了交易效率和吞吐量,同时减轻了主网的负担。

一些实际的 L2 案例包括 Polygon(前身为 Matic Network)。Polygon 是一个建立在以太坊 L1 上的 L2 解决方案,它通过使用侧链(SideChains)技术来提高交易速度和可扩展性,并且能够实现快速和低成本的交易。

另一个例子是闪电网络(Lightning Network),它是比特币的 L2 解决方案。闪电网络通过建立离链的支付通道,实现了实时的、低成本的比特币交易,同时提高了比特币网络的交易量。

Layer 3

透过智能合约实现的 Web 3 应用早期阶段,是涵盖比较广泛的大方向。

从 Layer 3 开始,我们进入了区块链的应用层,这里主要面向的是一般用户而非开发者。

L3 是建立在 L1 或 L2 的基础之上的,如果将 L1 和 L2 比喻为 Android/iOS 手机作业系统,那么 L3 就相当于在该系统上的实际用途,例如在手机上读文章、听音乐、玩游戏、追剧等等,是涵盖比较广泛的应用方向。

L3 是 Web 3 应用早期阶段,涵盖了整个区块链赛道,包括 DEX、DeFi、DAO、NFT 等多元服务,这些服务都是透过智能合约实现的。

Layer 4

专注于单一产品 Web3 友好的互动界面和工具。

有别于 Layer 3 是涵盖比较广泛的应用方向,Layer 4 则是专注于单一产品使用者界面(interfaces)的开发,例如当我们在手机上讨论「追剧」这个应用时,使用不同 App(例如 Netflix、Disney+、HBO GO 等)所带来的感受也不同。

为了让区块链技术走进人们的日常生活,友好的使用者界面至关重要。这样人们就能更专注于他们想要完成的事情,而不需要担心技术操作的复杂性。就像 iPhone 的使用者在发送简讯时,只需要知道如何操作即可,并不需要思考背后的技术原理。

一些项目如 MetaMask 和 Brave Browser 正在致力于在 Layer 4 上进行开发,我们期待 Layer 4 的进步将真正开启物联网或元宇宙的潜力。

区块链的三大类型

根据区块链的使用场景,我们可以将其分为三大类型,分别是公有链、私有链及联盟链。公有链通常是去中心化的,开放给所有人参与。而私有链和联盟链是中心化或由少数人拥有控制权。

≣ 公链(Public Blockchain)

公链就是「公有区块链」的简称,一般来说,加密货币市场在讨论的区块链,例如比特币区块链、以太坊区块链,都包含在这个类别里面。

公链拥有两大特色,第一个特色是无需许可(Permissionless),意味着任何人都有权使用或维护该区块链,成为公链的「用户」或「矿工/节点」,并不需要经过筛选,更不需要任何实名认证;另一个特色则是「去中心化」,透过建立社群投票、分散节点等方式,尽可能让该链的发展民主化,并保证没有任何一个人拥有公链的完全控制权。

公链作为最符合 Web3 精神——即去中心化——的区块链,其负责维护及验证的矿工/节点越多,越能保护公链免受数据泄露、黑客攻击或其他网络安全问题的影响。换言之,当去中心化程度越高,公链安全性就越高,象是比特币(Bitcoin)区块链就拥有超过 14,000 个节点**。

由于负责区块链维护的矿工/节点在营运时会需要集合共识才能进行,**因此公链运作较没有效率。**此外,由于公链信息公开透明,所有用户皆可以查看,因此只要区块链地址和身份被绑定,其余人就能透过区块链工具查阅该身份的资产与交易纪录,令该用户丧失隐私权。

此外,市面上比较著名的公链有:BNB Chain(BNB)、Cardano(ADA)、Polkadot(DOT)以及 Solana(SOL) 等,值得大家一一探索。

≣ 私有链(Private Blockchain)

当区块链技术朝着「去中心化」发展,就诞生了公链;当区块链技术朝着「中心化」发展,就诞生了私有链。

私有链是在封闭网络中运行的区块链,换言之,私有链并不是所有人都有权参与,必须取得特定的访问权才能使用。私有链的另一大特色在于,节点营运是中心化的。由于只有少部分人有权使用私有链,其节点验证通常只由单一团体运作。

由于私有链只有特定人士可以参与,其区块信息只对内部透明,保障机密信息不外流。另外因节点只掌握在特定少数人手中,用户能以极低的费用进行资料传输,甚至不需要任何传输费用。同时,因验证者数量减少,意味着私有链的传输速度更快。

听起来私有链相较于公链占尽优势,实则不然。

私有链中心化的特性,使掌握验证节点的企业独揽大权,甚至有权篡改区块,安全性也仅依靠该企业来维持,故私有链的公信力未必高于公链。也就是说,私有链与公链所倡导的民主、权力分散并无关联,它只专注于提供给外部企业独立第三方的区块链解决方案。

目前医疗区块链项目 KitChain,其使用私有链来追踪医疗用品的供应链,在不对外公开的前提下,允许其用户查看这些用品的来源、输送过程以及分发。近期多国政府正积极探索的「央行数位货币(CBDC)」,虽可能使用区块链技术来运作,不过大多都会使用私有链的方式来完成,以便政府监督。

≣ 联盟链(Consortium Blockchain)

公链是去中心化的;私有链是中心化的。当一条区块链去中心化程度在这两者之间,就是所谓的联盟链。

联盟链和私有链一样不向大众开放,限制访问权的同时,保护机密信息不外流。其与私有链的差异在于,联盟链通常是由多个企业/组织共同营运,而不是由单一企业独揽大权。联盟链综合了公链及私有链的优势,也就是保护机密信息、传输速度快且低廉,又同时是由多家组织/企业一同维护,非多数团体无法任意篡改区块链数据,所以联盟链成为了多数传统企业的区块链解决方案。

联盟链最大的特色在于「权力制衡」,当多家组织/企业一同维护时,所有参与者都可以验证内部传输的信息,并因为单一团体无法任意篡改区块链数据,联盟链能够确保权力是相互制衡的,为彼此打造值得信任的环境。

知名的联盟链包含了由法国巴黎银行、汇丰银行等 12 家金融巨头所联合的 Voltron 项目;由科技巨头 IBM 联合 8 家大型银行所创立的 We.trade 项目等,无一不是传统企业中的佼佼者所领军创建。

目前联盟链的应用场景大多仅限于企业,与面向大众、民主创新的公链有所不同,虽在币圈讨论度较低,但仍值得关注其商业价值。

转自:BTC交易员

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