邱智

摘 要：區(qū)塊鏈被稱為是一種“構(gòu)建信任”的技術(shù)。本文以銀行系統(tǒng)為例，講述了去中心化的含義，并解釋了哈希算法以及數(shù)字簽名的技術(shù)原理，以及其在區(qū)塊鏈中的具體作用，使讀者能進(jìn)一步了解區(qū)塊鏈?zhǔn)侨绾卧谝粋€(gè)不可信的環(huán)境下，使眾多的平等參與者能夠達(dá)成可信的共識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)去中心化。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;去中心化;技術(shù)基礎(chǔ)

近年來(lái)，隨著比特幣行情的火爆，區(qū)塊鏈作為一個(gè)新興的技術(shù)名詞，也逐漸地地為人們所知。但是對(duì)多數(shù)普通民眾而言，到底什么是區(qū)塊鏈并不是太清楚，認(rèn)為比特幣就是區(qū)塊鏈。其實(shí)區(qū)塊鏈技術(shù)最有價(jià)值之處就是提供了一種去中心化的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，甚至可以說(shuō)是去中心化成就了區(qū)塊鏈。本文嘗試運(yùn)用相關(guān)的知識(shí)，解釋一下區(qū)塊鏈和去中心化的含義，以及區(qū)塊鏈?zhǔn)侨绾螌?shí)現(xiàn)去中心化的。

一、什么是區(qū)塊鏈

2008年10月31日，一個(gè)署名為中本聰（Satoshi Nakamoto）的人在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)表了一篇名為《Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System》（比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)）的論文，文章描述了一種完全脫離各國(guó)中央銀行的電子貨幣系統(tǒng)——比特幣。而作為比特幣的底層技術(shù)支撐，區(qū)塊鏈（Blockchain）也隨之進(jìn)入了人們的視野。區(qū)塊鏈從字面看，區(qū)塊（Block），就是包含有數(shù)據(jù)記錄的模塊，而所謂的鏈（Chain），就是把這些數(shù)據(jù)模塊串聯(lián)在一起的某種邏輯關(guān)系。

如果拋開(kāi)這些晦澀難懂的計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ)，我們可以把區(qū)塊鏈技術(shù)通俗地理解為一種數(shù)據(jù)記錄方式。當(dāng)今信息社會(huì)，我們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在與數(shù)據(jù)打交道，我們的銀行存款、房產(chǎn)信息、個(gè)人信用記錄、微信、支付寶……等等，所有的這些數(shù)據(jù)都記錄在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，你可以把數(shù)據(jù)庫(kù)看成是一個(gè)大賬本，那么由誰(shuí)來(lái)記錄并管理這個(gè)賬本就變得非常重要。目前的情況是系統(tǒng)是誰(shuí)的就由誰(shuí)來(lái)管理記賬，銀行存款由相應(yīng)的銀行負(fù)責(zé)記賬，房產(chǎn)信息由房地局負(fù)責(zé)記賬，微信由騰訊記賬，支付寶由阿里記賬……等等，我們?cè)缫蚜?xí)以為常了。這些記賬方式都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即都有一個(gè)中心機(jī)構(gòu)如政府部門(mén)、銀行或企業(yè)負(fù)責(zé)記賬管理，我們稱這種方式為中心化的記賬方式。而區(qū)塊鏈其實(shí)就是一種去中心化的分布式記賬系統(tǒng)。

二、什么是去中心化

那么什么是去中心化呢？所謂的去中心化是相對(duì)于傳統(tǒng)的中心化而言的。自從人類有了文字記錄以來(lái)，我們?cè)缫呀?jīng)習(xí)慣于由專門(mén)的人或機(jī)構(gòu)記錄信息，這就形成了信息記錄的中心化。

拿銀行存款和轉(zhuǎn)賬為例，通常的流程是：

你到銀行存款100元→銀行收款100元→銀行在你的賬戶中增加100元→存款完成。

張三到銀行提出向李四轉(zhuǎn)賬100元→銀行在張三的賬戶中減去100元→銀行在李四賬戶中增加100元→轉(zhuǎn)賬完成。

在這個(gè)交易過(guò)程中我們可以看到，銀行就是交易雙方共同選擇的可信任機(jī)構(gòu)，我們所有的交易流程都要通過(guò)銀行這樣的一個(gè)信息中心進(jìn)行記錄和管理，所有的賬目交易信息都存儲(chǔ)在銀行，銀行就成為了交易中心，也就構(gòu)成了一個(gè)以銀行為核心的中心化記賬系統(tǒng)。

