时代观察 | 计算机网络50年发展史:从阿帕网到比特币

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比特币白皮书并非凭空出现,P2P网络也不是什么新技术。P2P网络根植于计算机和互联网的早期历史,建立在数十年的计算机网络、密码学和博弈论研究基础之上。 文/Shermin Voshmgir 编译

比特币白皮书并非凭空出现,P2P网络也不是什么新技术。P2P网络根植于计算机和互联网的早期历史,建立在数十年的计算机网络、密码学和博弈论研究基础之上。

文/Shermin Voshmgir

编译/柳叶惊鸿

时代观察 | 计算机网络50年发展史:从阿帕网到比特币

第一个计算机网络是在20世纪60年代发明的。ARPANET是1969年引进的美国大学计算机专用网络,最初由美国国防部高级研究计划局资助。1973年,ARPANET整合了英国和挪威研究机构的计算机,成为一个全球网络。1974年,随着第一家互联网服务提供商Telnet的整合,ARPANET开始商业化。同年,一篇发表的论文,描述了一种在节点之间使用分组交换共享资源的工作协议。该协议的一个中央控制组件是传输控制程序(TCP)。1982年,TCP的单片体系结构被划分为一个由传输层(TCP)和Internet层(也称为"Internet Protocol",IP)组成的模块化架构。该模型被称为TCP/IP,并作为标准的网络协议。

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20世纪70年代

20世纪70年代初,拉尔夫?默克尔(Ralph Merkle)的密码学研究为P2P网络安全通信奠定了基础。他的工作概念化了如何像计算机网络一样解决"在不安全信道上的安全通信",并为现代公钥密码学奠定了基础。在他的论文中,他进一步描述了一种构建抗碰撞的加密哈希函数的方法。他还申请了一种特殊类型的哈希表专利,这种哈希表名为Merkle树,它允许对大型数据结构的内容进行更有效和更安全的验证。

1976年,惠特菲尔德?迪菲(Whitfield Diffie)和马丁?赫尔曼(Martin Hellman)基于他的一些想法,创建了一种通过公共网络安全交换密钥的机制。它是最早实现公钥交换的例子之一,并引入了数字签名的概念。在公钥方法发明之前,加密密钥必须以物理形式传输,因此在公共网络上进行安全的数字密钥交换是开创性的壮举,没有它,比特币和随后的技术就无法运行。1978年,罗恩?里夫斯特(Ron Rivest)、阿迪?沙米尔(Adi Shamir)和伦纳德?阿德尔曼(Leonard Adleman)发现了一种创建单向加密函数的方法,这种加密方法很难逆转。他们的算法——现在被称为RSA,开创了非对称加密的时代,后来演变为密码学中的椭圆曲线加密算法。1985年,尼尔?科布利茨(Neal Koblitz)和维克托?S?米勒(Victor S.Miller)分别提出了这一算法,这也是比特币中的一项关键技术。

与此同时,随着个人电脑的兴起和互联网协议套件TCP/IP的引入,互联网变得更加普及。然而,可用性仍然是个问题。你必须使用命令行,也就是计算机语言来浏览互联网。蒂姆?伯纳斯—李(Tim Berners-Lee)用他对万维网的愿景解决了这个问题。他用一种相对简单的标记语言创建了一个可视化网站的标准,这些链接只需单击一下即可指向其他网站。虽然从发布的角度来看,万维网让每个人都可以轻易地对互联网上可用的信息做出平等的贡献,但数据仍然是在服务器的围墙后存储和管理的。

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无论是TCP/IP还是基于它的协议,都没有解决在何处存储和如何管理数据的问题。在公共计算机网络中,系统的结构,如网络拓扑结构、网络延迟、计算机数量等,计算机网络是事先不知道的。因此,计算机网络可以由未知的、不可信的计算机和网络链接组成。在执行分布式程序期间,网络的大小和组成也可能随时发生变化。因此,在出现故障的过程中提供并保持可接受的服务水平的能力是网络恢复能力的关键。当时的焦点是公共网络中的数据传输,这已是一个很难解决的问题。

