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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

319期2018年06月號

出版日期:2018/06/15

正方形 Icon 觀念探索 Trend

區塊鏈

撰文/歐爾克特(Mike Orcutt) 翻譯/連育德

區塊鏈是什麼?

本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權
本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權

一種儲存資料的數學架構,幾乎無法偽造數據,任何一種寶貴資料皆適用。


有些區塊鏈需要經過許可才能加入,但比特幣(Bitcoin)與以太坊(Ethereum)所使用的技術屬於「公有」區塊鏈,人人皆可參與,資料庫屬於公共資訊。

區塊鏈若建立完善,數據經過編碼後,遭到不肖份子竄改的機會微乎其微。

舊交易在正常運作的區塊鏈中無法更改,只能增加新的交易。

公有區塊鏈不會被任何實體擁有或控制。資料庫由形成網絡的眾多電腦維護與保障安全,每個參與者稱為節點(Node),各儲存一份交易資料。

比特幣是最原始的區塊鏈,屬於追蹤貨幣餘額的帳本,但所有數位資產亦適用這種基本技術。

區塊鏈從何而來?

2008年10月,謎樣的比特幣創辦人中本聰寫了一封信,寄給討論訊息加密的郵件群組表示:「本人正在研發一種新型電子現金系統,完全點對點,去除了公正第三方的必要性。」點進信中附上的連結,可以看到一篇長達9頁的白皮書,說明區塊鏈技術的道理;時至今日,已有人認為這項技術將顛覆金融體系。

2009年1月,中本聰採挖第一批比特幣,就此開啟加密貨幣元年。儘管比特幣的來源依舊沒有定論,但背後的區塊鏈技術並非憑空出現。中本聰以既有的密碼學工具為基礎,加上幾十年資工研究下的方法,創造出一個公有網絡,讓未必互相信任的參與者一而再、再而三達成共識,認定共享的帳本能夠反映現實。如此一來,同一個比特幣無法重複使用,克服了之前打造數位現金的障礙。更關鍵的一點是,有了區塊鏈技術,兌換比特幣就不需要中央機構的中介。

2011年,八卦網站Gawker登出一篇文章,揭露網路有個名為「絲路」的毒品市集,以比特幣為交易貨幣。消息傳出後,比特幣的知名度大增。隨後市場也紛紛冒出「山寨幣」(Altcoin),而且經常是使用比特幣的開放源碼。短短兩年內,比特幣的流通總額超過10億美元大關。

過了不久,科技專家意識到區塊鏈的潛力,發現它除了貨幣外,還能追蹤掌握其他資訊。2013年,19歲的布特林(Vitalik Buterin)提出以太坊的概念,希望透過這個平台不但可以記錄貨幣交易,也能記錄電腦程式的狀態,後者稱為智慧合約。於2015年推出、目前已有眾多競爭對手與仿冒者的以太坊,誓言催生出新一代的用途,外觀與用法就像當前的網路應用程式,但由去中心化的加密貨幣網絡驅動,而不依賴企業的伺服器。

區塊鏈的用途?

區塊鏈以新方法解決老問題,亦即:如何建立彼此的信任感,以和平方式交換有價值的事物?

◎執行
早期文明使用武力威脅,解決交易詐欺的問題。

◎機關
政府與銀行出現,成為有組織的中央機關,由其管理交易雙方可不可信的問題,但前提是民眾要認定這些機關具有公信力。


◎網絡
區塊鏈分散於數千台電腦,因此可將信任機械化,有機會以創新方式組織「去中心化」的企業與機構。

1、交易產生

何謂交易?
以比特幣而言,如果愛麗絲將加密貨幣轉帳給鮑伯,就是一筆交易。以太坊的交易則可分為好幾種,因為這種平台包括內建的程式語言,可用於交易自動化。愛麗絲可以將加密貨幣寄給鮑伯;或由他人成立交易,稱之為「智慧合約」(Smart Contract)的一行密碼放於區塊鏈,再由愛麗絲和鮑伯將錢寄給這個程式監控的帳戶,一旦符合合約的特定條件,便能啟動交易。智慧合約亦可將交易資訊寄給它所嵌入的區塊鏈。

2、交易經廣播傳至點對點網絡

驗證交易
假設愛麗絲想寄錢給鮑伯,就必須先在自己的電腦建立交易,且要附上過去一筆區塊鏈交易資訊作為參考,上頭記載了她收過足夠資金、控管這筆資金的私鑰(Private Key),以及鮑伯的住址。這筆交易資訊接著被寄至網絡中的其他電腦,亦即「節點」,由節點驗證交易是否符合規定,再由採礦節點(Mining Node;詳見步驟3)接受,便成為新區塊的一部分。

