当数字货币比特币在 2009 年 1 月诞生时，几乎没有人注意到它，除了少数关注密码学讨论小组的程序员。它的起源是神秘的：它是由一个至今仍然神秘的个人或团体在前一年构思出来的，他们只以化名中本聪 (Satoshi Nakamoto) 为人所知。而它的目的似乎是不切实际的：比特币将成为一种“加密货币”，其中强大的加密算法以一种新的方式被利用来保障交易安全。用户的身份将受到化名的保护。记录将完全去中心化。并且没有人会负责——不是政府，不是银行，甚至不是中本聪。
然而，这个想法流行起来了。今天，流通中的比特币单位约有 1460 万个。它们被称为比特币（小写字母“b”），总市值约为 34 亿美元。这种增长部分归因于犯罪分子利用匿名性进行毒品贩运和更糟糕的活动。但该系统也引起了摩根大通等金融机构的兴趣，他们认为这可以简化其内部支付处理并降低国际交易成本。它启发了大约 700 种其他加密货币的创造。9 月 15 日，比特币随着第一本致力于加密货币研究的期刊Ledger的推出，在学术界正式成年。
让学者和企业家同样着迷的是比特币核心的创新。被称为区块链，它充当每个比特币交易的官方在线账本，可以追溯到最初。它也是数据结构，即使区块链被复制到运行比特币软件的整个计算机网络中，并且这些计算机的所有者不一定彼此认识或信任，也允许以最小的黑客攻击或篡改风险来更新这些记录。
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许多人将这种区块链架构视为许多其他应用程序的模板，包括自我执行的合同以及用于在线投票和众筹的安全系统。这是以太坊的目标，以太坊是一个基于区块链的系统，于 7 月由位于瑞士巴尔的非营利组织以太坊基金会推出。这也是加密货币和合约倡议 (IC3) 的研究议程，IC3 是一个也于 7 月启动的学术联盟，由纽约州伊萨卡市的康奈尔大学领导。
伦敦大学学院的密码学家尼古拉斯·库尔图瓦表示，比特币区块链可能是“二十一世纪最重要的发明”——如果比特币不是 постоянно 在搬起石头砸自己的脚的话。
比特币区块链理念的实施中已经显现出一些缺点。例如，安全性远非完美：已知发生过 40 多起比特币盗窃和扣押事件，其中几起造成的损失超过 100 万美元。
加密货币公司和研究人员正在使用博弈论和高级密码学方法等工具来解决这个问题。“加密货币与许多其他系统不同，因为极其微妙的数学错误可能会造成灾难性后果，”IC3 联合主管阿里·朱尔斯说。“我认为当弱点浮出水面时，需要向相关专业知识所在的学术界求助。”
学术界对比特币及其前身的兴趣至少可以追溯到 20 年前，早期的许多工作由密码学家大卫·乔姆带头。乔姆在荷兰阿姆斯特丹国家数学和计算机科学研究所工作时，希望为买家提供隐私和安全。因此，他在 1990 年创立了最早的数字货币之一 DigiCash，它通过他自己设计的密码协议为用户提供匿名性。
DigiCash 在 1998 年破产了——部分原因是它拥有类似于传统银行的中心化组织，但从未设法融入金融业及其监管。但其理念的某些方面在十年后在中本聪的比特币设计中重新出现。该设计还融入了众包和点对点网络——这两者都有助于避免中心化控制。欢迎任何人参与：只需上网并运行开源比特币软件即可。用户的计算机形成一个网络，其中每台机器都拥有区块链的一个不断更新的副本。
中本聪在这个开放系统中的核心挑战是需要确保没有人能够找到重写账本并花费同一比特币两次的方法——实际上是盗窃比特币。他的解决方案是将向账本添加新交易变成一场竞赛：一种被称为挖矿的活动（参见“比特币游戏”）。
