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巴比特原创 | 区块链将引爆跨学科研究，比特币只是第一颗“核弹”

洒脱喜2019-11-28 01:42:39

战争因其非预期的后果而臭名昭著，但其也加速了组织、科学、技术、社会和政治变革，第一次世界大战就是这样的例子，1919年，一些学术团体的代表成立了美国学术团体理事会，之后的五年里，“跨学科”（interdisciplinary）一词开始出现，其最初的含义相当于“合作研究” ^[1] 。

跨学科研究涉及将两个或多个学科结合到一个活动或者项目当中，其思考方式是通过跨越边界来创造某种东西，比如HIV/AIDS和全球变暖问题，就需要运用不同的学科才能去尝试解决这种复杂问题 ^[2] 。

而新出现的区块链，它也是一种跨学科的产物，其涉及到的学科种类非常繁多，主要有数学、计算机科学、密码学、经济学、法学，此外还可能会涉及到政治学、哲学乃至宗教学等。

因此想要真正地掌握区块链，实际上是一件极其困难的事情，而在当今世界上，能够同时精通这些学科的人是极其罕见的，而比特币神秘的创造者satoshi nakamoto（中本聪）就是这样的一个人或者群体。

本文旨在简单地提炼出区块链涉及到的学科及一些具体的分支（限于篇幅和能力，这里仅提主要的几个学科），如果我们把区块链当作是一个兵工厂，那么接下来我们要做的，就是将它一点一点整理出来，然后再组装成武器，为接下来可能爆发的区块链战争作好准备。

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(区块链主要涉及的学科)

一、区块链与数学

在区块链的世界里，我们会遇到一大堆奇怪的术语，例如“coinbase”、“merkle root”、“block”等，而这些术语背后，其实都是数学在作为基础，而数学作为一个基础支柱层，它支撑着密码学和计算机科学，比如上图中提到的有限域和代数曲线，它们就是比特币区块链椭圆曲线算法ECDSA的基础，而像零知识证明算法，则是运用到了更多复杂的数学计算，也因此，区块链本质上是建立在数学基础之上的，反过来，它的兴起也在促进人们对数学学科的探索。

二、区块链与计算机科学

计算机科学实际是涉猎非常广泛的学科，并且它与密码学的关系非常密切，在本文当中，我们主要讲的是编程语言和分布式计算。

2、1 关于编程语言

当我们要使用某种区块链时，就需要去下载该区块链的软件，而软件就是通过编程语言编写的，例如比特币最初的客户端就是中本聪通过c++语言编写的，后面core还添加了Python语言版本，而另一大区块链平台以太坊，则拥有多个语言版本的客户端，例如使用Go语言的go-ethereum（geth），使用javascript语言的ethereumjs-lib，使用Rust语言的Parity等，此外，以太坊的智能合约则是通过solidity或者Vyper语言编写的 ^[3] ，又或者Facebook正在开发的Libra稳定币项目，它是通过一种新的编程语言Move ^[4] 编写的。

随着区块链的发展，一些原本较为小众的语言开始逐渐发光，例如Rust语言就是这样的例子，此外，Go语言也越来越受区块链开发者们的欢迎，总的来说，当前区块链世界的编程语言选择思路大体上可分为四种，一种思路是像以太坊那样使用各种编程语言编写客户端，然后让用户自己去进行选择，另一种则是主动选择一种偏主流的语言去编写客户端，还有一种是重点考虑安全性去选择最合适的语言，最后一种是像Facebook这样的大厂自己去重新开发一门编程语言，至于哪种语言或者方式才是最合适的，这便是一个仁者见仁智者见智的话题了。

2、2 关于分布式计算

在计算机科学中，分布式系统是指一组计算机通过网络相互连接并通信后，协调各计算机行为而形成的系统，组件之间彼此进行交互以实现一个共同的目标，而区块链世界里的分布式系统主要类型有对等式（Peer-to-peer）架构和多层架构。

所谓对等式（Peer-to-peer）架构，是指没有提供特殊权限的体系结构，而系统中享有同等权利的节点我们称其为对等节点（Peer），使用这种架构的区块链，其去中心化程度是相对较高的，因此会有难以篡改的特性，但这种架构带来的弊端就是可扩展性较差，而其中最好的例子就是比特币。

与分布式计算密切相关的，就是共识算法，经典的共识算法有Paxos算法、Raft算法，而目前区块链市场上普遍使用的共识算法主要分为PoW、PoS、DPoS、PBFT等几个大类。

这些共识算法的权衡侧重点不同，因此很难进行同维度的比较。

在区块链世界，我们也会看到多层架构，这与web应用有些类似，像比特币采用的是主链+闪电网络（Layer 2）+侧链的架构，以太坊则是ETH1.0（PoW）+ETH2.0（分片链+PoS信标链+Plasma链、状态通道等layer 2）的架构，另外，当前还有像bloXroute这样的layer-0层扩展协议，但尚未接受广泛测试和验证。

