区块链数字货币信任机制研究论文

区块链作为“信任的机器”这个名字起源于《经济学人》的一篇文章。从宏观层面来看，互联网它是一个传输信息的网络，我们今天可以通过互联网购物，可以发微信。现在全球很多技术专家、传统的金融行业的人士，把区块链视为一个革命性的技术是因为区块链是一个传输交易的网络，因此美国有一个很著名的VC说区块链是金融的底层协议。假设有一个用户A想给另外一个用户B转帐，在传统金融网络和区块链网络里会有什么不一样的地方呢？在今天现有的金融网络里面，比如从工商银行转帐到招商银行，用户可以首先通过工商银行的网银或者ATM机接入数据库，数据库可以经过区块链中心的清算公司到另外一家银行的数据库之中，之后用户收到这笔钱。如果是在区块链上做这笔交易，首先这笔交易会被广播到一个去中心化的网络上，或者P2P网络上，这个交易会被网络上通过一些数学机制所选举出来的记账者做校验，校验这笔交易是不是真的，它通过数学算法，从原理上保证交易不能被伪造。当记账者同意这笔交易有效以后，它会形成一个账册，把这个账册再广播到网络上所有的人，这当然包括收款人。中心化网络，这是最早最原始的网络。我们今天的互联网是这样的，是一个分布式网络。它有很多小中心，通过骨干网连接起来，形成一个分布式网络。区块链的网络其实是一个很低效的网络，因为这个网络有很多的数据冗余，传输不是很有效的，但随着时间的发展，传输变强以后，这个冗余问题已经不是很大的问题了。区块链网络没有强有力的中心能够控制或者篡改这个网络里面的数据，我们可以理解成，去中心化的网络是建立在分布式网络之上的一种网络。在很多国家，像英国央行做的很多报告里面，也把区块链翻译成分布式帐本，区块链它最早是源于比特币。现在很多传统的金融企业开始研究区块链，开始尝试区块链，例如像RIPPLE、R3联盟等。如果我们认真分析区块链这样的分布式帐本的作用可以发现，它的应用还是很多的。像个人金融领域里面，有很多基于区块链的支付公司、汇款公司等等，在政治层面，有把区块链技术运用到选举中的，能够从技术上保证选票不能篡改。还有数字货币领域，英格兰银行用区块链技术开发另外一种数字货币，它不同于支付宝、网络银行的余额，当然也不是像比特币这样一种不受控制的货币。它的发行权利还是在央行的手里，但是它的清算、流通的网络建立在开通的区块链网络上。它的优势，比如我们微信支付、支付宝可以互相转帐了。比如我办停车卡，原有的体系天然的形成一些支付壁垒，底层的数字技术可以消除这种壁垒，像IBM等都在做这方面的尝试。还比如R3，R3是世界上很牛的公司，它们试图做信用债、银行债清算网络，国内的清算都是走衷心的清算公司，在国际间其实没有这样的清算中心，首先是国内几家大银行进行通信协议，然后小银行在里面再做协议，非常的复杂。因为国际上没有一个强有力的中心能够做国际清算系统，连世界银行也做不到，R3这样的企业试图用技术来做，国际上各个国家之间互相不信任，或者各个银行互相质检部信任，但是我们都可以相信技术，区块链就是这样一种技术。我们在这个领域里也做了一些创新的工作，我们最早从区块链的第一个应用比特币开始，我们的产品叫OKCoin币行，今年我们新推出了一个区块链的金融网络OKLink，OKLink产品主要是在香港做小额的国际汇款。大家都知道国际上有一个多层的资金流，以及资金流、信息流分离，导致国际汇款的成本非常之高。世界有一个预测，很多人在外面打工把钱汇回来的，每年有7000亿美金，单一笔都是小额的，这里面平均手续费是10%。比如菲佣在香港每个月赚4000元港币，回到家800元就没有了。OKCoin币行把很多公司放在区块链里面来，能够让他们高效、低成本的清算，但是不会做假账，也没有能力跑路，目前我们在全世界打通了十几个国家。目前还没有中国，中国只有银行才能够合法的做转帐的工作。区块链帮助我们这家企业在国际上建立了一个信用，这不是我们公司的信用，也不是投资人的信用，是一个技术的信用，所以我们有一些在非洲、东南亚的合作伙伴，他们愿意相信网络的安全性、共振性。我们同时在C端有一个APP，把世界各地的汇款订单分配给这些汇款的企业。我们目前在世界上商业化区块链运营网络，每个月我们有几百万美金的处理金额，而且我们世界各国都是合规进行的。总结一下区块链技术能做些什么。区块链技术其实是一种把你的账本开放给大众的技术。什么时候需要把帐本开放给大众呢？是别人不相信你这个平台的时候，短期来看它的应用更适合于弱公信力的领域。但从长期来看，像纳斯达克、纽交所，这些本身拥有信用的单位，他们未来也会使用区块链的技术，因为现在的成本非常高，所以从长期来讲，这种强信用的单位未来可能会用到区块链的技术来降低成本。（转自网易新闻）当然，比特币、以太坊、去中心化内容分享平台DECENT也是如此。

