比特币的基础：区块链的进一步发展和创新

比特币的去中心化底层架构，就是我们今天熟悉的区块链技术。区块链技术具有广泛的应用场景：数据确权、身份认证、资产清算、溯源防伪、加密通信、供应链金融、版权保护和公益捐赠等。

比特币通过分布式账本实现了价值互联，让市场看到区块链技术应用的广阔前景及区块链技术项目背后蕴藏的巨大价值。过去几年，区块链技术的加速发展，不仅推动着加密社会的到来，也推动着生产关系和社会组织形式的重构。

一、区块链技术的不断完善

过去几年，区块链技术的完善主要表现在以下四个方面。

1.提升可扩展性与每秒交易量（transactions per second，TPS）

比特币网络平均每10分钟产生一个区块，一秒钟只能完成大约7个交易。这大大限制了比特币网络在实际场景中的应用，比如高频支付等。为了解决比特币网络的上述缺陷，业界其他公链开发者尝试从纵向角度（如提高区块容量、减少出块时间和修改共识机制）或横向角度（侧链、跨链和分片等技术）来提高区块链底层的可扩展性与TPS。

2.采纳智能合约处理复杂交易

比特币网络局限于点对点支付，而不支持在链上进行复杂的交易，且在链上开发应用也并不容易。以太坊提出的智能合约，部分解决了这一问题，令区块链应用层面的开发变得更加容易。

3.匿名与隐私保障的提升

比特币上的交易信息（如交易额度、发送地址和接收地址）是公开而非匿名的，一旦与个人信息关联，就很容易被追踪。为解决这一问题，一些区块链项目采用了零知识证明（zero-knowledge proof）或者环形签名机密交易（ring confidential transactions）等技术手段，让区块链节点在不知道交易信息细节的情况下仍然能够验证交易是否真实发生，促进了区块链匿名隐私方向的发展。鉴于这是一个过于深奥的领域，因此限于篇幅不再展开讨论。

4.缓解存储限制问题

基于区块链底层开发的应用需要大量的存储空间，将数据存储在区块链数据库意味着所有的节点都需要无限存储数据，这个成本非常高。一些项目利用区块链的代币激励机制，让各个分散节点（包括计算机、手机和硬盘等硬件）贡献闲置的存储空间来获得奖励，形成共享经济。对于构建在区块链上的任何现实应用来说，存储限制的每一次突破都让应用数据上链变得更加可能。

二、共识机制获得进一步发展

比特币采用分布式账本（区块链）来记录所有的经过验证的交易，未经确认的交易会由挖矿节点筛选放入候选区块。挖矿节点通过竞赛解出其候选区块的数学难题，一旦某个节点率先找到答案，还要获得其他节点的验证与认可，由该节点记账的区块方可加入区块链，至此，该节点上的矿工才算得上是挖矿成功。由于在分布式网络中的其他节点也可能已经挖出新区块，因此出现“谁才有记账权”（“谁才是下个区块”）的问题。

比特币网络采用了工作量证明的“共识机制”来解决上述问题，即在工作量证明机制下选择累计工作量最大的区块链，而不在最长链上的区块则会被放弃。

过去几年，围绕“谁有资格记账”“谁来验证交易”和“谁来存储账本”等一致性问题的共识机制也在不断被探讨，这些研究的成果促进了区块链项目的发展和应用。

迄今为止，主流的共识机制包括：

1.工作量证明（proof of work，POW）

矿工提供的算力越多，其获得记账权的概率越大。用这种方式，人性成本最低，作恶成本最高，但非常消耗资源。因为只有持有的算力越大，才越有可能成功。

2.权益证明（proof of staking，POS）

和靠算力拼成功率的POW不同，在POS的共识机制里，每个握有数字货币的节点都有机会被系统挑选为生产新区块的人，其拥有的数字货币越多、持有时间越长，越有可能获得挖矿奖励。

3.股份授权机制（delegated proof of staking，DPOS）

由无数个节点选举出若干代理（即成为超级节点），随机安排记账权，每隔一段时间重新筛选。

4.实用拜占庭容错算法（practical Byzantine fault tolerance，PBFT）

全节点记账，但需要2/3以上的节点一致才可确认交易。

5.容量证明（proof of capacity，POC）

节点提供的硬盘有效容量越大，获得记账权的概率越大。

6.混合共识机制

有不少项目用的是以上两种或两种以上的共识机制，基于不同的情况启用不同的共识机制。

围绕上述共识机制，业界进行了大量的研究与尝试，促进了区块链技术的变革，令后期的项目更具投资价值，进而可以应用于更多不同的领域。

共识机制（分布式一致性算法）并非本书的重点，因此仅做粗略介绍，有兴趣的读者可以根据以上信息寻找相应的参考资料。

三、底层公链不断出现实质性突破

随着链圈（关注区块链的开发和应用的人群）对比特币的底层技术与运行机制研究的深入，业界开始探讨底层公链的改进方案。

所谓底层公链，是与比特币的去中心化息息相关的一种区块链技术。区块链根据去中心化的程度大体可分为公链、联盟链和私链。公链即任何人都可读取、发送交易且能获得有效确认的一种区块链，比特币采用的是公链。私链是写入权限，仅在一个组织手里的区块链。联盟链则是指开放程度和去中心化程度是有所限制的区块链，其参与者被提前筛选出来，或被直接指定。

如表1-3所示，在比特币之后，区块链行业出现了几个具有实质性突破的公链项目。

然而，行业上的公链项目远不止于此。在2017—2018年币圈（数字货币玩家天然形成的圈子）繁荣时期，行业呈现出“百链争鸣”的景象。几乎所有的公链都宣称要弥补比特币和超越以太坊，成为商业级公链和大规模落地的项目。从这些项目的白皮书中可以发现，它们设想的超越手段也是多种多样的，如表1-4所示。

我们预期，在区块链发展的成熟阶段，能够开发完成和继续运行的公链项目一定少之又少。我们无法正确判断哪些公链项目会继续开发并最终成功上线，但能够完成的公链项目一定会具备以下4个特征：

第一，有一群勤劳的开发者在持续更新代码，以及一群技术粉丝保持关注。

第二，对开发者友好，能够支持多种开发语言和提供多种开发工具。

第三，可以吸引分布式应用（decentralized application，DApp）项目开发，至于DApp的类型，可以是分布式金融（decentralized finance，DeFi）、分布式游戏（decentralized game，DGame）以及其他应用，只要是有必要应用区块链技术并且能落地的应用即可。

第四，公链的通证经济模型被证明合理。

四、比特币促进“自组织”趋势发展

比特币系统的内在激励机制使区块链不仅仅是一门技术。受比特币启发衍生出的通证经济模型，让“自组织”成为可能。

在“自组织”的形式下，个体在组织中的角色是多重的，包括投资者（购买代币，并持有代币等待其升值）、用户（支付代币获得服务）、员工（提供算力获得代币的奖励）和管理层（抵押代币获得投票权）等。但不管是哪种角色，都有共同的目标——让代币背后的生态体系蓬勃发展。

区块链技术，正在成为该领域的从业者、投资者和用户实现分布式、去中心化和自组织的底层技术架构。

（作者：余刚，陈万丰）