近幾個月，在AI賦能未來醫療的思考特別多，受美國「WIRED連線」雜誌邀請撰寫了一篇專欄文章。我相信十幾年後，不少國家和地區的醫療體驗在AI賦能的作用下將發生根本性改變。

原文刊於「WIRED連線」雜誌英文官網：
Covid-19 Will Accelerate the AI Health Care Revolution
https://www.wired.com/story/covid-19-will-accelerate-ai-health-care-revolution/

中文翻譯來自創新工場微信公眾號 2020-5-22

新冠大流行將加速醫療AI革新
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2020年元旦前夜，一家位於加拿大多倫多市的人工智能（AI）企業BlueDot捕捉到一些異常：中國武漢市海鮮市場周邊出現多起罕見肺炎病例，BlueDot迅即反應，運用自然語言處理、機器學習等技術，結合大數據和定位追踪，迅速向合作的政府部門和公共衛生機構客戶傳送警報並報告擴散狀況。BlueDot所監測到的異狀，正是數月後撼動全球的新型冠狀病毒肺炎（Covid-19），這比世界衛生組織首度公開警示新冠病毒的時間還要早上9天。

BlueDot的AI平台示範了人工智能技術對重大疫情能起到早期預警的功用，過去幾個月裡，AI在這場全球抗疫戰的許多方面發揮了獨特作用：從疫情預測到篩檢，從接觸警示到快速診斷，從前線無人配送到實驗室藥物研發，人工智能助力防疫派上了不少用場，為特定場景應用賦能。

隨著疫情在全球蔓延，AI技術的創新應用也在各地相繼落地。在韓國，基於地理位置的信息傳遞已經成為控制病毒傳播的重要工具，當人們靠近確診病例時，就會收到基於位置的緊急信息提醒。在中國大陸，阿里巴巴推出的AI算法能夠在20秒內診斷出疑似病例（比人類檢測快了近60倍），準確率高達96%。無人配送車輛很快被投入到人類難以承受的場景，代替人類執行高傳染風險的運輸任務。湖北、廣東等省份的多家醫院相繼使用機器人為病人或被隔離家庭運送食物、藥品和物資。而在美國加州，電腦科學家正在研發能遠程檢測獨居老人健康情況的系統，一旦老人出現身體異常症狀，系統就會發出即時警報。

不過，目前人工智能在公共衛生體系的應用仍顯零散也未成體系。坦率說，過去四個月內，AI在抗疫之戰中的表現並不十分突出，我最多只能給它打分“B-”。新冠大流行暴露了我們的醫療系統的脆弱性：預警響應不充份、通報信息不精確、醫療物資分配不均、醫務人員超負疲憊、醫院病床緊繃、疫苗研發週期長等諸多痛點。當然，AI的零散表現也有客觀原因：醫療體系可說是現代社會各類運轉體系中最為複雜、陳舊不堪且難以變通的一種；且在新冠疫情襲來之前，我們並沒有真正意識到醫療體系問題的緊迫性，沒有提前採取相應的技術預防措施；最為關鍵的是，我們缺少建構AI解決方案所需的大數據。

把目光看向未來，我看到以下兩個AI賦能醫療的樂觀因素。

首先，作為AI燃料的醫療大數據已被激活。舉例來說，機器學習數據科學平台Kaggle組建了新冠病毒開放研究數據庫，名為CORD-19。它將相關數據進行彙編，並把最新研究集中收錄，匯總的格式可被機器讀取和解析，以便於AI進行機器學習。至今這個數據庫收錄了12.8萬篇包含Covid-19、冠狀病毒、SARS（非典型肺炎）、MERS（中東呼吸綜合症）等關聯術語的醫學專業學術文章。

其次，眼下全世界的醫學專家和電腦科學家都將精力集中在解決疫情問題。 X大獎基金會創始人彼得·戴曼迪斯（Peter Diamandis）估計，全球現在有多達兩億名的醫師、科學家、護士、技術專家和工程師投入防治冠狀病毒的相關研發中，他們正在進行數以萬計的實驗，並以「前所未有的透明度和速度」共享信息。

3月16日Kaggle發起「新冠病毒研究挑戰」，匯集與疫情相關的大量信息，包括病毒的自然歷史、傳播和診斷方法、以及從過往流行病學研究中汲取的經驗教訓，幫助全球各地衛生機構及時掌握最新情況，以做出基於數據的分析決策。該項目發布後的五天內被瀏覽超過50萬次，下載量逾1.8萬次。在大陸疫情爆發後不到一個月，阿里巴巴便推出了一種AI算法，該算法基於5000多個新冠肺炎確診病例進行訓練，並關聯到治療後續諸如肺部白色陰影縮小等的成效追踪。隨後，阿里巴巴將其云端AI平台向全球醫療專業人員開源，與合作夥伴聯手部署更大批量的匿名數據，推出包括疫情預測、CT影像分析、冠狀病毒基因組測序等模組。

據估計，現今全球醫療數據的規模每隔幾個月就翻一倍。 2019年一份覆蓋19個國家AI醫療市場的研究估計，AI醫療市場的年複合增長率為41.7%，從2018年的13億美元將增長至2025年的130億美元，主要分佈在六大領域：醫院工作流程、可穿戴設備、醫學影像和診斷、診療計劃、虛擬助手、以及最重要的藥物研發，新冠疫情期間浮現的種種需求，將加速AI賦能醫療的場景落地。

