區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用特點(diǎn)

◆宋伻陽(yáng) 徐海水

（廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 廣東 510006）

0 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，用戶數(shù)據(jù)呈爆炸式增長(zhǎng)，在此期間互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也積累了大量的用戶數(shù)據(jù)，這些企業(yè)在利用這些數(shù)據(jù)為用戶提供服務(wù)的同時(shí)，用戶也面臨著個(gè)人隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)，企業(yè)也形成了相對(duì)于用戶的“數(shù)據(jù)霸權(quán)”；另一方面，在金融危機(jī)爆發(fā)之后，人們看到了一些國(guó)家應(yīng)對(duì)危機(jī)的無(wú)力以及濫發(fā)貨幣對(duì)人民財(cái)產(chǎn)造成的損失，中本聰提出的名為比特幣的電子貨幣以及背后的區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

在2018年5月發(fā)布的《2018年中國(guó)區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》中提出，區(qū)塊鏈技術(shù)正在推動(dòng)新一輪的商業(yè)模式變革，成為誠(chéng)信社會(huì)體系的重要支撐，并且在我國(guó)的《“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃》中把區(qū)塊鏈作為一項(xiàng)重點(diǎn)前沿技術(shù)，明確提出需加強(qiáng)區(qū)塊鏈等新技術(shù)的創(chuàng)新、試驗(yàn)和應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)搶占新一代信息技術(shù)的主導(dǎo)權(quán)。從原來(lái)的單一的金融領(lǐng)域區(qū)塊鏈的應(yīng)用研究，到現(xiàn)在與大數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的區(qū)塊鏈研究，可見(jiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)受到國(guó)家、社會(huì)、以及廣泛科研人員的關(guān)注。

本文針對(duì)區(qū)塊鏈原理、關(guān)鍵技術(shù)、研究現(xiàn)狀以及應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

1 區(qū)塊鏈概念

區(qū)塊鏈一詞源于中本聰?shù)恼撐摹禕itcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System》。這篇論文提出了一種可信的、去中心化的電子貨幣系統(tǒng)，也就是我們熟知的比特幣，而區(qū)塊鏈技術(shù)正是此系統(tǒng)的核心技術(shù)。比特幣能夠在沒(méi)有可信第三方的條件下，沒(méi)有信任基礎(chǔ)的雙方可以安全地在比特幣網(wǎng)絡(luò)中使用比特幣進(jìn)行交易。區(qū)塊鏈的定義可以分為兩個(gè)角度：從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的角度來(lái)看，區(qū)塊鏈可以理解為一種分布式的、去信任的賬本數(shù)據(jù)庫(kù)；從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方向來(lái)研究，可以認(rèn)為區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N基于時(shí)間戳的塊鏈結(jié)構(gòu)。

基于區(qū)塊鏈的定義，其特點(diǎn)有以下三點(diǎn)：

（1）去中心化：節(jié)點(diǎn)之間通信無(wú)須通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)信息到其他節(jié)點(diǎn)，并且任一節(jié)點(diǎn)停止工作都不會(huì)影響系統(tǒng)工作。

（2）去信任：系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)之間無(wú)須信任也可以進(jìn)行交易，因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)和整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作是公開(kāi)透明的，在系統(tǒng)的規(guī)則和時(shí)間范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)之間無(wú)法欺騙彼此。

（3）信息不可篡改：系統(tǒng)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有最新的完整數(shù)據(jù)庫(kù)拷貝，修改單個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)是無(wú)效的，因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)自動(dòng)比較，認(rèn)為最多次出現(xiàn)的相同數(shù)據(jù)記錄為真。

2 常見(jiàn)區(qū)塊鏈平臺(tái)

（1）以太坊

以太坊是一個(gè)開(kāi)源的，并且提供智能合約功能的公共區(qū)塊鏈平臺(tái)。通過(guò)使用其電子貨幣以太幣，在以太虛擬機(jī)上處理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)合約。以太坊于2013年到2014年間由程序員Vitalik Buterin受比特幣啟發(fā)后提出。其最突出的特點(diǎn)就是它提供了一種圖靈完備的語(yǔ)言solidity，可以使得以太坊輕松構(gòu)建去中心化的應(yīng)用。