挖矿从传入的比特币交易开始，这些交易不断广播到网络上的每台计算机。这些交易由“矿工”（选择参与的团体或个人）收集，他们开始竞争将交易捆绑成一个新区块的权利。获胜者是第一个广播“工作量证明”的人——这是一个解决方案，表明他或她已经解决了原本毫无意义的数学难题，该难题涉及来自前一个区块的加密数据，以及大量的计算机化试错。获胜区块通过比特币网络广播并添加到区块链中，工作量证明提供了几乎牢不可破的链接。区块链目前已接近 40 万个区块。
原则上，这种竞争保持了区块链的安全性，因为这个难题对于任何一个矿工来说都太难每次都解决。这意味着没有人能够访问区块链中的加密链接以及重写账本的能力。
挖矿也是稳步增加比特币供应量的一种方式：赢得每个区块的矿工都会获得奖励，目前为 25 个新比特币。按今天的价格计算，这价值近 6,000 美元。中本聪的设计通过自动调整难题的难度来控制供应量的增加，以便大约每十分钟添加一个新区块。此外，创建区块的奖励大约每四年减半。目标是将供应量限制在最多 2100 万个比特币。
网络无法确定比特币相对于标准货币或现实世界商品和服务的价值。这已留给市场力量决定，人们在在线交易所交易比特币。其中一个结果是，市场价格波动剧烈——尤其是在 2013 年，当时要价从 1 月份的每个比特币 13 美元飙升至 12 月份的约 1,200 美元。这将使有史以来第一个用加密货币支付的现实世界产品——2010 年 5 月 22 日用 10,000 个比特币购买的两份棒约翰披萨——价值近 1200 万美元。
难题解决方案
比特币的问题很快就变得明显。例如，由于允许用户使用化名掩盖身份，因此该货币非常适合掩盖犯罪活动。这是在线黑市丝绸之路成功背后的原因，联邦调查局于 2013 年关闭了丝绸之路；其创始人于今年 5 月被判处终身监禁。但比特币也在资助泄密网站维基解密方面发挥了关键作用——一些人会称之为有益的结果。新泽西州普林斯顿大学的计算机科学家 Arvind Narayanan 说，社会很难制定一个法律框架来区分这项技术的良好用途和不良用途。“如何在不禁止技术本身的情况下监管比特币？”他问道。
比特币的挖矿程序也出现了一些其他问题。例如，随着货币价值的提高，挖矿竞争变得更加激烈，越来越多的专用计算机以更快的速度解决难题。库尔图瓦发现了简化难题解决过程的方法，他说他一度通过挖矿成功地每天赚取 200 美元。竞争推动了冰岛大型比特币挖矿中心的建立，那里的计算机冷却成本很低。根据 2014 年的一项估计，比特币矿工的总耗电量与整个爱尔兰的耗电量一样多。
协同工作
比特币挖矿的加剧也导致个人矿工汇集他们的计算资源。去年，最大的矿池 GHash.IO 曾短暂超过比特币总挖矿算力的 50%——这存在问题，因为任何控制超过一半挖矿算力的人都可能开始在添加区块的竞赛中击败所有人。这将有效地使他们控制交易账本，并允许他们一遍又一遍地花费相同的比特币。这不仅仅是一种理论上的可能性。“51% 攻击”（旨在控制挖矿算力的努力）已经成功地针对了较小的加密货币，例如 Terracoin 和 Coiledcoin；后者受到了如此严重的破坏，以至于停止了运营。
为了减少来自矿池的威胁，一些现有的加密货币，例如莱特币，使用了更多依赖计算机内存而不是处理能力的难题——这种转变往往会增加构建矿池青睐的专用计算机的成本。IC3 联合主管伊莱恩·施及其合作者开发的另一种方法，招募了一种有益的盗窃。“我们正在通过密码学方式确保矿池成员始终可以为自己窃取奖励而不会被发现，”施解释说。他们的假设是，如果矿工的矿池成员可以轻松地带着奖励离开而不分享，那么矿工就不会足够信任彼此而形成矿池。他们已经构建了该算法的原型，并希望看到它在比特币和其他加密货币中进行测试。
