比特幣是什麼?讓發明人中本聰的論文告訴你(上)

隨著比特幣今年暴漲,開始看到有更多人對用區塊鏈技術實現的加密貨幣產生興趣,所以就趁著連假把之前整理到一半的比特幣論文重新翻譯,提供給大家參考。
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REUTERS/Benoit Tessier
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原文《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》,譯文《比特幣:端對端電子現金系統 I》刊登於 Medium,INSIDE 獲授權轉載。譯者林聖祐,準資科所學生,期盼能透過資料認識世界,用資料改變世界。

Photo credit: 林聖祐
Photo credit: 林聖祐

隨著比特幣今年暴漲,開始看到有更多人對用區塊鏈技術實現的加密貨幣產生興趣,所以就趁著連假把比特幣發明人 -- 中本聰 於 2008 年發表的 比特幣白皮書 重新翻譯,提供給大家參考!此篇為論文的前半部分,下半部分在 下一篇

白皮書的內容為當初中本聰建構比特幣時的架構,現今的比特幣系統與白皮書有部分出入,詳情可參考 比特幣網站 及相關論壇。

若內容有任何錯誤或疑問,非常歡迎大家指正及回饋:)

《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》
— Satoshi Nakamoto

零、 摘要

完全以端對端(peer-to-peer)技術實現的電子現金系統允許線上支付可以不必透過金融機構而直接從某一方傳送。雖然 數位簽章(digital signature) 解決了部分的問題,但若需要信任的第三方才能避免雙重支付(double-spending)的話,這個系統就沒有價值了。我們提出了一個端對端的網路來解決雙重支付的問題,此網路透過以下方式對每一筆交易做 時間戳記(timestamp),也就是將每一筆交易 雜湊(hash) 到一個「基於雜湊的工作量證明」(hash-based-proof-work)組成的一條不斷延伸的鏈(chain)上,除非重新完成所有工作量證明,這些紀錄將不能被更改。最長的鏈不僅扮演了一連串目擊事件的證明,也證明了它來自於一個 CPU 運算能力很大的池。只要多數的 CPU 運算能力都由不會聯合攻擊網路的節點(node)所控制的話,誠實的節點就會產生一條最長且超越其他攻擊者的鏈。這個網路本身需要的基礎建設很少,訊息會依據最大努力原則(best effort basis)廣播出去,而節點可自由選擇離開或重新加入網路且接受最長的工作量證明所組成的鏈作為節點離開時所發生的交易事件之證明。

ㄧ、介紹

網際網路的商業應用幾乎都仰賴金融機構作為處理電子支付之信任的第三方。雖然系統在大多數情況下都能運作良好,但這類系統仍有以信任為基礎的模式這項固有的缺點。由於金融機構無法避免出面調解爭議,因此完全不可逆的交易並不真的可行。因為調解成本而提高的交易成本,將會限制最小的實際交易規模、限制了日常小額支付、失去為不可逆之服務進行的不可逆支付的能力進而造成更廣泛的成本。可逆性的服務讓信任的需求增加,商人必須更加警惕自己的客戶,因此會向他們索取完全不必要的個人資訊。一定比例的詐騙可以被接受為無法避免的。以上這些成本及支付的不確定性在使用實體貨幣時皆可避免,但透過一個缺乏第三方信任的溝通渠道進行支付的機制並不存在。

我們所需要的是一個以加密證明取代信任的電子支付系統,且允許任何達成共識的雙方能夠直接交易,而不需信任的第三方參與。計算不可逆(computaionally impractical to reverse)的交易可以避免賣方受騙,而常規性托管機制(routine escrow mechanisms)則可以輕易地讓買方被保護。在這篇論文中,我們透過一個端對端的分散式時間戳記伺服器去產生按時間排序的交易之計算證明進而解決了雙重支付的問題。只要誠實的節點能夠共同合作去控制比攻擊者族群更多的 CPU 運算能力,這個系統就會是安全的。