（2）Hyperledger Fabric

Hyperledger是一個(gè) Linux基礎(chǔ)項(xiàng)目，為企業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)塊鏈技術(shù)，僅支持注冊(cè)會(huì)員使用。Hyperledger是一項(xiàng)開(kāi)源協(xié)作，旨在推動(dòng)跨行業(yè)的區(qū)塊鏈技術(shù)。這是由 Linux基金會(huì)主辦的全球合作，其中包括金融、銀行、物聯(lián)網(wǎng)、供應(yīng)鏈、制造和技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。Hyperledger Fabric是一個(gè)分布式賬本平臺(tái)方案，也是目前在Hyperledger項(xiàng)目下孵化的多個(gè)項(xiàng)目之一，主要用于運(yùn)行智能合約，利用可靠的技術(shù)以及可插拔方式實(shí)現(xiàn)各種商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的模塊化架構(gòu)。目前最新版本為fabric 1.3。Fabric在1.0版本之后引入了通道的概念。在Fabric中，通過(guò)channel，即通道隔離數(shù)據(jù)，只有在這個(gè)通道的節(jié)點(diǎn)才能共享賬本，通道外的節(jié)點(diǎn)不能訪問(wèn)該通道賬本。通過(guò)建立不同的通道，可實(shí)現(xiàn)按需共享的目的。更符合現(xiàn)實(shí)生活的商業(yè)場(chǎng)景。表1為區(qū)塊鏈分類對(duì)比。

表1 區(qū)塊鏈分類對(duì)比

3 區(qū)塊鏈分類

區(qū)塊鏈根據(jù)準(zhǔn)入機(jī)制和節(jié)點(diǎn)開(kāi)放程度可以分成三類：公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈。

( 1 )公有鏈

任何節(jié)點(diǎn)都可以加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，并且可以讀取、發(fā)送交易，同時(shí)參與共識(shí)過(guò)程。公有鏈?zhǔn)峭耆ブ行幕木W(wǎng)絡(luò)。但是公有鏈共識(shí)速度慢，目前應(yīng)用局限于虛擬貨幣。典型的公有鏈有比特幣、以太坊。

( 2 )聯(lián)盟鏈

節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)需通過(guò)授權(quán)，根據(jù)權(quán)限不同查看信息。記賬節(jié)點(diǎn)為多個(gè)預(yù)選節(jié)點(diǎn)并且存在一個(gè)或者多個(gè)信任第三方機(jī)構(gòu)為其背書(shū)。聯(lián)盟鏈?zhǔn)遣糠秩ブ行幕木W(wǎng)絡(luò)，且適合于機(jī)構(gòu)間的交易、結(jié)算等B2B場(chǎng)景，因此金融行業(yè)應(yīng)用最廣泛。其中最知名的就是Hyperledger fabric、R3區(qū)塊鏈聯(lián)盟。

( 3 )私有鏈

只對(duì)個(gè)別實(shí)體或個(gè)人開(kāi)放，去中心化程度不高，但共識(shí)速度快，常用于企業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫(kù)管理、審計(jì)等，政府的預(yù)算和執(zhí)行，或者政府的行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。北航鏈就是典型的私有鏈。

4 區(qū)塊鏈核心技術(shù)

4.1 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（1）塊鏈結(jié)構(gòu)

區(qū)塊是固定時(shí)間段內(nèi)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)打包的所有信息。鏈上的每個(gè)區(qū)塊包含區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分，區(qū)塊頭中包括當(dāng)版本號(hào)、前一區(qū)塊哈希值、Merkle樹(shù)的根值、難度值、隨機(jī)數(shù)。具體的字段描述如表2所示。區(qū)塊體中則封裝了在一段時(shí)間內(nèi)的所有交易數(shù)據(jù)，這些交易數(shù)據(jù)通過(guò) Merkle樹(shù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，具體形式參見(jiàn)圖1。

表2 區(qū)塊字段詳述

哈希運(yùn)算后的值HashMer kleRoot 全部交易所構(gòu)成的32字節(jié)Merkle樹(shù)根第三部分：區(qū)塊體魔法數(shù) 比特幣客戶端解析數(shù)據(jù)的識(shí)別碼，一般用來(lái)區(qū)分幣種4字節(jié)交易數(shù)量 十分鐘交易總數(shù) 1-9字節(jié)交易記錄 交易詳情里包含著所有筆交易的詳情信息，以一條一條記錄的方式記載，采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是哈希樹(shù)（默克爾樹(shù)）；詳細(xì)記載了比特幣的交易記錄和相關(guān)細(xì)節(jié)不定