中心化記賬有很多好處，但也有很明顯的缺陷：如果記賬中心出現(xiàn)問(wèn)題，例如銀行的信息系統(tǒng)被黑客攻擊或者系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)被篡改或損壞，就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的出現(xiàn)危機(jī)甚至崩潰。雖然銀行的數(shù)據(jù)系統(tǒng)一般都有非常完備的安全措施，但也不可能保證百分之百的安全可靠。

另外，由于這種中心化的記賬方式的賬本是唯一的，它的運(yùn)行是建立在記賬中心（比如銀行）的可信賴基礎(chǔ)之上，如果這個(gè)記賬中心自身信用出現(xiàn)問(wèn)題，比如銀行內(nèi)部人員篡改數(shù)據(jù)，甚至銀行由于經(jīng)營(yíng)不善發(fā)生破產(chǎn)倒閉，那么廣大儲(chǔ)戶的多年積蓄也可能毀于一旦，中外歷史上已經(jīng)多次發(fā)生過(guò)這種事件。雖然現(xiàn)在有存款保險(xiǎn)基金和銀保監(jiān)會(huì)等監(jiān)管機(jī)構(gòu)和制度能對(duì)這種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)管和防范，但同樣不能保證百分之百的安全可靠。所以，這種中心化記賬方式對(duì)記賬中心本身的可靠性、相應(yīng)的監(jiān)管制度都有著很高的要求。

針對(duì)中心化記賬的缺陷，人們又提出了另一種解決方案，即去中心化的記賬系統(tǒng)，可望很好地解決這個(gè)問(wèn)題。所謂去中心化就是就是系統(tǒng)舍去記賬中心，系統(tǒng)中沒(méi)有一個(gè)固定記賬中心進(jìn)行統(tǒng)一的記賬，而是由系統(tǒng)中的全體參與者共同記賬。

還是以銀行為例，一個(gè)去中心化銀行系統(tǒng)是由全體儲(chǔ)戶共同創(chuàng)辦的，資金的存貸賬本在全體儲(chǔ)戶手中都有一份，每個(gè)儲(chǔ)戶都參與存貸資金的記賬。

還是拿銀行轉(zhuǎn)賬為例，在一個(gè)去中心化的銀行系統(tǒng)的轉(zhuǎn)賬流程是：

張三向銀行提出轉(zhuǎn)賬100元給李四→銀行在張三的賬戶中減掉100元→銀行在李四的賬戶中增加100元→銀行向全體用戶公告：（張三向李四轉(zhuǎn)賬100元）→所有用戶都在自己的賬本中記錄：張三向李四轉(zhuǎn)賬100元。→轉(zhuǎn)賬完成。

由于賬目是由全體用戶自己記錄，并且賬本在全體用戶手中人手一份，這樣就不存在記賬中心人員徇私舞弊的情況，同時(shí)也規(guī)避了記賬中心崩潰和倒閉風(fēng)險(xiǎn)，這就是去中心化的意義所在。

三、區(qū)塊鏈如何實(shí)現(xiàn)去中心化

在傳統(tǒng)的中心化的記賬系統(tǒng)中，交易的可信度是由記賬中心（如銀行）的權(quán)威性所背書(shū)的，一般沒(méi)有人會(huì)質(zhì)疑銀行出具的資產(chǎn)證明的可靠性，也沒(méi)有人會(huì)懷疑銀行出具的交易記錄的真實(shí)性。但是在一個(gè)去中心化的計(jì)算系統(tǒng)中，沒(méi)有一個(gè)這樣的權(quán)威的記賬中心，那么眾多互不相識(shí)的參與者該如何達(dá)成互相信任并產(chǎn)生一個(gè)獲得一致信任的賬本呢？

區(qū)塊鏈主要使用了哈希算法和數(shù)字簽名這兩種傳統(tǒng)密碼學(xué)的技術(shù)，使得在一個(gè)不可信的環(huán)境中的眾多平等參與者達(dá)成了可信任的共識(shí)。

