什么是去中心化？比特幣是如何實現(xiàn)去中心化的？（非常詳細）

2019-09-13 16:35:13

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【導讀】本節(jié)通過對比三種數(shù)字貨幣的形式引出“什么是去中心化”，并展示了比特幣在去中心化方面的表現(xiàn)如何，最后，向大家闡述了比特幣去中心化的原理。

中本聰解決了自己定義的難題“點對點的電子現(xiàn)金”，在這個過程中，他“發(fā)明”了區(qū)塊鏈技術。比特幣系統(tǒng)融合密碼學、博弈論和軟件工程等三個領域的技術與理論，區(qū)塊鏈技術是已有技術巧妙地組合形成的創(chuàng)新。中本聰不是憑空解決“點對點電子現(xiàn)金”這個難題的，他沿著前人的足跡前進，只是他完成了最后一躍。

接下來，我們來具體地看中本聰是如何解決他定義的難題，創(chuàng)造一個在數(shù)字世界中做價值表示的事物的。在討論中我們會特別關注，他是如何實現(xiàn)“去中心化”的？

什么是去中心化？

在說“貨幣”時，我們討論的是數(shù)字世界中的價值表示。在互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)字世界中，人們曾設計出各種各樣的電子現(xiàn)金或數(shù)字現(xiàn)金方案，在為《區(qū)塊鏈：技術驅動金融》一書撰寫前言時，杰里米·克拉克收集了約 100 種支付系統(tǒng)。他寫道：“在通往比特幣的道路上，布滿了無數(shù)失敗的嘗試。”在所列的各種系統(tǒng)中，他認為大眾所知道的只有 PayPal。當然，在移動支付超前發(fā)展的中國，我們都很熟悉支付寶與微信支付。

一直以來，數(shù)字世界中的“貨幣”有三種形式（見下圖）：

中心化的在線支付；
中心化的計算機點數(shù)或互聯(lián)網(wǎng)積分；
去中心化的電子現(xiàn)金。

圖1：數(shù)字世界中“貨幣”的三種形式

第一種形式：中心化的在線支付

我們常用的 PayPal、支付寶、微信支付都是中心化的在線支付，在這些支付系統(tǒng)中流轉的是映射到數(shù)字世界的各國的法定貨幣（也稱法幣）。

法幣（fiat money）是“法定貨幣”或“法償幣”的簡稱，它依靠政府的法令成為合法流通的貨幣。法幣是各國政府發(fā)行的紙幣，發(fā)行者沒有將貨幣兌現(xiàn)為實物（如黃金）的義務。

法定貨幣的價值來自擁有者相信貨幣將來能維持其購買力，本身并無內(nèi)在價值。歷史上，在政府強制規(guī)定紙鈔為法定貨幣之前，大多數(shù)流通的貨幣具有一定的內(nèi)在價值，例如金幣、銀兩，它們又被稱為商品貨幣（commodity money）。

在布雷頓森林體系中，35美元能兌換1盎司（1盎司＝28.35克）黃金，因而當時的美元不是法幣。之后，當美元與黃金脫鉤后，美元就變成了法幣。

第二種形式：中心化的計算機點數(shù)或互聯(lián)網(wǎng)積分

中心化的互聯(lián)網(wǎng)積分/計算機點數(shù)是指 Q 幣、游戲幣、航空里程等，它們還曾有一個更為大眾所熟知的名字——虛擬貨幣。通常，它們不與物理世界的法幣對應，而是由商業(yè)公司中心化發(fā)行，僅可以在一家公司的體系中使用。

第三種形式：去中心化的電子現(xiàn)金

去中心化的電子現(xiàn)金已經(jīng)被計算機密碼學家探索了多年，沿著前人的探索路徑，中本聰最終將這條路徑變成了現(xiàn)實。中本聰設計和開發(fā)了比特幣系統(tǒng)，并催生了眾多加密數(shù)字貨幣和區(qū)塊鏈技術項目。