（2）Merkle樹(shù)

Merkle樹(shù)由Ralph Merkle提出，它利用數(shù)據(jù)哈希構(gòu)造了一種遞歸的樹(shù)形結(jié)構(gòu)。在比特幣中，每筆交易通過(guò)哈希運(yùn)算轉(zhuǎn)換成哈希值，作為Merkle樹(shù)的葉子節(jié)點(diǎn)，而Merkle 樹(shù)的雙親節(jié)點(diǎn)則由其兩個(gè)或多個(gè)孩子節(jié)點(diǎn)的哈希值合并之后哈希得到。

4.2 密碼學(xué)相關(guān)加密算法

非對(duì)稱加密：即加密過(guò)程與解密過(guò)程采用不同的密鑰。加密效率相對(duì)于對(duì)稱加密算法來(lái)說(shuō)效率較低，但是它的安全性更好。非對(duì)稱加密技術(shù)在區(qū)塊鏈中有兩種用途：一是數(shù)據(jù)加密, 二是數(shù)字簽名。數(shù)據(jù)加密是指將信息發(fā)送者采用信息接收者的公鑰對(duì)待發(fā)送的信息進(jìn)行加密后發(fā)送給接收者, 接收者采用自己對(duì)應(yīng)的私鑰對(duì)加密信息解密，這也是比特幣的交易加密。對(duì)于比特幣的數(shù)字簽名，每一位比特幣通過(guò)對(duì)前一次交易和下一位擁有者的公鑰簽署一個(gè)隨機(jī)散列的數(shù)字簽名，并將這個(gè)簽名附加在這枚電子貨幣的末尾，電子貨幣就發(fā)送給了下一位所有者。而收款人通過(guò)對(duì)簽名進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖1 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

哈希函數(shù)：又稱散列函數(shù)，是對(duì)不定長(zhǎng)的輸入產(chǎn)生輸出的一種特殊函數(shù)：h＝H(M)，其中 M 是變長(zhǎng)的消息，h=H(M)是定長(zhǎng)的散列值。散列函數(shù)H是公開(kāi)的，散列值在信源處被附加在消息上，接收方通過(guò)重新計(jì)算散列值來(lái)確認(rèn)消息未被篡改。哈希函數(shù)通常滿足不可逆、抗碰撞、雪崩效應(yīng)等特性。常見(jiàn)的哈希函數(shù)有MD4、MD5、SHA-0、SHA-1、SHA-2、SHA-3。在比特幣中使用SHA256和RIPEMD160將公鑰轉(zhuǎn)化為錢(qián)包地址。

4.3 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)又稱P2P網(wǎng)絡(luò)，它不同于傳統(tǒng)的C/S結(jié)構(gòu)，P2P網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)具備客戶端與服務(wù)端功能節(jié)點(diǎn)間的通信。P2P網(wǎng)絡(luò)根據(jù)可以分為三種網(wǎng)絡(luò)模型：集中式、純分布式、分層式模型，其中純分布式模型又可以分為結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化模型。比特幣使用非結(jié)構(gòu)化的gossip協(xié)議作為比特幣的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其過(guò)程由種子節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，將自己需要更新的狀態(tài)隨機(jī)發(fā)送給固定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，但該節(jié)點(diǎn)要保證未收到過(guò)此消息，收到消息的節(jié)點(diǎn)也會(huì)重復(fù)該過(guò)程，直到所有節(jié)點(diǎn)都收到消息。在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)主要有四大功能：錢(qián)包、挖礦、區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)路由。根據(jù)包含功能的不同可以分為以下幾種節(jié)點(diǎn)：

比特幣核心節(jié)點(diǎn)：Bitcoin Core，擁有全部四種功能：

全節(jié)點(diǎn)：Full Node，包含完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)，擁有錢(qián)包，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)，網(wǎng)絡(luò)路由功能。

