刘志毅：区块链技术演进与比特币基础

摘要：本系列是数字经济学家刘志毅的《AI与区块链智慧经济系列》，主要探讨区块链智慧经济。主要内容来自刘志毅即将出版的《AI与区块链智能》一书（包括书中未收录的部分内容）

个人介绍：数字经济学家刘志毅提出数字经济学理论。主要研究领域为人工智能、智能经济和数字经济。商汤智能产业研究院院长、同济大学人工智能与区块链智能实验室（AIBI）研究员、中国区块链技术改革联盟首席经济学家。

出版数字经济领域专着《智能经济：用数字经济思维看世界》、《无界：人工智能时代的认知升级》，正在出版《数字经济》、《人工智能》等专着和区块链智能等。

我们这本书的核心是人工智能和区块链技术的范式革命。之所以选择这两种技术，是因为人工智能技术代表了生产力的革命，而区块链则代表了生产力的革命。生产关系的变化。因此比特币是什么通俗解释，如何理解区块链技术对生产关系的改造是关键。接下来，我将从区块链的技术特点、区块链的数学基础、区块链的演进三个方面来探讨这个问题。

我们首先讨论区块链技术的特点。区块链技术的创新主要体现在以下四个方面：

在这里，我们特别关注分布式账本的特点，所谓分布式账本技术，本质上是一个资产数据库，可以在由多个站点和不同机构组成的网络中共享。每个网络节点都可以获得一份唯一的一、真实账本的副本，任何变化都会反映在副本中，而存储在这个账本中的资产可以是金融资产​​或法定资产，也可以是实物资产或电子资产资产。存储在这个账本中的资产的安全性和准确性是通过使用公私钥和签名来控制账本的访问权限，从而实现基于密码学的维护。账本中的记录可以由一个、部分或所有参与者根据网络中的共识规则共同更新。也就是说，分布式账本是通过在分布式网络中加入一个非对称加密的密码账本系统形成的。

然后我们讨论区块链技术所涉及的数学基础，在第一讲中我们探讨了信息技术哲学中的计算主义思想，本质上讨论了技术背后的思想根源。信息技术的发展形成了两个完全不同的平行世界：一个世界是我们生活的物理世界，这个物理世界是实体经济主导的世界，以及牛顿物理定律主导的原子世界。世界;世界是思想的世界，即由比特组成的世界，信息世界的规则在这个世界中起着核心作用。有很多方法可以连接这两个世界。在过去的三十年里，以信息互联网为载体进行链接，我们看到了信息网络的作用；在接下来的几十年中，我们可以看到区块链网络将成为一个新的载体，在两个平行世界之间建立基础。

从科学哲学的角度来看，数学是所有现代科学理论的基本思维方式。科学哲学之父泰勒斯提出在数学中通过逻辑来证明命题的正确性，为整个西方科学研究的经验经验奠定了基础。另一位伟大的哲学家毕达哥拉斯奠定了数学哲学的基础。他确立了“万物皆数”的概念，也确立了从古希腊延续至今的重视数学基础理论的科学精神。 我们可以看到，西方学者的基础研究进展大多是建立在基础数学理论的研究之上的。

这里需要说明的是，在具体的技术范式上，过去几十年对互联网的研究都是基于其背后的数学基因，整个互联网网络都是在图灵机和与算法逻辑有关。那么，区块链技术也应该有自己的数学理论基础。只有在数学和算法的基础上，才能开发出一套完整的应用场景和技术演进过程。这里我们简要讨论一下区块链技术已经具备的应用数学范式的条件：

我们可以看到，区块链技术所涉及的技术范式其实是过去几十年积累起来的，尤其是对应的密码学理论。此外，我们看到基于网络理论的数学研究已经涉及到图论相关领域，即以空间、维度和变换为研究对象，这使得区块链技术在未来具有更大的研究前景。在近几年的互联网研究中，基于网络经济、共享经济和信息经济的数学理论研究，其实或多或少都与区块链技术相关。当我们将区块链技术视为“下一代互联网”时，我们需要弄清楚这些理论背后的数学基础与区块链技术发展之间的关系。

最后，我们来分析一下区块链1.0到区块链3.0技术的演进。值得注意的是，现阶段主要是基于近十年区块链技术的发展。事实上，区块链技术还处于非常早期的阶段，我们可以期待更长的时间。对这个划分将重新定义。在现有惯例的基础上，我们根据技术发展的当前阶段向读者介绍。

所谓区块链1.0阶段是2009年1月推出的比特币区块链最典型的代表。比特币区块链系统最重要的目标是成为“点对点”电子现金系统”，发送方和接收方直接进行交易，无需中间人。比特币的区块链基于工作量证明，带有时间戳、存储数据的数据块以及由哈希指针形成的链。这条链以分布式的方式存储在比特币网络的各个节点上，从而形成了我们前面提到的分布式账本的概念。

