區塊鏈1.0 從比特幣看區塊鏈
1．區塊鏈是什么
——源自比特幣的底層技術
區塊鏈，可能是當下最有前景又充滿分歧的技術與經濟趨勢。它給數字世界帶來了“價值表示”和“價值轉移”兩項全新的基礎功能。其潛力正在顯現出來，但當下它又處于朦朧與野蠻生長的階段。
對比互聯網的發展史，現在的區塊鏈可能相當于1994年的互聯網，即互聯網剛剛進入大眾視野的時期，那也是第一波互聯網革命萌芽的時期。谷歌、亞馬遜、Facebook、騰訊、阿里巴巴、優步、滴滴，甚至現在市值超萬億的蘋果都得益于那一時刻。
現在區塊鏈技術可能帶來互聯網的二次革命，把互聯網從“信息互聯網”帶向“價值互聯網”。在區塊鏈的對照之下，人們發現，最初被形象地稱為“信息高速公路”的互聯網處理的是“信息”，而區塊鏈能處理的是“價值”。
變革即將發生，未來已來。我們又一次處于革命的起點——價值互聯網的變革，而要理解價值互聯網的未來，我們先要搞明白區塊鏈技術是什么。
讓我們回到10年前，從中本聰（Satoshi Nakamoto）發明比特幣的那一刻說起。
比特幣的創世時刻
2009年1月3日，在位于芬蘭赫爾辛基的服務器上，至今匿名的神秘技術極客中本聰生成了第一個比特幣區塊，即所謂的比特幣創世區塊（genesis block）。
在創世區塊的備注中，中本聰寫入了當天英國《泰晤士報》的頭版頭條標題：
“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks”
“《泰晤士報》,2009年1月3日，財政大臣站在第二次救助銀行的邊緣”
這樣做，他記錄了比特幣系統啟動和創世區塊生成的時刻，又借這句話表達了對當時全球金融體系的暗諷。2009年年初，全球金融體系剛經歷了2008年金融危機的沖擊，看起來搖搖欲墜。
在生成創世區塊時，按自己設定的規則，中本聰獲得了50個比特幣獎勵，這是最早的50個比特幣
。從創始區塊開始，在比特幣的賬本上每10分鐘就有新的數據區塊被增加上去，新的比特幣被憑空發行出來。比特幣的去中心網絡開始運轉，擴展到現在的由數萬個節點組成的全球網絡。
在比特幣的創世時刻，它的三個組成部分都出現了，即加密數字貨幣（cryptocurrency）、分布式賬本（distributed ledger）、去中心網絡（decentralized network）（見圖1-1）。
圖1-1 比特幣的三個組成部分
2008年10月31日，中本聰向一個密碼學郵件列表的所有成員發送了一個電子郵件，標題為“比特幣：點對點電子現金論文”〇一。他寫道：“我一直在研究一個新的電子現金系統，它完全是點對點的，無須任何的可信第三方。”比特幣的起源應遠早于這個日期，中本聰曾說，他從2007年5月就開始為比特幣項目編程。2008年8月，他注冊了bitcoin.org域名，這是現在比特幣項目的官方網址。
在郵件中，他附上了比特幣白皮書的鏈接，論文題為“比特幣：一個點對點電子現金系統”（Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System）。中本聰在2008年發表的這篇論文可能是互聯網發展史上最重要的論文之一，其他重要論文有利克里德寫的開啟互聯網前身阿帕網的“計算機作為一種通信設備”（1968年）、蒂姆·伯納斯-李寫的萬維網協議（WWW）建議書“信息管理：一個建議”（1989年）、谷歌聯合創始人謝爾蓋·布林與拉里·佩奇寫的搜索引擎論文（1998年）等。
可以合理地推測，中本聰不是一個學院派的研究型學者，他可能是一個做實際軟件工程開發的工程師，因為他不只設計了比特幣系統，還把它開發出來，讓它在互聯網上運行起來。他可能是先開發了軟件，才寫了上面提到的重量級論文，來解釋自己的設計。
2008年11月16日，中本聰公布了比特幣系統的源代碼。在發布白皮書、將軟件代碼開源后，在2009年1月3日這一區塊鏈的創世時刻，最終他在互聯網上上線了比特幣網絡。之后，中本聰和幾個開發者在網上一起討論想法，繼續開發迭代。隨著比特幣網絡的成熟，他的活動開始減少，比特幣系統逐漸進入自治運轉的狀態。最終，在發明比特幣系統3年后，自2011年11月后，中本聰永遠不再出現。他成了一個永遠匿名的傳奇，沒人知道他是誰，他只留下了自己的創造。
