序一 處于“十字路口”的區(qū)塊鏈技術及其應用

區(qū)塊鏈和與之相聯(lián)系的加密數(shù)字貨幣，無疑是21世紀“橫空出世”的新事物。過去數(shù)年，特別是2017年以來，區(qū)塊鏈技術受到全球范圍內(nèi)的科學家、思想家、經(jīng)濟學家、企業(yè)家，以及政府、社會和經(jīng)濟組織的關注、參與和應用，全方位地影響了現(xiàn)存的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟行為，一方面，迅速形成了全球性的“區(qū)塊鏈”運動；另一方面，因為區(qū)塊鏈技術的先天缺陷和現(xiàn)實困境而陷入“十字路口”境地。現(xiàn)在，到了以理性態(tài)度理解和認識區(qū)塊鏈與加密數(shù)字貨幣真實狀況，突破區(qū)塊鏈創(chuàng)新瓶頸，實現(xiàn)區(qū)塊鏈技術體系進化的時候。正是在這樣的歷史性期待下，鄒均及其他幾位作者撰寫的《區(qū)塊鏈核心技術與應用》，從剖析區(qū)塊鏈的核心技術入手，對區(qū)塊鏈的技術體系進行了理性的梳理，觸及區(qū)塊鏈的深層結(jié)構(gòu)和科學基礎，所以我給予相當?shù)目隙ā１緯?2章，26萬字。作為篇幅有限的序言，主要集中討論處于“十字路口”的區(qū)塊鏈及其技術體系所面臨的4個基本問題。

1．如何理解和認識區(qū)塊鏈所存在的“先天缺陷”，以及區(qū)塊鏈技術背后的科學層面。一般來說，任何一項新技術都可能存在“基因”和“染色體”問題，區(qū)塊鏈也不例外，很可能反映在以下的4個“局限性”。

1.1 囿于數(shù)學工具的局限性。通常認為，區(qū)塊鏈的核心技術是“密碼學”，而區(qū)塊鏈的密碼學的重點之一則是哈希函數(shù)。也就是說，哈希函數(shù)是區(qū)塊鏈的基石之一。哈希函數(shù)的種類很多，大多數(shù)哈希函數(shù)都是迭代性的，即使用一個哈希函數(shù)，用不同的參數(shù)進行多次迭代運算。問題是，哈希函數(shù)及其緊密聯(lián)系的“素數(shù)”，甚至現(xiàn)代密碼學，最終根源于純粹數(shù)學分支之一的“數(shù)論”。高斯說過：“數(shù)學是科學的皇后，數(shù)論是數(shù)學的皇后”。因為數(shù)論還在發(fā)展，哈希函數(shù)尚屬年輕，區(qū)塊鏈還存在諸如算法選擇不當，造成較多碰撞，導致性能下降等問題，加之對哈希函數(shù)的有限移植，意味著區(qū)塊鏈的底層技術建立在還處于新生階段的“地質(zhì)板塊”上。至于，Merkle樹因為與哈希函數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系也歸結(jié)于數(shù)學問題，所謂的拜占庭將軍問題的本質(zhì)更是一個數(shù)學問題。在這樣的意義上，可以試圖用數(shù)學語言將區(qū)塊鏈描述為：以數(shù)論為基礎，通過哈希函數(shù)實現(xiàn)的一種“復合函數(shù)”構(gòu)造。

1.2 囿于“博弈論”的局限性。區(qū)塊鏈的本質(zhì)是一種多方參與，且形成平衡關系的共識系統(tǒng)。這也是區(qū)塊鏈，特別是公有鏈存在價值的關鍵所在。可以將共識系統(tǒng)理解為一種節(jié)點之間的“均衡”，建立在“博弈論”基礎上的“納什均衡”最接近反映區(qū)塊鏈共識系統(tǒng)的狀態(tài)。具體來說，納什均衡是指這樣的一種策略組合：在一個非合作博弈過程中，任一博弈方只有選擇某個確定性策略，才能獲得最佳收益。如果任一博弈方單獨選擇變換策略，悖離納什均衡，都會損害自己的收益。問題是，當年諾伊曼和納什研究的是有限“節(jié)點”下的小規(guī)模博弈，早已經(jīng)不足以面對“由幾十億節(jié)點的龐大對象構(gòu)成的社會、經(jīng)濟等復雜行為”。MIT的一個近期成果是，一位計算機科學博士在其論文中指出：“找到納什均衡點是幾乎不可能的事”。區(qū)塊鏈和博弈論，包括納什均衡的現(xiàn)實關系是：一方面，區(qū)塊鏈需要博弈論，包括納什均衡工具的支持；另一方面，區(qū)塊鏈節(jié)點的算術級數(shù)，甚至幾何級數(shù)發(fā)展模式，已經(jīng)突破了博弈論的框架和體系。總之，因為區(qū)塊鏈的節(jié)點無限擴大，所以支撐區(qū)塊鏈的博弈論和納什均衡必然捉襟見肘，出路何在，至今并沒有找到最終的科學路徑。

