作者／曲建仲

 

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、節點資料同步三種技術統稱為「區塊鏈」。所以到底這三種技術是怎麼做的呢？

 

公開金鑰加密

公開金鑰加密（public key encryption）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「私有金鑰（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有金鑰，並且在網路上發佈公開金鑰。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「私有金鑰」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 10 btc 購買一顆蘋果，則她的手機應用程式（比特幣電子錢包）使用 Alice 自己的私有金鑰將訊息加密，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 私有金鑰加密過的訊息。

 

▲圖二：比特幣的交易識別確認機制。

 

比特幣帳本

比特幣帳本是由一個一個的「區塊」連接而成的「鏈結」，因此這種技術又稱為「區塊鏈」，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。（資料來源：杜宏毅博士，Block Chain 的前世今生與未來，臺灣網路認證公司）

 

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式，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 作業系統格式表示。

→“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

→“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 35561 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 277316 個。

 

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

 

▲圖四：比特幣帳本。（資料來源：杜宏毅博士，Block Chain 的前世今生與未來，臺灣網路認證公司）

 

雜湊演算法

雜湊演算法（hash algorithm）是一種從資料中建立「數位指紋（digitalngerprint）」的方法，可以將任何長度的原始資料轉換成一個長度較短的雜湊值，而且也很難由雜湊值反推原始資料，等於是把原始資料加密了一樣，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，因此稱為「數位指紋」。我們可以利用雜湊值來確認資料有沒有被篡改，同時因為很難由雜湊值反推原始資料，因此也很難篡改。

 

區塊的意義

「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（hash）」很簡單， 則這整個保護機制就無效，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

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」就是計算出一個「區塊」其「雜湊」小於「困難指數」，找到了這個區塊就可以把「交易」打包「封鎖」起來。

進行採礦的人稱為「礦工（miner）」，計算出一個區塊可以獲得 50 btc 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 分鐘採出一個區塊，每採出 21 萬個區塊（大約四年）酬勞減半，因此比特幣總數不超過 2100 萬個（btc），總數固定可以提升比特幣的價值。

比特幣 2009 年發行時礦工酬勞 50 btc，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 12.5 btc，酬勞下降使手續費成為採礦動機。為了維持大約每 10 分鐘採出一個區塊，可儲存 1 MB 的資訊，產生新區塊的難度會定期調整，每採出 2016 個區塊（大約兩週）會自動調整接下來 2016 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）產品來採礦，2013 年礦工開始使用圖形處理器（Graphics Processing Unit, GPU）、現場可程式化邏輯陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）來進行，甚至特定應用積體電路（Application Specic Integrated Circuit, ASIC）投入，使得個人礦工已經沒有收益。

 

比特幣的限制

區塊鏈的技術是電腦科學家創造出來的東西，它有許多優點產生許多創新的應用，但是同樣的也有許多限制，目前比特幣遇到的困難主要有下列幾項：

1. 比特幣大約每十分鐘採出一個區塊，可儲存 1 MB 的資訊，由於每一個區塊容量是有限制的，隨著交易量愈來愈多，容量的限制會使處理速度受到影響，這個問題可以經由變更比特幣的設計來改善，但是目前比特幣社群尚無共識。

2. 由於區塊容量的限制，再加上工作量證明也需要時間處理，因此比特幣無法處理頻繁的交易，和目前廣泛使用的 VISA 這樣能夠每秒處理數萬次交易的支付系統相差很多，因此比特幣不適合即時大量的小額交易。

3. 使用「可驗證的匿名制」，可驗證代表可以確認這筆交易的真實性，匿名制代表並不知道發動這筆交易的人是誰，因此容易造成交易追蹤斷線變成不法人士的洗錢管道，例如日前的勒索病毒「WannaCry」肆虐全球，怪客向受害者勒索價值 300 美元的比特幣，使用比特幣就是因為不容易追蹤。

4. 分散式拓撲沒有中央控管機制，會造成交易不確定性、究責與賠償困難，而且服務提供者（節點或電子錢包）的技術可能會有落差，哪一天真的發現自己的比特幣不見了！或是已經完成的交易卻無效，基本上很難找到負責的人。

5. 由於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，後來發現區塊鏈落實困難，也很難直接套用到現用的其他應用上，因此開始演化並且出現新名字，例如：分散式帳本（distributed ledger）、分享式帳本（shared ledger）、超級帳本（hyper ledger）等。

6. 比特幣的目標明確，就是要取代傳統貨幣扮演貨幣支付的角色，但是仍然有許多困難必須克服，包括：重複支付、結算確認、交易同步等。

 

區塊鏈的應用

比特幣主要必須達到下列三個特性，區塊鏈是集合了幾種軟體程式的技術，由全世界許多節點（伺服器）組成的系統，只要滿足三個特性的應用都可以思考是否能夠使用區塊鏈來做：

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：使用區塊與鏈結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）使每個節點（伺服器）的比特幣帳本收斂同步。

由於區塊鏈的技術有優點也有限制，因此不必過度吹捧它，我們還是要回歸基本面來判斷區塊鏈是否適合應用在某種商業模式。依照目前區塊鏈的發展，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）、智慧型合約（smart contract）、國內支付（domestic payment）、國際支付（international payment）、貿易金融（trade nance）、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 將其應用在私有帳本（private ledger）提供各種金融應用。

 

 

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