輕節(jié)點(diǎn)：Lightweight Node一般只存儲(chǔ)部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，即區(qū)塊頭，不存儲(chǔ)交易數(shù)據(jù)，通過(guò)“簡(jiǎn)化交易驗(yàn)證（SPV）”方式完成交易校驗(yàn)，擁有錢(qián)包功能和網(wǎng)絡(luò)路由功能。

獨(dú)立礦工：Solo Miner，具備挖礦功能的同時(shí)，擁有完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)。

礦池礦工：Pool Miner，非獨(dú)立挖礦，通過(guò)使用礦池挖礦協(xié)議，即Stratum協(xié)議與礦池服務(wù)器通信，礦池服務(wù)器作為全節(jié)點(diǎn)與比特幣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

4.4 工作量證明共識(shí)

PoW：Proof of work,即工作量證明，此算法參考了Adam Back提出的“哈希現(xiàn)金”，目的是在發(fā)送郵件的同時(shí)要付出一定算力，達(dá)到抑制垃圾郵件問(wèn)題的目的。不同的是，在比特幣中，PoW把電子貨幣的發(fā)行和各個(gè)節(jié)點(diǎn)的共識(shí)結(jié)合在了一起。PoW原理主要是分布式系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)自己的算力解決一個(gè)難題，第一個(gè)算出問(wèn)題答案并且通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)獲得系統(tǒng)獎(jiǎng)勵(lì)（也就是系統(tǒng)發(fā)行電子貨幣）。各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)不斷嘗試不同隨機(jī)數(shù)Nonce，使得區(qū)塊哈希值小于等于目標(biāo)哈希值。如果長(zhǎng)時(shí)間不能得到符合條件的Nonce，則更改塊時(shí)間直到找到合適的Nonce。具體的算法流程如圖2所示：

圖2 PoW 算法流程

4.5 智能合約

智能合約本質(zhì)上是一段可運(yùn)行的計(jì)算機(jī)腳本，允許在沒(méi)有第三方的條件下執(zhí)行。智能合約在1994年由Nick Szabo提出，但是當(dāng)時(shí)沒(méi)有一個(gè)可信的系統(tǒng)可以作為智能合約的基礎(chǔ)，2009年中本聰提出了比特幣，研究人員意識(shí)到比特幣可以作為一個(gè)可信的運(yùn)行環(huán)境。在比特幣的設(shè)計(jì)中，通過(guò)使用一種圖靈非完備的、基于堆棧的腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了交易邏輯。腳本語(yǔ)言通過(guò)從左至右地處理每一個(gè)項(xiàng)目的方式來(lái)執(zhí)行腳本。數(shù)字被推送至堆棧，操作符向堆棧推送或移除一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)，對(duì)它們進(jìn)行處理。條件操作符評(píng)估一項(xiàng)條件，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)真或假的結(jié)果。這也是智能合約最初的模型。以太坊借鑒了比特幣，對(duì)其應(yīng)用范圍進(jìn)行了擴(kuò)展。可以使用Solidity，Serpent，LLC編寫(xiě)智能合約，然后將合約編譯成EVM字節(jié)碼運(yùn)行。而HyperLedger智能合約可以用任何語(yǔ)言編寫(xiě)，因?yàn)镠yperledger使用Docker運(yùn)行智能合約，編譯后打包到 Docker鏡像中。節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)區(qū)塊鏈必須通過(guò)智能合約，其過(guò)程是通過(guò)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)包含合約鏡像的容器，而合約通過(guò) getState和putState來(lái)訪問(wèn)區(qū)塊鏈。

5 研究現(xiàn)狀

比特幣利用密碼學(xué)加密算法、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工作量證明共識(shí)以及基于堆棧的腳本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了去中心化的電子貨幣，是第一個(gè)殺手級(jí)區(qū)塊鏈應(yīng)用。現(xiàn)階段的區(qū)塊鏈技術(shù)研究集中在隱私保護(hù)、共識(shí)算法以及具體場(chǎng)景的區(qū)塊鏈應(yīng)用等幾個(gè)方面。現(xiàn)階段區(qū)塊鏈應(yīng)用場(chǎng)景在下一節(jié)具體闡述。

5.1 隱私保護(hù)