中本聰為什么創造比特幣
在創造比特幣的過程中，中本聰發明了區塊鏈技術，區塊鏈是源自比特幣的底層技術。那么，他為什么要創造比特幣？他想解決什么難題？
現在，比特幣常被稱為一種“加密數字貨幣”，人們常很關注其中的“貨幣”二字。其實，比特幣并不具備現在各國法定貨幣的特征，它只是一種數字形式的特殊商品。比特幣現在的市場價格和暴漲暴跌也影響著人們對它的看法，人們把它類比為黃金、郁金香等各種投資、投機標的。
但如果回到中本聰創造它的時刻，我們會看到，比特幣的出現是源于技術極客想解決的一個技術難題：“在數字世界中，如何創造一種具有現金特性的事物？”“比特幣：一個點對點電子現金系統”這個標題體現出了中本聰想解決的難題：他想創造在數字世界中可用的電子現金，它可以點對點也就是個人對個人交易，交易中不需要任何中介參與。
來對比看看。在物理世界中，一個人可以把現金紙幣給另一個人，不需要經過諸如銀行、支付機構、見證人等中介機構。
但由于數字文件是可復制的，復制出來的電子文件是一模一樣的，因而在數字世界中，我們不能簡單地用一個數字文件作為代表價值的事物。同時，我們在支付機構中有多少錢，并沒有像一張張鈔票一樣的數字文件可以代表，錢僅是中心化數據庫中的記錄。
在數字世界中，當一個人要把現金轉給另一個人時，必須要有中介機構的參與。比如，我們通過支付寶轉賬的過程是：支付寶在一個人的賬戶記錄里減掉一定金額，在另一個人的賬戶記錄中增加一定金額。
在數字世界中，如何創建一個無須中介或者說去中心化的數字現金，一直是一個難題。由于數字文件可以完美復制，如果沒有一個中心化數據庫做記錄，那如何避免一個人把一筆錢花兩次？
這就是所謂的雙重支付或雙花問題（double spending）。在比特幣出現之前，我們熟悉的主要電子現金系統（如PayPal、支付寶等）都是依靠中心化數據庫來避免雙花問題，這些可信第三方中介不可或缺（見圖1-2）。
圖1-2 比特幣是點對點的現金，無須任何中介
但在另一條道路即去中介或去中心化的電子現金這條路徑上，有很多技術極客一直在做著各種嘗試，只是一直未能獲得最終的成功。
到了2008年，中本聰借鑒和綜合前人的成果，特別是現在常被統稱為密碼朋克（cypherpunk）的群體的成果，改進之前各類中心化和去中心化的電子現金，加上自己的獨特創新，創造了比特幣這個點對點電子現金系統，在無須中介的情況下解決了雙花問題。（詳見17頁冷知識專欄“加密數字貨幣前傳：從大衛·喬姆到中本聰”。）
特別地，比特幣這個電子現金系統是同時去中介化和去中心化的：
● 個人與個人之間的電子現金無須可信第三方中介的介入，這是去中介化。
● 這個電子現金的貨幣發行也不需要一個中心化機構，而是由代碼與社區共識完成，這是去中心化。
要注意的是，這個“電子現金”中的現金指的并非貨幣，它只是在解決難題的過程中被借用來在數字世界中代表價值的說法。這樣說是為了便于理解，在現實中，最常見的代表價值的事物是現金。
最初，比特幣這個用以表示價值的電子現金并沒有價格。比特幣系統只是在邏輯上可行的系統，是解決了一個難題的技術玩具。2010年5月22日，在一個網絡論壇上，有一個程序員用1萬枚比特幣換了兩張棒約翰比薩的代金券，比特幣第一次有了一個公允價格：1萬枚比特幣價格為25美元。為了紀念這一天，每年的5月22日變成了區塊鏈世界的一個節日——比特幣比薩節。
此后，比特幣雖然從來都不是貨幣，但逐漸地有了價值與價格。比特幣的價格在自由市場交易中被確定，又持續、反復地大幅波動。但是，不管是從早期的1132美元跌掉一半，還是在2017年年底快速上漲到接近2萬美元，又在幾個月內跌到只有三分之一，比特幣系統和它底層的區塊鏈技術都保持穩定。
中本聰設計和編碼實現的比特幣電子現金系統至今已運轉近十年。比特幣系統已經從一個技術玩具變成一個運轉得近乎完美的系統，并且看起來還將長期穩定地運轉下去。
比特幣系統：發現區塊鏈
在物理世界中，現金是一張張紙幣，但其背后有著一整套與貨幣相關的金融體系：中央銀行、銀行、印鈔廠、信用卡組織，以及后來出現的第三方網絡支付機構等。
