报告 | 哈佛大学访问学者区块链BTC系列研究之:(5)区块链分布式记账:数学的共识

2020.06.01 | 浏览:31097


哈佛大学访问学者区块链BTC系列研究报告之八:

                                                                                     “ 记账的权力

                                                                                          ——论区块链的数学共识及与人类社会的构建 "



一、


怎样摆脱传统中心记账方式人性共识的偏差,创造颠扑不破、无庸置疑的真实的完全可信任的记账?


沃顿商学院教授Kevin Werbach描述了四种"普适信任架构":


点对点信任:即人与人之间的两两信任;


利维坦式信任:在契约/合同系统中大量出现,因为共同信任政府与国家会帮助解决争端,互不信任的各方可以凭備契约达成一致;


中介信任:这种信任如信用卡系统,即便不存在信任关系,买卖双方仍可凭借第三方授信的系统进行商业交易;


分布式信任:如区块链等试图去中介化的特定安全系统中的新兴数字信任。


二、


他提到的第四种信任“数字信任”继承了传统治理的信任定义与表达。它将传统的对于文字形式的法律合观、伦理道德经验和国家机器的信任,转化为数学共识为基础,以代码加密和算法组成的程序的信任。


2019年3月,在哈佛大学做访问学者了进行中美区块链比较研究期间,我应邀到MIT做了《区块链:万物互联的数字时代之钥》演讲后,与清华大学的顾学雍教授一起造访了MIT数学系范畴论(Category Theory)研究团队的David SpivakBrendan Fong 博士。我们的讨论颠覆了数学是度量与分析世界的工具这个传统认知。


我们的新结论是“纯数学本身即可用来建构(Compose)全新的系统。”


MIT的物理学家、宇宙学家马克思•泰格马克(Max Tegmark)在《Our Mathematical Universe》书中原话:我们的物理学世界不仅是被数学所描述,它正是数学本身,而人类正是这个巨大的数学体系中具有自我意识的一部分。


他在书中追寻了“万物有多大”的问题,探索的前所未有的宏伟尺度:我们所在的地球位于一个星系内,这个星系位于一个宇宙内,这个宇宙位于一个充满了分身的第一层多重宇宙中,而这个第一层多重宇宙又位于一个更加多样化的第二层多重宇宙中,这个第二层多重宇宙又位于下一个量子力学的第三层多数学性质。尽管我们尚不知道这些粒子是否还能分解成更小的结构,但是,弦理论及其竞争理论都暗示着,任何更于的组成部也都是纯粹数学性的。


不管是极大还是极小,但是它们最终都来到还是都来到同一个地方——数学结构的国度。


物质世界与数学世界的关联日趋紧,乃至未来二者或互为镜像!我们是否可以进而大胆地、让人眼前一亮的预测:世界即数学。


比如中本聪的区块链,比如一百多年前爱因斯坦的相对论。爱因斯坦一百多年前通过纯数学的推演,预言了质能互换守恒、时空倒流、引力场、黑洞等,并陆续等到了实证。


三、


2018年3月16日,在斯坦福大学(Suite 305,435 Tasso st, Palo Alto),我和在清华带的学生穆映江、丹华资本丁若宇等一起,与美国科学院院士、中国科学院外籍院士张首晟教授有过三个多小时的讨论交流。


我们一致认为区块链正开启伟大的数字时代。区块链使二维的信息互联变成了三维、四维的价值互联。在区块链时代,每个个人都有权安全的保有自己的已确权的数据、隐私,并可通过区块链交易自己的数据,产生新的价值。


张院士更进一步提出他的观点:“In Math We Trust。”


他认为在人类所有的知识中,最容易达到共识的是数学。


“用数学作为信任的机制,是最自然的做法,真正的区块链的时代,就是使得我们相互间的信任建筑在数学的基础上。


如果我自己做出一个正方体的话,肯定是不完美的。但是如果作为一个数学的形态,正方体则是全对称的,每个顶角都完全一样,每一条边都完全一样,每一个面也完全是一样的。数学的形态是最最精准的,在精准的意义下,也是最易达到共识的。