對(duì)于交易數(shù)據(jù)公開(kāi)地存儲(chǔ)在所有記賬節(jié)點(diǎn)上的做法，雖然起到了防止數(shù)據(jù)篡改的作用，但也同時(shí)帶來(lái)了隱私泄露的問(wèn)題。在比特幣中，雖然會(huì)使用假名身份，但是通過(guò)啟發(fā)式武器庫(kù)可以將不同的比特幣交易連接到普通用戶，并且在許多情況下，可以將該用戶的真實(shí)世界身份連接起來(lái)，這對(duì)于個(gè)人隱私來(lái)說(shuō)是致命的。針對(duì)區(qū)塊鏈的個(gè)人隱私保護(hù)，現(xiàn)階段已提出諸多解決方案：

（1）混幣技術(shù)

混幣技術(shù)的原理是將多個(gè)用戶多個(gè)輸入輸出地址混合，使得攻擊者無(wú)法找到確定的輸入地址和輸出地址，從而達(dá)到匿名身份特性。比較典型的混幣方案有 Mixcoin、CoinJoin、Dash、CoinShuffle等。Mixcoin利用中央混合服務(wù)器實(shí)現(xiàn)交易地址的混合，并且交易的金額相同，增加了匿名性。CoinJoin通過(guò)第三方平臺(tái)將多筆交易合并為一筆交易，從而隱藏輸入地址和輸出地址的關(guān)聯(lián)性。Dash幣的方案中引入了多個(gè)主節(jié)點(diǎn)來(lái)保護(hù)隱私，將多個(gè)主節(jié)點(diǎn)組成一條鏈，鏈?zhǔn)捉邮蛰斎氲刂罚溛蔡峁┹敵龅刂罚粽呷肭秩我庵鞴?jié)點(diǎn)都不會(huì)同時(shí)得到輸入地址和輸出地址。用戶在發(fā)送交易請(qǐng)求時(shí)以固定時(shí)間間隔發(fā)送，隱藏了用戶的交易習(xí)慣。CoinShuffle中多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成去中心化網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)將按照一定順序依次打亂輸入輸出地址的順序，然后在該網(wǎng)絡(luò)廣播（使用其他用戶密鑰加密過(guò)的）地址列表。

（2）環(huán)簽名

環(huán)簽名是一種特殊的群簽名，它沒(méi)有群管理者。環(huán)簽名最初是由Rivest根據(jù)“如何安全地匿名泄密”這一問(wèn)題提出的解決方案，得到了學(xué)者廣泛關(guān)注，并且提出了門(mén)限環(huán)簽名、代理環(huán)簽名等概念。環(huán)簽名過(guò)程是首先確定一個(gè)臨時(shí)的成員集合（包括匿名泄密者），集合中每個(gè)成員都有自己的公私鑰對(duì)，然后匿名泄密者利用自己的私鑰和集合中所有成員的公鑰對(duì)消息進(jìn)行簽名，環(huán)簽名由于它的自發(fā)性、無(wú)條件匿名性和群特性具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如門(mén)羅幣在它的 CryptoNote協(xié)議中由 RingCT實(shí)現(xiàn)了環(huán)簽名技術(shù)。

（3）零知識(shí)證明

零知識(shí)證明是由S.Goldwasser、S.Micali及C.Rackoff提出。可以在不透露消息的情況下，證明者可以向驗(yàn)證者證明某個(gè)論斷是正確的。對(duì)于零知識(shí)證明在區(qū)塊鏈也有諸多嘗試。Miers等人提出了基于零知識(shí)證明的零幣協(xié)議Zerocoin，Sasson等人提出了基于非交互性零知識(shí)證明技術(shù) zk-SNARK的零鈔方案 Zerocash以及Kosba等人提出的Hawk方案。

（4）其他方案

還有一些其他方案做到了區(qū)塊鏈的隱私保護(hù)，如比特幣的閃電網(wǎng)絡(luò)只記錄第一次與最后一次交易，直接用減少數(shù)據(jù)庫(kù)的交易記錄保護(hù)個(gè)人隱私，微軟的Coco框架加強(qiáng)了對(duì)智能合約的隱私保護(hù)。