3、爭相打造新區塊

礦工彼此搶錢
同一組的節點稱為礦工(Miner),將有效的交易資訊組織成列表,稱為區塊(Block),其中包括一連串近期的有效交易資訊,以及與前一個區塊相關的加密參考資料。在比特幣或以太坊的區塊鏈系統中,礦工彼此競爭打造新區塊,過程需要解決費時費力的數學難題,每個區塊的難題各有不同。最先解決難題的礦工,可獲得一些加密貨幣作為獎賞。數學難題包括隨機猜測一個稱為隨機值(Nonce)的數字;隨機值與區塊的其他數據結合,形成加密的數位足跡,稱為雜湊值(Hash)。

4、完成新區塊

沒有白吃的午餐
雜湊值必須符合一定條件,否則礦工就得嘗試另一個隨機值,重新計算雜湊值。礦工必須經過大量嘗試,才有辦法找到有效的雜湊值,過程加深了修改帳本的難度,因此能夠有效抵制駭客。有些區塊鏈使用其他系統來保護串鏈,上述的做法稱為「工作量證明」(Proof of Work),此方法已經身經百戰,效果眾所周知。


5、將新區塊加入區塊鏈

環環相扣
這是保障帳本安全的最後一個步驟。當某個採礦節點率先解答出新區塊的加密難題後,會將區塊寄至網絡的其他節點批准,獲得數位貨幣的報酬。採礦難度編碼於區塊鏈的協議中;根據比特幣與以太坊的設計原意,區塊會隨著時間愈來愈難破解。由於每個區塊還含有上一個區塊的參考資料,各區塊會依數學算法而彼此鏈節。若想竄改之前的區塊,需要針對後續所有區塊進行工作量證明。

區塊鏈商機無窮
區塊鏈技術在未來有機會顛覆各行各業。




能源


 ▶機會:能源交易過程錯綜複雜,到處是收取佣金的中間人,安隆(Enron)從全球能源龍頭到最後以破產收場,即是一例。如果把能源資源轉化成數位資產,在區塊鏈上交易,就能創造出新的投資機會與交易商機,讓再小的單位也能參與,例如有多餘太陽能電力的公寓大樓,或是有多餘電池容量的電動車。對規模較大的企業而言,區塊鏈可以精簡交易與記帳過程。影響所及,區塊鏈可能產生全新的資產類別,例如由石油或可再生能源為基礎的數位貨幣。


▶挑戰:近來有國家資助駭客攻擊他國電網。如何確保交易資訊安全無虞,牽涉層面複雜,將是一大挑戰。


▶相關業者:Power Ledger、Grid Singularity、Grid+、能源網路基金會(Energy Web Foundation)、Enerchain計畫(Enerchain project)。




網路廣告與社群媒體


▶機會:如果可以輕鬆掌握我們的個資,決定Facebook、Google等社群媒體能否拿個資牟利,相信每個人都會贊成吧!區塊鏈能把個資加密,儲存在去中心化的網絡,而不是放在某企業的伺服器裡。我們可以匿名上網,管理敏感個資,控制哪些網站可以取得。如此境界才是網路的真諦嘛!


▶挑戰:儘管科技大廠爆發濫用使用者個資的醜聞,刪掉臉書帳號或取消網路服務的運動尚未獲得廣大民眾響應。去中心化網路的接受度可能不高。


▶相關業者:Blockstack、Protocol Labs。 




食品與農業


▶機會:我們買了草飼、無抗生素的有機肉品,但如何百分之百確定它不是籠養或飼育場的產物呢?這時就能靠區塊鏈來確認。有了這種沒有人能隨便竄改的數位帳本,不管是火雞、巧克力還是芒果,所有牲畜與作物從產地到商店、甚至到餐桌,都能全程追蹤。倘若有環節出錯,爆發食源性疾病,區塊鏈可以縮短追蹤疾病擴散的時間,及時防止疫情。


▶挑戰:目前僅測試過幾個實驗計畫。若想推動大規模系統,可能必須把數位鑰匙給農民、經銷商等參與者,讓他們能夠進入並修改區塊鏈。民眾必須對這些人有信心,認為他們不會濫用。


▶相關業者:IBM、沃爾瑪(Walmart)、雀巢(Nestlé)、聯合利華(Unilever)、                             (Unilever)、嘉吉(Cargill)。 




醫藥


▶機會:X光、血液檢查等私密的個人病歷不易分享,也常伴隨眾多法規、數據格式不一致等等障礙。區塊鏈可以提供諸如處方箋的重要資訊,不怕遭人竄改,病患透過智慧合約,也能精準控制病歷哪個部分、又是何時可以被哪個人取得,省略了繁文縟節。


▶挑戰:有可能需要拿到我們病歷的單位不勝枚舉,包括醫院、診所、藥局、保險公司等等,誰有權變更病歷?誰應該負責區塊鏈的電腦網絡?系統又該如何管理?


