區(qū)塊鏈技術(shù)綜述

王 璐，劉雙印，3，張 壘，3，徐龍琴，3，曹 亮，3

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣州 510225;2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東省高校智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心，廣州 510225;3.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東省水禽健康養(yǎng)殖重點實驗室，廣州 510225）

隨著2008年Satoshi Nakamoto 發(fā)表了論文《Bitcoin：A Peerto-Peer Electronic Cash System》[1]，區(qū)塊鏈技術(shù)作為比特幣的底層核心技術(shù)逐漸映入人們的眼簾。2013年區(qū)塊鏈技術(shù)得到廣泛關(guān)注。2014年區(qū)塊鏈技術(shù)創(chuàng)業(yè)公司R3CEV 成立，2015年由9家金融機構(gòu)聯(lián)合成立R3金融區(qū)塊鏈聯(lián)盟，截止2019年3月已與超過100家金融機構(gòu)達成合作。基于區(qū)塊鏈技術(shù)的證券交易平臺Linq于2015年12月首次在美國推出，這是區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化趨勢在金融證券市場的一個關(guān)鍵里程碑。在我國，區(qū)塊鏈技術(shù)研究起步相對較晚，但發(fā)展勢頭迅猛，特別是在2016年發(fā)展最為顯著，在1月20日，中國人民銀行數(shù)字貨幣研討會在北京舉行，會議提議盡早明晰央行發(fā)行數(shù)字貨幣的規(guī)劃，爭取早日發(fā)行自己本國的數(shù)字貨幣。同年，中國區(qū)塊鏈研究聯(lián)盟立、中國分布式總賬基礎(chǔ)協(xié)議、金融區(qū)塊鏈合作聯(lián)盟和央行數(shù)字貨幣研究所成立。在此情形下，我國的區(qū)塊鏈研究文獻數(shù)量也呈現(xiàn)迅猛增長態(tài)勢。盡管如此，我國的區(qū)塊鏈技術(shù)仍然處于初步階段，研究性文獻大多聚集在基礎(chǔ)性概念方面，對區(qū)塊鏈的應(yīng)用研究仍處于探索階段，因此對該技術(shù)的研究仍需加強。綜上原因，本文將從區(qū)塊鏈技術(shù)的概念特征、基礎(chǔ)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和區(qū)塊鏈的發(fā)展及應(yīng)用四個方面對區(qū)塊鏈技術(shù)進行介紹，期望以此能夠?qū)罄m(xù)研究具有一定的借鑒意義。

1 區(qū)塊鏈的概括

1.1 區(qū)塊鏈的概念

至今，區(qū)塊鏈的概念仍沒有一個統(tǒng)一的定義，學(xué)術(shù)界大多從兩方面理解區(qū)塊鏈：一、區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N賬本技術(shù)[2-9]，它結(jié)合了數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將所有發(fā)生在區(qū)塊鏈上的交易信息記錄到數(shù)據(jù)庫中，使區(qū)塊鏈具有去中心化的特征；二、區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N鏈?zhǔn)降臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它遵循時間順序連接，并結(jié)合密碼學(xué)以保證數(shù)據(jù)的不可篡改性[10-11]。袁勇等人[12]從狹義和廣義兩方面探討了該定義。狹義的角度來看，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N鏈?zhǔn)降臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，按照時間順序組合，再應(yīng)用密碼學(xué)形成分布式賬本的一種技術(shù)；廣義的角度，區(qū)塊鏈?zhǔn)抢酶鞣N技術(shù)（密碼學(xué)、共識算法、智能合同等）形成的一種全新的計算范式，是一種技術(shù)的整合而不是單一的技術(shù)。

綜上所述，本文中對區(qū)塊鏈技術(shù)做出如下概括：區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)塊遵循時間順序組合并與密碼學(xué)、共識機制、智能合同等技術(shù)結(jié)合所形成的一種去中心化的公共賬簿技術(shù)。

1.2 區(qū)塊鏈的特征

區(qū)塊鏈?zhǔn)腔诜植际浇Y(jié)構(gòu)的技術(shù)，選取純數(shù)字的形式對數(shù)據(jù)進行記錄、存儲和維護，各節(jié)點間的權(quán)利和義務(wù)是均等的，因此具有去中心化的特點[4，8，12]。數(shù)據(jù)一旦成功添加到區(qū)塊鏈上就不可再更改，時間戳提供的檢索和查找功能并結(jié)合鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)可追根溯源，且信息難以篡改，因此區(qū)塊鏈具有可追溯、信息難篡改、安全性高的特點[4，8]。依靠開源算法，區(qū)塊鏈形成公開透明的運作環(huán)境，共識機制的參與更是為構(gòu)建一個“信任”網(wǎng)絡(luò)增加助力，參與方不需要知道對方的身份，只需要基于信任的算法就可以達成共識，因此區(qū)塊鏈具體透明化、去信任化的特點[4，6]。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)

六層架構(gòu)是普遍被認同的區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)，具體架構(gòu)模型如圖1所示[12]。