二、交易(Transactions)

我們定義一顆電子貨幣為一串數位簽章。每位擁有者為前一個交易及下一位擁有者的 公開金鑰(public key) 簽署一個雜湊的數位簽章,並將之加入一顆貨幣的尾端,透過上述的方式將貨幣發送給下一位擁有者。收款者可以透過檢查簽章(signature)來驗證該鏈的擁有者。

▲交易(Transactions)
▲交易(Transactions)

這個過程的問題在於收款者無法驗證擁有者是否對這顆貨幣進行雙重支付。一般解法為導入一個信任的中央權威機構或是造幣廠來驗證每一筆交易,以防止雙重支付。在每一筆交易之後,貨幣必須送回造幣廠以發行新貨幣,且只有直接從造幣廠發行的貨幣才會被信任為沒有雙重支付。然而,這個解法的問題在於整個金錢系統的命運皆仰賴在像銀行一樣會經手每筆交易的造幣廠公司。我們需要一個方法讓收款者知道前一位擁有者並沒有簽署更早發生的交易,由於我們計較的是在此之前發生的交易,因此不用在意在此之後是否有雙重支付。證實交易存在的唯一方法是去意識到所有交易的發生,而在以造幣廠為基礎的模式中,造幣廠必須意識到所有交易並決定交易完成的先後順序。為了在沒有信任的第三方的之情況下達到目的,交易必須被公告,且我們需要一個讓所有參與者在他們接收的順序上達成共識的系統。收款者需要確保在交易期間絕大多數的節點都認同該交易是首次出現。

三、時間戳記伺服器(Timestamp Server)

我們提出的解法先由時間戳記伺服器說起。時間戳記伺服器會將由很多交易組成的區塊(block)所對應之雜湊加上時間戳記,並如同在報紙或 Usenet 中發送的方法將雜湊進行廣播。時間戳記證明了資料在進入雜湊時必然存在。每個時間戳記應將前一個時間戳記加入其雜湊中,之後的每一個時間戳記都和前一個時間戳記進行增強 (reinforce),而形成了一條鏈。

▲時間戳記伺服器(Timestamp Server)
▲時間戳記伺服器(Timestamp Server)

四、 工作量證明(Proof-of-Work)

為了在端對端的基礎上去實現一個分散式時間戳記伺服器,我們需使用一個類似 Adam Back 提出的 Hashcash 技術的工作量證明系統,而非像報紙或 Usenet 的發送方法。工作量證明包括掃描一個數值,以 SHA-256 安全雜湊演算法(Secure Hash Algorithm)為例,雜湊值以一個或多個 0 開始。平均而言,隨著 0 的數目上升,所需之工作量將呈指數增加,且可藉由執行一次雜湊運算即完成驗證。

在我們的時間戳記網路中,我們藉由增加區塊中 nonce 的數量直到提供區塊所對應之雜湊足夠數量的 0 之 nounce 值被發現來完成工作量證明。一旦 CPU 的貢獻擴大到足以滿足工作量證明,除非重新完成一定的工作量否則該區塊無法被更改。當後來的區塊在此之後被鏈結上,若想更改區塊,則需要完成之後所有區塊的工作量。

▲工作量證明(Proof of Work)
▲工作量證明(Proof of Work)

工作量證明也解決了多數決代表的問題。如果多數是建立在一個 IP 位址對應一票的基礎上,則會被任何可以擁有許多 IP 者所推翻。工作量證明本質上是一個 CPU 對應一票。多數決代表為最長的鏈,因為最長的鏈包含了最大的工作量。如果大多數的 CPU 運算能力是由誠實的節點所控制,則此誠實的鏈將會成長為最快速且超越任何一條競爭者的鏈。若要修改先前的區塊,攻擊者必須重新完成該區塊及在它之後的所有區塊的工作量證明,並趕上且超越誠實節點之工作量。我們稍後會說明較慢的攻擊者趕上的機率會隨著之後的區塊增加而呈指數消減。

