大觀區塊鏈技術的共識機制及發展

金穎彤*，李晨旭，田妹，齊兵

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大觀區塊鏈技術的共識機制及發展

金穎彤*，李晨旭，田妹，齊兵

（吉林省長春市吉林大學計算機科學與技術學院，吉林長春，130000）

區塊鏈技術可以用于金融，軍事，教育，通信和能源等很多方面。本文首先以比特幣為例，闡述了區塊鏈的概念及特點。其次，研究了區塊鏈的工作量證明機制對系統安全性、可信性的貢獻，探究了股權證明機制的優點和缺點以及改進的想法。最后通過分析教育、金融、大數據和能源等方面的現狀闡述了區塊鏈的發展和應用前景。

區塊鏈；工作量證明；股權證明；安全性；可靠性

引言

區塊鏈是以比特幣為代表的去中心化的分布式系統，應用極其廣泛，并且在不斷拓展[1]。隨著數據庫從中心化漸漸轉換到去中心化，縱向發展提高了CPU、存儲器的性能。

近年來，關于區塊鏈的研究數量和學者人數都呈指數級趨勢增長[2]。區塊鏈之所以被政府部門、金融機構、資本市場廣泛關注，與通過共識機制實現系統去中心化的安全性與可靠性密切相關。目前共識機制有多種，比如工作量證明機制、權益證明機制、授權股份證明機制等。授權股份證明機制應用于點點幣(Peercoin)和未來幣(NXT)，保證產生區塊的難度（挖礦）與網絡里所占的股權成比例。

本文第一節闡述了區塊鏈的特點并重點研究去中心化，第二節和第三節分析了工作量證明機制和權益證明機制對于可靠性和安全性的支持，第四節對區塊鏈的未來發展提出了一些設想。

1 區塊鏈的概述與特點

1.1 區塊鏈概述

在中本聰（Satoshi Nakamoto）發表的《比特幣：一種點對點式的電子現金系統》[3]完全闡述了比特幣的各個方面，提出比特幣的核心技術為區塊鏈。

1.2 區塊鏈的特點

區塊鏈發展迅速，是由于它出色的技術特征。

（1）不可篡改：

此技術采用了區塊和區塊鏈的結構，區塊來存儲數據，其“塊頭”存儲前一個塊的引用，是最常用的鏈表結構，而加入鏈表之后如果想修改，就需計算它和它以后所有的塊的哈希值，工作量證明機制使這項工作需要極高的運算力才能算出，因此對于攻擊者來說，篡改和刪除性價比極低。

（2）匿名性：

節點之間的交易和信息交換都遵循固定的規則，數據交互時不提供對方身份信息，根據區塊鏈中的規則去判斷交易者的身份和交易是否成功，安全可靠。

（3）開放性：

除了交易私有信息被加密，其他所有數據對各方公開，信息系統高度透明，也就是說所有人都可以“挖礦”。

（4）集體維護性：

（5）任何一個或者多個塊被黑客攻擊都不會影響整個系統，只要一個塊沒有被攻擊，系統就可以輕易恢復。

（6）去中心化：

分布式結構結合共識機制，不存在中心化的管理機構，所有節點都來維護整個系統。這些特點使得區塊鏈迅速發展。

2 工作量證明方法的研究

2.1 共識機制的含義與作用

區塊鏈可以認為是一個分布式賬本，每個節點都保存這個賬本的完整信息，也可以在自己保存的鏈上添加新的區塊，如果多個節點各自記賬，會使系統發生混亂，系統無法保證統一合理，因此多個節點產生的塊，只有一個才能得到大家的認可。得到認可的節點稱為擁有記賬權的節點，被認為是合法、有效的塊，該塊將被鏈接到之前合法的區塊鏈上，剩余節點產生的區塊均作廢[4]。

2.2 工作量證明機制(POW)

工作量證明機制(POW)是一種基于分布式網絡且適用于去中心化的共識機制。POW保證了各個節點的公平和彼此信任。比特幣采用的共識機制是工作量證明，本文以比特幣為例，說明POW是如何體現出公平性和可信性的。

2.2.1 POW的公平性

系統大約每10分鐘生成一個區塊，POW的公平性指的是每個節點能夠競爭到這個新生成的區塊的記賬權的機會是均等的。比特幣中采用的工作量證明函數是SHA256，也是安全散列算法，由美國國家安全局提出。[5]該算法具有隨機性，能在理論上保證每個節點只要付出足夠的計算力就能獲得記賬權，因而也就保證了工作量證明的公平性。

2.2.2 POW的可信性

比特幣采用POW機制來解決這個問題。通常情況下人們認為，少數服從多數，大多數人的選擇是對的。證明機制本質上是一CPU一票，鏈越長代表越多人認可此鏈，即大家都承認鏈最長的那條的合法性，由此達成共識。在分布式網絡中，由于缺少可信的中心節點，每個節點要讓其它節點信任自己，則需要提供一個憑證，而這個憑證就是工作量證明。

3 股權證明機制（POS）

3.1 股權證明機制的含義與應用

股權證明機制是一種算法，通過這種算法，數字貨幣的區域塊網絡能夠達到分布式的共識。POS算法在選擇下一個記賬的節點時，看節點的所擁有的財富多少（比如股權），擁有財富多的節點獲得下一個區塊鍛造權的可能性大。產生于2014年的Nxt和黑幣（Blackcoin）采用的就是POS共識機制。