5.2 共識(shí)算法

（1）股權(quán)證明算法PoS

PoS：Proof-of-Stake,股權(quán)證明。PoS最先由點(diǎn)點(diǎn)幣投入使用。該算法通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)持有幣的數(shù)量和時(shí)間的乘積，即幣齡，用來(lái)作為獲得記賬權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)。節(jié)點(diǎn)在獲得記賬權(quán)之后幣齡會(huì)清空，每清空規(guī)定數(shù)量幣齡會(huì)得到相應(yīng)獎(jiǎng)勵(lì)。由此可見(jiàn)，PoS依靠最大幣齡獲得記賬權(quán)，這與PoW使用最高算力獲取記賬權(quán)有很大不同，這使得即使攻擊節(jié)點(diǎn)獲得強(qiáng)大算力也無(wú)法對(duì)使用 PoS共識(shí)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行攻擊。由PoS共識(shí)衍生出的還有Tendermint、Casper、Ouroboros等。

（2）股權(quán)授權(quán)證明算法DPOS

DPoS：Delegated Proof-of-Stake，股份授權(quán)證明。此算法由比特股Bitshares提出，讓每個(gè)持有幣的人對(duì)系統(tǒng)中的注冊(cè)的受托人投票，獲得票最多的101個(gè)受托人將對(duì)交易進(jìn)行打包計(jì)算。這與人民代表大會(huì)制度類似，選出的受托人在進(jìn)行高效共識(shí)的同時(shí)，還可避免資源的浪費(fèi)。

（3）拜占庭容錯(cuò)算法

PBFT：Practical Byzantine Fault Tolerance，實(shí)用拜占庭容錯(cuò)。PBFT由MIT的Miguel和Barbara Liskov提出，是一種狀態(tài)機(jī)副本復(fù)制算法，狀態(tài)機(jī)在分布式系統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行副本復(fù)制。PBFT可以分為請(qǐng)求、預(yù)準(zhǔn)備、準(zhǔn)備、提交這四個(gè)階段。

（4）Paxos與Raft算法

Paxos由Lamport提出，使用了提案-批準(zhǔn)的兩階段提交模型，通過(guò)三種角色和多輪交互保證消息內(nèi)容和順序一致。Paxos及其變種Raft算法都是通過(guò)對(duì)狀態(tài)機(jī)的復(fù)制實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)（如表3）。

表3 共識(shí)算法對(duì)比

6 應(yīng)用場(chǎng)景

6.1 能源治理

如何利用區(qū)塊鏈技術(shù)解決能源轉(zhuǎn)型和可再生能源的利用問(wèn)題已經(jīng)成為區(qū)塊鏈的研究熱點(diǎn)之一，Caroline Plaza和Julien Gil提出了一種基于區(qū)塊鏈的解決方案，通過(guò)定義能量交換規(guī)則，利用智能計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施作為能源數(shù)據(jù)可信賴方，解決能源治理問(wèn)題。PowerLedger項(xiàng)目中提出了雙區(qū)塊鏈層次結(jié)構(gòu)：在公共層，利用以太坊區(qū)塊鏈將微電網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)與其他代幣的交換聯(lián)系起來(lái)；另一區(qū)塊鏈層次結(jié)構(gòu)使用PowerLedger生態(tài)鏈，令應(yīng)用程序在鏈上實(shí)現(xiàn)能源交易。

6.2 身份認(rèn)證

域名系統(tǒng)和證書(shū)頒發(fā)機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)中可能存在安全性和信任問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，麻省理工學(xué)院的CertCoin項(xiàng)目是第一個(gè)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的PKI實(shí)施。CertCoin刪除中心化CA并使用區(qū)塊鏈將其替換為分布式賬本存儲(chǔ)域名和公鑰。Enis Karaarslan 和Eylul Adiguzel提出了基于區(qū)塊鏈的域名系統(tǒng)(DNS)和分布式的公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(DPKI)。

6.3 文件存儲(chǔ)

在文件存儲(chǔ)方面區(qū)塊鏈依然有大膽的嘗試。ChainSQL設(shè)計(jì)了具有區(qū)塊鏈去中心化，同時(shí)具有可審計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)的快速查詢特性的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用平臺(tái)。星際文件系統(tǒng)（IPFS）針對(duì)HTTP協(xié)議低效、高成本等弊端，發(fā)明了基于區(qū)塊鏈且使用內(nèi)容尋址方式的去中心化的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。

