區(qū)塊鏈技術(shù)方案淺析

周瑞珍 陳媛 李幼娟

中國人民銀行海口中心支行

區(qū)塊鏈是一種底層開源技術(shù)，具有去中心化、去信任、透明、安全等特點，被視為繼互聯(lián)網(wǎng)之后最有可能引發(fā)具顛覆性技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革的技術(shù)之一。經(jīng)過近十年的發(fā)展，已經(jīng)從最初的數(shù)字貨幣領(lǐng)域擴展到社會領(lǐng)域的方方面面，各種各樣的區(qū)塊鏈技術(shù)方案不斷涌現(xiàn)。

一、以太坊

以太坊是一個運行智能合約的去中心化平臺，用于構(gòu)建和發(fā)布分布式應(yīng)用。它具備開放通用的特性，且內(nèi)置有圖靈完備虛擬機，可以運用任何貨幣、協(xié)議和區(qū)塊鏈。合約執(zhí)行過程語句占用的CPU和內(nèi)存消耗Gas，Gas則由以太幣兌換而來。以太坊采用公有鏈，工作量證明(POW)作為共識機制，以太幣和比特幣一樣通過挖礦產(chǎn)生。網(wǎng)絡(luò)上的每一個節(jié)點都可以運行以太坊虛擬機來發(fā)布分布式智能合約程序。

以太坊前三個階段采用的是POW共識機制，為了提高性能、避免挖礦造成的能源浪費，根據(jù)規(guī)劃將于第四個階段將切換到稱為Casper的權(quán)益證明（PoS）系統(tǒng)，旨在解決比特幣挖礦高能耗等問題。Casper 是一種基于保證金的經(jīng)濟激勵共識協(xié)議。協(xié)議中的節(jié)點，作為“鎖定保證金的驗證人(bonded validators)”，必須先繳納保證金(這一步叫做鎖定保證金，“bonding”)才可以參與出塊和共識形成。Casper共識協(xié)議通過對這些保證金的直接控制來約束驗證人的行為。如果一個驗證人作出了讓Casper認為“無效”的事情，他的保證金將被罰沒，記賬和參與共識的權(quán)利也會被取消。保證金的引入解決了"nothing at stake"，即經(jīng)典POS協(xié)議中做壞事的代價很低的問題。為了實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，將先使用一個融合POW和POS的Hybrid Casper機制，其原理是利用節(jié)點手中的以太幣數(shù)量，把共識機制分開。持有ETH在1500個以上的，用POS的共識機制挖礦，否則使用POW的共識機制。

二、瑞波幣

瑞波幣(Ripple)技術(shù)是基于區(qū)塊鏈技術(shù)的跨境支付領(lǐng)域分布式網(wǎng)絡(luò)。Ripple 系統(tǒng)提供全球統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)金融傳輸協(xié)議，支持任何一種貨幣，用戶可以自由使用任何貨幣完成支付或者兌換。各方參與者擁有相同的一本賬本，以 Ripple 作為各種貨幣兌換的中介橋梁貨幣，實現(xiàn)實時的點對點跨境支付，無需中心化組織管理，從而加快貨幣流通的速度，降低了流通的難度，滿足跨境電商對支付清算服務(wù)的及時性、便捷性需求。Ripple 的主要參與者包括金融機構(gòu)、流動性提供方(做市商、央行)和運維機構(gòu)。Ripple Network 負責維護整個交易賬簿,接收金融機構(gòu)發(fā)起的交易，獲取做市商的報價，并向全網(wǎng)廣播。

Ripple平臺采用瑞波共識算法，節(jié)點分為兩類，追蹤節(jié)點只負責轉(zhuǎn)發(fā)交易，驗證節(jié)點負責驗證和生成賬簿，每個驗證節(jié)點都維護一份信任節(jié)點列表（特殊節(jié)點列表，Unique Node List），只接收列表中節(jié)點傳遞的交易。記賬節(jié)點基于該列表中其他節(jié)點的投票結(jié)果驗證交易。如果一筆交易獲得特殊節(jié)點列表中超過 80%的節(jié)點認可后，記賬節(jié)點就將該筆交易記入總賬簿。驗證交易只需要信任節(jié)點列表中的絕大多數(shù)節(jié)點認可，而非全網(wǎng)共識，因此與聯(lián)邦民主體制非常相似。與工作量證明機制相比，投票機制更簡單，但由于形成了部分的中心化，仍然削弱了系統(tǒng)整體安全性。目前，Ripple 通過監(jiān)控的方式提高系統(tǒng)的可靠性, 如果特殊節(jié)點列表中的驗證節(jié)點有明顯惡意行為，比如對每筆交易都投反對票、持續(xù)提交無法通過投票驗證的交易等，將有可能被列為安全隱患，甚至從網(wǎng)絡(luò)中剔除。