在數字世界中，想要創造一種去中介化、去中心化的“電子現金”，同樣要設計一套完整的系統。這一系統要能解決以下一系列問題：
● 這種“現金”如何公平、公正地發行出來，不被任何中心化的機構或個人控制？
● 如何實現像在物理世界中一樣，一個人可以直接把現金遞給另一個人，無須任何中介的協助？
● 這種電子現金如何“防偽”？在數字世界中，這個問題可轉換為，一筆電子現金如何不被花費兩次？
中本聰設計和開發了比特幣系統，完美地解決了這些問題。說起比特幣，人們常指的是比特幣這種做價值表示的電子現金。其實，作為電子現金的比特幣只是比特幣系統的表層，比特幣系統包括三層（見圖1-3）：
圖1-3 一張圖看清比特幣與區塊鏈
● 最上一層是比特幣這種電子現金。這是整個系統的應用層。
● 中間一層的功能是發行比特幣與處理用戶間的比特幣轉移。這一層也叫比特幣協議（bitcoin protocol），是整個系統的應用協議層。
● 最底層是比特幣的分布式賬本和去中心網絡。這一層也被稱為比特幣區塊鏈（bitcoin blockchain），是整個系統的通用協議層。
比特幣系統的三層命名（應用層、應用協議層、通用協議層）源自知名區塊鏈研究者梅蘭妮·斯萬，她也提出了被廣泛引述的一種階段劃分：區塊鏈1.0是貨幣、區塊鏈2.0是合約、區塊鏈3.0是應用。
比特幣系統實現的去中心化的點對點電子現金，其發行與轉賬靠的是中間的比特幣協議層。類比現實貨幣系統，這一層的角色相當于中央銀行（發行貨幣）與銀行（處理轉賬）等金融機構。
來深入看看名為“比特幣協議”的這一層。比特幣系統架構圖又常被進一步細分為五層（見圖1-4），它對應的是比特幣協議和比特幣區塊鏈兩個部分。在這個五層架構中，比特幣協議層被細分為：應用層、激勵層和共識層。
圖1-4 比特幣系統架構圖
在設計比特幣系統時，中本聰創造性地把計算機算力競爭和經濟激勵相結合，形成了工作量證明（proof-of-work, POW）共識機制，讓挖礦計算機節點在計算競爭中完成了貨幣發行和記賬功能，也完成了區塊鏈賬本和去中心網絡的運維。這就形成了一個完整的循環：礦機挖礦（算力競爭），完成去中心化記賬（運轉系統），獲得比特幣形式的經濟激勵（經濟獎勵）。
比特幣的工作量證明共識機制是承上啟下的一層，連接了上層應用與下層技術：在其上的層次為電子現金的發行、轉賬、防偽；在其下的層次，去中心網絡的節點達成一致，更新分布式賬本。
之后在討論區塊鏈的現在與未來時，我們會不斷地回到比特幣系統的設計上來，它是一個簡單又精妙的系統，融合技術和經濟因素，是區塊鏈所有創新的源頭。
區塊鏈的第一、第二個定義如圖1-5所示。
圖1-5 區塊鏈的定義之一、之二
「專題討論」說區塊鏈時，我們在說什么
比特幣系統包括三層：比特幣、比特幣協議、比特幣區塊鏈，即比特幣的分布式賬本與去中心網絡。那么，從比特幣系統來對照看，說區塊鏈時，我們說的可能是什么？區塊鏈這個說法包括四種可能性，所覆蓋的范圍逐步變大（見圖1-6）：
圖1-6 從比特幣系統看區塊鏈
● 可能性之一，區塊鏈指的是比特幣的數據結構，即由數據塊（block）連接形成的鏈（chain），這也被稱為“分布式賬本”。在比特幣白皮書中，中本聰分別提及了區塊和鏈，但后來它們才被組合成了區塊鏈（blockchain）這個新詞。
● 可能性之二，區塊鏈指的是比特幣的分布式賬本和去中心網絡的組合。對應于比特幣系統，它指的是整個第三層比特幣區塊鏈。
● 可能性之三，區塊鏈指的是比特幣系統的第二層（比特幣協議）和第三層（比特幣區塊鏈）的組合。它包括分布式賬本、去中心網絡和比特幣協議。
● 可能性之四，區塊鏈指的是整個比特幣系統，包括所有三層，既包括價值表示的比特幣，也包括了背后支撐的整個系統。從這個范圍看，是把區塊鏈看成一個既包括技術部分，又包括經濟部分的完整系統。
大眾在提及區塊鏈時，常指的是第四種最大的范圍，即“賬本+網絡+協議+貨幣”。在產業中，人們在提到區塊鏈時，通常指的是第三種范圍，即“賬本+網絡+協議”。而很多軟件開發者在說起區塊鏈時通常指的是第二種范圍“賬本+網絡”，即分布式賬本加去中心網絡。