圖1 區(qū)塊鏈架構(gòu)模型

圖中最底層為數(shù)據(jù)層，主要描述區(qū)塊鏈的物理形式。各節(jié)點通過指定的Hash 函數(shù)和Merkle 樹，將一段時間內(nèi)的交易信息封裝到帶有時間戳的數(shù)據(jù)區(qū)塊中，最后鏈接到主鏈上。整個過程涉及到的數(shù)據(jù)區(qū)塊、鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、時間戳、非對稱加密等技術(shù)都被封裝在數(shù)據(jù)層上。

網(wǎng)絡(luò)層是基于TCP/IP 和對等網(wǎng)絡(luò)形成的分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)不依靠可信任的第三方來轉(zhuǎn)發(fā)信息，而是所有節(jié)點都參與信息的轉(zhuǎn)發(fā)，并對數(shù)據(jù)具有校驗和記賬的功能，數(shù)據(jù)只有經(jīng)過大部分節(jié)點驗證后才可以存入?yún)^(qū)塊鏈。

共識層的主要任務(wù)是讓高度分散的節(jié)點在去中心化的系統(tǒng)中達成共識，該層封裝了各類共識算法。

激勵層主要提供一些激勵措施，采用激勵分配機制和發(fā)行機制兩種方法來激勵節(jié)點積極參與區(qū)塊鏈的安全驗證。通過這些措施，激勵了參與記賬的節(jié)點遵循規(guī)則并對違反規(guī)則的節(jié)點進行懲罰，推動區(qū)塊鏈的進步。

腳本代碼、算法機制和智能合同封裝在合約層中，智能合同可以在達到約束條件時自動觸發(fā)執(zhí)行，條件不滿足時自動解除合約。依此原理，區(qū)塊鏈具備了可編程的特性。

區(qū)塊鏈的應(yīng)用層封裝了一些實際的應(yīng)用案例，例如瀏覽門戶網(wǎng)站、搜索引擎和計算機上的應(yīng)用程序等。在此基礎(chǔ)上，可編程金融和可編程社會得以應(yīng)用。

3 區(qū)塊鏈的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 加密技術(shù)

應(yīng)用非對稱加密技術(shù)保證區(qū)塊鏈的安全性。該技術(shù)的每個用戶都含有公鑰與私鑰兩把密鑰，其形成過程如下：首先是由系統(tǒng)選擇一種密鑰生成一種算法，然后計算隨后的輸入信息得出私鑰，再采用與其不同的算法根據(jù)私鑰形成對應(yīng)的公鑰，并且這個形成的公鑰是不可逆的。數(shù)據(jù)加密和數(shù)字簽名是非對稱加密技術(shù)的兩個主要功能[13]。

非對稱加密技術(shù)在區(qū)塊鏈交易中分為交易簽名和交易驗證兩個階段。文獻[14-15]還指出非對稱加密技術(shù)已經(jīng)不僅僅只應(yīng)用在區(qū)塊交易的簽名驗證這一個方面。多重簽名技術(shù)在區(qū)塊鏈中的應(yīng)用，起到了有限匿名的作用；盲簽名技術(shù)被應(yīng)用在區(qū)塊鏈技術(shù)之中以防止真實的數(shù)據(jù)被校驗者看到。未來隨著加密技術(shù)的發(fā)展，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的安全性也將進一步得以提升。

3.2 共識機制

為了解決區(qū)塊鏈節(jié)點與節(jié)點之間的信任問題，共識機制應(yīng)運而生。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，共識機制作為區(qū)塊鏈的核心技術(shù)也有了很大的進步，目前已知的共識機制有20 多種，常見 的 有Paxos、Raft、Casper、Tendermint、BFT（Byzantine Fault Tolerant，拜占庭容錯）、PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance，實用拜占庭容錯）、PoW（Proof of Work，工作量證明）、PoS（Proof of Stake，權(quán)益證明）、DPoS（Delegated Proof of Stake，授權(quán)股權(quán)證明）、LPoS（Lease Proof of Stake，租賃權(quán)益證明）、PoA（Proof of Activity，活躍度證明）、POI（Proof of Importance，重要性證明）、PoL（Proof of Luck，運氣證明）、PoB（Proof of Burn，燃燒證明）、PoC（Proof of Contribution，貢獻證明）等共識機制[17]。區(qū)塊鏈中主要應(yīng)用了PoW（Proof of Work，工作量證明）、PoS（Proof of Stake，權(quán)益證明）和DPoS（Delegated Proof of Stake，授權(quán)股權(quán)證明）三種共識機制，下面分別對這三種共識機制進行簡單的介紹。

3.2.1 PoW

PoW 是節(jié)點間進行算力競爭，從而保證數(shù)據(jù)的一致性，達成節(jié)點間的共識。PoW 的優(yōu)勢是去中心化、算法容易實現(xiàn)、高安全性并且節(jié)點與節(jié)點之間不需要交換任何的信息就可以達成共識。但也存在著一些問題。一是資源浪費大；二是節(jié)點間達成共識的時間漫長；三是仍然存在51%攻擊的可能性。