1.哈希算法（Hash）

哈希也被稱為“散列”，是指對(duì)任意大小的輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)某種算法產(chǎn)生一個(gè)固定長(zhǎng)度的輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程。哈希算法的輸入數(shù)據(jù)可以是任意類型，可以一個(gè)word文檔，也可以是一個(gè)MP3音樂(lè)，甚至是整部高清電影，都可以根據(jù)需要選擇合適的哈希算法（如：MD5），對(duì)其進(jìn)行變換，然后輸出一個(gè)固定長(zhǎng)度的值。例如MD5算法會(huì)輸出一個(gè)128位的字符串。

哈希算法并不是簡(jiǎn)單的在輸入數(shù)據(jù)中截取一段固定長(zhǎng)度的值，而是將輸入數(shù)據(jù)壓縮到某一固定長(zhǎng)度的摘要的算法?，F(xiàn)在常用的哈希算法有很多，例如MD5、SHA1、SHA2等，但任何哈希算法都應(yīng)該具備以下特征：

正向便捷：對(duì)于任意給定的原數(shù)據(jù)X，可以較容易的算出哈希值Y。

逆向困難：很難通過(guò)哈希值Y反推出原數(shù)據(jù)X。

輸入敏感：原數(shù)據(jù)X的微小變化會(huì)使得哈希值Y產(chǎn)生很大的變化。

避免碰撞：很難找到兩個(gè)不同的原數(shù)據(jù)M和N，使得哈希值Hash（M）=Hash（N）。

哈希算法看起來(lái)很復(fù)雜，它到底有什么用呢？其實(shí)，正由于哈希算法具備的以上四個(gè)特點(diǎn)，哈希算法常用于校驗(yàn)文件的真實(shí)性，也就是說(shuō)我們可以使用哈希算法來(lái)驗(yàn)證我們收到的文件是否被非法篡改。例如，在一個(gè)去中心化的銀行系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)所有用戶發(fā)布了一個(gè)新記錄的帳本，并公布了該賬本的哈希值，則每個(gè)下載這新賬本的用戶都可以通過(guò)計(jì)算下載賬本文件的哈希值，并用它與系統(tǒng)公告的哈希值進(jìn)行比對(duì)，如果兩個(gè)值不相同，用戶便可以知道該賬本文件已經(jīng)被篡改，從而保證了每個(gè)用戶都能得到一個(gè)完全一致的賬本。

2.數(shù)字簽名（Digital Signature）

哈希算法解決了用戶賬本的一致性的問(wèn)題，那么對(duì)于賬本中的記載的交易記錄來(lái)說(shuō)，如何確保它是真實(shí)有效性的呢？在傳統(tǒng)的中心化的銀行系統(tǒng)中，用戶通過(guò)到銀行柜臺(tái)或在支票上簽名來(lái)確認(rèn)交易的有效性。真實(shí)的簽名其實(shí)有兩方面的作用：其一，確認(rèn)文件上的內(nèi)容是經(jīng)過(guò)我本人認(rèn)可的，即防冒充;其二，我也不能否認(rèn)文件的內(nèi)容經(jīng)過(guò)了我的認(rèn)可，即防抵賴。

手寫(xiě)簽名之所以能起到防假冒和防抵賴的作用，是因?yàn)槲覀兠總€(gè)人的簽名都包含了自己的書(shū)寫(xiě)特征，別人很難模仿。因此，親筆簽名在古今中外的日常生活中被廣泛接受，比如簽署法律文書(shū)、合同等等。但是手寫(xiě)簽名也有所不足，比如，簽名和文件的內(nèi)容沒(méi)有強(qiáng)相關(guān)性，可能簽名是真的，但文件的內(nèi)容卻經(jīng)過(guò)了篡改。另外，簽名通常只有為數(shù)不多的幾個(gè)字符，一般人很難辨別其真實(shí)性。有時(shí)候，即便是不同的筆跡專家也往往會(huì)得出不同的結(jié)論。

在一個(gè)去中心化的系統(tǒng)中，顯然需要一種更好的方式實(shí)現(xiàn)簽名的功能。因此區(qū)塊鏈選擇了數(shù)字簽名技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。數(shù)字簽名與真實(shí)簽名一樣，也是一種驗(yàn)證身份的方式，不同之處在于數(shù)字簽名應(yīng)用了密碼學(xué)原理，比手寫(xiě)簽名更加安全可靠，并且更加便于驗(yàn)證真?zhèn)巍?/p>