这里我们将简要介绍比特币区块链技术涉及的一些基本概念，主要包括以下三个：

工作量证明：所谓工作量证明是指硬币网络中的节点按照规则进行加密哈希计算，以竞争生成新区块的权利。节点在竞赛获胜后获得记账权，生成的区块成为最新区块后，可以获得对应区块的生产奖励。工作量证明是最重要和最基本的共识机制之一。

最长链原理：比特币工作量证明机制的本质是一个节点，一票，最长的链包含的工作量最大，所以“大多数人”的决定可以表示为最长的链条。通俗的讲，比特币区块是矿工不断的数学运算产生的，每个区块都必须参考它的前一个区块，所以最长的链也是最难被推翻和篡改的，所以节点一直被认为是最长链是一条有效的区块链，只有在最长链上挖矿的矿工才能获得奖励。这就是我们常说的比特币最长链原理。

UTXO（未花费交易输出）：比特币的记账方式，本质上可以认为比特币账本是一个状态转换系统，每一个新的区块和它之前的所有区块形成一个新的，在确认之前不能随意篡改，而UTXO是这种记账方式的基本技术概念。所以有一种说法，世界上没有比特币，只有UTXO，地址中的比特币是指没有花费的交易输出。

接下来介绍区块链2.0，其中以2015年7月上线的以太坊为代表。以太坊最大的价值在于通过智能合约机制构建去中心化应用的平台，即构建基于区块链技术的操作系统。由于比特币区块链存在事实上的缺陷，包括缺乏图灵完备性（无法支持所有计算）、无法提供账户提款金额的精细样本、无法进行复杂的合约计算等。由创始人 Vitalik 创建。据他介绍，以太坊的目标是“为城市提供一种内置图灵完备编程语言的区块链，其中可以创建合约来编码和实现任意状态转换功能。”也就是说，以太坊创造了一条新的公链。该区块链具有图灵完备的脚本，可用于创建复杂的智能合约来控制所有区块链状态的转换，因此可以在链上转移数字资产。确认和传递，从而实现从信息互联网向“价值互联网”的转变。以太坊区块链有一个非常棒的计划。它希望把以太坊区块链打造成一台世界计算机，构建一个全球性的大型协作网络，让每个人都可以计算和使用以太坊区块链。当然，这个想法还没有得到充分验证，但它有一个基本的原型。

这里要介绍的重要概念是智能合约，它是由著名的计算机科学家和密码学家尼克·萨博在 1994 年提出的，他将智能合约定义为“智能合约是一种计算机化的交易协议，它强制执行一个合同”。智能合约旨在执行一般合同条件，同时最大限度地减少恶意和意外情况，以及最大限度地减少信用中介的使用。

智能合约不是合约，智能合约是一种计算机程序，可确保您的合约无需第三方帮助即可执行。我们可以这样理解：区块链存储状态，智能合约是如何用于状态转换的。智能合约不是合约，而是计算机程序。这个电脑程序可以保证在你们两个签订合同后，谁会自动触发相应的执行条款。这就是区块链2.0的本质。值得注意的是，Nick Szabo 在他的论文中也讨论了如何利用智能合约对实物资产形成智能资产的逻辑，即如何通过智能程序设定的规则来控制资产。

其实我们可以看到区块链1.0的核心是数字现金，区块链2.0的核心是数字资产，区块链3.0的核心应该成为大规模商业应用的平台。原因是即使是区块链2.0也有缺陷，可以支持部分应用开发，但是在性能上还是有很多方面的缺陷，无法支持大规模的商业应用开发，比如速度交易量中，比特币的交易速度仅为每秒 7 笔，而以太坊绝对不会超过每秒 20 笔。

到目前为止，真正的区块链3.0应用还没有实现，无论是以HyperLedger为代表的联盟链，还是以通用公链为代表的EOS等，都还在探索和成长中可以期待，在区块链3.0时代，将形成产业基础公链、功能基础公链和通用基础公链并存的产业生态。 @3. 期待第 0 阶段的发展。

区块链技术的现阶段可以比作1990年代后期的互联网阶段，是一个比较早期的阶段。但这并不意味着我们应该忽视它的发展。由于区块链技术的发展不依赖于硬件的发展，而是依赖于算法、数学和软件生态的发展，从逻辑上讲，它的发展速度会比互联网快。一方面，区块链技术可以应用于金融，尤其是与数字资产相关的领域。另一方面，区块链技术可以为互联网解决去中心化问题提供新的技术基础。因此比特币是什么通俗解释，可以预见，区块链技术将在未来几十年实现真正的大规模商业应用，成为下一个真正引发产业变革的基础技术。