6.4 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，為智慧城市，智能家電等領(lǐng)域提供了有效的解決方案。但是仍然面臨網(wǎng)絡(luò)信任體系難以建立、安全性差，設(shè)備維護(hù)升級(jí)難度大等問(wèn)題，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)成本高的問(wèn)題，Shuling Li等人提出了一種基于區(qū)塊鏈的輕量級(jí)備份架構(gòu)。在乘坐共享方面，現(xiàn)有的AV/IoT設(shè)備通常需要可信第三方，這會(huì)引發(fā)信任問(wèn)題，CoT框架利用HyperLedger Fabric構(gòu)建了安全可靠的服務(wù)。

6.5 社交通信

在主流的社交媒體已經(jīng)被少數(shù)幾個(gè)互聯(lián)網(wǎng)巨頭所壟斷的情況下，建立一個(gè)去中心化的社交體系逐漸成為新的技術(shù)訴求。比特信提出了基于 P2P的去中心化且無(wú)需第三方提供信用擔(dān)保的協(xié)議，通過(guò)隱藏非內(nèi)容數(shù)據(jù)的方式保護(hù)個(gè)人隱私。BeeChat基于量子鏈，構(gòu)建了為用戶提供加密即時(shí)通訊、新聞資訊、加密錢(qián)包多元化社區(qū)服務(wù)。

7 存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

7.1 安全問(wèn)題

共識(shí)算法的安全隱患：在使用PoW共識(shí)的初期，極易受到51%的算力攻擊，這樣可以通過(guò)控制超過(guò)50%的算力來(lái)偽造區(qū)塊使之成為最長(zhǎng)鏈，從而撤銷已生成的區(qū)塊來(lái)達(dá)到攻擊的目的，后期根據(jù)51%攻擊延伸出了自私挖礦和堅(jiān)強(qiáng)挖礦等攻擊手段。使用PoS共識(shí)雖然可以避免PoW的資源浪費(fèi)以及免受51%算力攻擊，但是容易受到權(quán)益粉碎攻擊。PoS共識(shí)的核心思想是在區(qū)塊鏈中的最大利益相關(guān)者獲取挖礦權(quán)，就會(huì)使得礦工間的貧富差距加大，令少數(shù)富有礦工決定區(qū)塊的生成，這與區(qū)塊鏈的去中心化思想極為不符。因?yàn)镈PoS的共識(shí)節(jié)點(diǎn)有限的問(wèn)題，所以DPoS還面臨著中心化的安全風(fēng)險(xiǎn)。

智能合約的安全漏洞：由于智能合約使用了圖靈完備的語(yǔ)言，使得合約更容易產(chǎn)生漏洞，如著名的DAO安全漏洞。有安全漏洞的智能合約可分為浪子合約、貪婪合約、自殺合約、死后合約等，如何有效的規(guī)避每種智能合約漏洞，是當(dāng)今區(qū)塊鏈亟待解決的問(wèn)題之一。

7.2 隱私問(wèn)題

雖然針對(duì)比特幣的假名系統(tǒng)提出了許多隱私保護(hù)的解決方案，但仍面臨著一些問(wèn)題。比如一些混幣方案去中心化不足和零知識(shí)證明驗(yàn)證時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以至于應(yīng)用受限等，同時(shí)隨著數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)分析交易匿名集方法將輸入輸出交易進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這對(duì)區(qū)塊鏈的隱私保護(hù)提出了更高要求。

7.3 效率問(wèn)題

由于公有鏈的共識(shí)過(guò)程全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加，共識(shí)速度會(huì)更加緩慢。目前比特幣的TPS為7筆/秒，與支付寶等交易軟件的速度相差甚遠(yuǎn)。這與由于區(qū)塊鏈?zhǔn)褂昧巳?jié)點(diǎn)備份，使得共識(shí)過(guò)程要通過(guò)全網(wǎng)大部分節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證，并且要經(jīng)過(guò)六次確認(rèn)之后交易才生效，這使得交易上鏈變得極為緩慢，從而也導(dǎo)致區(qū)塊鏈不適用于對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用場(chǎng)景。如何在兼顧安全性的同時(shí)提高共識(shí)效率，這是區(qū)塊鏈應(yīng)用落地的關(guān)鍵問(wèn)題。