3.2 股權證明機制的特點

一些學者爭論說，對于分布式的共識協議來說，POS并不是一個理想的選擇。POS存在一個“nothing at stake”問題，即那些沒有股份的生成區塊的節點可以在多條鏈中進行投票而不會有什么損失（POW機制下，一CPU一票，不存在一票多投的現象）。由于一個節點為多個鏈服務對自身造成的損失很小，因而每個節點都有可能利用這一漏洞來嘗試進行雙重支付。

3.3 針對股權證明機制的缺點的改進

（1）以太坊建議采用Slasher協議來解決“nothing at stake”問題。Slasher協議允許用戶去懲罰欺騙者，即那些工作在多個鏈上的節點。但是這個協議從未被采用。以太坊的開發者們認為，POS還是很有意義的。雖然他們設計了一個名為Ethash的POS算法，并把這個算法運用到數字貨幣Ethereum Classic中，但是他們打算用一個名為“CASPER”的POS協議來代替這個算法。

（2）點點幣（Peercoin）采用集中廣播檢查站的方式。重組的區塊鏈都沒有最后知道的檢查站所在的鏈長。開發者控制著區塊鏈。

（3）Nxt的協議只允許重組鏈最后的720個區塊，但是這也帶來了另外一個問題，那就是一個用戶也有可能支持一個擁有721個區塊的支鏈，而這個支鏈可能并不是最長的。

4 區塊鏈技術的應用前景

4.1 金融方面的展望

將區塊鏈技術運用到金融經濟方面，實現了金融經濟的民主性，并且可以實現傳統金融經濟模式的性質需求。由當下各種應用區塊鏈技術的虛擬數字貨幣的運行可知，密碼學與數學結合而得的加密算法，保證了傳統模式所需的機密性，甚至實現了匿名性，進一步保護人們的隱私，這是在傳統模式下無法做到的。通過合理運用與拓展區塊鏈的分布式結構與共識機制，保證了交易一致性與合理性。

4.2 大數據方面的展望

如今互聯網幾乎遍布全球。人們每天面對海量數據，而它的價值卻在于如何挖掘、利用。將區塊鏈技術與大數據結合，實現對大數據加工處理，展現并利用數據價值。

區塊鏈的分布式結構保證了數據的大量存儲。去中心化機制保證了數據流通，使得每個節點都有加工數據的機會。區塊鏈記錄數據的發放、更改、復制、下載等。區塊鏈的可追溯性，確保了數據的最初所有權。共識機制除保證去中心化外，還具有激勵效果，根據數據的被有效利用率，對數據發布者進行相應的獎勵，在這樣的激勵機制下，保證數據挖掘的正向循環。

4.3 教育方面的展望

區塊鏈作為一種分布式數據庫，應用在教育教學方面可以存儲大量科學知識，成為共享知識庫。相比于之前將資源存儲于服務器的平臺，該數據庫的優勢在于可廣泛擴展的分布式結構更有利于存儲無窮的知識資源。學生的學習經歷記錄在區塊鏈上，作為求職面試的憑證，從而杜絕造假現象。

目前，隨著全球化的影響日益擴大和互聯網的快速發展，出國留學以及在線學習屢見不鮮。出國留學涉及到國外的學校對學生在國內取得的學位和通過的考試是否認可，在線學習則涉及到在線所獲得的學位是否被用人單位承認。由于不同國家，不同用人單位對某些證書的認可程度并不相同，這就造成標準不統一，給學生和求職者帶來巨大困擾和不便。可以嘗試利用blockchain技術，來解決這些問題。

4.4 能源方面的展望

由于區塊鏈具有安全，去中心化的特點，一些能源方面的應用，例如電網，當其中心化模式受到很大威脅時，也可以采用區塊鏈技術來抵御這種威脅。但是目前區塊鏈在能源方面的應用還處于初級階段，需要日后發展。

[1] 袁勇, 王飛躍. 區塊鏈發展技術現狀與展望[J]. 自動化學報. 2016, (04).

[2] 郭珊珊. 供應鏈的可信溯源查詢在區塊鏈上的實現[D]. 大連海事大學, 2017.

[3] 張偲. 區塊鏈技術原理、應用及建議[J]. 軟件, 2016, 37(11): 51-54.

[4] 韓璇, 劉亞敏. 區塊鏈技術中的共識機制研究[J]. 信息網絡安全, 2017, (9): 147-152.

[5] 楊興壽. 電子商務環境下的信用和信任機制研究[D]. 博士學位論文, 2016.

Consensus Mechanism and Development of Blockchain Technology

JIN Yingtong*, LI Chenxu, TIAN Mei, QI Bing

(College of computer science and technology, Jilin University, Jilin Changchun, 130000, China)

Blockchain technology can be used in many aspects such as finance, military, education, communications and energy. This article first uses Bitcoin as an example to illustrate the concept and characteristics of blockchain. Secondly, it studies the contribution of the proof-of-work mechanism of the blockchain to the security and trustworthiness of the system, and explores the advantages and disadvantages of the proof-of-equity system and the idea of improvement. Finally, through the analysis of education, finance, big data and energy status, the development of the blockchain and its application prospects are described.

Blockchain; Proof of work; Proof of equity; Safety; Reliability

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.006

TP309

A

1672-9129(2018)01-0013-02

金穎彤, 李晨旭, 田妹, 等. 大觀區塊鏈技術的共識機制及發展[J]. 數碼設計, 2018, 7(1): 13-14.

JIN Yingtong, LI Chenxu, TIAN Mei, et al. Consensus Mechanism and Development of Blockchain Technology[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 13-14.

2017-10-25；

2017-12-07。

金穎彤（1997-），女，朝鮮族，吉林長春人，本科，學生，研究方向：計算機。E-mail:2209282216@qq.com