區塊鏈技術研究

（招商局公路網絡科技控股股份有限公司戰略發展部，北京 100022）

引言

隨著密碼學、分布式網絡、共識算法、點對點網絡等技術的飛速發展，區塊鏈誕生條件日趨成熟，比特幣的誕生成為區塊鏈的標志性事件，之后以太坊開創性地將智能合約和區塊鏈結合起來，目前區塊鏈技術已經在各行各業展開研究和應用。

一、區塊鏈技術的起源

探尋區塊鏈的機制和發展，比特幣永遠是無法繞過的話題。區塊鏈技術最早可以追溯到比特幣系統中，2008年一個筆名為中本聰的人（或團隊）發布了一篇名為《比特幣—一種點對點的電子現金系統》的文章，又在2009年公開了其早期的實現代碼，比特幣就此誕生。

中本聰并沒有直接提出區塊鏈這一概念，但其解決交易記錄，真實有效并不可篡改的方案可以看作區塊鏈技術的雛形。

區塊鏈技術幾乎與比特幣是同一時間誕生，當時中本聰分別提到了區塊以及鏈的概念，不過并沒有明確提出完整的區塊鏈概念，區塊鏈是在比特幣的基礎上，被許多研究人員挖掘出的技術。

綜合有關區塊鏈技術的研究，我們認為區塊鏈技術是一種由多方集體共同維護，使用密碼學保證傳輸和訪問安全，能夠實現數據去中心化一致存儲、不可篡改、去除第三方信任機構的記賬技術[1]。

二、區塊鏈的基本分類

區塊鏈根據網絡擴展性、節點的可參與性及其功能價值，可以分為公有鏈、私有鏈和聯盟鏈三種模式。

表1 公有鏈、聯盟鏈及私有鏈對比分析表

三、區塊鏈的核心技術

1.非對稱加密算法

非對稱加密算法，就是了使用公鑰和私鑰在不直接傳遞解開密碼的密鑰的情況下，使加密的信息解密，也就是說，加密的方式和解密的過程可以是完全不對稱的關系。

2.摘要算法

區塊鏈采用密碼學摘要算法技術，保證區塊鏈賬本的完整性不被破壞。摘要算法能將二進制數據映射為一串較短的字符串，并具有輸入敏感特性，一旦輸入的二進制數據，發生微小的篡改，經過摘要運算得到的字符串，將發生非常大的變化。此外，優秀摘要算法還具有沖突避免特性，輸入不同的二進制數據，得到的摘要結果字符串是不同的。

3.數字簽名

數字簽名是在區塊鏈技術中把摘要函數、密鑰全部運用到的重要機制。數字簽名主要主要有兩個作用：第一，發送節點公鑰和私鑰，因此，確定了消息是由發送節點發送；第二，則是運用摘要函數確保了信息在發送過程中完好無損。

4.時間戳

時間戳主要負責記錄每個區塊接受信息的時間，確保每條信息的先后順序，進而保證了每個區塊都能做出一致的判斷。

5.分布式賬本技術

分布式賬本技術DLT（Distributed Ledger Technology）本質上是一種可以在多個網絡節點、多個物理地址或者多個組織構成的網絡中進行數據分享、同步和復制的去中心化數據存儲技術[2]。

四、區塊鏈共識算法

1.工作量證明

工作量證明的概念早在1993年就已經被人提出了，工作量證明需要發起人進行一定的運算，1998年，戴偉發布了匿名的分散式電子現金系統（B-Money），引入了工作量證明機制，強調點對點交易和不可更改的特性，之后中本聰將工作量證明應用到比特幣上，比特幣采用PoW工作量證明來保證分布式網絡記賬的一致性，這是目前實踐看來最為安全的公有鏈共識算法。

2.權益證明

權益證明最早由在2012年8月發布的PPC（PeerToPeerCoin點點幣）系統中首先實現，權益證明是工作量證明的升級共識機制，主要思想是節點記賬權的獲得難度與節點持有的權益成反比，相對于工作量證明，一定程度減少了數學運算帶來的資源消耗，性能也得到了相應的提升，縮短了延遲，但依然是基于哈希運算競爭獲取記賬權的方式，因此，權益證明也不是完全彌補了工作量證明的不足，它只是在工作量證明的基礎之上進行了部分改善。

3.股份授權證明

股份授權證明DPoS是2014年4月由Bitshares 的首席開發者Dan Larimer提出的一種基于代理人機制的PoS算法，股份授權證明比權益證明更加權威，它類似投票機制，由節點選舉若干代理人，由代理人驗證和記賬，是在權益證明的基礎上創造出的共識算法。

4.拜占庭容錯機制

拜占庭容錯機制也是一種采用許可投票、少數服從多數來選舉領導者進行記賬的共識機制，但該共識機制允許拜占庭容錯。

結語

本文從比特幣與區塊鏈技術的關聯關系出發，描述了實現區塊鏈分布式記賬的主要技術原理和框架，從技術原理出發到應用場景落地全方位闡述了區塊鏈的實現方式。