比特幣的核心技術，區塊鏈的原理與應用（下）：顛覆金融業的創新技術

【Technews科技新報】由於比特幣不適合即時大量的小額交易，而且在法規上存有疑義難以被主管機關接受，因此有人將比特幣的部分技術（主要是保護資料無法篡改的技術）抽離出來尋找新的應用，並且取了新名字「區塊鏈（Block chain）」，也有人擴大區塊鏈的定義，把前面提到的交易識別確認、資料無法篡改、節點資料同步 3 種技術統稱為「區塊鏈」。所以到底這 3 種技術的是怎麼做的呢？

公開金鑰加密的每一位使用者必須自行產生自己所擁有的金鑰對（Key pair），包括一把「私密金鑰（Private key）」與一把「公開金鑰（Public key）」，加密與解密使用不同的金鑰，使用者必須秘密地保存自己的私密金鑰，並且在網路上發布公開金鑰。公開金鑰可以用來加密，也可以用來驗證，驗證的流程如圖一所示，傳送端使用自己的「私密金鑰」對文件（明文）進行加密（簽署文件）產生密文再傳送到網路中，接收端使用傳送端的公開金鑰解密（確認簽署者）得到明文，如果可以解密代表確認文件真的是傳送端的某人傳送出來的，數位簽章就是使用這種方式來驗證文件的真偽。

圖一：公開金鑰加密的驗證流程。

交易識別確認

假設 Alice 支付 Bob 金額 10btc 購買一顆蘋果，則她的手機應用程序（比特幣電子錢包）使用 Alice 自己的私密金鑰將訊息加密，這個動作稱為「數位簽章（Digital signature）」，想想這不就好像我們在交易文件上簽名一樣嗎？

接下來再將訊息傳送到節點 A，節點 A 再使用 Alice 的公開金鑰將訊息解密，如圖二所示，如果真的可以解開代表這個訊息確認是由 Alice 發出來的，而且 Alice 也不可否認，因為只有 Alice 的公開金鑰能夠解開 Alice 私密金鑰加密過的訊息。

圖二：比特幣的交易識別確認機制。

比特幣帳本是由一個一個的「區塊（Block）」連接而成的「鏈結（Chain）」，因此這種技術又稱為「區塊鏈（Block chain）」，如圖三所示，每一個區塊記錄著付款人與收款人以及交易金額，每一個區塊都記錄了許多筆交易，區塊與區塊之間再鏈結起來，例如：區塊 3 鏈結到區塊 2，再鏈結到區塊 1，最後再鏈結到區塊 0。

圖三：比特幣帳本示意圖。（Source：杜宏毅，Block Chain 的前世今生與未來，台灣網路認證公司）

值得一提的是，圖三畫出來的只是示意圖，實際上比特幣帳本並不是像 Excel 一樣的表單，基本上比特幣是一種虛擬電子貨幣，因此比特幣帳本其實就是一個電腦程序，裡面有許多欄位，如圖四所示，其中包括：

1. 表頭（Header）

previousblockhash：前一個區塊的雜湊值（Hash value）。

difficulty：雜湊（Hash） 必須小於「困難指數（Difficulty）」。

time：代表這個區塊形成的時間，以 Unix 操作系統格式表示。

nonce：計算雜湊值所使用的參數。

merkleroot：儲存「交易（Transaction） 」的「摘要（Summary）」。

2.交易（Transaction）

tx：儲存「交易」的欄位，每一個區塊可以儲存多筆交易。

3.其他欄位

confirmations：代表這個區塊已經被 35,561 個節點（Node）確認過了！

height：代表這個區塊在比特幣區塊鏈中的排序為第 277,316 個。

4. hash：利用雜湊演演算法（Hash algorithm）計算出雜湊值。

圖四：比特幣帳本。（Source：杜宏毅，Block Chain 的前世今生與未來，台灣網路認證公司）

雜湊演演算法是一種從資料中建立「數位指紋（Digital fingerprint）」的方法，可以將任何長度的資料轉換成一個長度較短的「雜湊值」。某一段資料對應到某一個雜湊值，不同資料具有不同雜湊值，就好像不同人具有不同指紋一樣，所以稱為「數位指紋」，我們可以利用雜湊值來確認資料有沒有被篡改。