在後疫情時代，我期待AI將加速融入醫療體系，賦能並推動醫療改革。其中深度學習（Deep Learning），即以一種高效方法運算海量、多維數據的能力，是AI結合醫療最為可期的機遇之一。深度神經網絡（Deep Neural Networks）作為AI的一個子領域，已經被用於醫學掃描、病理切片、眼科檢查甚至結腸鏡檢查，以得出準確而快速的算法判讀。十幾年後，不少國家和地區的醫療體驗在AI賦能的作用下將發生根本性改變。

AI賦能醫療，首先能簡化及優化現有的醫療流程，例如醫院的作業流程，保險履約的繁複流程。將AI與RPA（Robotic Process Automation 機器人流程自動化）結合，可對某項工作流程進行智能拆解及優化，進而大大提高醫療系統的運營效率，預約看診、保險理賠及其他流程性工作都會得到效率提升。AI還能加快早期診斷信息的收錄並實現自動化，AI技術所能處理的文本、語言、數字的體量，無論在數量上還是精度上都是機器級別，遠非人類所及。

有了充份的醫療大數據作為基礎，AI還能為每個人或者每個群體建立健康數據基準量表。當我們掌握個體健康數據，就可以根據跟踪動態數據的波動變化，進行數據驅動的診斷，並對潛在大流行疾病的徵兆進行早期追踪研判。然而，再先進的技術系統要做到真正有效，勢必需要與既存的公共衛生警示和匯報機制形成高效鏈接，此類信息斷層即是新冠疫情在早期爆發期間存在的具體缺失。

再上一個層次的AI賦能體現在助力新藥研發、基因組測序、幹細胞、CRISPR（基因編輯）等醫學突破方面，AI模型和算法應用都有其用武之地。在製藥行業，研發一種新藥往往需要付出高昂的投入，某次成功前必有多次付諸流水的失敗試驗，也連帶消耗巨大的時間和金錢成本。現在，科學家們可使用AI機器學習來模擬上千個變量，測試它們的複合效應會對人類細胞反應產生何種影響，這類AI新藥研發的技術已被用於新冠病毒疫苗和其他療法。創新工場所投資總部位於香港的AI藥物研發公司Insilico Medicine是首批對新冠病毒快速響應的企業之一，這家公司利用生成式化學AI平台設計出新藥物小分子，以複製主要病毒蛋白為靶標，早在2月5日便公佈了這些小分子結構。 AI為新藥發明開闢了一個新時代，用人工智能技術來換取藥品研發週期的時間和成本，整個製藥行業勢將迎來翻天覆地的變革。

不久的將來，隨著醫療科學和電腦科學進一步融合，我們將進入一個全面自動化的AI時代，到時人們可以通過可穿戴設備、生物傳感器、智能家居檢測設備等來確保自身和家人的健康。可穿戴設備和其他物聯網設備的數據質量和多樣性大幅提高，將能產生一個有效的良性循環。穿越到未來，下一場疫情在大範圍蔓延之前就應該能夠被跟踪、追溯、攔截並消滅無踪。

或許再過15年，許多人的家裡都會有AI個人助理照料我們，幫著解決全家人的日常健康所需。機器人或者無人機負責把我們的藥品送上門，如果需要進行手術或者外科治療，通常會由機器人操作，或由機器人輔助人類外科醫師完成。在未來，醫生和護士將把更多的精力放在機器無法勝任的任務上，醫療專業人員及富有同情心的護理人員，將同時具備護士、醫療技師、社會工作者、甚至心理諮詢師的技能。他們會使用經AI強化的診斷工具和系統，但更多的時間會與患者溝通，安撫他們的傷痛，為他們提供情感扶持。在我的想像裡，15年後的醫療健康場景可能是這個樣子的：

***
2035年一個冬季早晨，我醒來後就覺得有點喉嚨痛。我起身去洗手間，刷牙的時候，洗手間的鏡子通過紅外傳感器測量了我的體溫。刷完牙後一分鐘，我的私人AI醫師助理發出了警報，顯示我的唾液樣本部分指數異常，並在輕微低燒。 AI醫師助理建議我在家進行指尖探針採血。我在泡咖啡時，醫師助理返回了分析結果，判斷我可能是得了這個季節正在流行的兩型流感其中一種。之後，我的AI醫師助理建議，如果我覺得有必要聯繫家庭醫生的話，有兩個時間空檔可以跟她視頻通話。通話之前，家庭醫生已經收到我所有症狀的詳細信息，她給我開了一種減充血劑和撲熱息痛，一會兒無人機就把藥品送到我家門口。
***

當然，凡涉及到患者的醫療記錄，就得談談隱私和數據保護的關鍵問題。我認為，任憑有用的數據各自孤島式的存在、不善加利用、不從中提煉有價值的信息、不用以推動社會進步，是相當不負責任的做法。技術產生的問題應該由技術解決。隨著AI技術浪潮而出現的諸如數據保護等問題，應該有更為創新的技術方法來應對。

好消息是，近年聯邦學習（也被稱為分佈式學習）已經在數據保護上取得了顯著的進展。基於聯邦學習技術，患者的數據將永遠不會離開所在的醫療機構、醫院或個人設備伺服器等原始存儲設備，機器學習模型將在獨立的數據庫基礎上進行訓練處理，再進行後續整合。聯邦學習、同態加密，結合可信硬體執行環境等技術，將進一步確保數據的計算、傳輸、存儲過程能夠適配不同的隱私偏好，以因應不同國家與文化對於隱私保護的需求差異。