下面來分別看看這三種形式。三種形式與物理世界中的現(xiàn)金的對比如圖 2 所示。

圖2：一組對比：是否去中心化與是否自行發(fā)行

第一種形式：PayPal、支付寶、微信支付

現(xiàn)在，被互聯(lián)網(wǎng)用戶廣泛使用的主流支付系統(tǒng)是 PayPal、支付寶，以及后來出現(xiàn)的移動支付 Square、微信支付等。這些第三方在線支付系統(tǒng)依賴于物理世界中的貨幣系統(tǒng)與金融體系，它們在數(shù)字世界中為用戶提供支付、轉賬等服務。在使用它們時，我們所用的錢是物理世界中的法幣，如美元、人民幣、歐元、日元等，錢從銀行賬戶中被映射到網(wǎng)絡支付賬戶中。

過去，信用卡、儲蓄卡等塑料卡片實現(xiàn)了紙幣現(xiàn)金的數(shù)字化，把紙幣現(xiàn)金變成了卡片賬戶中的數(shù)字現(xiàn)金。現(xiàn)在，在線支付系統(tǒng)將信用卡和儲蓄卡的功能轉移到互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字世界中來了。

在這些系統(tǒng)中流轉的都是與法幣一一對應的電子現(xiàn)金，變化的僅僅是“賬戶”，而非“貨幣”。這些系統(tǒng)所起的作用是，在賬戶和貨幣上連接物理世界與數(shù)字世界。

這些系統(tǒng)都是中心化的。它們背后所依賴的傳統(tǒng)金融系統(tǒng)是中心化的，法幣是由各國央行發(fā)行的。它們自身是完全中心化的，由單一機構運轉網(wǎng)絡支付系統(tǒng)。它們在交易中擔任中心化的中介角色，進行賬戶的記賬，是用戶間數(shù)字現(xiàn)金流通的中心。當兩個用戶進行轉賬時，在線支付系統(tǒng)在中間擔任可信第三方的中介角色。這就是為什么稱之為“中心化的電子現(xiàn)金”。

第二種形式：Q幣、游戲幣等互聯(lián)網(wǎng)積分或計算機點數(shù)

在互聯(lián)網(wǎng)上，除了在線支付系統(tǒng)之外，還有一種過去常被稱為“虛擬貨幣”的貨幣現(xiàn)象。

比如，用戶可以用人民幣購買騰訊公司的Q幣，騰訊自稱它是“統(tǒng)計代碼”。Q幣可以在騰訊的產(chǎn)品如QQ即時通信工具、網(wǎng)絡游戲、音樂文學等中使用，兌換各種在線服務。

關于“什么是Q幣，它有什么用處”的問題，騰訊網(wǎng)站上的解釋是，Q幣是用于計算機用戶使用騰訊網(wǎng)站的各種增值服務的種類、數(shù)量或時間等的一種統(tǒng)計代碼，并非任何代幣、票券，不能用于除騰訊網(wǎng)站增值服務以外的任何商品或服務。

又比如，在游戲中，用戶可以付錢購買道具，也可以通過戰(zhàn)斗贏取游戲幣。這些道具和游戲幣的形態(tài)與價值各不相同，在一個游戲中都很難確定價格、進行兌換，在多個游戲之間幾乎不可互換。當然，游戲玩家還是可以找到辦法進行交換，在一定條件下甚至還可以將它們變現(xiàn)換回法幣，例如，曾流行的“游戲打金”就是指有些玩家專門在游戲中獲得金幣，然后賣出獲得現(xiàn)金收入。

正如騰訊用“統(tǒng)計代碼”的說法所表明的，Q幣等是中心化機構（通常是一家公司）發(fā)行與管理的互聯(lián)網(wǎng)積分或計算機點數(shù)。它們是中心化的，其發(fā)行和交易都是中心化的。