現在，包括我在內的很多人都有一種看法是，將基于區塊鏈的價值表示物都稱為通證，并把比特幣等代幣（coin）視為通證的一個特定種類。通常而言，提及加密數字貨幣、通證、代幣時，我們指的都是基于區塊鏈的、在數字世界中進行價值表示的事物。如果采用“通證”說法，區塊鏈的最大范圍包括的則是“賬本+網絡+協議+通證”。
「冷知識」加密數字貨幣前傳：從大衛·喬姆到中本聰
加密數字貨幣有著非常漫長的歷史，這個冷知識專欄用幾個主要人物和他們的創造，來展示一個簡明的加密數字貨幣前傳。
一、1983年，大衛·喬姆（David Chaum）最早提出把加密技術用在數字現金上
在物理世界中，現金可以非常簡單，它需要的是防偽功能。現金是一張紙條，我可以在一張紙條上寫“拿到這張紙條的人可以找我領取一只羊”，然后簽上自己的名字。簽名就是防偽措施。我把紙條拿給你，紙條到你手中，我就沒有了。
在數字世界中，情況開始變得復雜：這張紙條和上面的簽名是一個數字文件，而電子文件可以被無數次地完美復制。把這個電子文件給你之后，我還可以再把這個電子文件給第三個人。這就是所謂的雙重支付（double spending）問題。
大衛·喬姆提出了一個創造性的方案，在數字世界里解決了這個難題。他的方法是采用這樣的邏輯：在一張紙條上，你選擇一個只有你知道的序列號，然后我在上面簽名。由于我不知道這個序列號，因此我沒法再復制一份這張紙條給另一個人。這就是密碼學上所謂的盲簽（blind signature）。這個思路形成了“第一個真正意義上的電子貨幣方案”。1989年，大衛·喬姆還創建了數字現金公司（DigiCash）來把自己的想法商業化，但未能被大規模接受。
這個方案的缺點是，它要運轉起來，就必須有一個所有參與者都信任的中心化服務器來進行這些“數字紙條”的驗證。
二、1997～1998年，亞當·貝克（Adam Back）與哈希現金（HashCash）、戴偉（Wei Dai）與B幣（B-Money）、尼克·薩博（Nick Szabo）與比特黃金（bit gold）、哈爾·芬尼（Hal Finney）與工作量證明（POW）
在比特幣白皮書中，中本聰引用了1997年亞當·貝克設計的哈希現金、1998年華裔密碼學家戴偉設計的B幣等前人的成果。2010年，由于維基百科試圖刪除比特幣詞條，因此中本聰與人討論了如何修改詞條描述以讓維基百科接受，他建議這樣寫：“比特幣是戴偉在1998年在密碼朋克中所提到的B幣構想和尼克·薩博提出的比特黃金的具體實現。”他說是具體實現，是因為B幣和比特黃金都只是停留在構想中。
這就引出了區塊鏈領域的一個重要人物——計算機科學家尼克·薩博。他在1998年提出了名為比特黃金的方案。在現在的區塊鏈世界中，尼克·薩博有著更為重要的位置：薩博是“智能合約”（smart contract）的提出者，1993年他寫出了“智能合約”論文。智能合約是區塊鏈處理交易的核心方式，區塊鏈應用的實質可被看成是一個個智能合約的組合。
這一階段的第四個重要人物是知名密碼學家哈爾·芬尼，他是著名的PGP加密中的“G”，是密碼朋克圈中的前輩。他在2004年推出了自己版本的采用工作量證明（POW）機制的電子貨幣。在比特幣開發過程中，哈爾·芬尼與中本聰有很多互動，比特幣的第一筆轉賬就是中本聰轉了10個比特幣給哈爾·芬尼。
他們四人的具體設想各有不同，但有一個共同點，即都是讓計算機進行計算，從而“創造”電子現金，它們是比特幣系統讓計算機進行加密計算的工作量證明和“挖礦”的創意來源。這非常重要，有了這個想法，中心化服務器才可以被去中心網絡所取代，困擾數字貨幣的難題被解決了。
三、2008年10月，中本聰發布論文“比特幣：一個點對點電子現金系統”
最終，中本聰把前人的創新綜合起來，實現了一種在發行和交易上都去中心化的電子現金。
對于前人的數字貨幣系統（比如喬姆的系統）為什么會失敗，中本聰曾經寫道：自20世紀90年代以來所有的虛擬貨幣公司全都失敗了……我希望，人們可以看到，這些系統之所以失敗，顯然是因為它們的中心化控制這一特性。我想，我們正在首次嘗試建立一個去中心化的、非基于信任的系統。”
這里他提到了兩個相關的詞，一是去中心化（decentralized），二是非基于信任的（non-trust-based）。去中心網絡一定是非基于信任的。