這次新冠肺炎疫情還驗證了一個事實：整體人類命運是共同體，人們對未來運用AI等先進技術共度難關寄予一致的期盼。歷史上，國際合作曾消滅了全球延燒的天花，也幾乎根除了小兒麻痺症。公共衛生無國界，控制及消除流行病是個毋庸置疑的共同目標。在醫學領域，每個國家都能從他國的研究基礎上學習受益並攜手並進，全球化的數據科學，將進一步幫助人類獲取對健康和疾病最為深刻、最為全面的洞悉。

AI有潛力協助我們為下一次疾病大流行做更充份的準備。這需要醫學專家、AI科學家、投資者和決策者傾力協作，也需要關注醫療保健領域的投資人為聰明的創業者和科學家注入新一波動能。

經歷這次疫情，我們應清醒地意識到，要將人類醫療體系推往新的高度，著實需要傾盡全球之力。

創新工場董事長兼首席執行官
李開復博士

📜 [專欄新文章] 隱私、區塊鏈與洋蔥路由
✍️ Juin Chiu
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隱私為何重要？區塊鏈是匿名的嗎？洋蔥路由如何改進區塊鏈？

前言

自2008年區塊鏈以比特幣的面貌問世後，它便被視為 Web 3.0，並被期許能夠進一步為人類帶來金融與治理上的大躍進。區塊鏈或許會成為如同全球資訊網一般的基礎建設，如果我們已經開始注重個人於網路上的隱私，那麼我們更應該關心這項全新的技術是否能更好地保護它。

筆者將於本文中闡述隱私的重要性，接著進一步分析區塊鏈是否能夠保護用戶隱私，最後再簡介一個知名的匿名技術 — 洋蔥路由，並列舉幾個其用於改進區塊鏈（特別是以太坊）的相關提案。

特別感謝以太坊研究員 Chih-Cheng Liang 與民間高手敖烏協助校閱並給予回饋。

隱私的重要

網際網路（Internet）無疑是 20 世紀末最偉大的發明，它催生了全新的商業模式，也使得資訊能以位元的形式進行光速傳播，更使人類得以進行前所未有的大規模協作。而自從 1990 年全球資訊網（World Wide Web）的問世以來，網路已和現代文明生活密不可分。經過近 30 年的發展，人類在網路上製造了巨量的資料，這些資料會揭露使用者的隱私。透過一個人的資料，企業或者政府能夠比你自己更了解你。這促使用戶對隱私的愈發重視 — 正如同你不會允許第三者監聽你的電話，你也不希望有第三者監看你的瀏覽器搜尋歷史。

然而，如今的網路是徹底的中心化，中心化也意謂著過大的權力，有種種跡象顯示：網路正在成為政府當局監控人民的工具。例如：中國的淨網衛士[1]、美國的稜鏡計劃[2]等。那麼，政府應該監控人民嗎？其中一派的人認為平日不做虧心事，半夜不怕鬼敲門，這也就是常見的無所隱瞞論[3]：

我不在乎隱私權，因為我沒什麼好隱瞞的。

不過持有這類論點的人通常會被下面的說法反駁：

既然沒什麼好隱瞞的，那請把你的 Email 帳號密碼給我，讓我揭露其中我認為有趣的部分。

大多數正常人應該都不會接受這個提議。

隱私應當與言論自由一樣，是公民的基本權利。事實上，隱私是一個既廣且深的題目，它涉及了心理學、社會學、倫理學、人類學、資訊科學、密碼學等領域，這裡[4]有更多關於關於隱私的討論以及網路隱私工具的整理。

隱私與區塊鏈

有了網際網路後，接下來人類或許可以透過區塊鏈來建構出一個免除人性且完全仰賴自然法則（數學）運行的去中心化系統。在中心化世界中，我們需要免於政府監控的隱私；在去中心化世界中，我們仍然需要隱私以享有真正的平等。

正如同本文的前言所述：區塊鏈也許會成為如同全球資訊網一般的基礎建設，如果我們已經開始注重網路隱私，那麼我們更應該關心區塊鏈是否能更好地保護它。

隱私與匿名

Privacy vs Anonymity [5]

當我們論及隱私時，我們通常是指廣義的隱私：別人不知道你是誰，也不知道你在做什麼。事實上，隱私包含兩個概念：狹義的隱私（Privacy）與匿名（Anonymity）。狹義的隱私就是：別人知道你是誰，但不知道你在做什麼；匿名則是：別人知道你在做什麼，但不知道你是誰。

隱私與匿名對於隱私權來說都很重要，也可以透過不同的方法達成，接下來本文將聚焦於匿名的討論。另外，筆者在接下來的文章中所提及的隱私，指的皆是狹義的隱私。

網路的匿名

以當今的網路架構（TCP/IP 協定組）來說，匿名就是請求端（Requester）向響應端（Responder）請求資源時藏匿其本身的 IP 位址 — 響應端知道請求端在做什麼（索取的資源），但不知道是誰（IP 位置）在做。

IP 位置會揭露個人資訊。在台灣，只需透過 TWNIC 資料庫就可向台灣的網路服務供應商（Internet Service Provider, ISP），例如中華電信，取得某 IP 的註冊者身份及姓名/電話/地址之類的個資。

ISP 是網路基礎建設的部署者與營運者，理論上它能知道關於你在使用網路的所有資訊，只是這些資訊被法律保護起來，並透過公權力保證：政府只在必要時能夠取得這些資訊。萬一政府本身就是資訊的監控者呢？因此，我們需要有在 ISP 能窺知一切的情形下仍能維持匿名的方法。

