比特币区块链如何运作?

区块链源自比特币,不过在这之前,已有多项跨领域技术,皆是构成区块链的关键技术;而现在的区块链技术与应用,也已经远超过比特币区块链。要追溯区块链(Blockchain)是怎么来的,不外乎先想到比特币(Bitcoin),比特币是第一个采用区块链技术打造出的P2P电子货币系统应用,不过比特币区块链并非一项全新的技术,而是将跨领域过去数十年所累积的技术基础结合。

比特币区块链所实现的基于零信任基础、且真正去中心化的分散式系统,其实解决一个30多年前由Leslie Lamport等人所提出的拜占庭将军问题。

1982年Leslie Lamport把军中各地军队彼此取得共识、决定是否出兵的过程,延伸至运算领域,设法建立具容错性的分散式系统,即使部分节点失效仍可确保系统正常运行,可让多个基于零信任基础的节点达成共识,并确保资讯传递的一致性,而2008年出现的比特币区块链便解决了此问题。而比特币区块链中最关键的工作量证明机制,则是采用由Adam Back在1997年所发明Hashcash(杂凑现金),为一种工作量证明演算法(Proof of Work,POW),此演算法仰赖成本函数的不可逆特性,达到容易被验证,但很难被破解的特性,最早被应用于阻挡垃圾邮件。

在隐私安全方面的技术,可回溯到1982年David Chaum提出注重隐私的密码学网路支付系统,具有不可追踪的特性,成为比特币区块链在隐私安全面上的雏形,之后David Chaum也基于这个理论打造出不可追踪的密码学网路支付系统eCash,不过eCash并非去中心化系统。

在区块链中每笔交易,采用椭圆曲线数位签章演算法(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm,ECDSA),可追溯回1985年Neal Koblitz和Victor Miller分别提出椭圆曲线密码学(Elliptic curve cryptography,ECC),首次将椭圆曲线用于密码学,建立公开金钥加密的演算法。相较于RSA演算法,采用ECC好处在于可以较短的金钥,达到相同的安全强度。到了1992年,由Scott Vanstone等人提出ECDSA。

运作过程

比特币网络从2009年1月开始至今,在没有专人维护的情况下已经平稳运行7年多,期间没有出现一次宕机。图4以Bob接收来自Alice的比特币的场景,详细描述了比特币区块链的工作方式,一并解释了涉及到的钱包和地址(Wallets and Addresses)、私钥和公钥(Private Key and Public Key)、加密哈希(Cryptographic Hashes)、随机数(Nonces)等概念。

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