2、3 关于集成电路和量子计算

在公链领域，维护网络是存在激励（coin或者token）的，在比特币早期时代，参与网络共识的矿工是使用的CPU设备进行挖矿，此后又过渡到GPU，再之后就发展到ASIC（专门为某种特定用途设计的集成电路）挖矿时代，而生产这些设备的公司是当前区块链行业最富有的一个群体。

这些年来，加密货币ASIC芯片的发展非常迅速，从13年的110nm到现在主流的7nm芯片，比特币网络的算力在这段时期更是经历了大约80万倍的增长 ^[5] ，这大大增加了比特币区块链网络的安全度，使其账本的公信力越来越强。

而另一个备受关注的计算机领域——量子计算，其与区块链行业也是密切相关的，如果说，今天的区块链不去发展，那么20年后成熟的量子计算技术将对区块链造成极大的破坏，这一点或许也是华为创始人任正非所讲到的“区块链在量子计算面前一钱不值”的本意。

简单说，假设我们能够穿越时空，然后拿到大约20年后成熟的量子计算机，那么我们就可以使用它去计算出今天大约1/3流通量（约650万BTC）的比特币 ^[6] ，但问题在于，我们并没有能够穿梭时空的机器，而区块链技术也是在不断发展的，相关的抗量子算法的研究会更容易落地，也就是说，最终量子计算成熟后，其对区块链并不会构成威胁，反而会是起到促进的作用。

三、区块链与密码学

3、1 关于哈希函数

加密哈希函数是将任意大小的数据映射成固定大小字符串的算法，哈希函数通常需要两个安全性要求： 单向性 和 抗碰撞性 ，前者确保底层哈希函数不可逆，而后者则意味着我们难以找到具有相同哈希值的两个输入。对于哈希函数，存在的两种威胁分别是哈希碰撞攻击和生日攻击。 ^[7] 。

而在区块链世界，最常用的哈希函数是SHA256，它是SHA（安全哈希算法）系列中的加密算法之一，而比特币的地址生成使用了双重SHA256（加密了两次）机制，从而提高了系统的安全性。

另外，在区块生成、签名消息摘要等地方，也都需要用到哈希函数。

3、2 关于数字签名

除了哈希函数之外，数字签名也是区块链中另一个必不可少的密码学组件，它们的存在，可以保证数据源的验证、不可抵赖性和完整性，这使得对手方不能在新消息上伪造有效签名。

在当前的区块链世界，ECDSA和EdDSA是最常用的两种数字签名方案，比如当前的比特币和以太坊就是采用的ECDSA，而Monero则是采用的EdDSA。

然而，这些签名方案并不是会一直被使用下去的，例如比特币开发者们就在讨论采用Schnorr签名来替换掉当前的ECDSA签名方案 ^[8] ，而以太坊则会采用BLS签名方案 ^[9] ，这些签名方案都有自己的独特之处，而它们共同存在的好处是可聚合签名，节省区块空间 ^[10] 。

3、3 关于零知识证明

所谓零知识证明，它要解决的问题，是让证明者能够在不向验证者提供任何有用信息的情况下，使验证者相信某个论断是正确的，简单说，它可以解决区块链的隐私问题。

随着区块链的发展，相关的零知识证明方案不断涌现了出来，例如Zcash使用的zk-SNARKs，Monero、Grin采用的Bulletproofs，以太坊3.0计划使用的Zk-STARKs ^[11] 等。

而这些不同的零知识证明方案也有着各自的权衡，有的证明大小较小、验证较快，但需要可信设置，有的则不需要可信设置，但证明较大，而对于我们一般用户而言，似乎用户体验和相关费用可能会是更为关键的考虑因素，这也是区块链项目方需要去重点考虑的问题。

四、区块链与经济学

4、1 区块链与博弈论

博弈论是研究参与者在系统的定义范围内做出的逻辑决策，而运用某些激励结构和机制，就可以导致参与者的行为变得可预测和诚实。

博弈论的典型例子被称为囚徒困境，而一个博弈的解称为纳什均衡。

例如，比特币网络通过奖励矿工BTC（一种经济激励）来激励他们使用自己的计算能力来保护网络，节点之间的共识是通过工作量证明（PoW）算法达成的，比特币的天才设计之处在于故意让挖矿变得困难和低效，从而使恶意参与者付出代价，这样，网络就可以确保节点不会偏离协议，这种促进良好行为和阻止不良行为的设置，就是运用到了博弈论。

而以太坊2.0采用的PoS系统，还进一步设置了惩罚措施，以惩罚恶意行为或者其他对系统不利的行为。