1.3 囿于計算機語言和代碼的局限性。區(qū)塊鏈通過計算機語言和代碼進行技術實現(xiàn)，沒有軟件的注入，就沒有生命力和運行可行性。但是恰恰不存在完美的軟件。

其一，區(qū)塊鏈編程語言多元化，難以找到占有絕對優(yōu)勢的區(qū)塊鏈編程語言，只能通過不同編程語言的互補性加以改善。在現(xiàn)實中，很可能發(fā)生因為任何一種編程語言自身不足，以及不同的編程語言不足的疊加，對現(xiàn)有區(qū)塊鏈造成本源性的傷害。

其二，在現(xiàn)階段，區(qū)塊鏈編程語言主要依賴C++、Java、Go等幾種 “高階語言”，但是，這些語言都需要演進，以求滿足區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)的需求。可以確定的是，現(xiàn)有的“高階語言”仍有很大的改進空間。邏輯上說，整個計算機語言體系仍會繼續(xù)發(fā)展，新一代計算機語言勢必對區(qū)塊鏈產(chǎn)生沖擊和影響，推動區(qū)塊鏈的演進。

其三，現(xiàn)有的計算機語言正在面臨與其他新技術的融合，進而影響區(qū)塊鏈的技術體系。例如，人工智能技術和計算機語言的融合，很可能引發(fā)計算機語言系統(tǒng)的變革。

其四，編程人員的自覺和非自覺的錯誤。本書提供了區(qū)塊鏈與軟件相關的錯誤、缺陷、故障和失效的關系框架圖。

1.4 囿于預期時間實驗長度的局限性。至今，區(qū)塊鏈的實驗歷史相當短暫，支撐比特幣的區(qū)塊鏈歷史最長，應用也不足十年。但是，依據(jù)比特幣系統(tǒng)的設計和比特幣的算法，推測直到2140年最終產(chǎn)出2100萬單位，即使從2018年起計算，僅僅挖完全部的比特幣，還需要122年的時間。從理論上說，比特幣技術系統(tǒng)的使用壽命沒有上限，這個過程中，比特幣系統(tǒng)的運行不可中斷，甚至不允許進行實質(zhì)性的修改。所以，本書提出了如何保證比特幣系統(tǒng)在未來122年安然無恙地運行問題，是有相當意義的。其實，豈止比特幣的區(qū)塊鏈技術系統(tǒng)，絕大多數(shù)區(qū)塊鏈的設計和應用并非是短期內(nèi)可驗證的，現(xiàn)在還沒有足夠的案例證明，現(xiàn)行支持區(qū)塊鏈的軟件和硬件系統(tǒng)能夠支持長周期的時間目標。

進一步說，到目前為止，支撐區(qū)塊鏈的主要底層技術的產(chǎn)生，早于區(qū)塊鏈。之后，因為有了區(qū)塊鏈理念，這些技術得以重新組合。也就是說，現(xiàn)階段的區(qū)塊鏈技術，及其數(shù)學和科學的基礎，還是相當脆弱的，難以支持在商業(yè)、經(jīng)濟和社會的長期和大規(guī)模的應用。在人類現(xiàn)代科學技術發(fā)展的過程中，從基于有限科學原理的技術嘗試起步，最終形成完整的學科和科學體系，不乏歷史案例。例如，萊特兄弟制造飛機之時，所依據(jù)的不過是一些初步的科學原理和技術，但是伴隨飛機的進化和工業(yè)化，最終形成了以飛機整體設計為目標，包括航空學、材料學、電子科學、工程制造學等眾多學科的綜合科學技術體系。

所以，現(xiàn)階段區(qū)塊鏈的技術很像萊特兄弟飛機的試驗階段。要想全面實現(xiàn)區(qū)塊鏈的理念，就像飛行器的歷史，最終不僅要實現(xiàn)在全天候和全方位的天空飛行，而且最終要進入宇宙空間，需要的是一個完整的科學和技術體系的支持。可以這樣認為，因區(qū)塊鏈所組合的技術，還需要一個適應區(qū)塊鏈廣泛應用的調(diào)整時期，或者進一步開發(fā)的時期，最終區(qū)塊鏈可能演變出一個科學含量極高的綜合學科體系。