所谓“共识机制”，是通过特殊节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认；对一笔交易，如果利益不相干的若干个节点能够达成共识，我们就可以认为全网对此也能够达成共识。再通俗一点来讲，如果中国一名微博大V、美国一名虚拟币玩家、一名非洲留学生和一名欧洲旅行者互不相识，但他们都一致认为你是个好人，那么基本上就可以断定你这人还不坏。 要想整个区块链网络节点维持一份相同的数据，同时保证每个参与者的公平性，整个体系的所有参与者必须要有统一的协议，也就是我们这里要将的共识算法。比特币所有的节点都遵循统一的协议规范。协议规范（共识算法）由相关的共识规则组成，这些规则可以分为两个大的核心：工作量证明与最长链机制。所有规则（共识）的最终体现就是比特币的最长链。共识算法的目的就是保证比特币不停地在最长链条上运转，从而保证整个记账系统的一致性和可靠性。 区块链中的用户进行交易时不需要考虑对方的信用、不需要信任对方，也无需一个可信的中介机构或中央机构，只需要依据区块链协议即可实现交易。这种不需要可信第三方中介就可以顺利交易的前提是区块链的共识机制，即在互不了解、信任的市场环境中，参与交易的各节点出于对自身利益考虑，没有任何违规作弊的动机、行为，因此各节点会主动自觉遵守预先设定的规则，来判断每一笔交易的真实性和可靠性，并将检验通过的记录写入到区块链中。各节点的利益各不相同，逻辑上将它们没有合谋欺作弊的动机产生，而当网络中有的节点拥有公共信誉时，这一点尤为明显。区块链技术运用基于数学原理的共识算法，在节点之间建立“信任”网络，利用技术手段从而实现一种创新式的信用网络。 目前区款连行业内主流的共识算法机制包含：工作量证明机制、权益证明机制、股份授权证明机制和Pool验证池这四大类。 工作量证明机制即对于工作量的证明，是生成要加入到区块链中的一笔新的交易信息(即新区块)时必须满足的要求。在基于工作量证明机制构建的区块链网络中，节点通过计算随机哈希散列的数值解争夺记账权，求得正确的数值解以生成区块的能力是节点算力的具体表现。工作量证明机制具有完全去中心化的优点，在以工作量证明机制为共识的区块链中，节点可以自由进出。大家所熟知的比特币网络就应用工作量证明机制来生产新的货币。然而，由于工作量证明机制在比特币网络中的应用已经吸引了全球计算机大部分的算力，其他想尝试使用该机制的区块链应用很难获得同样规模的算力来维持自身的安全。同时，基于工作量证明机制的挖矿行为还造成了大量的资源浪费，达成共识所需要的周期也较长，因此该机制并不适合商业应用。 2012年，化名Sunny King的网友推出了Peercoin，该加密电子货币采用工作量证明机制发行新币，采用权益证明机制维护网络安全，这是权益证明机制在加密电子货币中的首次应用。与要求证明人执行一定量的计算工作不同，权益证明要求证明人提供一定数量加密货币的所有权即可。权益证明机制的运作方式是，当创造一个新区块时，矿工需要创建一个“币权”交易，交易会按照预先设定的比例把一些币发送给矿工本身。权益证明机制根据每个节点拥有代币的比例和时间，依据算法等比例地降低节点的挖矿难度，从而加快了寻找随机数的速度。这种共识机制可以缩短达成共识所需的时间，但本质上仍然需要网络中的节点进行挖矿运算。因此，PoS机制并没有从根本上解决PoW机制难以应用于商业领域的问题。 股份授权证明机制是一种新的保障网络安全的共识机制。它在尝试解决传统的PoW机制和PoS机制问题的同时，还能通过实施科技式的民主抵消中心化所带来的负面效应。 股份授权证明机制与董事会投票类似，该机制拥有一个内置的实时股权人投票系统，就像系统随时都在召开一个永不散场的股东大会，所有股东都在这里投票决定公司决策。基于DPoS机制建立的区块链的去中心化依赖于一定数量的代表，而非全体用户。在这样的区块链中，全体节点投票选举出一定数量的节点代表，由他们来代理全体节点确认区块、维持系统有序运行。同时，区块链中的全体节点具有随时罢免和任命代表的权力。如果必要，全体节点可以通过投票让现任节点代表失去代表资格，重新选举新的代表，实现实时的民主。 股份授权证明机制可以大大缩小参与验证和记账节点的数量，从而达到秒级的共识验证。然而，该共识机制仍然不能完美解决区块链在商业中的应用问题，因为该共识机制无法摆脱对于代币的依赖，而在很多商业应用中并不需要代币的存在。 Pool验证池基于传统的分布式一致性技术建立，并辅之以数据验证机制，是目前区块链中广泛使用的一种共识机制。 Pool验证池不需要依赖代币就可以工作，在成熟的分布式一致性算法(Pasox、Raft)基础之上，可以实现秒级共识验证，更适合有多方参与的多中心商业模式。