另一个问题是比特币挖矿中浪费的大量电力。为了减少浪费，包括施和朱尔斯在内的研究人员提出了一种名为 Permacoin 的货币。它的工作量证明将要求矿工为有价值的数据（如医疗记录或基因测序中心的输出）创建分布式档案。这不会节省能源，但至少可以更好地利用能源。
加密货币的安全性是另一个巨大的担忧。Narayanan 说，许多比特币盗窃事件并非源于区块链结构，而是源于比特币对标准数字签名技术的使用。他解释说，在数字签名中，人们有两个数字密钥：一个公钥，他们将其提供给其他人作为发送资金的地址，另一个私钥，他们用它来批准交易。但私钥的安全性仅与存储它的机器的安全性一样好，他说。“例如，如果有人黑了您的计算机并窃取了您的私钥，那么基本上您所有的比特币都丢失了。”
安全性是消费者如此关心的问题，以至于 Narayanan 认为比特币不太可能得到广泛使用。因此，他的团队正在研究一种更好的安全方案，该方案将私钥拆分到多个不同的设备上，例如个人的台式计算机和智能手机，并需要一定比例的碎片来批准付款。“它们都不会向彼此透露其密钥份额，”Narayanan 说。“如果一台机器被黑客入侵，您仍然没问题，因为黑客需要入侵其他机器才能窃取您的私钥。您可能会在他们有机会之前注意到黑客攻击发生了。”
其他盗窃事件的发生是因为需要将私钥与随机数结合起来才能创建交易签名。某些软件（例如为安卓智能手机开发的比特币应用程序）不正确地生成了随机数，使其更容易被猜测。库尔图瓦一直在调查此类漏洞，他说这使得黑客能够窃取价值数千美元到数百万美元的比特币。“这很尴尬，”加密货币开发商 Ripple Labs（位于加利福尼亚州旧金山）的首席密码学家大卫·施瓦茨承认。“我们这个行业似乎一直在搞砸。”
进入以太坊
以太坊的联合创始人兼基金会的首席技术官加文·伍德说，区块链是一个非常强大的想法，可以应用于比交易记录多得多的领域。一种用途可能是开发计算机化的、自我执行的合同，在任务完成时自动付款。其他用途可能包括投票系统、众筹平台，甚至其他加密货币。伍德说，以太坊最适用于中心化控制是一种弱点的情况——例如，当用户不一定彼此信任时。2014 年，为了更容易开发此类应用程序，伍德和程序员 Vitalik Buterin 设计了一种将区块链与编程语言相结合的方法。以太坊通过众筹筹集了 30,000 个比特币，以将该系统商业化。
为了防止困扰比特币的基本密码学相关错误，以太坊聘请了学术专家来审核其协议。施和朱尔斯正在寻找以太坊可能被犯罪分子滥用的方法。“技术本身在道德上是中立的，但我们应该弄清楚如何塑造它，使其能够支持旨在限制其可能造成的危害的政策，”朱尔斯说。
伍德说，与比特币一样，以太坊也不受任何人的直接控制，因此它在国家法律之外运作。然而，他补充说，音乐录音带和互联网等技术最初也被认为是法外的，并且似乎威胁到了现状。因此，比特币、以太坊及其后继者在法律上如何定位是“作为一种文化和社会，我们将不得不共同努力解决的问题”，他说。
朱尔斯怀疑，至少比特币不会作为一个独立的、去中心化的实体存在下去。他指出，音乐流媒体已经从点对点文件共享服务 Napster 的去中心化模式转向了 Spotify 和 Apple Music 等商业运营。“人们可以想象加密货币也有类似的轨迹：当银行看到它们成功时，它们会想要创建自己的加密货币，”他说。
库尔图瓦不同意。他称比特币为“加密货币领域的微软”，并坚持认为其规模和主导地位意味着它将继续存在。他认为，一旦出现任何新的创新，比特币都可以采用它们并保持其领先地位。
无论比特币的未来如何，Narayanan 强调，其背后的开发者和学者社区是独一无二的。“这是一个非凡的知识体系，我确信我们在 20 年后将在计算机科学课程中教授这些知识。”
本文经许可转载，并于2015 年 9 月 30 日首次发表。