三、Hyperledger

超級賬本（hyperledger）是Linux基金會于2015年發(fā)起的推進區(qū)塊鏈數(shù)字技術(shù)和交易驗證的開源項目，是面向企業(yè)應(yīng)用場景的開源分布式賬本平臺，主要為透明、公開和去中心化的企業(yè)級分布式賬本技術(shù)提供參考，目標是推動區(qū)塊鏈和分布式賬本的相關(guān)協(xié)議、規(guī)范和標準的發(fā)展。

Hyperledger提供多個區(qū)塊鏈平臺。其中最受關(guān)注的是Fabirc，由IBM主力開發(fā)，主要用于運行智能合約，用可插拔方式來實現(xiàn)各種商業(yè)應(yīng)用場景。Fabric 區(qū)塊鏈采用聯(lián)盟鏈結(jié)構(gòu)，可基于Go和Java語言開發(fā)智能合約，每秒能夠處理超過 1000 筆交易。在權(quán)限控制方面，F(xiàn)abric按照聯(lián)盟鏈的思路來設(shè)計，對系統(tǒng)中的成員能否發(fā)起交易進行了嚴格的權(quán)限控制。系統(tǒng)參與者需要從RA（注冊中心）處取得注冊許可，然后通過CA（認證中心）頒發(fā)的證書來獲取交易安全證書。只有被上述注冊中心和驗證中心簽名后的節(jié)點才有權(quán)力發(fā)起交易。

Fabric采用Kalfka共識算法。包括兩個應(yīng)用：Orderer和Peer，其中Orderer負責交易共識并生成區(qū)塊，Peer節(jié)點負責模擬執(zhí)行交易和記賬。共識過程如下：

1.客戶端構(gòu)造交易提案，發(fā)送給一個或多個Peer節(jié)點。2.Peer節(jié)點收到交易提案后，模擬執(zhí)行交易，將原始交易提案和執(zhí)行結(jié)果打包，進行簽名并發(fā)回給客戶端。3.客戶端收到應(yīng)答，打包組成一個交易并簽名，發(fā)送給Orderer。4.Orderer對接收到的交易進行共識排序，然后按照區(qū)塊生成策略，將一批交易打包到一起，生成新的區(qū)塊，發(fā)送給Peer節(jié)點。5.Peer節(jié)點收到區(qū)塊后，會對區(qū)塊中的每筆交易進行校驗，檢查交易依賴的輸入輸出是否符合當前區(qū)塊鏈的狀態(tài)，完成后將區(qū)塊寫入賬本。

以下對比特幣和上述三個區(qū)塊鏈解決方案進行比較。

BTC 以太坊 Hyperledger Fabric Ripple區(qū)塊鏈技術(shù)方案管理機構(gòu) 所有節(jié)點自發(fā)運行 以太坊開發(fā)者 Linux基金會 Ripple公司授權(quán)機制 無授權(quán)，公有無授權(quán)，可公開，也可私有 有授權(quán)，私有 有授權(quán)，私有區(qū)塊鏈類型 公有鏈 公有鏈 聯(lián)盟鏈 聯(lián)盟鏈采用的共識機制POW POW，Hybrid Casper瑞波共識機制（Ripple Consensus）每秒交易數(shù)（TPS） 7 15 PBFT（0.6）Kafka共識算法（1.0）200-2000（0.6）10000（1.0）1500交易確認時間 1小時 15秒 3-6秒；數(shù)百毫秒RocksDB/SQLite是否支持智能3-6秒底層數(shù)據(jù)庫 Level DB Level DB Level DB/Couch DB合約不支持智能合約代碼（例如，Solidity）不支持智能合約代碼（例如，Go、Java）

無需消耗額外電力去中心化程度 完全 完全 部分 部分是否全節(jié)點記賬能源消耗約為比特幣的三分之一無需消耗額外電力每年消耗57.91TWh電力自定義 否開源程度 完全 完全 有開源版本 完全貨幣 比特幣 以太幣 無 瑞波幣（XRP）建立時間 2009年 2013 年 2015 年 2012年是是