▶相關業者:麻省理工學院(MIT)的MedRec計畫(MedRec project)、麻省總醫院(Massachusetts General Hospital)、凱瑟醫院(Kaiser Permanente)、IBM、Mediledger計畫(Mediledger Project)、SimplyVital Health。 




選舉


▶機會:電子投票系統日益普及,加上選民名冊等機密資料儲存於連網資料庫,導致選舉結果有遭人影響的風險。理論上,分散式帳本技術可以讓電子投票更安全,跟實體選票沒有兩樣。


▶挑戰:衍生出的問題更多更複雜,難有解答。選票要記錄在比特幣或以太坊這樣的公有區塊鏈平台嗎?若是如此,選票如何保持匿名?如果投票過程建立在認許制(Permissioned)區塊鏈,要如何確保大家不誤用?


▶相關業者:Agora、Voatz、Democracy Earth。

 

區塊鏈 必備字彙 
A   ➡   Z


外行人可能覺得區塊鏈的觀念可能難懂或無聊,以下列出相關術語,讓讀者對區塊鏈有更清楚的了解。


山寨幣(Alt-Coin)/一種加密貨幣,運作方式類似比特幣,但經過若干修改,例如能夠更快速處理交易。


區塊鏈(Blockchain)/一種儲存數據的架構,由幾群稱為區塊(Block)的有效交易照時間順序形成串鏈,每個區塊以加密形式與上一個區塊相連。


共識協定(Consensus Protocol)/一種編碼於軟體的過程,由網絡的多台電腦(稱為節點,node)針對一組數據達成協議。 


加密貨幣(Cryptocurrency,Crypto-Token)/一種由區塊鏈協議所定義的稀有數位資產,透過該區塊鏈系統交易。 


去中心化(Decentralization)/網絡抵抗攻擊的能力,難以衡量,取決於掌控權分散於不同參與者的程度。 


分散式帳本技術(Distributed Ledger Technology;DLT)/最常見的分散式帳本技術為區塊鏈,可以創造共享、經過加密保護的資料庫。 


分叉(Fork)/區塊鏈的軟體規則對有效交易(亦即區塊)的定義出現改變。/硬分叉(Hard Fork):網絡的所有節點必須接受規則變動,否則必須離開網絡。/軟分叉(Soft Fork):反向相容的變動,只需大多數節點採納新規定。 


雜湊函數(Hash Function)/一種加密工具,能將任何輸入數據轉變成一串字符,形成幾近無法偽造的數位足跡,稱為雜湊值。 


首次加密貨幣發行(Initial Coin Offering;ICO)/區塊鏈的籌資機制,創業家鑄造新的加密貨幣,銷售給投資人。 


採礦(Mining)/比特幣、以太坊等多種區塊鏈系統,使用稱為「工作量證明」的共識協定,由節點增加新區塊到個別的串鏈,創造新的加密貨幣,稱為採礦。 


認許制區塊鏈(Permissioned Blockchain)/一種共享的資料庫,區塊鏈架構需要參與者取得許可,才能讀取或寫入區塊鏈。與之相對的是人人可參與的公有區塊鏈(Permissionless Blockchain)。 


權益證明(Proof of Stake) /新型的共識協定,節點可以依據現有的經濟權益,驗證與更動區塊鏈,而不必採礦。 


工作量證明(Proof of Work)/比特幣等多種加密貨幣最常用的共識協定。為了增加新的區塊,礦工必須計算出雜湊值,符合特定的狹義標準。這個過程需要大量隨機猜測,因此成本高昂,有助於防止詐欺。


智慧合約(Smart Contract)/儲存於區塊鏈的電腦程式。若某交易符合編碼於軟體的條件,便會在帳戶之間自動移轉數位資產。智慧合約以數學算法為雙方建立保障。


 
本文作者皮奧瑞(Adam Piore) 著有《The BodyBuilders: Inside the Science of the Engineered Human(身體建築師-人類基因改造科學)》


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