中国工程院院士谈如何破解区块链“三元悖论”

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当前的区块链技术难以同时实现“去中介、保安全、高效率”三项目标,被称为遇到“三元悖论”。中国工程院院士李幼平近日接受《中国科学报》采访时表示,运用类似于北斗短信之类的物理学方法,有可能突破这一瓶颈。当前各种区块链方案的科学本质,是一种依托哈希变换的自证可信的数学自洽,它可以做到以接近1的概率拒绝一切形式的网络攻击,为网络空间安全提供一线全新的希望。然而,网络空间涉及全人类,用户数目的基数极大,哪怕只有百万分之一的失误也是不容许的。在李幼平看来,区块链的“三元悖论”中“保安全”仍然是发展瓶颈,急需首先突破。“北斗短信”是中国版本全球定位系统中的一项独特的发明,它除了可以把哈希自洽的数据区块直接广播给地球上的任意节点,还可以同时提供时空自洽的真实位置。“哈希自洽杜绝内容篡改,时空自洽杜绝地址造假,数学、物理两类自洽相互印证,将填补当前区块链技术的安全漏洞。”李幼平说。其实,数学、物理两类自洽相互印证,破解人类互不信任的问题,已有先例可考。大约30年前,政治上高度互不信任的五个核大国,如何在核禁试条约面前自证清白,苛刻的前提是不允许他国人员与他国设备介入。科学家们最后达成的共识是,在本国的试验场周边布置三个以上地震仪,地震数据与GPS测到的时间与位置数据实时捆绑后去做哈希计算,再用地震波的时空自洽规律识破任意方式的非可信行为。李幼平表示,数学、物理双自洽,逐步破解人类的各种互不信任,是一项需要长期奋斗的科学目标。据了解,我国科学家近期已经做了一些前期准备。比如重新定义数据区块,用国家标准《统一内容标签》(UCL,GB/T35304-2017)作为新区块,1千字节的数据短包含人、事、物、时、地等五要素物证代码,做到自证真实,拒绝地址造假与数据篡改,保证网络安全。此外,我国首颗高通卫星实践十三号创造免中介的静默存储隐私环境,支持区块链技术引领中国已经建成的350万个4G基站,满足国家对网络安全的关切,起到“借天领地”战略效果。李幼平告诉记者,中国工程院信息与电子工程学部自2015年起,先后设立“国家第二网络战略研究”、“网络空间共享共治战略”等咨询项目,支持北京大有数字资源有限公司通过天基设施,建立覆盖全国的实验环境,验证《统一内容标签》(UCL)数学自洽、物理自洽、语义自洽的效果,验证“借天领地”的战略创意,取得了首批有意义的成果。“希望我国的区块链研究团队利用己建成的全国性实验环境,共同探破解区块链‘三元悖论’的科学途径。”李幼平说。

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什么是区块链?

区块链本质上是一个去中心化的分布式账本数据库,其本身是一串使用密码学相关联所产生的数据块,每一个数据块中包含了多次比特币网络交易的有效确认信息。

区块链有什么特征?

区块链是一个放在非安全环境中的分布式数据库(系统),它具有以下几个特征:

去中心化

先来考虑一个中心化集中式处理的过程。你要在购物网站上买一部手机,交易流程是:你将钱打给支付宝→支付宝收款后通知卖家发货→卖家发货→你确认收货→支付宝把钱打给卖家。

在这个过程中,虽然你只是在与卖家交易,但这笔交易却牵扯到除了你和卖家之外的第三方,即支付宝,你和卖家的交易都是围绕支付宝进行展开。因此,如果支付宝系统出了问题便会造成交易失败。并且虽然你只是买了一个手机,但你和卖家都要向第三方提供其他相关的信息。

相比这种中心化集中式的方式,去中心化的处理方式会简单很多。你只需和卖家交换钱和手机,然后双方都声称完成这笔交易,就OK了。

可以看出在某些特定情况下,去中心化的处理方式会更便捷,也无须担心在双方进行交易的过程中某些无关交易的个人信息泄漏。

开放性

系统是开放的,除了交易各方的私有信息被加密外,区块链的数据对所有人公开,任何人都可以通过公开的接口查询区块链数据和开发相关应用,因此整个系统信息高度透明。

自治性

区块链采用基于协商一致的规范和协议(比如一套公开透明的算法)使得整个系统中的所有节点能够在去信任的环境自由安全的交换数据,使得对“人”的信任改成了对机器的信任,任何人为的干预不起作用。