區塊鏈能保護隱私、維持匿名嗎？

區塊鏈除了其本身運作的上層應用協定之外，還包含了下層網路協定。因此，這個問題可以分為應用層與網路層兩個部分來看 。

應用層

應用層負責實作狀態機複製（State Machine Replication），每個節點收到由共識背書的交易後，便可將交易內容作為轉換函數（Transition Function）於本機執行狀態轉換（State Transition）。

區塊鏈上的交易內容與狀態是應當被保護的隱私，一個保護隱私的直覺是：將所有的交易（Transaction）與狀態（State）加密。然而實際上，幾乎目前所有的主流區塊鏈，包含以太坊，其鏈上的交易及狀態皆為未加密的明文，用戶不僅可以查詢任一地址的交易歷史，還能知道任一地址呼叫某智能合約的次數與參數。也就是說，當今主流區塊鏈並未保護隱私。

雖然區塊鏈上的交易使用假名（Pseudonym），即地址（Address），但由於所有交易及狀態皆為明文，因此任何人都可以對所有假名進行分析並建構出用戶輪廓（User Profile）。更有研究[6]指出有些方法可以解析出假名與 IP 的映射關係（詳見下個段落），一旦 IP 與假名產生關聯，則用戶的每個行為都如同攤在陽光下一般赤裸。

區塊鏈的隱私問題很早便引起研究員的重視，因此目前已有諸多提供隱私保護的區塊鏈被提出，例如運用零知識證明（Zero-knowledge Proof）的 Zcash、運用環簽章（Ring Signature）的 Monero、 運用同態加密（Homomorphic Encryption）的 MimbleWimble 等等。區塊鏈隱私是一個大量涉及密碼學的艱澀主題，本文礙於篇幅不再深入探討，想深入鑽研的讀者不妨造訪台北以太坊社群專欄，其中有若干優質文章討論此一主題。

網路層

節點於應用層產生的共識訊息或交易訊息需透過網路層廣播（Broadcast）到其他節點。由於當今的主流區塊鏈節點皆未採取使網路維持匿名的技術，例如代理（Proxy）、虛擬私人網路（Virtual Private Network, VPN）或下文即將介紹的洋蔥路由（Onion Routing），因此區塊鏈無法使用戶維持匿名 — 因為對收到訊息的節點來說，它既知道廣播節點在做什麼（收到的訊息），也知道廣播節點是誰（訊息的 IP 位置）。

一個常見的問題是：使用假名難道不是匿名嗎？若能找到該假名與特定 IP 的映射關係的話就不是。一般來說，要找到與某假名對應的 IP 相當困難，幾可說是大海撈針，但是至少在下列兩種情況下可以找到對應關係：1. 該假名的用戶自願揭露真實 IP，例如在社群網站公開以太坊地址；2. 區塊鏈網路遭受去匿名化攻擊（Deanonymization Attack）[6]。

洩漏假名與 IP 的關聯會有什麼問題？ 除了該 IP 的真實身份可能被揭露外，該區塊鏈節點亦可能遭受流量分析（Traffic Analysis）、服務阻斷（Denial of Service）或者審查（Censorship），可以說是有百害而無一利。

區塊鏈如何維持匿名？

其實上文已給出了能讓區塊鏈維持匿名的線索：現有匿名技術的應用。我們先來進一步理解區塊鏈網路層與深入探討網際網路協定的運作原理。

區塊鏈網路層的運作原理

P2P Overlay Network [7]

區塊鏈是一個對等網路（Peer-to-peer, P2P），而對等網路是一種覆蓋網路（Overlay Network），需建構於實體網路（Physical Network）之上。

覆蓋網路有兩種常見的通訊模式：一種是基於中繼的（Relay-based）通訊，在此通訊模式下的訊息皆有明確的接收端，因而節點會將不屬於自己的訊息中繼（Relay）給下一個可能是接收端的節點，分散式雜湊表（Distributed Hash Table, DHT）就是一種基於中繼的對等網路；另一種是基於廣播的（Broadcast-based）通訊，在此通訊模式下的訊息會被廣播給所有節點，節點會接收所有訊息，並且再度廣播至其他節點，直到網路中所有節點都收到該訊息，區塊鏈網路層就是一種基於廣播的對等網路。

覆蓋網路旨在將實體網路的通訊模式抽象化並於其上組成另一個拓墣（Topology）與路由機制（Routing Mechanism）。然而實際上，實體網路的通訊仍需遵循 TCP/IP 協定組的規範。那麼，實體網路又是如何運作的呢？

網際網路的運作原理

OSI Model vs TCP/IP Model

實體網路即是網際網路，它的發明可以追朔至 Robert Kahn 和 Vinton Cerf 於1974 年共同發表的原型[12]，該原型經過數年的迭代後演變成我們當今使用的 TCP/IP 協定組[8]。全球資訊網（WWW）的發明更進一步驅使各國的 ISP 建立基於 TCP/IP 協定組的網路基礎建設。網際網路在多個國家經過近 30 年的部署後逐漸發展成今日的規模，成為邏輯上全球最巨大的單一網路。

1984 年，國際標準化組織（ISO）也發表了 OSI 概念模型[9]，雖然較 TCP/IP 協定組晚了 10 年，但是 OSI 模型為日後可能出現的新協定提供了良好的理論框架，並且與 TCP/IP 協定組四層協定之間有映射關係，能夠很好地描述既存的 TCP/IP 協定組。

