区块链的运行机制
(一)区块链的结构
区块链(Blockchain)是由区块(Block)串联起来组成的链(Chain)。每个区块的内容包含若干信息(通常是交易记录)，还包含一个代表区块的哈希值(Hash value)以及代表前一个区块的哈希值(见图1)。当对某一区块中的一条信息进行修改时，不仅会改变这一区块的哈希值，还会导致其后的所有区块的哈希值发生改变。因此，除非构造一条从该区块之前的区块开始的分叉，并且得到全网络的认可，否则无法对某个区块的内容进行篡改。
图1 区块链结构与区块内信息示意图
通俗地说，区块链技术就是把一笔交易的账目公告天下，让每个人都成为历史的见证者，从而防止当事人篡改交易记录。一笔交易要成功记录在区块链上(俗称“上链”)，需要经过以下几个步骤：第一，交易方向全网发布交易申请；第二，记账人对交易方身份以及账户金额进行审核，确认没有问题则加入结算池；第三，每隔一段时间，一个被选中的记账人从结算池中选取若干记录打包形成区块，并向全网公布；第四，区块获得全网认可后，成为公共账本中的一部分。
(二)区块链的激励机制
区块链作为一种分布式记账技术，可能会有多个信息的发布方以及多个记录者。要成为一种可靠、便捷的记账方式，区块链要解决两个关键问题：一是如何确定由谁来制造新的区块(谁来记账)，二是如何保证全网络的账本是一致的(防止篡改)。我们不妨将区块链上的交易方和记账人都称为代理人。此时，代理人之间存在严重的信息不对称，比如没人知道对方的真实身份(匿名性)和人品。那么，如何保证记账人是诚实可信的呢？这涉及逆向选择问题。如何保证没人篡改交易记录呢？这涉及道德风险问题。要解决这两类信息不对称导致的代理问题，区块链的创建者必须设计非常精巧的激励机制。因此，区块链的成功，其实暗含了深刻的经济学原理和契约理论。
我们先讨论记账人的问题。根据记账人的组织结构，区块链可以分为三种：一是公有链，所有互联网用户都可以成为公有链的记账人，不需要许可或者认证；二是联盟链，只有经过系统的许可，一个节点才可以参与交易记录的打包整理；三是私有链，记账权完全掌握在一个中心化节点手中。公有链和联盟链系统拥有多个记账人，通常被称为矿工(miner)或者见证官(validator)，矿工之间会争夺记账权，这一过程被称为“挖矿”。
那么，为什么矿工有激励去做一个记账人呢？因为矿工能够从成功记录交易的过程中得到一笔交易费作为回报。以比特币为例，争夺记账权的机制称为工作量证明机制(Proof of Work，PoW)。其原理是：给定每个区块的哈希值处于一定的范围内，矿工在选取好要打包的交易记录后，只能不断地在计算机程序上输入随机数，直到找到一个随机数使得区块的哈希值满足系统的要求。这个过程通常需要花费很多时间和电力。根据比特币协议，大约每两周的时间会调整一次合法哈希值的范围，保持平均每十分钟出现一个新区块的速率。矿工参与记账的经济回报在于，每个区块在获得全网认可后，打包该区块的矿工将获得一定的区块奖励以及每笔交易的交易奖励。由于每个区块的大小是有限的，能包含的交易记录也是有限的，交易方为尽快完成打包结算，可以设定更高的交易奖励。
工作量证明机制在比特币币值上升的情况下，能够不断吸引新矿工的加入，从而提高系统的安全性，但是也带来严重的能源消耗问题。为此，一些区块链系统转而采用权益证明机制(Proof of Stake，PoS)，替代工作量证明机制。在权益证明机制中，所有持有代币的人都是矿工。每隔一段时间，系统随机选中一个代币，持有该代币的人将获得记账权，每单位代币获得记账权的概率相同，持有代币越多的矿工获得记账权的概率越大。由于记账权由系统随机指定，矿工不需要为争夺记账权进行算力竞争，只需在被指派打包任务时按协议打包并公布，消耗的电力可以忽略不计。目前，有越来越多的区块链项目开始采用权益证明机制，其中包括全球第二大加密货币系统以太坊。
然后，我们讨论第二个问题，即如果有人试图篡改账本怎么办？这就必须提到区块链的争议解决机制。在区块链中，争议是以分叉的形式存在，即如果区块A和区块B的前一区块都是区块C，则区块A和区块B及其各自的后续区块就构成了分叉。当网络中的所有节点都接受同一个链条时，该链条上的所有交易都成为全网共识，此时不存在争议，也就是说无人能篡改账本。Biais等总结了PoW系统中分叉出现的四种原因。一是网络延迟，两个矿工在接近的时间分别找到合法区块，在不知晓其他合法区块存在的情况下向外广播自己找到的区块；二是双花攻击(double-spending attack)，又常被称为51%攻击，即某一矿工掌握系统中大部分算力，刻意制造分叉将自己过去的交易记录抹除，使已经支付的货币回到自己的账产；三是协议不同步，即当网络协议升级时，可能出现在一个协议下合法的区块在另一个协议下不合法，导致该区块被部分矿工接受但被另外一部分矿工拒绝；四是系统回滚，即出现大量代币被窃取等意外情况时，矿工们经过协商，从某一区块开始分叉，实现系统回滚。
解决分叉最基本的机制是最长链原则，即在存在分叉的情况下，所有矿工都只在最长的分支上寻找新的区块，较短分支上的区块成为孤块，仅记录在孤块上的交易不会被承认，找到孤块的矿工得到的区块奖励和交易见证奖励也不被承认。在比特币最初的设计中，最长链原则就被确定为出现分叉时的解决机制，但是这一原则仅能处理网络延迟和双花攻击两种出现分叉的情况。在网络延迟的情况下，可能存在两条同样长的分支，每个矿工可以选择接受其中任意一条，直到有矿工找到新的区块，使得一个分支的长度超过另外一个，所有矿工都将接受最长的分支。而如果有矿工要进行双花攻击，就要制造一条超过原来链条长度的分支，除非掌握超过一半的算力，否则成功的概率很低。中本聪认为，双花攻击的机会成本(算力的浪费)将超过期望收益，因此理论上拥有超级算力的人与其去篡改原来的账本，不如新建一个区块链。从契约理论的角度讲，这是一种激励相容机制。在实际操作中，为了防范双花攻击，加密货币交易往往要在结算完成后等待若干区块才被确认。
在处理另外两类分叉问题时，最长链原则并不一定适用，特别是系统回滚操作，直接违背了最长链原则。到目前为止，还没有处理协议不同步和系统回滚问题的统一机制，而是在每一次出现问题时，依赖矿工们的沟通，这被称为治理共识机制。治理共识是一种复杂的利益博弈，未必每次都能协调成功，这导致比特币、以太坊等加密货币经历了多次分裂。
（摘自人大复印报刊资料微信公众号）