如果你看整个宇宙最深刻的奥妙之处,那么物理学中关于整个宇宙的最核心的公式和标准模型,也是用非常精妙的数学来描写的,其中绝大部分的数学也是杨振宁先生所开创的。


四、


区块链技术正开启一个崭新的时代。这个时代的革命强度可能是互联网革命的十倍百倍。它使我们可以自己个人拥有自己的信息。互联网只是信息交换,而区块链时代有了价值的交换,我们可以产生数据的市场,每个人拥有自己的数据,然后在交换的过程中产生新的价值。它完全变革了生产关系,使遥远陌生人(或机器)可以互相信任并协同。


分布式记账技术产生的算法是一种强大的、具有颠覆性的创新。分布式账本,从实质上说就是一个可以在多个站点、不同地理位置或者多个机构组成的网络里进行分享的资产数据库。在一个网络里的参与者可以获得一个唯一、真实账本的副本。


账本里区块发生任何篡改,牵一发动全身,都会在所有的副本中被反映出来,反应时间会在几分钟甚至是几秒内。在这个账本里存储的资产可以是金融、法律定义上的、实体的或是电子的资产。


在这个账本里存储的资产的安全性和准确性是通过公私钥以及签名的使用去控制账本的访问权,从而实现密码学基础上的维护。根据网络中达成共识的规则,账本中的记录可以由一个、一些或者所有参与者共同进行更新。


账本记录网络参与者之间的交易,比如资产或数据的交换。这种共享账本消除了调解不同账本的时间和开支,分布式账本中的每条记录都有一个时间戳和唯一的密码签名,这使得账本成为网络中所有交易的可审计历史记录。


五、


区块链的基础是数学,是数学的共识,包括密码学及其背后的数学,大数据及其背后的数学,网络通讯、计算机科学、编程语方等等,也包括数理逻辑、线性代数、数理统计、概率分布、参数估计、群论、积分变化、微分方程拓扑等。




就密码学而言,首要是哈希(hash)函数、散列函数——密码学中的一种编码方法。



输入一个任意长度的字符X,输出一个固定长度的字符H(x)。


比特币采用SHA256,输出64位字符,由10个阿拉伯数字和6个英这一点字母(abcdef)组成。总量是16*64,=2*256


输入相同的字符,输出的哈希值必然相同。


还有保证区块链安全的非对对称加密技术,该技术含有两个密钥:公钥和私钥,首先,系统按照某种密钥生成算法,将输入经过计算机得出私钥,然后,采用另一个算法根据私钥生成公钥,公钥的生成过程不可逆。由于在现有的计算能力条件下难以通过公钥来穷举私钥(即计算上不可行),因此可以认为是数据是安全的,从而能够保证区块链的数据安全。





常用的非对称加密算法有:RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC(椭圆曲线加密算法)。




还有零知识证明、同态加密、盲签名、群签名、环签名、多重签名、以及链表结构、交易结构、有向无环图(DAG)、可扩展性(UTXO)、简单性、共识机制、算力挖矿共识机制(POW)、权益证明(POS)、权益授权证明(DPOS)、拜占廷将军问题、实用拜占廷容错、授权拜占廷容错,P2P网络、链网结构、跨链技术(包含原子互换、见证人机制、侧链、侧链协议、中继技术、哈希时间锁等,Polkadot有可能在跨链和平行链取得突破)、扩容技术(包括分片、隔离见证、闪电网络、雷电网络)、智能合约、智能合约形式化验证等等涉及博奕论、密码学、分布式存储等数学知识。


下图是区块链各种共识机制的比较评析。


图二、典型共识机制的比较和现存的主要问题


 


六、


就笔者来看,最可靠的还是完全剔除了人性的纯数学共识的POW算力挖矿机制。其它的机制都有中心的人为安排,虽然能耗有所降低,但安全性、真实性都有不足。


POW也是区块链诞生时伴BTC而来的、其算力十一年来增长极快,已超过1.1678万万万亿次哈希碰撞/秒。我认为它并不是纯粹浪费能源,其千叠浪万仞岗一样壁立陡增的算力现在可能也就中美集全国之力可以破解。


如果BTC再挖十年二十年,其算力的壁垒之强大,可能全人类都无能为力了,基本上就是一骑绝尘,奔向太空。


POW的设计考虑了数学开采挖矿的技术性,也有一系列复杂的经济安排和人性博弈的相互制约和平衡。


比如这次2020年5月12日的减半后,部分产出较低、能耗较高的老矿机在九千美元的BTC价格下,挖出的BTC已不足以支付电费,将被迫关机。而关机后算力下降,又使继续坚持挖矿者的难度相对下降,得到的BTC数相对增多,这样即使BTC的价格即使暴跌也不致于坍塌式全面关机。