TCP/IP 協定組的各層各有不同的協定，且各層之間的運作細節是抽象的，究竟這樣一個龐大複雜的系統是如何運作的呢？

Packet Traveling [10][11]

事實上，封包的傳送正如同寄送包裹。例如筆者從台北寄一箱書到舊金山，假設每個包裹只能放若干本書，這箱書將分成多個包裹寄送，每個包裹需註明寄件地址、收件地址、收件者。寄送流程從郵局開始，一路經過台北物流中心 → 北台灣物流中心 → 基隆港 → 洛杉磯港 → 北加州物流中心 → 舊金山物流中心 → 收件者住處，最後由收件者收取。

這如同從 IP 位於台北的設備連上 IP 位於舊金山的網站，資料將被切分成多個固定大小的封包（Packet）之後個別帶上請求端 IP、響應端 IP 及其他必要資訊，接著便從最近的路由器（Router）出發，一路送至位於舊金山的伺服器（Server）。

每個包裹上的收件地址也如同 IP 位置，是全球唯一的位置識別。包裹的收件地址中除了包含收件者的所在城市、街道，還包含了門號，每個門號後都住著不同的收件者。門號正如同封包中後綴於 IP 的連接埠（Port），而住在不同門號的收件者也如同使用不同連接埠的應用程式（Application），分別在等待屬於他們的包裹。實際上，特定的連接埠會被分配給特定的應用程式，例如 Email 使用連接埠 25、HTTPS 使用連接埠 443 等等。

雖然包裹的最終目的地是收件地址，但包裹在運送途中也會有數個短程目的地 — 也就是各地的物流中心。包裹在各個物流中心之間移動，例如從北部物流中心到基隆港，再從基隆港到洛杉磯港，雖然其短程目的地會不斷改變，但其最終目的地會保持不變。

封包的最終目的地稱為端點（End），短程目的地稱為轉跳（Hop） — 也就是路由器（Router）。路由器能將封包從一個網段送至另一個網段，直到封包抵達其端點 IP 所在的網段為止。封包使用兩種定址方法：以 IP 表示端點的位置，而以 MAC 表示路由器的位置。這種從轉跳至轉跳（From Hop to Hop）的通訊是屬於 TCP/IP 協定組第一層：網路存取層（Network Access Layer）的協定。

那麼要如何決定包裹的下一個短程目的地呢？理論上，每個物流中心皆需選擇與最終目的地物理距離最短的物流中心作為下一個短期目的地。例如對寄到舊金山的包裹來說，位於基隆港的包裹下一站應該是洛杉磯港，而不是上海港。

封包則使用路由器中的路由表（Routing Table）來決定下一個轉跳位置，有數種不同的路由協定，例如 RIP / IGRP 等，可以進行路由表的更新。從端點到端點（From End to End）的通訊正是屬於 TCP/IP 協定組第二層：網際層（Internet Layer）的協定。

若一箱書需要分多次寄送，則可以採取不同的寄送策略。至於選擇何種寄送策略，則端看包裹內容物的屬性：

求穩定的策略：每個包裹都會有個序號，寄包裹前要先寫一封信通知收件者，收件者於收到信後需回信確認，寄件者收到確認信後“再”寫一次信告訴收件者「我收到了你的確認」，然後才能寄出包裹。收件者收到包裹後也需回確認信給寄件者，如果寄件者沒收到某序號包裹的回信，則會重寄該包裹。

求效率的策略：連續寄出所有的包裹，收件者不需回信確認。

橫跨多個封包的通訊是屬於 TCP/IP 協定組第三層：傳輸層（Transport Layer）的協定。這兩種策略也對應著傳輸層的兩個主要協定：TCP 與 UDP。TCP 注重穩定，它要求端點於傳送封包前必須先進行三向交握（Three-way Handshake），也就是確認彼此的確認，以建立穩固的連線，且端點在接收封包後也會回傳確認訊息，以確保沒有任何一個封包被遺失；反之，UDP 注重效率，它不要求端點在通訊前進行繁瑣的確認，而是直接傳送封包。

包裹本身亦可以裝載任何內容：這箱書可以是一套金庸全集，也可以是一年份的交換日記；同理，封包內的資料也可以是來自任何上層協定的內容，例如 HTTPS / SMTP / SSH / FTP 等等。這些上層協定都被歸類為 TCP/IP 協定組第四層：應用層（Application Layer）的協定。

維持匿名的技術

區塊鏈仰賴於實體網路傳送訊息，欲使區塊鏈網路層維持匿名，則需使實體網路維持匿名。那麼實體網路如何匿名呢？ 若以寄包裹的例子來看，維持匿名，也就是不要讓收件者知道寄件地址。

一個直覺的思路是：先將包裹寄給某個中介（Intermediary），再由中介寄給收件者。如此收件者看到的寄件地址將會是中介的地址，而非原寄件者的地址 — 這也就是代理（Proxy）以及 VPN 等匿名技術所採取的作法。

不過這個作法的風險在於：寄件者必須選擇一個守口如瓶、值得信賴的中介。由於中介同時知道寄件地址與收件地址，倘若中介將寄件地址告知收件人，則寄件者的匿名性蕩然無存。

有沒有辦法可以避免使單一中介毀壞匿名性呢？一個中介不夠，那用兩個、三個、甚至多個呢？這便是洋蔥路由的基本思路。由於沒有任何一個中介同時知道寄件地址與收件地址，因此想破壞寄件者匿名性將變得更困難。