"2．區(qū)塊鏈是否存在現(xiàn)實的和潛在的威脅？區(qū)塊鏈面臨著為數(shù)眾多的技術性困境，諸如“可擴展性”技術，“隱私保護”技術，“存儲”技術，等等。但是，真正構(gòu)成對區(qū)塊鏈體系現(xiàn)實和潛在威脅的很可能集中在以下幾個方面。

2.1 共識層結(jié)構(gòu)性失衡的可能性。在區(qū)塊鏈的架構(gòu)中，或者在區(qū)塊鏈的分布式系統(tǒng)中，共識層至關緊要。共識的本質(zhì)是算法，一個嚴格共識算法需要滿足4個條件：終止性、一致性、合法性、誠實性。從技術層面來講，區(qū)塊鏈的共識算法是基于異步通信場景。這樣就要涉及FLP定理。該定理的研究對象覆蓋異步通訊的沒有時鐘、不能時間同步、不能使用超時、不能探測失敗、消息可任意延遲、消息可亂序等一系列特征。在異步通訊場景下，即使只有一個進程失敗，也沒有任何算法保證非失敗進程達到一致性。在這樣的情況下，通常的共識算法會傾向選擇安全性并犧牲活性，難以保證在有限時間內(nèi)達成共識。也就是說，現(xiàn)在的各類區(qū)塊鏈的共識算法只有相對意義，并不存在統(tǒng)一的共識算法，唯有根據(jù)不同的需求，不同類型的區(qū)塊鏈采用相對適宜的共識算法。

這樣，就引申出兩個問題：其一，已有的共識算法如何應對當下區(qū)塊鏈數(shù)量爆炸，類型組合多樣化，以及區(qū)塊鏈類型之間差異增加的情形；其二，區(qū)塊鏈是特定的多維動態(tài)系統(tǒng)，即多中心或無中心、更加分布式的網(wǎng)絡。這個網(wǎng)絡跨越多個子網(wǎng)、多個數(shù)據(jù)中心、多個機構(gòu)、多個運營商，甚至多個國家，如果區(qū)塊鏈聯(lián)盟進入實質(zhì)化，怎樣協(xié)調(diào)不同共識算法，實現(xiàn)共識的共識？

不久前，一位以maxdeath作為筆名的作者提出：區(qū)塊鏈的第三代技術突破，一個是零知識驗證技術，另一個可能的突破點是真正無限擴展的共識算法。這個看法，頗值得注意。

還有，區(qū)塊鏈的功能依賴于去中心化賬本，而去中心化賬本取決于不同節(jié)點上的賬本數(shù)據(jù)的一致性和正確性，最終取決于分布式系統(tǒng)中實現(xiàn)狀態(tài)共識的算法。因為區(qū)塊鏈的算法對一致性的制約，不可避免地影響了去中心化賬本的深層基礎及區(qū)塊鏈的功能。

2.2 算力的壟斷傾向和趨勢。區(qū)塊鏈的運行機制可以理解成不斷將“單一或多個輸入值”轉(zhuǎn)換為“單一或多個結(jié)果”的過程，因此區(qū)塊鏈是一種“計算”，一般來說，區(qū)塊鏈天然需要算力的支持。特別是，以比特幣為代表的區(qū)塊鏈技術，使用PoW來確定記賬權。這一機制要求節(jié)點進行大量的復雜函數(shù)計算，使得記賬節(jié)點完成共識的同時，增加對區(qū)塊鏈的攻擊成本，提高了安全性。引入這一機制對區(qū)塊鏈技術的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響：唯有通過算力不斷挖出區(qū)塊來實現(xiàn)記賬。如果區(qū)塊鏈沒有算力，就無法產(chǎn)生新的區(qū)塊，就會出現(xiàn)交易沒有人去記賬的情況。這就意味著區(qū)塊鏈的“死亡”。算力的作用也開始被狹義化為“挖礦”，其衡量標準等同于“哈希率”，即計算哈希函數(shù)輸出的速度。“礦工”開始成為比特幣等區(qū)塊鏈中的重要群體，在比特幣的管理范疇中不斷要求更高的權利。問題在于，有可能發(fā)生區(qū)塊鏈天然算力遭到壟斷的情況。以比特幣為例，過去的十年間，其算力經(jīng)歷了從CPU到GPU的個體時代，短暫的FPGA階段，最終進入了通過ASIC礦機支持的礦池壟斷時代，其標志是比特幣全網(wǎng)算力以PBhash/s為單位（1PB=1024T,1TB=1024GB,1GB=1024MB, 1MB=1024KB）。截至本序?qū)懽鲿r，比特幣預計全網(wǎng)算力已經(jīng)將要達到37000P。