由于经济原因,中心化数据存储和管理成为主流。中心化网络的问题是:系统管理员或控制服务器的机构是控制共享信息可用性的唯一实体。这意味着,如果管理员决定不再分发、操作或审查数据,他们可以简单地在其服务器上执行此操作,并且不再向用户提供该信息。

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DigiCash的原始技术团队

20世纪80年代

1982年,大卫?乔姆(DavidChaum)引入了盲签名的概念,这保证了信息发送者的隐私。盲签名是为投票系统和数字现金系统建立的。他介绍了eCash作为一个匿名的加密电子货币或电子现金系统的想法,并创立了公司DigiCash将他的研究商业化,在1995年至1998年DigiCash被用作一个美国银行的小额支付系统。但DigiCash于1998年破产,可能是因为他的理念太超前了,因为当时的电子商务应用还没有那么广泛。

1983年,随着DNS(Domain Name System,域名系统)的引入,实现了另一个突破,这使得网络中节点的寻址可读性更强。然而,在这些第一代计算机网络中,其重点是将公共计算机网络连接起来,并解决计算机寻址和数据传输的问题。网络体系结构仍然是基于C/S(Client-Server,客户端-服务器)架构逻辑。此外,在互联网的早期,安全通信从来不是主流的焦点。然而,一些特定的研究人员对这个问题很感兴趣。

20世纪90年代

1991年,斯图尔特?哈伯(Stuart Haber)和W?斯科特?斯托内塔(W.Scott Stornetta)提出了一种不能篡改文件时间戳的系统,介绍了最早的关于加密保护的区块链的学术著作。他们的目的是在一个"所有文本、音频、图片和视频文件都以数字形式和易于修改的媒体格式"的世界中证明文件是在什么时候创建或修改的。在最初的提议中,他们使用了集中时间戳服务。然后,他们试图通过要求几个用户(用户通过伪随机数生成器选择)来分配信任,以此对哈希进行时间戳,而不是中心机构。一年后,也就是1992年,拜耳、哈伯和斯托内塔将Merkle纳入了这一机制。这通过允许将多个文档证书收集到一个块中,从而提高了系统效率。

第一个"PoW(Proof Of Work,工作量证明)"功能是由Hashcash(哈希现金)于1997年由亚当?贝克(Adam Back)引入。这个想法是为了限制垃圾邮件和拒绝服务攻击,它要求发起者进行一定量的运算,也就意味着需要消耗计算机一定的时间。最初的想法是由Cynthia Dwork和Moni Naor在他们1992年的论文《通过处理或打击垃圾邮件定价》中提出的。在比特币多年后出现之前,Hashcash引入的概念在2004年也被用于B-money的挖掘机制。B-money是戴伟(Wei Dai)早期提出的一种"匿名分布式电子现金系统"。这是在密码朋克邮件列表讨论有关Hashcash潜在的应用场景时提出的,B-money的讨论也在同一邮件列表上发表。这个由大卫?休斯(David Hughes)发起的密码朋克邮件列表代表了一群积极分子,他们提倡在日常生活中使用强大的加密技术和隐私增强技术,以此作为社会和政治变革的手段。上面提到的许多人贡献了后来在比特币中使用的关键技术,他们都是活跃的密码朋克。

1998年,尼克·萨博(NickSzabo)设计了一种分布式的数字货币机制,他称之为"BitGold"(比特金),比特金实现了他关于智能合约和数字协议的许多想法。萨博的自我执行协议的思想大致与伊恩·格里格(IanGrigg)在1996年提出的"里卡迪亚契约(Ricardian Contracts)"的理念相同。虽然BitGold从未实现过,但许多人认为它是比特币体系结构的直接先驱。就像后来的比特币一样,BitGold设想了一种基于PoW的共识算法,其中的计算能力用于解决密码难题。然而,BitGold的提案无法以完全去中心化的方式解决双重支出问题——女巫攻击(Sybil attack)——这可能是它从未实施的原因。许多人猜测萨博是比特币的匿名创造者中本聪(Satoshi Nakamoto),但他否认了这一传言。