不过，Pool验证池也存在一些不足，例如该共识机制能够实现的分布式程度不如PoW机制等 这里主要讲解区块链工作量证明机制的一些算法原理以及比特币网络是如何证明自己的工作量的，希望大家能够对共识算法有一个基本的认识。 工作量证明系统的主要特征是客户端要做一定难度的工作来得到一个结果，验证方则很容易通过结果来检查客户端是不是做了相应的工作。这种方案的一个核心特征是不对称性：工作对于请求方是适中中的，对于验证方是易于验证的。它与验证码不同，验证码是易于被人类解决而不是易于被计算机解决。 下图所示的为工作量证明流程。 举个例子，给个一个基本的字符创“hello，world！”，我们给出的工作量要求是，可以在这个字符创后面添加一个叫做nonce（随机数）的整数值，对变更后（添加nonce）的字符创进行SHA-256运算，如果得到的结果（一十六进制的形式表示）以“0000”开头的，则验证通过。为了达到这个工作量证明的目标，需要不停地递增nonce值，对得到的字符创进行SHA-256哈希运算。按照这个规则，需要经过4251次运算，才能找到前导为4个0的哈希散列。 通过这个示例我们对工作量证明机制有了一个初步的理解。有人或许认为如果工作量证明只是这样一个过程，那是不是只要记住nonce为4521使计算能通过验证就行了，当然不是了，这只是一个例子。 下面我们将输入简单的变更为”Hello,World!+整数值”，整数值取1~1000，也就是说将输入变成一个1~1000的数组：Hello,World!1；Hello,World!2；...；Hello,World!1000。然后对数组中的每一个输入依次进行上面的工作量证明—找到前导为4个0的哈希散列。 由于哈希值伪随机的特性，根据概率论的相关知识容易计算出，预计要进行2的16次方次数的尝试，才能得到前导为4个0的哈希散列。而统计一下刚刚进行的1000次计算的实际结果会发现，进行计算的平均次数为66958次，十分接近2的16次方（65536）。在这个例子中，数学期望的计算次数实际就是要求的“工作量”，重复进行多次的工作量证明会是一个符合统计学规律的概率事件。 统计输入的字符创与得到对应目标结果实际使用的计算次数如下： 对于比特币网络中的任何节点，如果想生成一个新的区块加入到区块链中，则必须解决出比特币网络出的这道谜题。这道题的关键要素是工作量证明函数、区块及难度值。工作量证明函数是这道题的计算方法，区块是这道题的输入数据，难度值决定了解这道题的所需要的计算量。 比特币网络中使用的工作量证明函数正是上文提及的SHA-256。区块其实就是在工作量证明环节产生的。旷工通过不停地构造区块数据，检验每次计算出的结果是否满足要求的工作量，从而判断该区块是不是符合网络难度。区块头即比特币工作量证明函数的输入数据。 难度值是矿工们挖掘的重要参考指标，它决定了旷工需要经过多少次哈希运算才能产生一个合法的区块。比特币网络大约每10分钟生成一个区块，如果在不同的全网算力条件下，新区块的产生基本都保持这个速度，难度值必须根据全网算力的变化进行调整。总的原则即为无论挖矿能力如何，使得网络始终保持10分钟产生一个新区块。 难度值的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每隔2016个区块，所有节点都会按照统一的格式自动调整难度值，这个公式是由最新产生的2016个区块的花费时长与期望时长（按每10分钟产生一个取款，则期望时长为20160分钟）比较得出来的，根据实际时长一期望时长的比值进行调整。也就是说，如果区块产生的速度比10分钟快，则增加难度值；反正，则降低难度值。用公式来表达如下： 新难度值=旧难度值*（20160分钟/过去2016个区块花费时长）。 工作量证明需要有一个目标值。比特币工作量证明的目标值（Target）的计算公式如下： 目标值=最大目标值/难度值，其中最大目标值为一个恒定值0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF 目标值的大小与难度值成反比，比特币工作量证明的达成就是矿中计算出来的区块哈希值必须小于目标值。 我们也可以将比特币工作量的过程简单的理解成，通过不停变更区块头（即尝试不同nonce值）并将其作为输入，进行SHA-256哈希运算，找出一个有特定格式哈希值的过程（即要求有一定数量的前导0），而要求的前导0个数越多，难度越大。 可以把比特币将这道工作量证明谜题的步骤大致归纳如下： 该过程可以用下图表示： 比特币的工作量证明，就是我们俗称“挖矿”所做的主要工作。理解工作量证明机制，将为我们进一步理解比特币区块链的共识机制奠定基础。