将来再过五十年一百年,挖矿所得BTC日渐稀少后,BTC价格将高企,矿工打包Block获得手续费也足以支撑全网正常运行。


BTC区块链累积的全部历史算力,可以有效地防范对历史成果,对已挖出的BTC资产的盗窃,及对BTC发行量、发行曲线、发行机制的篡改。


BTC的POW每十分钟都会再加固一次,而很多新技术,不用耗费算力了,找几个超级节点来签名,这种多签的方法证明的区块链,有再多历史积累都等于零。为啥?因为未来任何一天,如果节点合谋了,一瞬间就可以把全部历史区块链篡改并重新签一遍名,只需要花费极小的代价和极短的时间。其靠谱程度和比特币的技术相比根本就是天壤之别。


笔者曾与Exoplanet Capital 的CEO Kevin 及北航软件学院特聘教授刘青焱认真探讨过多次这个问题。我们一致认为BTC的算力不仅不是虚耗能源,而是为硅基数学共识的未来世界打造的“共识之锚、数据之盾”。


也就是我们可以把现实世界中最难、分歧可能最大、利益极深的共识链接到BTC这个锚上,比如国家、军队、选举、核武库等等。


现实世界中20万油轮配备的锚多在10吨左右,当年世界最大的油轮,诺克·耐维斯号满载排水量82吨,锚有36吨。而如果是军舰的话,这个比例更加严格,美国尼米兹级航母排水量9万吨,但是船锚27吨。


七、


中国人民银行数字货币研究所所长姚前撰文指出:分布式记账技术(Distrubuted Ledger Technology ,简称DLT)的出现可能是账本技术继数字化之后的又一次重大飞跃。在工作量证明机制中,矿工通过“挖矿”完成对交易记录的记账过程,为网络各节点提供了公共可见的去中心化共享总账(Decentralized Shared Ledger,简称DSL)。每条区块链即是一本账本,在会计意义上与传统账本无本质差别,但从技术角度看,DLT账本不仅传承了传统的记账哲学,又以其独特的创新,具有一些传统账本无法比拟的优点,不仅可以在公司账本,还可以在国家账本和行业账本编制上发挥所长,解决痛点。他认为,传统的记账模式基于账户。在会计上,账号(Account)是根据会计科目设置的用于反映会计要素的增减变动情况及其结果的载体;在系统实现上,账户是一系列服务合约(Agreement)的承载体,一个账户中可能集合了多种产品或者服务,账户余额的变化是机构对产品或者服务产生的原始交易数据进行记录、汇总、分类、整理后反映在账户上的结果。传统的电子支付通过开立在中心化机构的账号余额的变化而实现,完全依赖中心机构的行为。与之不同,比特币系统在账本处理上采用了另一种新的模式:UTXO(Unspent Transaction Output,未花费的交易输出)模式。从经济学角度看,UTXO实质上是经公众一致同意后的未来价值索取权。(微信公众号“清华金融评论”,《姚前:分布式账本与传统账本的异同及其现实意义l央行与货币》)。


比特币的区块链系统通过构造包含解锁脚本和锁定脚本的交易输入和交易输出,描述和完成了因交易而引起的未来价值索取权的转移。


区块链不需要账户,却通过UTXO完成了“价值”的转移,UTXO扮演了“货币”的角色。


某种意义上,我们可以将区块链理解为交易“流水账”,它通过编码的方式难以篡改地记录了所有交易信息。而现实中我们习以为常的账户信息也是对交易“流水账”信息的二次加工。只不过UTXO通过解锁脚本和锁定脚本的设计,在不同时序交易间串接起了一条未来价值索取权转移和流通渠道。


通过分析,他得出结论:1、与Account模式相比,UTXO模式的优势在于,容易并行处理,提高效率。但是,UTXO模式要存储所有流量信息,数据存储压力较大,Account模式只请求当前的存量信息,忽略所有流量信息,但前提是,当前的存量信息是可信的。从监管角度看,UTXO模式存储了所有流量信息,更有利于监管和审计。2、同传统的账户处理一样,UTXO的处理也包含了“有借必有贷,借贷必相等”的记账哲学。表现为:UTXO有交易输出,必有交易输入,而有交易输入,必有交易输出,交易输入的金额必然等于交易输出的金额,与“有借必有贷,信贷必相等”的内涵一致。3、DLT首先通过交易签名保障了账证相符。账就是证,证就是账,两者一致,难以篡改。其次,,DLT通过共识机制来实现各类主体的账账相符。交易信息只有获得共识,才会写入共事总账;写入账上的信息,必然已得到各主体的共识,账账自动相符。再者, DLT利用跨链协议开展款款兑付、券款兑付,从而自动完成账实相符。跨链技术不仅在交易上保障了款款兑付、券款兑付的原子性,而且在记账上保障了跨链不同主体账本之间的一致性。