1999年,音乐共享应用Napster普及了现代P2P网络的概念。它改变了数据在互联网上存储和分发的方式。Napster创建了一个用于文件共享的虚拟覆盖网络,它独立于Internet的物理网络。在这个虚拟网络中,所涉及的所有计算机构成了物理网络中计算机的子集。数据仍然在底层TCP/IP网络上直接交换,但是在应用层,对等点之间能够直接相互通信。P2P网络增强了健壮性,因为它们消除了基于客户端/服务器的系统中所固有的单点故障。即使网络上的一台计算机发生故障,整个网络也不会受到危害或损坏。这种计算机网络的设计必须能够容忍个别计算机的故障,无论故障的来源是什么。然而,Napster依赖于中央索引服务器的操作,因此在版权侵权指控和法律诉讼之后,很容易被关闭。

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21世纪

2000年,Gnutella(是第一个经论证的分布式的点对点系统)率先提出的一系列新的文件共享协议消除了这些中心故障点。它允许用户找到彼此并远程连接,同时搜索网络上的每个节点,因此更加分散,并且具有抗审查性。虽然Gnutella解决了权力下放问题,但他们没有解决隐私问题。第三代文件共享网络(如BitTorrent)使用分布式哈希表,以加密安全的方式存储整个网络中的资源位置。分布式哈希表不仅取代了索引服务器,而且还保证了其网络参与者的匿名性以及通过网络共享的所有数据。这些分布式哈希表现在也被区块链和其他Web3协议(如IPFS和以太坊)使用。

尽管自Napster出现以来,现代P2P网络就解决了在网络中有效分配数据的问题,但它们并没有解决数据的分布式验证或数据验证问题。同时,这些文件共享网络未能解决的另一个问题是"搭便车问题":大量用户使用其他节点共享的资源,但自己没有共享任何东西。它会导致社区崩溃。免费搭便车是因为用户没有合作的动机。这样的合作不但消耗了自己的资源,同时也降低了自己的性能。

2004年,在比特币出现之前,哈尔芬尼(Hal Finney)推出了第一个可重用PoW系统。他引入了这样一种思想,即RPoW代币的价值由"铸造"PoW代币所需的实际资源的价值来保证。2009年,芬尼还从比特币的创造者中本聪(Satoshi Nakamoto)那里收到了第一笔比特币交易。芬尼显然和一个名叫"中本聪"的日本裔美国人住在同一个小镇,不过他经常否认参与过比特币交易。但这一事实加剧了人们的猜测,即他可能是比特币的创造者,虽然他一直否认这一点。

2008年,在金融危机达到顶峰和雷曼兄弟等大银行破产后不久,比特币白皮书以化名中本聪(Satoshi Nakamoto)的名义发表。其目的是提供一个没有银行的P2P电子现金系统。虽然第一个规范是由中本聪实现的,但一群敬业的人逐渐接管了代码的进一步开发工作。几个月后,比特币网络上线,第一个区块被创建,第一个比特币被铸造出来,最终确定并部署了代码。然而,有趣的是,在白皮书并没有谈论区块链,而只是关于"区块链"。几年后,当人们开始复制比特币代码库来开发替代协议时,"区块链"这个词就变得很普遍了。

尽管现代P2P网络(如Napster)缺乏对网络参与者的激励,但早期的电子现金想法无法抵御女巫攻击。比特币白皮书改变了游戏规则,因为它提出了一种数据集体验证协议。它引入了一种共识机制-工作量证明,允许在网络的每个节点上存储一个不断增长的交易记录——区块链。比特币因此解决了以前P2P网络的"搭便车"问题,通过引入代币化的激励机制,激励所有参与者以真实的方式为系统做出贡献。尽管比特币在设计时从未考虑过文件共享,但它最终激发了一种新的P2P存储框架,它将成为分布式网络的关键组成部分。这些分布式的存储网络现在可以使用代币激励的机制,在以前文件共享协议的基础上进行构建,并使用本地代币激励它们的网络参与者,例如"Swarm"、"Storj"、"SIA"和"IPFS"。

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编译者/作者:时代观察

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