比特币和区块链的学术谱系

温斯顿·邱吉尔说过一句名言，大概意思是：你回首看得越远，你向前也会看得越远。比特币印证了这句话：比特币的非凡和成功之处不在于它处于任何组件研究的前沿，而在于它整合了许多不相关领域的旧创意。

本文回顾了比特币和区块链的学术谱系，展示了其组合创新的典范。文章虽然很长，但着墨之处，句句都切中技术演进中的关键点。纵观全文，如下图目录所示，读者很容易建立比特币技术路线的整体图景。文章分别梳理总账本，货币，矿工的技术路线，层层递进，阐述这三个不同领域的技术积累如何汇集于比特币这一神奇的创意。

值得一提的是，关于分布式一致性和共识机制，目前主流的分布式技术，包括各种云计算解决方案，都没有直面拜占庭故障，那么基于大规模P2P网络结构的比特币是如何解决这些问题呢？以及又是如何激励节点参与共识呢？相信本文会给你精彩的答案！

如果你已经在媒体上看到过比特币，并且对密码学领域的学术研究有一定的了解，那么你可能会有如下的印象：从David Chaum开始(文献10,12)，几十年来很多人对数字现金(digital cash)的努力研究，最终都没有获得商业上的成功。因为这些工作需要一个集中的银行服务器来控制系统，而没有任何一家银行愿意为其背书。随着比特币的出现，提出了一种不需要银行的去中心化加密货币(cryptocurrency)方案，数字现金(digital cash)终于大获成功。比特币的发明者，神秘的中本聪，并不是一个学术界的人，比特币与早期的学术方案并无相似之处。

*译注：David Chaum，数字现金之父，早在1983年，在比特币出现的25年前，David Chaum发明了数字现金(digital cash)。

本文认为，几乎所有比特币的技术组件都起源于20世纪80年代和90年代的学术文献（见图1）。 这并不是为了削弱中本聪的成就，而是指出他站在巨人的肩膀上。 事实上，通过追溯比特币思想的起源，我们可以将中本聪洞察力的真正飞跃归结为一个特定的，复杂的方式——一种组合创新（把底层组件整合在一起）的方式。这有助于解释为什么比特币花了这么长时间才被发明。已经熟悉比特币工作原理的读者可以从这个历史回溯中获得更深入的了解（更多介绍，参考Arvind和Narayanan等人的Bitcoinand Cryptocurrency Technologies(文献36)。 比特币的思想文化史也可以作为一个展示学术界、外部研究者和从业者之间合作关系的研究案例，并且为这些不同的群体之间如何彼此合作获益提供经验教训。

*译注：比特币可谓组合式创新的典范。

1 总账本(The Ledger)

如果你拥有安全的总账本，那么将其用于数字支付系统的过程很简单。例如，如果Alice通过PayPal给Bob 100美元，则PayPal从Alice的账户中扣除100美元，并将100美元存入Bob的账户。这大体上和传统银行业务中发生的事情差不多，虽然银行的复杂业务之间并没有一个共享的总账本。

总账本的概念是理解比特币的起点。它记录了系统发生的所有事务，并且对系统的所有参与者开放，并被他们信赖。比特币将系统的支付记录转换为货币记录。在银行业务中，账户余额代表可以从银行取出来的现金，但一个比特币代表什么？就目前而言，比特币代表包含固定价值的一次买卖（交易）。

在互联网这样参与者之间可能互不信任的环境中，怎样才能如何建立一个总账本？让我们从简单的部分开始：数据结构的选择。这个数据结构必须满足一定的属性要求——总账本应该是不可变的。更准确地说，只能增加：可以添加新的交易，但不能删除、修改或对已有交易重新排序。除此之外，还需要一种方法来获得总账本状态的密码摘要。摘要是一个简短的字符串，可以避免存储整个总账本。如果总账本被篡改，所产生的摘要必然会发生变化，从而可以检测到篡改。 需要这些属性的原因是：与存储在单个机器上的常规数据结构不同，总账本是由相互不信任的一组参与者共同维护的全局数据结构。 这与去中心化数字总账本(decentralizing digital ledgers, 文献7,13,21)的方法是不同的，在分布式数字总账本中，参与者维护本地总账本，并且由用户查询这些总账本来解决冲突。