期間，基于去中心化的分布式記賬的比特幣，原本與之配合的分散和自由競爭的算力，迅速遭到包括芯片技術升級、能源、人力、資本大量投入的組合型沖擊，造成以算力日益壟斷為特征的異化。從技術角度說，在區(qū)塊的挖出速度不能改變前提下，算法就會根據(jù)算力增大而提高和控制區(qū)塊挖出的難度，當全網(wǎng)算力足夠大的時候，挖礦的難度也就足夠大，任何個人不太可能獨自挖出完整的區(qū)塊，只有加入礦池，才可能以礦池的算力挖出完整區(qū)塊，個人按照其貢獻算力的比例去分成。不僅如此，在礦池環(huán)境下，因為全網(wǎng)挖礦難度的調(diào)整不是實時的，如果發(fā)生礦池突然中止挖礦，會導致剩余礦工無法在當下的挖礦難度下準時產(chǎn)生區(qū)塊，最終造成區(qū)塊鏈“死亡”式的“同歸于盡”。所以，建立在強大“算力”基礎上的礦池實質(zhì)上綁架了區(qū)塊鏈。先是比特幣，進而以太坊也面臨相同的境地。

如果說中本聰是智者，卻沒有想到基于資本和工業(yè)能力所支持的算力壟斷，早已經(jīng)不僅僅是一個簡單的能源、人力、資本的競爭和消耗問題，也不僅僅是個人通過挖礦獲得比特幣財富的權利遭到剝奪的問題，而是一旦處于壟斷狀態(tài)的算力失去控制的機制，很可能構(gòu)成對區(qū)塊鏈和加密數(shù)字貨幣生態(tài)的毀滅性破壞的問題。現(xiàn)在很可能只有兩種可能性：①為了維持算力壟斷，成本不斷增大，當成本高于收益的時候，就會停止；②為了維持算力壟斷“竭澤而漁”，最終同歸于盡。前者可以理解為“軟著陸”，后者可以理解為“硬著陸”，現(xiàn)在顯現(xiàn)的主要可能性是后者。不論是“軟著陸”還是“硬著陸”，都需要警惕，更需要通過技術底層創(chuàng)新加以防范。

需要說明的是，目前基于PoW所衍生出來的種種弊端，人們已經(jīng)嘗試了若干不同的替代方案，例如PoS、DPoS等。特別是，Vitalik Buterin針對“聯(lián)合化的礦工團體出于自利目的將算力集體轉(zhuǎn)移以攻擊舊區(qū)塊鏈（spawn-camp）”的可能性，提出可以加強從客戶端出發(fā)的驗證機制，利用均勻分布的個體用戶的“協(xié)調(diào)性問題”，增加上述攻擊成功的難度。但是，以上種種方案并不意味著PoW的思想已經(jīng)過時，也不意味著“算力”應當被摒棄。其如何演變，以及PoW究竟會如何發(fā)展，“算力”是否能夠在區(qū)塊鏈中發(fā)揮更重要的作用，還需要時間的驗證。

2.3 傳統(tǒng)經(jīng)濟模式和工具的侵蝕。面對區(qū)塊鏈及其所支持的加密數(shù)字貨幣的橫空出世和蓬勃發(fā)展，有一種廣泛傳播的樂觀看法：區(qū)塊鏈和加密數(shù)字貨幣誕生、傳播與應用，具有強大的生命力，代表了打破傳統(tǒng)經(jīng)濟生態(tài)平衡，改變傳統(tǒng)金融和產(chǎn)業(yè)秩序的“新物種”。但是，現(xiàn)實更多展現(xiàn)的是相反的一面，即傳統(tǒng)經(jīng)濟模式與工具對區(qū)塊鏈和加密數(shù)字貨幣的生態(tài)體系影響。

其一，包括比特幣在內(nèi)的主要加密數(shù)字貨幣的價值，需要通過以美元為代表的法幣加以體現(xiàn)。之所以發(fā)生這樣的情況，主要因為在現(xiàn)實世界還沒有形成比特幣或者其他加密數(shù)字貨幣的自我循環(huán)和交易的市場。

其二，傳統(tǒng)以法幣作為投資手段的各種資本，全面進入?yún)^(qū)塊鏈和加密數(shù)字貨幣領域，形成“資本主權”。

其三，諸如商業(yè)銀行、投資銀行、交易所等機構(gòu)模式，正在與區(qū)塊鏈、加密數(shù)字貨幣和Token“嫁接”，甚至“融合”。

其四，部分“移植”區(qū)塊鏈和加密數(shù)字貨幣原理和技術，以求強化傳統(tǒng)經(jīng)濟和貨幣體系。一些國家開發(fā)的法定加密數(shù)字貨幣，就是典型案例。

