比特币随想 - 从数字签名到信任

长话短说：

• 比特币通过数字签名，把归属权问题从信任问题（高成本）变成了验证问题（极低成本）。
• 比特币通过工作量证明，把排序和维持不变的问题从信任第三方（不稳定且变数多）变成了信任能源消耗（稳定且标准）。

起起伏伏的密码学

密码学最辉煌的世代可能是二战的时代（很不幸），战争把人类的通讯推向了密文时代，如何把一段信息从 A 传送给 B，并且不泄漏给第三方成了极为关键的问题，因为泄漏信息的代价可能是战争的失败。

二战结束后，密码学仍然很重要，但是转为地下，而且继续主要为军事目的服务。毕竟，普通人能有什么不能告人的秘密呢（笑）。

然而，90年代，互联网的出现再一次把密码学推向了风口浪尖！人们在互联网互动、娱乐、支付、交易，突然间普通人的信息也很重要了，人们可不希望自己的银行秘钥因为一次晚上交易就被盗，或者误认为一个黑客网站是他的银行网站。

但是，密码学虽然成为了互联网的主要部分，密码学本身却还只是在一个小圈子里，比如学术圈和一些互联网的极客，毕竟普通人不需要知道信息论，也不需要知道如何分解质数也可以上网购物。

然而，2009年一切都变了，一个匿名者：中本聪，在圈子里发布了一个名为比特币的点对点支付网络的提案。从那以后，民用领域最值钱的密码学产品诞生了：比特币。如今，你可以用 2 个比特币在村里买一栋不错的别墅。

数字签名 - 如何证明你发出这段比特

比特币的基石之一：数字签名（Digital Signature）。数字签名可以干什么呢？

咱们说，小明电脑里面有个文件，文件包含：小明给小红 40 元。现在小明把这份文件公开在网络，但是小明希望小红可以确认这文件的内容真的是小明本人发出的，因为互联网的特性，任何人都可以创建一个文件，然后写上：小明给小红 40 元，甚至写上：小明给小红 400 元。如此一来，小明岂不是成了冤大头，背上巨额债务？

小明有两个选择：回到原始时代，写一封信给小红，然后签字画押；寻找一个大家都信任的第三方，证明这段信息是小明本人发出的，并且存留档案以后后续查阅。然鹅，这两个方案都不太理想，因为即使是签字画押也需要司法系统来背书，总之非常低效，与互联网时代格格不入。

非对称密码学给出了答案。现在有一个办法让小明可以把这份文件公开在网上，并且小红可以验证这真的是小明发出的，而且其他人却不能伪造这份文件，即使这份文件只是一串比特而已。很神奇不是吗？

以下是小名的做法：

1. 准备两个整数，一个秘密的，d；一个公开的，e （咱们先不说怎么准备，这是数学家们的事情），只需要知道这是两个双生的数字，相互关联，是成对出现的
2. 把 e 公开在网上，告诉大家：嘿！这是我的公钥，你们可以通过他来验证信息是不是我写的
3. 用 d 对那份文件的比特进行操作（没错，程序员负责这里，不是你）得到另一个整数，sig。这个 sig 就是所谓的数次签名了
4. 小明公开了他的文件，同时也公开了这个签名。然后告诉大家：嗨！这是我写给小红的信息，你们都来看看！哦对了，这是这份信息的签名，你们可以用之前的整数 e 来验证这信息确实是我写的。

magic_number = h(e, d) <-- e 和 d 是相关的，但是不同的
sig = f(m, d)   <-- 签名就是用 d （私钥） 处理信息后，得到的一串比特
m =？g(sig，e) 验证就是用 签名 sig、公钥 e 计算后得到数字跟信息源比较，对上了就验证成功

如此，小明就证明了信息的所有权。公钥密码学精妙的地方在于：咱们假设签名的信息是 m，即使m，e 和 sig 都是公开的，而且 sig 是根据 m 和 d 计算得到（没有任何随机性哦，确定的函数），黑客也无法轻易获得小明的私钥，d！奇妙的是，任何人都可以通过
m，sig，和 e 验证信息是否属于生成 e 的私钥 d，即小明！

但是这里有两个问题：

d 是秘密的，只有小明一个人知道。但是如果 d 被泄露，任何人都可以伪造小明的身份发言。在缺乏第三方的时候，你不是你，你的私钥就是你。所以比特币圈子有个名言：不是你的私钥，不是你的币！

另外，我们说小名公开了自己的公钥，e，但是 我们如何相信 e 属于小名呢？。当然这个问题对比特币来说不重要，以为没有任何动机发布一个错的公钥。但是这个问题对于整个互联网安全却至关重要，为了解决这个问题甚至诞生了一个产业：证书颁发机构！基本上这就是一个被大众信任的第三方，用来确保公钥背真的是公钥应该的主人。

数字签名和比特币

比特币的基础之一正式数字签名。比特币网络协议正式通过数字签名的方式证明交易记录的所有权的。正如刚才的例子，通过数字签名，小明证明了他发出了那段信息，同样，比特币交易的所有权也是通过数字签名的保证的。

中本聪甚至在白皮书中这样定义比特币：我们将电子货币定义为：一串数字签名。所以，下次别人再问你比特币是啥，你就告诉他，比特币是一串数字签名！

我们常说的比特币地址，就是上文例子中的，e，也叫公钥。这么说不全对，因为比特币地址跟私钥，d，的关系并不是一一对应的，而是一个私钥控制多个地址。但是道理一样，我们把地址理解公钥的作用就好了。

而我们常说的钱包，其实就是私钥，d，就是那个你不能告诉别人的秘密数字！这么说也不全对，钱包的核心是私钥，但是钱包本身通常是套用来帮助你与比特币网络互动，但是只要你有私钥，e，你甚至可以直接编程与比特币网络互动，不需要钱包软件帮助你；同样，没有私钥，e，钱包什么也做不了。

信任在哪里

正如公钥密码学把终极问题推向了信任，对公钥的信任；整个比特币网络也需要信任，这可能跟媒体的宣传不符，比特币难道不是去中心化网络吗？不需要信任吗？哈哈，对也不全对。

比特币通过工作量证明去除了对第三方机构的信任，可以有效避免双花。但是比特币终归是交易系统，交易，或者说交流最终都要归于信任！只不过，比特币的工作量证明，有意或者无意的把信任推给了能源！

我们为什么相信比特币区块链记录的信息呢？因为每条信息都需要矿工花费电力和CPU资源，换句话说，每天信息都有能源背书，有巨大的成本。这就是我们信任的基础！

因为有了公钥密码学（数字签名）我们不需要信任交易的归属权，我们只需要验证归属权；但是关于交易还有一个重要的概念就是顺序和不可变性。试想，如果我今天付给你的钱，明天单方面反悔怎么办？你肯定会起诉我，让我付出代价对吧？但是这时我把信任放在了第三方仲裁机构上。

比特币网络通过工作量证明，巧妙把排序和惩罚连接到了能源消耗上，我把信任放在能源的消耗上。只要作弊的经济收益小于作弊的成本，就没有理由作弊。

长话短说

比特币通过数字签名，把归属权问题从信任问题（高成本）变成了验证问题（极低成本）。

比特币通过工作量证明，把排序和维持不变的问题从信任第三方（不稳定且变数多）变成了信任能源消耗（稳定且标准）。