一般來說，在不需要用戶付費購買時，它們常被稱為“積分”，在需要用戶付費購買時，它們常被稱為“點數(shù)”。

但近年來出現(xiàn)了很有意思的混合產(chǎn)物。在打車軟件中，用戶可以存入現(xiàn)金，如存 100 元得 150 元；也可以介紹其他人成為打車軟件的用戶從而獲得獎勵，如介紹一個新用戶雙方各獲得 50 元余額。在這種情況下，在打車軟件錢包中的余額就變成了一定程度上的點數(shù)與積分的混合物。在打車軟件錢包中的余額一般是不能提現(xiàn)的，也不能在用戶之間直接轉賬，至多只能幫其他用戶代付車費。

我們還可以進一步對比在線支付系統(tǒng)和計算機點數(shù)。

一個視角是，它們是否映射物理世界中的貨幣。在線支付系統(tǒng)是映射物理世界中的貨幣的，電子現(xiàn)金價值就是貨幣的價值。而對于游戲迷來說，游戲幣、游戲道具通常是不映射物理世界中的貨幣的。對游戲迷而言，游戲道具既有價值也有價格；對其他人而言，游戲道具可能毫無價值。在線支付系統(tǒng)與法幣無縫連接，而這些互聯(lián)網(wǎng)積分/計算機點數(shù)系統(tǒng)只與現(xiàn)實世界中的貨幣系統(tǒng)有很少的連接點，并且由于法律、商業(yè)等方面的原因，一般沒有暢通的渠道將它們兌換回法幣。
另一個是視角是“電子現(xiàn)金”或“點數(shù)/積分”是如何發(fā)行的？與在線支付系統(tǒng)不同，點數(shù)/積分是由一家公司自行發(fā)行的，用戶付費獲得點數(shù)，可被認為是向這家公司購買一種數(shù)字商品，用戶稍后可用這些點數(shù)兌換成該公司體系內(nèi)的虛擬商品或服務。

直到最近，與現(xiàn)實世界相連的在線支付系統(tǒng)和不與現(xiàn)實世界相連的互聯(lián)網(wǎng)積分/計算機點數(shù)都是互聯(lián)網(wǎng)中的主流。變化始于比特幣的出現(xiàn)。

第三種形式：去中心化的電子現(xiàn)金

在這兩個主流之外，一直還有著另外一種探索：能不能創(chuàng)造一種完全去中心化的點對點電子現(xiàn)金？其中最終極的設想是，在數(shù)字世界中，貨幣的發(fā)行和交易都不需要中心化機構介入，是由計算機自動執(zhí)行的：在發(fā)行時，無須類似各國央行的中心化機構；兩個人在相互轉移電子現(xiàn)金時，也無須中心化機構的參與。

按前面的對比表格，這種理想化的去中心化的電子現(xiàn)金幾乎在每個方面都試圖進行突破：不映射線下的貨幣，而在數(shù)字世界中自行發(fā)行；發(fā)行去中心化，不需要一個類似中央銀行的角色；像物理世界中的現(xiàn)金交易一樣，交易無須中介介入。

這個問題很難，因為它的要求與數(shù)字世界中的技術基礎設施的能力相悖。其中重要的一點是，在物理世界中，表示價值的現(xiàn)金紙幣是不能復制的。但在數(shù)字世界中，數(shù)字化文檔是可以復制的，每一個復制出來的文檔都一模一樣。因而過去在數(shù)字世界中，要用數(shù)字文件表示價值（比如表示一筆電子現(xiàn)金），我們需要一個中心化機構來確保數(shù)字文件是唯一的。假設這筆電子現(xiàn)金現(xiàn)在屬于我，當我把它轉給你時，我們需要一個中介來協(xié)助記錄所有權的變更，我不能直接把數(shù)字文件復制給你。

計算機密碼學家們探索的是，在無須中心化介入的情況下，如何通過密碼學的方法，用可復制的數(shù)字文件來代表價值。

這是一個漫長的探索過程，其開端甚至比互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)化都還早，最早可追溯到 20 世紀 80 年代。總的來說，由于這種探索是基于加密技術的，因此各種去中心化數(shù)字現(xiàn)金也被稱為加密數(shù)字貨幣（crypto-currency），其中 crypto 是密碼學（cryptography）的詞根。

