比特幣：顛覆金融業的創新技術

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

（Public key encryption）

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

（BTC ledger）

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

雜湊演演算法

（Hash algorithm）

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（Block） 的意義

「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。

比特幣的採礦（Mining）

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。

區塊鏈（Block chain） 的應用

比特幣（Bitcoin）主要必須達到 3 個特性：

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

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

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：

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。

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。

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）。

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

點擊展開全文

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！