要特別注意的是區(qū)塊鏈“財富效應”幻覺，夸大以區(qū)塊鏈為技術基礎的數(shù)字資產(chǎn)的價值轉(zhuǎn)移、定價與交易，誤導人們以傳統(tǒng)商業(yè)化的原則理解和判斷區(qū)塊鏈的價值。簡言之，當下回答如何看待傳統(tǒng)經(jīng)濟模式和區(qū)塊鏈系統(tǒng)的相互作用，或者彼此混合的后果，是否能夠重構(gòu)人類信任體系，最終誰改造誰，還為時過早。但是，有一點是值得考慮的：區(qū)塊鏈及其理念與技術原本是為了解決傳統(tǒng)經(jīng)濟制度的缺陷，然而面對傳統(tǒng)經(jīng)濟工具、制度和機構(gòu)的全方位接觸，尚處于早期的和脆弱狀態(tài)的區(qū)塊鏈生態(tài)，并不具備強大的自我保護機制，面臨被傳統(tǒng)經(jīng)濟模式和工具再改造的可能性。

3．現(xiàn)階段區(qū)塊鏈存在怎樣的創(chuàng)新路徑？區(qū)塊鏈過去、現(xiàn)在和未來的生命力，都取決于其創(chuàng)新能力。區(qū)塊鏈的創(chuàng)新主要是兩類：在現(xiàn)階段區(qū)塊鏈主流架構(gòu)下的創(chuàng)新，以及從本源上突破了主流框架的創(chuàng)新。

3.1 基于區(qū)塊主流架構(gòu)和具有“路徑依賴”特征的創(chuàng)新。現(xiàn)在普遍看法是，比特幣是區(qū)塊鏈的1.0，以太坊是區(qū)塊鏈的2.0。在主流框架下的創(chuàng)新主要集中在以下幾個方面。

其一，突破“可擴展性”限制。主要包括比特幣通過“分叉”的擴容方案，以太坊自身的Plasma、State Channel、Raiden、Truebit、Sharding和Casper等擴容方案，以及諸如側(cè)鏈技術（RootStock、Polkadot、Cosmos）、區(qū)塊擴容、鏈下計算、分區(qū)共識、分片的 “內(nèi)部分割”等處于試驗階段的選擇方案。

其二，改善存儲。工程實例至少有：Swarm（以太坊的P2P文件共享協(xié)議）、Storj（一種“分布式存儲”技術），以及IPFS（一種P2P超媒體協(xié)議）。

其三，EOS代表的區(qū)塊鏈操作系統(tǒng)。根據(jù)EOS白皮書顯示，預計其可擴展至單鏈幾千TPS、全網(wǎng)并行百萬TPS的交易吞吐量，并且主網(wǎng)已于2018年6月上線，是未來區(qū)塊鏈平臺強有力的競爭者。

其四，開發(fā)具有隱私和法規(guī)的區(qū)塊鏈，例如Cardano。Cardano是世界上第一個由研究為主導，基于科學哲學開發(fā)出來的區(qū)塊鏈項目，也是第一個采用同行評審技術的區(qū)塊鏈項目，可用于發(fā)送和接收數(shù)字資金，支持各種去中心化應用和智能合約。

其五，提高智能合約的安全性。形式化驗證技術正在逐步應用到區(qū)塊鏈智能合約代碼檢查。其原理是，根據(jù)某個或某些形式規(guī)范或?qū)傩裕褂脭?shù)學的方法證明其正確性或非正確性。

其六，滿足區(qū)塊鏈測試需求，參考“ISO/IEC 25010標準”來完善測試模型。在這本書提供的參考測試模型中，區(qū)塊鏈評測涉及8個維度，31個分維度。

3.2 突破現(xiàn)階段區(qū)塊鏈主流架構(gòu)的創(chuàng)新。必須注意到，在區(qū)塊鏈主流架構(gòu)下的創(chuàng)新，只具有相對意義。例如，比特幣在頂層設計階段就沒有徹底解決共識問題，只是將問題加以轉(zhuǎn)換，“一方面通過區(qū)塊鏈的序號作為虛擬時間基準，另一方面通過‘挖礦’的經(jīng)濟動力來促使比特幣鏈的不斷延伸”。在這個意義上，中本聰用此類經(jīng)濟方法解決分布式系統(tǒng)共識問題確實相當智慧。進一步說，現(xiàn)階段的區(qū)塊鏈，難以升級。一旦區(qū)塊鏈被部署和進入生產(chǎn)模式，在功能上進行添加、修改和刪除，難度甚大，成本甚高。現(xiàn)在，通常的區(qū)塊鏈修改，都會造成區(qū)塊鏈系統(tǒng)的軟分叉或者硬分叉，造成時間、精力和經(jīng)濟上的浪費。