匿名性

由于节点之间的交换遵循固定的算法,其数据交互是无需信任的(区块链中的程序规则会自行判断活动是否有效),因此交易双方无须通过公开身份的方式让对方对自己产生信任,对信用的累积非常有帮助

信息的不可篡改性

区块链采用密码学的方法来保证已有数据不可能被篡改,这里面牵扯到了两个密码学的基本概念:

1.密码学哈希函数;

这东西主要用于验证信息完整性——在一个信息后面放上这个信息的哈希值,这个值很小,例如256bit,而且计算方便。收到信息之后收信人再算一遍哈希值,对比两者就知道这条信息是否被篡改过。如果被篡改过,哪怕只有一bit,整个哈希值也会截然不同。而根据哈希函数的性质,没有人能够伪造出另一个消息具有同样的哈希值,也就是说篡改过的数据完全不可能通过哈希校验。

2.非对称加密;

这东西很好理解,对称加密就是有个密钥,可以理解成保险箱钥匙,你把消息加密变成密文,没有人能看懂这是啥,然后用同一把钥匙解密成原来的消息。

非对称加密就是有两把钥匙,一把叫公钥,一把叫私钥,用其中一把加密的话,只能用另一把解密,反之亦然。另一个重要的性质是,给你密文,明文以及其中的一把钥匙,你还是解不出来另一把钥匙是什么。原理基本上是基于一些困难数学问题,例如因数分解和离散对数,常用的有RSA,Diffie-Hellman和ECC(椭圆曲线),比特币用的是椭圆曲线。

非对称加密除了和对称加密一样用于信息加密之外,还有另一个用途,就是身份验证。假设现在有一对公私钥,公钥是公开的,而私钥只有本人持有,于是只要有人持有对应的私钥,我们就可以认定他是本人。其中一个重要的应用就是数字签名——某个消息后面,发信人对这个消息做哈希运算,然后用私钥加密。接着收信人首先对消息进行哈希运算,接着用相应的公钥解密数字签名,再对比两个哈希值,如果相同,就代表这个消息是本人发出的而且没有被篡改过。

区块分类

区块链目前分为三类,其中混合区块链和私有区块链可以认为是广义的私链:

公有区块链(PublicBlockChains)

公有区块链是指:世界上任何个体或者团体都可以发送交易,且交易能够获得该区块链的有效确认,任何人都可以参与其共识过程。公有区块链是最早的区块链,也是目前应用最广泛的区块链,各大bitcoins系列的虚拟数字货币均基于公有区块链,世界上有且仅有一条该币种对应的区块链。

联合(行业)区块链(ConsortiumBlockChains)

行业区块链:由某个群体内部指定多个预选的节点为记账人,每个块的生成由所有的预选节点共同决定(预选节点参与共识过程),其他接入节点可以参与交易,但不过问记账过程(本质上还是托管记账,只是变成分布式记账,预选节点的多少,如何决定每个块的记账者成为该区块链的主要风险点),其他任何人可以通过该区块链开放的API进行限定查询。

私有区块链(privateBlockChains)

私有区块链:仅仅使用区块链的总账技术进行记账,可以是一个公司,也可以是个人,独享该区块链的写入权限,本链与其他的分布式存储方案没有太大区别。目前(Dec2015)保守的巨头(传统金融)都是想实验尝试私有区块链,而公链的应用例如bitcoin已经工业化,私链的应用产品还在摸索当中。

区块链的发展

区块链诞生自中本聪的比特币,自2009年以来,出现了各种各样的类比特币的数字货币,都是基于公有区块链的。

数字货币的现状是百花齐放,列出一些常见的:bitcoin、litecoin、dogecoin、dashcoin,除了货币的应用之外,还有各种衍生应用,如Ethereum、Asch等底层应用开发平台以及NXT,SIA,比特股,MaidSafe,Ripple等行业应用。

如今区块链可以应用的领域有:智能合约、证券交易、电子商务、物联网、社交通讯、文件存储、存在性证明、身份验证、股权众筹

区块链之后的发展道路可以类比互联网的发展,在未来互联网上会形成一个比如叫做finance-internet的东西,而这个东西就是基于区块链,它的前驱就是bitcoin,即传统金融从私有链、行业链出发(局域网),bitcoin系列从公有链(广域网)出发,都表达了同一种概念——数字资产(DigitalAsset),最终向一个中间平衡点收敛

即区块链的发展方向是:

▪ 区块链1.0——数字货币

▪ 区块链2.0——数字资产与智能合约


区块链3.0——DAO、DAC(区块链自洽组织、区块链自洽公司)–>区块链大社会(科学,医疗,教育etc,区块链+人工智能)。