3.2.2 PoS

PoS 與PoW 相比較而言，實質(zhì)上就是將其中的算力證明使用權(quán)益證明來替換，最高權(quán)益獲得記賬權(quán)，該機制解決了Pow中資源浪費的難題。PoS 中的權(quán)益是指節(jié)點對一定數(shù)量的貨幣的所有權(quán)，被稱為幣齡（幣天數(shù)）。

PoS 的優(yōu)勢是相對于PoW 而言，在一定程度上減少了達成共識的時間，并且節(jié)省了資源。缺點是沒有從根本上解決仍然需要“挖礦”操作的商業(yè)痛點。

3.2.3 DPoS

DPoS 是在PoS 上進行改進的一種共識算法，全網(wǎng)各節(jié)點首先按照PoS 共識機制的方式以權(quán)益的多少為投票的參照選出一定數(shù)量的記賬人，然后記賬人之間再依照一定的規(guī)律輪流進行記賬。記賬人必須保證能夠長時間在線，為節(jié)點提供廣播的服務(wù)，否則可能會失去節(jié)點的支持而失去記賬人的資格。

DPoS 的優(yōu)勢是選取了記賬人作為代表，降低了節(jié)點的參與度，從而節(jié)點間達成共識的時間也相應(yīng)的減少了。但是DPoS 共識機制是一種依賴代幣的方法，而目前商業(yè)中是不需要代幣的。

3.3 智能合同

Nick Szabo 在1995年提出智能合同概念，他認為智能合同是以數(shù)字形式定義的一種合同形式的諾言，是一種參與方也可以在上面履行這些諾言的一種協(xié)議[17]。其中數(shù)字形式為計算機代碼，諾言為合同雙方同意的權(quán)利和義務(wù)。

目前，智能合同在區(qū)塊鏈中的應(yīng)用越來越多，比如開源項目Ethereum[18]、Hyperledger[19]和OpenBazzar[20]等。將智能合同與傳統(tǒng)合同作比較可以明顯的看出智能合同的優(yōu)勢所在，具體比較內(nèi)容如表1所示。

表1 智能合同與傳統(tǒng)合同的比較

4 區(qū)塊鏈的發(fā)展及應(yīng)用

依據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)對應(yīng)用的影響，Melanie Swan 把區(qū)塊鏈分為了區(qū)塊鏈1.0、區(qū)塊鏈2.0和區(qū)塊鏈3.0三個時代[21]。區(qū)塊鏈1.0也被稱為可編程貨幣，在這個時代區(qū)塊鏈技術(shù)沒有實質(zhì)的應(yīng)用，主要任務(wù)是發(fā)行數(shù)字貨幣，構(gòu)建去中心化的數(shù)字支付系統(tǒng)，實現(xiàn)快捷的貨幣、跨國支付等金融服務(wù)，例如比特幣；區(qū)塊鏈2.0也稱為可編程金融，智能合同作為應(yīng)用的支持提供基礎(chǔ)設(shè)施，對金融領(lǐng)域進行優(yōu)化，是智能資產(chǎn)、智能合同市場的去中心化，可使除貨幣之外的數(shù)字資產(chǎn)進行轉(zhuǎn)移，以太坊是主要代表的平臺；區(qū)塊鏈3.0被稱為可編程社會，在該時代區(qū)塊鏈技術(shù)能應(yīng)用在各行各業(yè)，例如選舉、版權(quán)、公證和學(xué)歷鑒定等，而不僅僅局限在金融領(lǐng)域。當(dāng)前我們已經(jīng)跨過區(qū)塊鏈1.0時代，正處于2.0向3.0過渡的階段，其應(yīng)用已從開始的數(shù)字貨幣發(fā)展到更廣泛的金融領(lǐng)域，并且正向其它領(lǐng)域延伸中。其中，金融領(lǐng)域的發(fā)展是最為成熟的，已經(jīng)應(yīng)用到征信系統(tǒng)、證券和眾籌等方面，而在教育方面，檔案管理、學(xué)歷證明和成績證明等方面也有相關(guān)應(yīng)用。除了上述所提到的領(lǐng)域，區(qū)塊鏈在物流供應(yīng)鏈、通信、社會公益等其他領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。綜上所述，區(qū)塊鏈技術(shù)基于其去中心化、可追溯、透明化、去信任化、信息難篡改等優(yōu)勢漸漸應(yīng)用到社會的各行各業(yè)，解決了目前行業(yè)所存在的信任問題，并且達到了降低成本、建立信任關(guān)系、便于追溯、安全性高等目的，在未來社會，區(qū)塊鏈技術(shù)在的應(yīng)用將會更加普遍。

5 結(jié)束語

本文從區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)概念特征入手，繼而介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)的六層架構(gòu)，接下來分別介紹了加密技術(shù)、共識機制和智能合同三種關(guān)鍵技術(shù)，最后簡單敘述了區(qū)塊鏈在金融、教育等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。