所以，區(qū)塊鏈的真正創(chuàng)新必須突破主流架構(gòu)，實現(xiàn)頂層理論設計和數(shù)學方法上的創(chuàng)新。這種突破主流框架的創(chuàng)新，已經(jīng)悄然開始。到目前為止，DAG（Directed Acyclic Graph，有向無環(huán)圖）為代表的技術屬于突破現(xiàn)階段區(qū)塊鏈主流架構(gòu)的創(chuàng)新。“比特幣的效率一直比較低，基于PoW共識下的出塊機制是原因之一，由于鏈式的存儲結(jié)構(gòu)，整個網(wǎng)絡中同時只能有一條鏈，導致出塊無法并發(fā)執(zhí)行。DAG從根本上摒棄了區(qū)塊概念，交易直接進入全網(wǎng)中，達到所謂的無區(qū)塊（Blockless）效果，網(wǎng)絡中的交易可以容納N倍。”

具體說，DAG有4個特點。

其一，交易速度快。交易速度遠遠高于基于PoW和PoS的區(qū)塊鏈交易速度。

其二，無須挖礦。DAG把交易確認的環(huán)境直接下放給交易本身，無須由礦工打包成區(qū)塊后同意交易順序。所以DAG網(wǎng)絡中沒有礦工的角色。

其三，無手續(xù)費。交易發(fā)起只需要做簡單的PoW，整個網(wǎng)絡中的PoW都是發(fā)起交易者自己做的，而不是交給礦工，所以發(fā)起交易無須手續(xù)費。

其四，需要見證節(jié)點。DAG需要見證人機制的存在。超越DPoS、PoS、PBFT，最終實現(xiàn)在效率與安全性上的一種平衡。DAG的數(shù)學基礎不再是數(shù)論，而是圖論，即拓撲學，即以空間、維度與變換作為研究對象的學科。圖論原理顯然更接近對區(qū)塊鏈基本模式的描述。DAG模式如下。

第一次提出DAG跟區(qū)塊鏈結(jié)合是在NXT社區(qū)，該社區(qū)的成員大多集中在東歐和俄羅斯，去中心化對他們更具有現(xiàn)實意義。現(xiàn)在，基于DAG原理和技術的IOTA，由4名平均年齡不到30歲、最年輕者僅21歲的團隊所創(chuàng)立，推出不到兩年，其價格在虛擬貨幣中已經(jīng)攀升至第8名，他們更高的目標是成為“物聯(lián)網(wǎng)”的骨干。此外，Swirlds公司開發(fā)的Hashgraph技術也是DAG結(jié)構(gòu)的一種。Hashgraph通過Gossip about Gossip協(xié)議，“讓每個節(jié)點都維護著所有節(jié)點跟其他節(jié)點的通信歷史，每個節(jié)點在完成拜占庭協(xié)議時，不需要經(jīng)過網(wǎng)絡多輪通信，節(jié)點本地環(huán)境就可以直接模擬拜占庭協(xié)議。Hashgraph在數(shù)學上可以證明滿足異步拜占庭容錯，至少跟比特幣一樣安全。”不過，對于Hashgraph技術，尚有很大爭議。

4．怎樣實現(xiàn)區(qū)塊鏈系統(tǒng)維系“熵值減少”狀態(tài)？區(qū)塊鏈是典型的信息系統(tǒng)，其生命力取決于其內(nèi)在的信息熵的大與小和高與低。

鄒均在本書前言中提出：“在香農(nóng)創(chuàng)立的信息論中，信息是確定性的一個度量，而熵也是信息量的一個度量。熵越大，越無序，信息量越少。而從這個意義上來說，區(qū)塊鏈系統(tǒng)是一個熵值減少的系統(tǒng)，因為共識所確定的狀態(tài)就是信息，而信息也就是有序和確定性”。鄒均的上述說法是否精確，可能還需要討論。但是，鄒均提出了兩個有意義的問題：其一，區(qū)塊鏈是一個熵值減少的系統(tǒng)；其二，共識導致熵值減少。

4.1 何謂“信息熵”？為了理解“信息熵”，首先需要理解什么是“信息”？信息沒有標準定義，按照香農(nóng)（C. E. Shannon,1916-2001）的“信息論”，可以理解為一串以邏輯論的01（即計算機的“二進制”）編碼的數(shù)列。至于信息熵，則是基于數(shù)學，或者統(tǒng)計學上的抽象概念，所描述的是信息本身的一種性質(zhì)，這種性質(zhì)獨立于信息的形式內(nèi)容。具體說，信息熵的幾個基本屬性如下。