姚前还认为布式记可以提高财务报表的及时性相关性与,更可以发挥作用,让国家账本编制变得真正可行。比如,将自然资源、无形资产、金融资产、实物资产上链,并构建全局式的打破各种信息壁垒的数据互通共享平台,统一信息入口,避免大量重复工作,降低毁据验证的差错率,使各机构、部门、行业和地区间的数据共享、验证和统计更加高效。从技术特点看,区块链系统每个参与方都是一个异地多活节点,是天生的多活系统,而且可以通过跨链技术实现不同账本之间信息的一致性,比较适合覆盖面极其广泛、涉及主体极其多样的国家账本获取全局信息。


前说到的避大量重复工作本人有体仅就金融而言比如一家大型企业可能在十银行开户有存、贷款但由于账本的公信力不足。所以每银行对该企业款前分别对其进行独立的财审核风险调查,耗费大量人才、时间而企业也须对应准备重叠架的大量料,于应对。


生活中经常花大量时间力去完成毫无意义的多种重填表,证明我妈是我圈。


而广之,分布式记实际就是数据管理、数学共识可以应用于除经济外的人类社会建的有领城,包括选举、公投、民调、国家政治、军事、教育、技等一切领。并产生巨大的模效和协效应。


八、


研究不对称信息市场的诺奖获得者阿克洛夫(Akerlof) 指出:人和人之间本来是没有互信的,高品质的产品要把自己彰显出来,与低品质的产品区分开来,需要很大的成本,这个问题不解决,就会出现劣币驱逐良币的现象。当消费者无法分辨高品质商品和低品质商品时,他们就会离场,卖家也同样会离场,交易就会消失,市场崩溃。


过去我们完全依赖权威的第三方中介,如银行、公证处、政府机构等来建立互信,以减少信息不对称。


但问题如我们前面的研究,一是成本过高,二是第三方的可信度本身也有疑问。


而区块链的分布式记账则可以较好地解决这些问题,它以数学的共认使陌生人可以完全相互信任,而且使所有交易可回溯可追踪不能造假。


它把记账的权利还给了人民:


1、每人都有记账的权力。这从机制上保证了可以达成无可辩驳的共识。


2、任何人都无法篡改账本。因为所有记录都经过了可靠的哈希加密,和密码签名。


3、每人都有账页的副本。分布式记账保证了参与者的权力不受侵犯,体现了真正的人民民主。


中央政治局在2019年10月25日认为:“区块链技术应用已延伸到数字金融、物联网、智能制造、供应链管理、数字资产交易等多个领域。


目前,全球主要国家都在加快布局区块链技术发展。我国在区块链领域拥有良好基础,要加快推动区块链技术和产业创新发展,积极推进区块链和经济社会融合发展。要强化基础研究,提升原始创新能力,努力让我国在区块链这个新兴领域走在理论最前沿、占据创新制高点、取得产业新优势。要推动协同攻关,加快准进核心技术突破,为区块链应用发展提供安全可控的技术支撑。要加强区块链标准化研究,提升国际话语权和规则制定权。要加快产业发展,发挥好市场优势,进一步打通创新链、应用链、价值链。要构建区块链产业生态,加快区块链和人工智能、大数据、物联网等前沿信息技术的深度融合,推动集成创新和融合应用”。


从理论上说,区块链的发展是人类由人性的碳基共识向数学的硅基共识升华的开始,是颠覆性的跃迁,其自组织自激励去中介的特性正在改变我们生活的方方面面。


十一年多以前,由中本聪开创的区块链分布式记账如微风起于青萍之末,如号称立德立言立功三不朽的曾国藩所形容过的“风之为物”,试图把握它时,像是空无一物;试图钳制它时,像是很容易衰弱,但是“及其既成,发大木,拨大屋,一动而万里应,穷天下之力而莫之能御。”


让我们迎风起舞!

 

 


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