為了解決因硬體速度的增加及節點參與網路的程度起伏之問題,工作量證明的難度是由每小時平均產生之區塊數量而決定。如果區塊的產生越快速,則難度也會隨之增加。

五、網路(Network)

以下是網路運作的步驟:

  1. 新的交易會向所有節點廣播
  2. 每個節點會蒐集加入區塊的新交易
  3. 每個節點負責為其區塊找到一條夠困難的工作量證明
  4. 當節點找到工作量證明後,會向所有節點廣播
  5. 節點只有在節點中的所有交易為有效且尚未存在過時,才會接受區塊為有效的
  6. 節點會使用已接納之區塊的雜湊作為之前的雜湊來創造鏈上的新區塊,來表示接受該區塊

節點始終會將最長的鏈視為正確的且持續延長。若有兩個節點同時廣播兩個不同版本的新區塊,部分節點可能會先接收到其中一種。在這種情況下,節點會先處理先接收到的區塊,但也會保存另一條分支鏈以免它變成最長的鏈。當下一個工作量證明被發現且其中一條鏈被證實為較長的一條時,這樣的僵局會被打破,此時,原本在另一條分支鏈上工作的節點會轉而處理較長的這條鏈。

新交易的廣播並不一定要觸及所有節點,只要這些交易廣播到足夠多的節點,不久後這些交易就會被整合進一個區塊。區塊的廣播同樣可以容許漏掉訊息,若某個節點沒有接收到特定區塊,當這個節點接收到下一個區塊時,就會認知到它遺漏了一個區塊並可提出自己下載該區塊的請求。

六、 獎勵(Incentive)

按照慣例,區塊中的第一個交易較特別,因為它產生了一顆由該區塊建立者所擁有的新貨幣。這激勵了節點去支持整個網路,且在沒有中央權威機構發行貨幣的情況下,提供了初期貨幣流通的方法。新貨幣數量的穩定增加和礦工為了增加黃金流通而耗費資源去挖礦類似。而在我們的案例中,耗費的資源是 CPU 運算時間和消耗的電力。

獎勵也可以來自於交易手續費。交易的輸入值減掉輸出值即為交易的手續費,提供交易所在之區塊的獎勵。一旦既定數量的貨幣進入流通,獎勵機制就可以完全依靠交易手續費且能免於通貨膨脹。

獎勵機制也有助於鼓勵節點保持誠實。若有貪婪的攻擊者能夠裝備比所有誠實節點還要多的 CPU 運算能力,那麼他將面臨以下選擇:進行雙重支付的攻擊或是用於誠實工作來產生新貨幣,他將會發現遵循規則將是更有利可圖的,因為比起破壞系統及自身財產的合法性,遵守規則能夠使他擁有更多的電子貨幣。

此篇為比特幣論文的前半部分,由於此篇為筆者首次翻譯論文,若語句不通順及措詞不精準,煩請讀者包含及不吝指正!謝謝:)

延伸閱讀:


圖解智慧國家四大關鍵科技,從不同角度帶你了解台灣的科技應用實力

大家都知道台灣有座半導體護國神山,也聽過許多媒體對台灣科技實力的盛讚,但台灣的科技實力到底強不強?我們從四個面向帶你看台灣作為「智慧國家」到底有什麼實力!
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大家都知道台灣有座半導體護國神山,也聽過許多媒體對台灣科技實力的盛讚,但台灣的科技實力到底強不強?自己說不如讓國際單位做的調查更客觀顯示。瑞士洛桑管理學院(IMD)每年9月公布的世界數位競爭力(World Digital Competitiveness Ranking)評比,最近一次報告2021年台灣在全球64個主要國家及經濟體當中排名第8,獲得歷年來最佳名次。

而且值得關注的是,支持數位競爭力的核心要素之一,也就是「科技」競爭力。IMD評比報告揭露台灣拿下全球第2的佳績,從2018年的第11名年排名持續上升,顯見台灣無愧於科技強國之名。