1）單調(diào)性。發(fā)生概率越高的事件，不確定性越低，其所攜帶的信息熵越低。相反，事件的可能選擇越多，不確定性越大。

2）非負性，即信息熵不能為負。

3）信息熵應該是隨概率連續(xù)變化的。

4）累加性，即多隨機事件同時發(fā)生存在的總不確定性的量度可以表示為各事件不確定性的量度的和。

在這里，信息熵與信息量概念發(fā)生某種重合。信息量是衡量信息消除的不確定性（Uncertainty）的度量，更準確地說，就是“變量不確定度的平均度量”，信息論中將它稱之為“信息熵”。[注1]或者說，信息熵是信息的不確定性的度量，不確定性越大，信息熵越大。信息熵也可以理解為將一個事件用01編碼的一串數(shù)列的平均碼長，碼長的單位為bit。所以，信息熵也是一種數(shù)學預期。

[注1]1948年，香農(nóng)在長達數(shù)十頁的論文“通信的數(shù)學理論”中，雖然沒有回答“信息是什么”，卻提出信息的度量問題，創(chuàng)造了計算“信息熵”H的著名數(shù)學表達公式：H=-∑PilogPi“信息熵”實際是對隨機變量的位量和順次發(fā)生幾率相乘再求總和的數(shù)學期望。

4.2 區(qū)塊鏈何以形成有序？從根本上說，區(qū)塊鏈的信息系統(tǒng)天然具有克服熵增，實現(xiàn)熵減的結(jié)構(gòu)。因為，一般的信息系統(tǒng)不同于物質(zhì)世界，具有以下的基本特性：① 可復制性，難以唯一；② 無序擴散性；③ 易失真、演變、丟失；④ 不考慮信源在信息流動過程中扮演的“麥克斯韋妖”的角色的話，信息系統(tǒng)因為信息的基本特性更容易出現(xiàn)無序態(tài)；⑤ 加之中心化信息系統(tǒng)，本質(zhì)上只是一個沒有任何堅實基礎和被放大和降噪的信息管道，難以實現(xiàn)系統(tǒng)的真正有序和確定性。所以，一般的信息系統(tǒng)很難克服熵增屬性，難以實現(xiàn)系統(tǒng)的真正有序和確定性。而區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)，因為包含共識機制，包含時間、主體、內(nèi)容在內(nèi)的全息記錄，例如時間戳技術，以及包含非中心化系統(tǒng)和節(jié)點分布，導致熵減，有序和增加穩(wěn)定性。

但是在現(xiàn)實的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，區(qū)塊鏈的熵減情況不是自然發(fā)生的。也就是說，實現(xiàn)區(qū)塊鏈架構(gòu)中的任何一個層次的數(shù)據(jù)和信息的真實性和完整性，絕非易事，特別是存在共識層結(jié)構(gòu)性失衡的可能性。如果考慮到區(qū)塊鏈天然需要算力，需要通過不斷挖出區(qū)塊來實現(xiàn)記賬，而挖出區(qū)塊需要耗費日益增加的能源和人力資源的情況，區(qū)塊鏈及與其關聯(lián)的加密數(shù)字貨幣甚至無法擺脫熱力學的熵定理。所以，就區(qū)塊鏈技術和日益廣泛的應用而言，怎樣實現(xiàn)持續(xù)性的熵值減少狀態(tài)，具有相當?shù)奶魬?zhàn)性。