最終在 2008 年，匿名的中本聰在密碼朋克的郵件列表中發(fā)布了比特幣的設計。他發(fā)明的比特幣系統(tǒng)幾乎集合了第三類探索的所有智慧結晶，他又加入了新的創(chuàng)新，最終在電子現(xiàn)金的發(fā)行和交易上都實現(xiàn)了去中心化。

正如我們所知，中本聰不只是設計和實現(xiàn)了這個最理想化的去中心化電子現(xiàn)金，他還“發(fā)明”了區(qū)塊鏈技術。區(qū)塊鏈的價值表示和價值轉移功能讓它可能成為新一代互聯(lián)網(wǎng)的技術基礎。

比特幣實現(xiàn)了極致的“去中心化”

對照前文圖表，與現(xiàn)有中心化的電子現(xiàn)金系統(tǒng)（在線支付系統(tǒng)）相比，比特幣是與之完全相反的：

在線支付系統(tǒng)的貨幣發(fā)行是中心化的，比特幣的發(fā)行是去中心化的；
在線支付系統(tǒng)的貨幣流動是中心化的，比特幣的交易是去中心化的；
在線支付系統(tǒng)映射物理世界中的貨幣，比特幣不映射任何現(xiàn)有的貨幣；
在線支付系統(tǒng)自己不進行貨幣的發(fā)行，比特幣是在數(shù)字世界中憑空發(fā)行出來的。

在去中心化的程度上，比特幣系統(tǒng)達到了極致。去中心化的初級階段是自動化（automatic），即根據(jù)人設定的規(guī)則自動運行，而去中心化的高級階段是自治（autonomous），也就是完全自治、自發(fā)。而比特幣系統(tǒng)作為一個電子現(xiàn)金系統(tǒng)，達到了極致的去中心化狀態(tài)（見圖 3）：

作為一個貨幣應用，它不只交易是自治的，它的發(fā)行也是自治的。
作為一個計算機網(wǎng)絡，它是完全去中心化的，而不僅僅是分布式網(wǎng)絡。
作為一個組織，它是完全的社群自治，不需要有一個領導者居中協(xié)調(diào)。

去中心化處于區(qū)塊鏈的思維模式的最內(nèi)核，而比特幣實現(xiàn)了極致的去中心化。

圖3：比特幣去中心化的層次

不過，之后在發(fā)展區(qū)塊鏈技術和將之應用的過程中，我們又不得不從最極致的理想狀態(tài)往實用方向調(diào)整，比如：

現(xiàn)在多數(shù)區(qū)塊鏈項目都是由基金會管理的。以太坊是由創(chuàng)始人維塔利克·布特林（人稱“V神”）和以太坊基金會居中協(xié)調(diào)的，而不像比特幣社區(qū)那樣是完全自治的。
常在金融系統(tǒng)中使用的聯(lián)盟鏈，以及部分節(jié)點數(shù)量不多的基礎公鏈，如小蟻（NEO）、EOS，更應被視為分布式網(wǎng)絡，沒有實現(xiàn)完全的去中心網(wǎng)絡。
通過以太坊發(fā)行基于 ERC20 標準的通證，通證的發(fā)行規(guī)則是由項目方確定的，在運行過程中會酌情更改規(guī)則。它們的發(fā)行不是自動的或自治的。
常被視為區(qū)塊鏈 3.0 代表的 EOS 在智能合約部分引入了李嘉圖合約和社區(qū)仲裁機制，也即交易部分不再是完全交給機器自動執(zhí)行，在需要時人可以參與和干涉。

我們反復討論比特幣系統(tǒng)的設計，是因為它早已經(jīng)把最極致的情況展現(xiàn)在所有人面前。而在將區(qū)塊鏈技術落地應用的過程中，從最極致的去中心化往實用主義方向調(diào)整并不是倒退，而是事物發(fā)展的必然過程。

比特幣是如何實現(xiàn)去中心化的？

那么，比特幣系統(tǒng)具體是如何實現(xiàn)極致的去中心化的呢？

在比特幣白皮書《比特幣：一個點對點電子現(xiàn)金系統(tǒng)》中，中本聰詳細地解釋了他是如何設計這個系統(tǒng)的。在其中，他確立了此后所有區(qū)塊鏈系統(tǒng)的主要設計原則。