科技小百科:
瑞士洛桑管理學院(IMD)是一個長期研究國家與企業競爭力,在國際上具盛名及公信力的評比機構,並自1989年起發布「世界競爭力年報」World Competitiveness Yearbook,其評比報告與調查結果更是各國政府擬定相關政策之參考。IMD每年會定期公布兩份競爭力評比報告,其一是「世界競爭力年報」,每年在6月公布,2022年台灣在63個受評比國家中排名全球第7名。另一份報告為「世界數位競爭力評比」World Digital Competitiveness Ranking,每年在9月底公布,本篇文章引用的資料為這份兩份研究。


也因為科技與國家發展息息相關,有哪些技術是台灣不為人知的優勢?或是未來產業可大力投資布局的領域?我們找出其中四大項與智慧國家最有關的科技,展現台灣具備強勁的科技能量,或許你已經受惠,也或許你能從其中找到發展的機會。

關鍵科技一、融合海陸空領域的多維通訊

隨著國家管理範圍逐漸擴大,通訊範圍多元且彼此關聯,相關科技如低軌衛星、5G通訊、海底電纜等,形成環環相扣的多維通訊聯網。

仔細洞察2021年的IMD報告,台灣在「行動寬頻的用戶比例」這項指標,拿下全球第1的傲人成績。顯見台灣在通訊基礎建設的投資及普及率,是走在全球領先位置。

尤其5G/6G關聯科技更是未來多維通訊的具舉足輕重的地位,原因是5G衍生的價值鏈相當廣泛,舉凡從晶片、模組、終端、邊緣、系統、到應用服務,可形成完整生態圈。為了強健台灣5G專網的自主技術與供應鏈,從2018年先後成立5G產業發展聯盟、5G垂直應用聯盟、以及5G Open Networking平台,逐漸形成5G國家隊。

除了把5G領先國視為戰略目標,當創新技術落地,更能帶來龐大商機。根據工研院的預估,將5G的小基站、邊緣運算、網路虛擬化等關鍵產品、模組、元件加總起來,2025年的市場規模上看2,510億美元(約新台幣7.5兆元),其他國家還在積極推動5G聯網建設,顯見相關商機仍有相當大發展空間。

關鍵科技二、新型態數位經濟與網路服務

邁向Web 3.0的交叉點,元宇宙被視為下一代網際網路的新機會,市調機構Gartner預測,2026年全世界將有25%的人口,每天至少有一小時投入元宇宙虛擬世界,進行工作、社交、教育、購物、娛樂等活動,並藉由虛擬貨幣、NFT進行數位資產的交易,虛擬經濟逐漸成形。

所謂元宇宙,需要以5G/6G高速網路為基礎,透過VR頭盔/眼鏡作為進入3D虛擬世界的載體,在元宇宙的各種互動體驗則需仰賴AI運算、雲端/邊緣儲存、區塊鏈等核心技術支援。人們在元宇宙內可以滿足從現實世界做不到的事情,形成穿梭虛擬、現實之間的生活體驗與商業模式。

近七成投入元宇宙相關應用的企業,認為元宇宙在未來5年一定會蓬勃發展,虛擬音樂會、虛擬時裝秀、媒體及產品聯名展示活動,將是元宇宙優先發生的商業體驗。

那麼台灣要投入元宇宙有何利基?解析元宇宙供應鏈版圖,主要可分為晶片、光電、通訊、AR/VR裝置、內容以及AI技術,台灣科技可從硬體方面,包含晶片、感測IC、光學零組件、伺服器等擅長領域切入。像是大家熟知的半導體大廠台積電,對於相關晶片的供應就至關重要,另外光電產業也有揚明光、玉晶光、中光電等企業,讓投影技術更精緻,再來連接元宇宙的通訊技術,也有聯亞來支援,而裝置軟硬體、AI技術則是有創意、世芯、智原等企業投入,最後想到AR/VR集大成者,就不能遺漏宏達電在這一塊的耕耘,同樣威盛電、佐臻、未來市(XRSPACE)等品牌也積極佈局,可見台灣已有完整的供應鏈,接下來有志於加入元宇宙的廠家,不妨從自身的專長去思考,相信不論是哪個領域的企業,都能有更多的創新、應用內容投入,完善整個元宇宙生態。