「區塊」是指電腦中的一組資料，以事先設定好的欄位與格式儲存，我們可以將圖四的比特幣帳本看成是一個區塊，我們的目標就是要將這個區塊的資料「封鎖（Block）」起來讓別人無法篡改。 問題是，如果「重新計算雜湊」很簡單，則這整個保護機制就無效，而且我們不只需要「資料篡改可以檢查出來」，更需要「資料無法篡改」，因此科學家發明了「條件雜湊（Conditional hash）」，規定「雜湊」必須小於「困難指數」，讓雜湊很難重新計算，而保護「交易」的內容不被篡改。

講到比特幣大家一定常常聽到網路上有許多人在「採礦（Mining）」，到底什麼是比特幣的採礦呢？各節點熟悉電腦操作的自願者計算「雜湊」小於「困難指數」的動作稱為「採礦」，而我們所要採的「礦」就是計算出「雜湊」小於「困難指數」。進行採礦的人稱為「礦工（Miner）」，計算出一個區塊可以獲得 50btc 的酬勞，如果其他支付交易有給手續費，則礦工還會獲得手續費。比特幣設計大約每 10 分鐘采出一個區塊，每采出 21 萬個區塊（大約 4 年）酬勞減半，因此比特幣總數不超過 2,100 萬個（btc） ，總數固定可以提升比特幣的價值。

比特幣 2009 年發行礦工酬勞 50btc，2012 年 12 月第一次減半酬勞剩下 25 btc，2016 年 7 月第二次減半酬勞只有 12.5btc，酬勞下降使手續費成為採礦動機。為了維持大約每 10 分鐘采出一個區塊，產生新區塊的難度會定期調整，每采出 2,016 個區塊（大約兩周）會自動調整接下來 2,016 個區塊的採礦難度。比特幣礦工最早使用 Intel 或 AMD 的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）產品來挖礦，2013 年礦工開始使使用圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）、現場可程序化邏輯陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）來進行，甚至特定應用積體電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）投入使得個人礦工已經沒有收益。

比特幣（Bitcoin）主要必須達到 3 個特性：

1. 交易識別確認

   ：使用可驗證的匿名制，確認交易真實，使用者不可否認。

2. 不可篡改否認

   ：使用區塊（Block）與鏈結（Chain）確保交易資料無法篡改。

3. 節點資料同步

   ：使用工作量證明（Proof of Work，POW）達成收斂同步。

區塊鏈是集合了幾種軟體程序的技術，由全世界許多節點（電腦主機）組成的的系統，只要滿足 3 個特性的應用都可以用區塊鏈來做，由於區塊鏈落實困難開始演化，並且出現新名字：分散式帳本（Distributed ledger）、分享式帳本（Shared ledger）、超級帳本（Hyper ledger）。

比特幣在法規上存有疑義難以被主管機關接受，因此有人將比特幣的部分技術抽離出來尋找新的應用，並且取了新名字：區塊鏈，可能的應用包括：

1. 加密數位貨幣（Crypto currency）

   ：必須考量主管機關接受程度，例如：比特幣、美國郵政貨幣（Postcoin） ；考量是否適合應用在高頻交易，Ripple 將其應用在非即時的跨國金融機構外匯交換業務可能更合適。

2. 有價資產登錄（Value registry）

   ：Factom、SmartContract 將分散式帳本應用在所有權與存在證明（Proof of Existence and Possession，POEAP），這類的應用該是目前區塊鏈最成功的例子。

3. 價值型聯網（Value web）

   ：進行有價資產登錄（Value registry）、智能合約（Smart contract）、國內支付（Domestic payment）、國際支付（International payment）、貿易金融（Trade finance）、資本市場（Capital market）。

4. 價值生態系（Value ecosystem）

   ：應用在非金融服務，Ethereum 將其應用在公開帳本（Public ledger） 提供各種商業應用；R3CEV 將其應用在私密帳本提供各種金融應用。

（首圖來源：Pixabay）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！