一個真正的點對點電子現(xiàn)金應該允許從發(fā)起方直接在線支付給對方，而不需要通過第三方的金融機構。
現(xiàn)有的數(shù)字簽名技術雖然提供了部分解決方案，但如果還需要經(jīng)過一個可信的第三方機構來防止（電子現(xiàn)金的）“雙重支付”，那就喪失了（電子現(xiàn)金帶來的）主要好處。
針對電子現(xiàn)金會出現(xiàn)的“雙重支付”問題，我們用點對點的網(wǎng)絡技術提供了一個解決方案。
該網(wǎng)絡給交易記錄打上時間戳（timestamp），對交易記錄進行哈希散列處理后，將之并入一個不斷增長的鏈條中，這個鏈條由哈希散列過的工作量證明（hash-based proof-of-work）組成，如果不重做工作量證明，以此形成的記錄無法被改變。
最長的鏈條不僅僅是作為被觀察到的事件序列的證明，并且證明它是由最大的CPU處理能力池產(chǎn)生的。只要掌控多數(shù)CPU處理能力的計算機節(jié)點不（與攻擊者）聯(lián)合起來攻擊網(wǎng)絡本身，它們將生成最長的鏈條，把攻擊者甩在后面。
這個網(wǎng)絡本身僅需要最簡單的結構。信息盡最大努力在全網(wǎng)廣播即可。節(jié)點可以隨時離開和重新加入網(wǎng)絡，只需（在重新加入時）將最長的工作量證明鏈條作為在該節(jié)點離線期間發(fā)生的交易的證明即可。

威廉·穆賈雅在《商業(yè)區(qū)塊鏈》一書中對比特幣白皮書摘要進行了分析，他總結了四個要點：

點對點電子交易；
不需要金融機構；
加密證據(jù)而不是中心化的信用；
信用存在于網(wǎng)絡，而不是某個中心機構。

而從這個摘要中，我們提煉出了比特幣系統(tǒng)設計的五個要點（見圖 4）：比特幣的區(qū)塊鏈系統(tǒng)是由分布式賬本（即狹義的區(qū)塊鏈）和去中心網(wǎng)絡（點對點網(wǎng)絡）組成的，形成鏈條的方式是工作量證明共識機制。最長鏈是由網(wǎng)絡中的算力共同決定的，因而它是可信的，節(jié)點離開和加入依據(jù)的是最長鏈是可信的這一原則。這些組合起來形成了比特幣系統(tǒng)。

圖4：比特幣系統(tǒng)設計的五個要點

1) 去中心化的點對點電子現(xiàn)金系統(tǒng)

比特幣要做的是一個“點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)”，發(fā)送方和接收方直接交易，它們之間不需要中介機構的介入。

要去掉可信第三方等中介機構，就需要解決“雙花問題”。在摘要中，中本聰給出了點對點網(wǎng)絡的解決方案，并介紹了這個方案的核心——區(qū)塊鏈。他并沒有提到區(qū)塊鏈（blockchain）這個詞，但在論文中分別提到了區(qū)塊（block）和鏈（chain）這兩個概念。

2) 分布式賬本

比特幣的區(qū)塊鏈是基于工作量證明形成的帶時間戳、存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊和由哈希指針連接成的鏈條。

這個鏈條或者說賬本以分布式的方式存儲在比特幣網(wǎng)絡的各個節(jié)點上，因而也被稱為分布式賬本。

3) 工作量證明

比特幣網(wǎng)絡中的節(jié)點按照規(guī)則進行加密哈希計算，以競爭獲得生成新區(qū)塊的權利。節(jié)點在競爭獲勝后就獲得記賬權，它生成區(qū)塊成為最新區(qū)塊后，就獲得與新區(qū)塊對應的挖礦獎勵。

工作量證明也是區(qū)塊鏈賬本的安全機制。如果不重做“工作量證明”所需的大量計算則此鏈條不可修改，這一共識機制保證了區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)的可靠性。