關鍵科技三、疫後時代興起的智慧型代理人 

近年因疫情持續延燒,越來越多領域開始導入「智慧型代理人」,像是零售業者引進半自動化機器,協助人力處理訂單、點餐;又或是醫院使用機器人,藉由AI辨識功能分擔部分醫護工作。

所謂智慧型代理人,以它所知的知識範圍內,自主完成人類所給予的指令任務。智慧型代理人發展至今,能協助人類的廣度、深度越來越多,主要是受惠機器學習的技術更為先進,加上其他的自動規劃、互相協調等演算法的成熟,讓智慧型代理人成為下一波產業發展重點。

世界先進國家紛紛把AI納為國家產業重要發展策略,台灣從2018年就推出「台灣AI行動計畫」,全面啟動產業AI化。發展至今,AI應用已從測試階段逐步應用於各式產業,資策會統計發現,掌握AI技術的新創企業在台灣有300家,逐漸摸索出不同的商業策略與獲利模式。

尤其資通訊、醫療照護是台灣兩大擁有頂尖人才的雙軸產業,在疫情之下,就可以看到醫療+科技所衍生的智慧型代理人應用。像是過去為了解決醫療量能不足,開發「5G智慧防疫機器人」,用來隔離病房消毒、運送餐盒及藥品物資,比傳統人力消毒方式有效節省50%時間,還能降低醫護人員感染風險,讓醫事工作更有效率。

關鍵科技四、資訊安全網保護每個人數位資產

我國面臨網路犯罪、駭客入侵政府、機關,甚至竊取個人資料事件持續增加,如何保護國民安心使用數位科技、保障財產安全將是未來重要方向。隨著AI普及所衍生的龐大資料量之隱私及資安問題,成為棘手的挑戰。從國際AI資安發展現況來看,歐盟在2021年提出人工智慧規則草案(Artificial Intelligence Act),鼓勵值得信賴且道德的AI進行研發與應用。微軟更在今(2022)年禁止提供AI推測情緒技術,並制定「負責任AI標準第二版」、Google則停止AI機器人具有自我意識、能與人類溝通等爭議事件,這些做法也都反映美歐在立法之際,業者也在努力自行節制敏感AI技術。

AI資安,是挑戰也是機會。未來,台灣政府與企業也須密切關注美歐相關草案的立法動態,找出AI規範的共同點,以此界定使用AI產品與服務之要求;因此,AI資安不僅需透過科技來防禦,更需要治理與法規,降低AI所帶來的衝擊。

另外,針對5G資安議題,台灣有展開大型科技防禦策略,包含5G資安防護系統、跨機關資安聯防。5G資安防護系統致力確保業者使用的5G系統具備安全、可靠、信賴,與國內5G專網業者進行服務驗證,以強化國產5G系統的整體資安防護能力。跨機關資安聯防的目標放在建立政府與民間的資安聯防體系,藉由橫向整合跨部會,全面提供威脅情資,減少機關隱匿資安事件,降低事件誤報與漏報。

持續提升台灣的科技能量 打造全方位的智慧國家

圖片資料來源:IMD 2022 世界競爭力年報

台灣的科技能量持續提升,從2022年的IMD世界競爭力年報可發現,而且該報告還指出我國擁有高素質勞動力、經濟活力、企業治理能耐、高教育水準等優勢。上述四項與智慧國家高度關聯的新興科技,涵蓋「數位基盤、數位創新、數位包容」等元素,如何借助科技打造創新、包容的社會,在台灣強勁的科技應用產業鏈上,補強創新的能量,並延續發展優勢項目,將是台灣要持續努力的方向。

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