洋蔥路由與 Tor

洋蔥路由（Onion Routing）最初是為了保護美國政府情報通訊而開發的協定，後來卻因為其能幫助平民抵抗政府監控而變得世界聞名。

1997 年，Michael G. Reed、Paul F. Syverson 和 David M. Goldschlag 於美國海軍研究實驗室首先發明了洋蔥路由[13]，而 Roger Dingledine 和 Nick Mathewson 於美國國防高等研究計劃署（DARPA）緊接著開始著手開發 Tor，第一版 Tor 於 2003 年釋出[14]。2004 年，美國海軍研究實驗室以自由軟體授權條款開放了 Tor 原始碼。此後，Tor 開始接受電子前哨基金會（Electronic Frontier Foundation）的資助；2006年，非營利組織「Tor 專案小組」（The Tor Project）成立，負責維護 Tor 直至今日。

Tor [15]是洋蔥路由的實作，它除了改進原始設計中的缺陷，例如線路（Circuit）的建立機制，也加入若干原始設計中沒有的部分，例如目錄伺服器（Directory Server）與洋蔥服務（Onion Service），使系統更強健且具有更高的匿名性。

Tor 自 2004 年上線至今已有超過 7000 個由志願者部署的節點，已然是一個強大的匿名工具。然而這也使其成為雙面刃：一方面它可以幫助吹哨者揭露不法、對抗監控；另一方面它也助長了販毒、走私等犯罪活動。但不論如何，其技術本身的精巧，才是本文所關注的重點。

Tor 的運作原理

Tor Overview [16]

Tor 是基於中繼的（Relay-based）覆蓋網路。Tor 的基本思路是：利用多個節點轉送封包，並且透過密碼學保證每個節點僅有局部資訊，沒有全局資訊，例如：每個節點皆無法同時得知請求端與響應端的 IP，也無法解析線路的完整組成。

Tor 節點也稱為洋蔥路由器（Onion Router），封包皆需透過由節點組成的線路（Circuit）傳送。要注意的是，Tor 線路僅是覆蓋網路中的路徑，並非實體網路的線路。每條線路皆由 3 個節點組成，請求端首先會與 3 個節點建立線路並分別與每個節點交換線路密鑰（Circuit Key）。

請求端會使用其擁有的 3 組線路密鑰對每個送出的封包進行 3 層加密，且最內層密文需用出口節點的密鑰、最外層密文需用入口節點的密鑰，如此才能確保線路上的節點都只能解開封包中屬於該節點的密文。被加密後的封包被稱為洋蔥，因其如洋蔥般可以被一層一層剝開，這就是洋蔥路由這個名稱的由來。

封包經過線路抵達出口節點後，便會由出口節點送往真正的響應端。同樣的線路也會被用於由響應端回傳的封包，只是這一次節點會將每個送來的封包加密後再回傳給上一個節點，如此請求端收到的封包就會仍是一顆多層加密的洋蔥。

那麼，請求端該選擇哪些節點來組成線路呢？Tor 引入了目錄伺服器（Directory Server）此一設計。目錄伺服器會列出 Tor 網路中所有可用的節點[17]，請求端可以透過目錄伺服器選擇可用的洋蔥路由器以建立線路。目前 Tor 網路中有 9 個分別由不同組織維護的目錄，中心化的程度相當高，這也成為 Tor 安全上的隱憂。

Tor 線路的建立機制

Tor Circuit Construction [18]

Tor 是如何建立線路的呢？如上圖所示，Tor 運用伸縮（Telescoping）的策略來建立線路，從第一個節點開始，逐次推進到第三個節點。首先，請求端與第一個節點進行交握（Handshake）並使用橢圓曲線迪菲 — 赫爾曼密鑰交換（Elliptic Curve Diffie–Hellman key Exchange, ECDH）協定來進行線路密鑰的交換。

為了維持匿名，請求端接著再透過第一個節點向第二個節點交握。與第二個節點交換密鑰後，請求端再透過第一、二個節點向第三個節點交握與交換密鑰，如此慢慢地延伸線路直至其完全建立。線路建立後，請求端便能透過線路與響應端進行 TCP 連線，若順利連接，便可以開始透過線路傳送封包。

洋蔥服務

Clearnet, Deepweb and Darknet [21]

洋蔥服務（Onion Service）/ 隱藏服務（Hidden Service）是暗網（Darknet）的一部分，是一種必須使用特殊軟體，例如 Tor，才能造訪的服務；與暗網相對的是明網（Clearnet），表示可以被搜尋引擎索引的各種服務；深網（Deep Web）則是指未被索引的服務，這些服務不需要特殊軟體也能造訪，與暗網不同。

當透過 Tor 使用洋蔥服務時，請求端與響應端都將不會知道彼此的 IP，只有被響應端選定的節點：介紹點（Introduction Point）會引領請求端至另一個節點：會面點（Rendezvous Point），兩端再分別與會面點建立線路以進行通訊。也就是說，請求端的封包必須經過 6 個節點的轉送才能送往響應端，而所有的資料也會採取端對端加密（End-to-end Encryption），安全強度非常高。

洋蔥服務及暗網是一個令人興奮的主題，礙於篇幅，筆者將另撰文闡述。

混合網路、大蒜路由與洋蔥路由

這裡再接著介紹兩個與洋蔥路由系出同源的匿名技術：混合網路與大蒜路由。

Mix Network Overview [22]