4.3 耗散結(jié)構(gòu)理論和區(qū)塊鏈。在物理學上，最能夠解釋區(qū)塊鏈的理論很可能是“結(jié)構(gòu)理論”：一個遠離平衡狀態(tài)下的開放系統(tǒng)，在與外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量的過程中，通過能量的耗散過程和系統(tǒng)內(nèi)部的非線性動力學機制，能量達到一定的程度，熵流可能為負，系統(tǒng)總熵變可以小于零，宏觀上可能從原來的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間、空間或功能的動態(tài)有序狀態(tài)。現(xiàn)在看，區(qū)塊鏈很可能屬于耗散結(jié)構(gòu)，是一種自組織系統(tǒng)，具有內(nèi)部各因素之間產(chǎn)生協(xié)同動作和相干效應，解決了信息系統(tǒng)從無序走向有序的機制。區(qū)塊鏈的自組織系統(tǒng)能夠適應普遍的環(huán)境，更加柔韌和健壯。特別是，自組織的區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有自我完善的可能性，消除了宏觀上必然熵增引發(fā)的衰敗趨勢。進一步說，區(qū)塊鏈作為一種自組織的耗散結(jié)構(gòu)，具有自我意志和自我創(chuàng)造、演化的潛力，以及自我發(fā)展的路徑，而不是簡單地由外部條件影響、塑造。區(qū)塊鏈伴隨著算力的運行，會不斷形成新的有序結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生新的能量，從這個角度說，區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)具有內(nèi)生的演化邏輯。由此，需要提及“麥克斯韋妖”。麥克斯韋做了一個實驗：它能把一個封閉盒子里的本來熱平衡的分子從一邊“趕”到另一邊，從而讓一個熱力學系統(tǒng)自動熵減，由此違反了熵增和熵最大原理。但是，這個實驗已經(jīng)被證明無法違背熵最大原理。因為實驗中發(fā)現(xiàn)，“小妖”為了發(fā)現(xiàn)并分辨分子運動的快慢，以及消除自己的信息記錄，本身也需要消耗能量，造成熵增。這個思想實驗的意義之一在于，智能可以是耗散結(jié)構(gòu)的方案。在某種意義上而言，區(qū)塊鏈系統(tǒng)就是一種“麥克斯韋妖”，也就是說，區(qū)塊鏈本身就是一種智能。

在這里應該指出，到目前為止，比特幣及其區(qū)塊鏈基礎是符合耗散結(jié)構(gòu)模型的，否則比特幣也不足以維持十年之久。但是，按照比特幣的初始設計，從現(xiàn)在到2140年的未來一百年間，比特幣是否能夠始終處于耗散結(jié)構(gòu)，維持熵減，避免熵增的狀態(tài)，受到太多的內(nèi)生和外生因素的影響，難以做出簡單的判斷。但是，可以肯定的是：在過去四五十年間，傳統(tǒng)法幣在非耗散結(jié)構(gòu)和熵增的過程中，發(fā)生了從算術級數(shù)到幾何級數(shù)的轉(zhuǎn)變，導致了全球貨幣體系走上了熵增的不歸之路。

在結(jié)束序言前，我想告訴讀者：鄒均編寫的本書，與其上一本著作《區(qū)塊鏈技術指南》，以及市場上關于區(qū)塊鏈的大量著作相比，以下幾個方面值得注意。

其一，宏觀視野。本書從當代互聯(lián)網(wǎng)的局限和計算模式的演變的大背景出發(fā)，切入?yún)^(qū)塊鏈的概念和技術框架，最后對區(qū)塊鏈技術進行分解說明，使讀者得以窺見區(qū)塊鏈技術及其應用的全貌。

其二，系統(tǒng)化。本書對區(qū)塊鏈技術相關的問題進行分解、梳理和歸納，歸納出區(qū)塊鏈技術的“最小公約數(shù)”，最終形成了12個大主題，每個主題又細分成三個層次。這樣的框架設計有益于系統(tǒng)討論區(qū)塊鏈技術。

其三，科學的描述方式。本書在講解技術的過程中，超越日常生活的形象化舉例，大量引用數(shù)學語言和符號語言進行描述，從而準確傳達了概念和邏輯。

其四，超越概念化。本書沒有停留在對概念的介紹上，而是大量討論概念背后的實現(xiàn)過程、運行機制和交互關系，例如進行“關于比特幣PoW能否解決拜占庭將軍的問題”, “基于PoW的共識記賬”等討論。

其五，重視和引用英語資料。本書大量引用英語資料，一定程度上彌補了當下國內(nèi)區(qū)塊鏈文章和書籍的英文資料引用和研究普遍不足的缺憾。當然，可能因為團隊分工與寫作的限制，本書不乏重復和粗糙之處，距離精致化、凝練化還有一定距離。希望本書還有再版機會，得以完善。

可以預見，在區(qū)塊鏈未來發(fā)展和成長過程中，還會出現(xiàn)一個又一個的“十字路口”，也就是一次又一次的挑戰(zhàn)。但是，可以相信，區(qū)塊鏈的內(nèi)在學習能力將幫助其在“十字路口”做出正確選擇。伴隨區(qū)塊鏈未來發(fā)展和成長，人類社會中的實體經(jīng)濟正在被觀念經(jīng)濟所超越，與物理世界平行的數(shù)字世界全面崛起。區(qū)塊鏈將是連接實體經(jīng)濟和觀念經(jīng)濟，及與物理世界平行的數(shù)字世界的重要橋梁。這正是區(qū)塊鏈真正的歷史功能所在。

——朱嘉明，中國數(shù)字資產(chǎn)研究院院長、著名經(jīng)濟學家

（2018年6月3日初稿，2018年7月10日定稿）