數(shù)字簽名是如何實(shí)現(xiàn)防止冒充和防止抵賴兩個(gè)功能的呢？答案就是非對(duì)稱加密算法，常用的有RSA，DSA等。在非對(duì)稱加密系統(tǒng)中，我們使用某種算法（如RSA）可生成兩把具有特定數(shù)學(xué)關(guān)系的密鑰，一把對(duì)外公開(kāi)，我們稱其為公鑰;一把對(duì)外保密，我們稱其為私鑰。通過(guò)公鑰加密的信息，只能用私鑰加以解密，通過(guò)私鑰加密的信息，也只能通過(guò)公鑰加以解密。

如果用戶用自己的私鑰對(duì)交易內(nèi)容進(jìn)行加密，將得到一段密文，其他人只能用該用戶公布的公鑰對(duì)這段密文進(jìn)行解密，才能看到交易的內(nèi)容。因?yàn)樗借€是唯一的，并且只有該用戶自己知道，其他人是無(wú)法生成一個(gè)能用其公鑰解密的交易信息的，這樣就實(shí)現(xiàn)了不可假冒。同時(shí)，由于每個(gè)人都知道該用戶的公鑰，能用該用戶的公鑰解密得到的交易內(nèi)容，必然是用該用戶的私鑰加密的，而私鑰是唯一只有該用戶自己知道，因此該用戶也無(wú)法對(duì)交易內(nèi)容進(jìn)行抵賴。這樣就保證了賬本中交易記錄的真實(shí)有效性，我們把這個(gè)技術(shù)稱為數(shù)字簽名。

在一個(gè)去中心化的銀行系統(tǒng)中，我們并不需要對(duì)原始交易記錄進(jìn)行保密，并且有時(shí)候原始數(shù)據(jù)比較大，全部用RSA算法進(jìn)行加密會(huì)影響效率，所以我們一般使用哈希算法得到原始數(shù)據(jù)的哈希值，然后用私鑰對(duì)該哈希值進(jìn)行簽名，這樣既保證了該交易數(shù)據(jù)不可篡改，又同時(shí)保證了該交易的不可假冒和不可抵賴。

3.哈希指針（Hash Pointer）

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里，指針是一個(gè)指向目標(biāo)數(shù)據(jù)位置的地址，而哈希指針不僅是指向目標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置的地址，而且還包含了該目標(biāo)數(shù)據(jù)的哈希值。區(qū)塊鏈正是應(yīng)用了哈希指針，使每一個(gè)新生成的區(qū)塊都包含了上一個(gè)區(qū)塊數(shù)據(jù)的哈希值，從而把一個(gè)個(gè)分散的數(shù)據(jù)塊鏈接成了一串“珍珠鏈”。

通過(guò)前面講的哈希算法的作用，我們就可以知道，任何人都可以從最新的區(qū)塊向上追溯整個(gè)鏈條上的區(qū)塊，并且通過(guò)校驗(yàn)哈希值確定區(qū)塊中的數(shù)據(jù)是否被篡改。除非有人能掌握全系統(tǒng)51%以上的節(jié)點(diǎn)（這在通常的情況下是幾乎不可能做到），否則區(qū)塊鏈上的所有區(qū)塊一旦生成就不可更改，從而在沒(méi)有一個(gè)權(quán)威記賬中心的情況下，得到了一個(gè)不可篡改、不可假冒、不可抵賴、可被全體參與者廣泛信任的去中心化記賬系統(tǒng)。

綜上所述，哈希算法為區(qū)塊鏈上的每位參與者提供一種就當(dāng)前記錄狀態(tài)達(dá)成一致的方法，而數(shù)字簽名則為系統(tǒng)中記錄的每筆交易提供了一種確保其真實(shí)有效的手段，區(qū)塊鏈依靠這兩個(gè)技術(shù)來(lái)確保系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)不能被輕易破壞，從而在一個(gè)不可信的環(huán)境下，使眾多的平等參與者達(dá)成了可信的共識(shí)，實(shí)現(xiàn)了去中心化。

參考文獻(xiàn)：

[1]中本聰.比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)，2008-10-31

[2]項(xiàng)銀濤.區(qū)塊鏈技術(shù)及其在金融領(lǐng)域的應(yīng)用前景分析[N].上海證券報(bào)，2018-06-06

[3]李奕杭.基于區(qū)塊鏈的數(shù)字簽名系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京交通大學(xué)，2018

[4]本刊編輯部.區(qū)塊鏈剖析：基本結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵機(jī)制與核心性質(zhì)[J].中國(guó)總會(huì)計(jì)師，2019（11）