混合網路（Mix Network）早在 1981 年就由 David Chaum 發明出來了[23]，可以說是匿名技術的始祖。

洋蔥路由的安全性奠基於「攻擊者無法獲得全局資訊」的假設[24]，然而一旦有攻擊者具有監控多個 ISP 流量的能力，則攻擊者仍然可以獲知線路的組成，並對其進行流量分析；混合網路則不僅會混合線路節點，還會混合來自不同節點的訊息，就算攻擊者可以監控全球 ISP 的流量，混合網路也能保證維持匿名性。

然而高安全性的代價就是高延遲（Latency），這導致混合網路無法被大規模應用，或許洋蔥路由的設計是一種為了實現低延遲的妥協。

Garlic Routing Overview [25]

混合網路啟發了洋蔥路由，洋蔥路由也啟發了大蒜路由。2003年上線的 I2P（Invisible Internet Project）便是基於大蒜路由（Garlic Routing）的開源軟體，可以視為是去中心化版的 Tor。幾乎所有大蒜路由中的組件，在洋蔥路由中都有對應的概念：例如大蒜路由的隧道（Tunnel）即是洋蔥路由的線路；I2P 的網路資料庫（NetDB）即是 Tor 的目錄；I2P中的匿名服務（Eepsite）即是 Tor 的洋蔥服務。

不過，大蒜路由也有其創新之處：它允許多個封包共用隧道以節省建立隧道的成本，且其使用的網路資料庫實際上是一個分散式雜湊表（DHT），這使 I2P 的運作徹底去中心化。若想進一步理解 DHT 的運作原理，可以參考筆者之前所撰寫的文章：

連Ethereum都在用！用一個例子徹底理解DHT

I2P 最大的詬病就是連線速度太慢，一個缺乏激勵的去中心化網路恐怕很難吸引足夠的節點願意持續貢獻頻寬與電費。

區塊鏈與洋蔥路由

那麼，基於實體網路的區塊鏈能不能使用洋蔥路由或大蒜路由/混合網路/其他技術，以維持節點的匿名？答案是肯定的。事實上，目前已經出現數個專案與提案：

全新的專案

Dusk：實作大蒜路由的區塊鏈[32]，不過官方已宣布因其影響網路效能而暫停開發此功能。

cMix：透過預先計算（Precomputation）以實現低延遲的混合網路[33]，是混合網路發明者 David Chaum 近期的研究，值得期待。

Loki：結合 Monero 與 Tor/I2P 的區塊鏈 [34]，並使用代幣激勵節點貢獻頻寬與電力，由其白皮書可以看出發明者對於匿名技術的熱愛與信仰。

於主流區塊鏈的提案

比特幣：全世界第一條區塊鏈，將於其網路使用一個不同於洋蔥路由的匿名技術：Dandelion++[30][31]，該匿名技術因其訊息傳播路徑的形狀類似浦公英而得其名。

閃電網路（Lightning Network）：知名的比特幣第二層方案，將於其網路內實作洋蔥路由[27]。

Monero：使用環簽章保護用戶隱私的區塊鏈，將於其網路內實作大蒜路由，已開發出 Kovri[28] 並成為 I2P 官方認可的客戶端之一[29]。

於以太坊的提案

2018 年 12 月，Mustafa Al-Bassam 於以太坊官方研究論壇提議利用洋蔥路由改進輕節點之資料可得性（Light Client Data Availability）[36]。若讀者想了解更多關於以太坊輕節點的研究，可以參考台北以太坊社群專欄的這篇文章。資料可得性是輕節點實現的關鍵，而這之中更關鍵的是：如何向第三方證明全節點的資料可得性？由於這個提案巧妙地運用了洋蔥路由的特性，因此在今年 7 月在另一則討論中，Vitalik 亦強烈建議應儘速使洋蔥路由成為以太坊的標準[35]。

在這個提案中，輕節點需建立洋蔥路由線路，然而線路節點並非由目錄中挑選，而是由前一個節點的可驗證隨機函數（Verifiable Random Function, VRF）決定。例如線路中的第二個節點需由第一個節點的 VRF 決定。線路建立後，出口節點便可以接著向全節點請求特定的可驗證資料。由於輕節點在過程中維持匿名，因此可以防止全節點對輕節點的審查（Censoring）。取得可驗證資料後，其便與 VRF 證明沿著原線路傳回輕節點，輕節點再將可驗證資料與 VRF 證明提交至合約由第三方驗證。若第三方驗證正確，則資料可得性得證。

結語

隱私與匿名是自由的最後一道防線，我們應該盡可能地捍衛它，不論是透過本文介紹的匿名技術或者其他方式。然而，一個能保護隱私與維持匿名的區塊鏈是否能實現真正的去中心化？這是一個值得深思的問題。

本文也是筆者研究區塊鏈至今跨度最廣的一篇文章，希望讀者能如我一樣享受這段令人驚奇又興奮的探索旅程。

參考資料

[1] Jingwang Weishi, Wikipedia

[2] PRISM, Wikipedia

[3] privacytools.io

[4] Nothing-to-hide Argument, Wikipedia

[5] Anonymity vs Privacy vs Security

[6] Deanonymisation of Clients in Bitcoin P2P Network, Alex Biryukov, Dmitry Khovratovich, Ivan Pustogarov, 2014

[7] Example: P2P system topology

[8] Internet protocol suite, Wikipedia

[9] OSI model, Wikipedia

[10] Packet Traveling: OSI Model

[11] Packet Traveling — How Packets Move Through a Network

[12] A Protocol for Packet Network Intercommunication, VINTON G. CERF, ROBERT E. KAHN, 1974

[13] Anonymous Connections and Onion Routing, Michael G. Reed, Paul F. Syverson, and David M. Goldschlag, 1998

[14] Tor: The Second-Generation Onion Router, Roger Dingledine, Nick Mathewson, Paul Syverson, 2004

[15] Tor, Wikipedia

[16] What actually is the Darknet?

[17] Tor Network Status

[18] Inside Job: Applying Traffic Analysis to Measure Tor from Within, Rob Jansen, Marc Juarez, Rafa Galvez, Tariq Elahi, Claudia Diaz, 2018

[19] How Does Tor Really Work? The Definitive Visual Guide (2019)

[20] Tor Circuit Construction via Telescoping

[21] The DarkNet and its role in online piracy

[22] Mix network, Wikipedia

[23] Untraceable Electronic Mail, Return Addresses, and Digital Pseudonyms, David Chaum, 1981

[24] The differences between onion routing and mix networks

[25] Monitoring the I2P network, Juan Pablo Timpanaro, Isabelle Chrisment, Olivier Festor, 2011

[26] I2P Data Communication System, Bassam Zantout, Ramzi A. Haraty, 2002

[27] BOLT #4: Onion Routing Protocol

[28] Kovri

[29] Alternative I2P clients

[30] Bitcoin BIP-0156

[31] Dandelion++: Lightweight Cryptocurrency Networking with Formal Anonymity Guarantees, Giulia Fanti, Shaileshh Bojja Venkatakrishnan, Surya Bakshi, Bradley Denby, Shruti Bhargava, Andrew Miller, Pramod Viswanath, 2018

[32] The Dusk Network Whitepaper, Toghrul Maharramov, Dmitry Khovratovich, Emanuele Francioni, Fulvio Venturelli, 2019

[33] cMix: Mixing with Minimal Real-Time Asymmetric Cryptographic Operations, David Chaum, Debajyoti Das, Farid Javani, Aniket Kate, Anna Krasnova, Joeri De Ruiter, Alan T. Sherman, 2017

[34] Loki: Private transactions, decentralised communication, Kee Jefferys, Simon Harman, Johnathan Ross, Paul McLean, 2018

[35] Open Research Questions For Phases 0 to 2

[36] Towards on-chain non-interactive data availability proofs

隱私、區塊鏈與洋蔥路由 was originally published in Taipei Ethereum Meetup on Medium, where people are continuing the conversation by highlighting and responding to this story.

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序

　　這系列攝影作品主要自2016年初開拍，歷經一年半密集拍攝全台一百八十餘間廟宇、墓園、公園及樂園。主要關注和人用自我形象所投射而形塑出來的神偶世界，祂們有些毀棄、大部份還存在，透過這些欲望投射物進而了解地理空間上的特殊政治性關係。通常攝影畫面只要有人物形象出現往往會有敘事性，但我想跳開敘事，將具體的人之形象隱藏到畫面後方，因此避免拍攝「活動」、「祭典」或是有「人物」的場景，只專注於信徒們膜拜的「巨大欲力投射」，也就是神明之具體形象，偏向類型學景觀式而非民俗攝影，拍攝的是常態樣貌而非特殊個案，作品中沒有人物、迴避事件、遠離災難，採取客觀冷靜且抽離的姿態，拍攝對象也非宗教建築、民俗活動或信仰儀式，而是展現超越前述內容的「欲力具體化」。

　　幾乎所有宗教基本上都是對於「人類欲力」幸福許諾的體現，透過多重方式引導人類心靈成長與救贖。除了經書、宣教、念咒、法器和儀式之外，往往需要透過象徵物件或具體形象鞏固教徒與教義。臺灣目前有一萬兩千多間廟宇，宮廟文化獨步全球，更是華人世界最複雜繽紛的一塊領域，大部份宮廟皆藏有凡夫俗子對現世的各種需求與寄託，民眾希望藉由超驗界力量獲取現實利益、肉身健康或來生想望，因此就產生了供需問題，舉凡奇人異士、文人騷客、販夫走卒在此叩首，善男信女、黑白二道、三教九流無不跪拜，一間廟宇越蓋越大、越來越神，表示背後有眾多信徒可能獲得無法解釋的神祕力量幫助，奉獻的基礎不全然是信仰本身，往往根據靈驗多寡與神蹟高強而定，並藉由廟宇所興建的巨大神像產生凝聚力量。

　　通常民間神祇雕像都有分身，有巨型宛若一棟大樓者，也有數公尺高、中等尺寸規模，而小尊神像大多供奉於廟內主殿或住家神壇，若將巨大神像比擬為超級電腦，筆記電腦可視為小尊神像供奉在家，電腦主機需要與伺服器連線才能展現其神通廣大，神像透過法師念咒開光就像電腦需要開機密碼，分神出去的眾多神像需要與主神連線，神明法力越來越高就如同電腦需要下載升級各類驅動程式，廟公如同工程師，檢修維護廟宇這台無敵電腦，協助信徒排解各種疑難雜症或防止病毒入侵，若神明退神，宛若移除電腦中央處理器，空乏欲力消散，徒餘軀殼留待時光分解。

　　萬眾欲力共構出一尊尊巨大神像外「相」，但再現此「相」實為幻影，因為所見實相非相，凡所有相皆為虛妄，若過度執著於相即生迷惘，將墮入永劫輪迴之中而不可自拔焉。

姚瑞中 2017端午寫於幻影堂

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