區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用探究

侯利霞，萬里勇

（南昌工學(xué)院 人工智能學(xué)院，江西 南昌 330108）

1 區(qū)塊鏈概念與特征

1.1 區(qū)塊鏈概念

從技術(shù)的層面而言，區(qū)塊鏈其實不是一種單一的技術(shù)，它實際上是集多種技術(shù)的集合。這些技術(shù)以新的方式組合在一起，形成了種數(shù)據(jù)記錄、存儲和表達(dá)方式。從數(shù)據(jù)的角度而言，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N很難被篡改的分布式數(shù)據(jù)庫或分布式賬本，它借助去中心化的方式從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交易中所有參與者對其進(jìn)行共同維護(hù)[1]。

1.2 區(qū)塊鏈主要特征

（1）開放共識。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，任何一個節(jié)點都能夠擁有完整的數(shù)據(jù)庫拷貝。系統(tǒng)一般通常把出現(xiàn)次數(shù)最多的記錄認(rèn)定為真實記錄。各節(jié)點間將遵循相互間達(dá)成的共識機(jī)制，最終共同來維護(hù)整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的任何一個節(jié)點失效，不會對其他節(jié)點造成影響。（2）去中心化。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點都處于一個平等關(guān)系，具有同樣的權(quán)利和義務(wù)。各節(jié)點間的通信，不依賴于中心設(shè)備和也無需任何中間信任機(jī)構(gòu)，它們之間僅僅需通過數(shù)字簽名進(jìn)行驗證。節(jié)點與節(jié)點間按照既定的共識機(jī)制進(jìn)行交流，無法進(jìn)行相互欺騙。在這種去中心化網(wǎng)絡(luò)中，整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運作，不會因某個節(jié)點的故障或癱瘓，而出現(xiàn)停止的現(xiàn)象。（3）交易透明。在交易過程中，區(qū)塊鏈的共識機(jī)制是公開透明的。因此，節(jié)點與節(jié)點間的交易，對于整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點來說，也都是透明的。因此，在這種去中心化的環(huán)境中，各節(jié)點都是匿名的無線公開身份。（4）不可篡改。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點按照既定共識機(jī)制進(jìn)行交流，無法彼此產(chǎn)生欺騙。即便某個節(jié)點或多個節(jié)點同時修改數(shù)據(jù)庫，也不會影響其他節(jié)點的數(shù)據(jù)庫，除非區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中有超過51%以上的節(jié)點發(fā)生同時修改，這樣就會被其他節(jié)點認(rèn)為是節(jié)點的修改是正確的。

2 區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)

2.1 分布式賬本

所謂的分布式賬本，實際上是指在網(wǎng)絡(luò)成員間共享、復(fù)制和同步的數(shù)據(jù)庫[2]。它記錄區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點參與交易的記錄。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，某一個時間點通常只允許一個人對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理，

其他人則無法進(jìn)行同時參與，僅只有查看的權(quán)限。而如果是分布式賬本的話，如果它被分散到相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)中，當(dāng)其中某一個用戶正在編輯某個記錄時，這個編輯狀態(tài)會共享給所有的子系統(tǒng)，這樣就可以實現(xiàn)全系統(tǒng)數(shù)據(jù)的同步。另外，如果系統(tǒng)的多個用戶需要同時對某一個數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，此時只要事先約定共識機(jī)制即可。

2.2 P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

P2P網(wǎng)絡(luò)（或稱“對等網(wǎng)絡(luò)”），即計算機(jī)對等網(wǎng)絡(luò)，是一種在對等者間進(jìn)行任務(wù)分配和計算的應(yīng)用架構(gòu)，是對等計算模型在應(yīng)用層形成的網(wǎng)絡(luò)形式。P2P網(wǎng)絡(luò)是區(qū)塊鏈技術(shù)中的一個重要組成部分。在P2P網(wǎng)絡(luò)模型中，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點參與者處于對等地位，它們間的通信無需依賴于任何的中心計算機(jī)[3]。P2P網(wǎng)絡(luò)是一種沒有中心的網(wǎng)絡(luò)。在P2P網(wǎng)絡(luò)中，參與者能夠擁有其他節(jié)點共享給它的部分硬件資源（包括處理能力、存儲能力、網(wǎng)絡(luò)連接能力和打印機(jī)等），這些共享資源是由節(jié)點間自行決定，無需經(jīng)過任何其他的中間實體。相比于C/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型而言，P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不需要統(tǒng)一的中心服務(wù)器管理，各節(jié)點間所占的資源與網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷都是分散的。在這種模型中，網(wǎng)絡(luò)中的任何一個或者多個節(jié)點發(fā)生故障，都不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

2.3 密碼學(xué)技術(shù)

上文所述，區(qū)塊鏈的一個重要特征就是去中心化。中心化操作其實是需要一個類似銀行的中心機(jī)構(gòu)來驗證交易的，其本質(zhì)就是讓所有節(jié)點都能驗證交易的真?zhèn)危@和比特幣采用了“非對稱加密技術(shù)”有很大關(guān)系。密碼學(xué)涉及的知識體系比較廣，區(qū)塊鏈中主要涉及的密碼學(xué)方面相關(guān)概念，主要包括：非對稱加密、哈希算法、數(shù)字簽名、數(shù)字證書機(jī)制和默克爾樹等[4]。密碼學(xué)在區(qū)塊鏈和加密貨幣領(lǐng)域有的重要影響，它的知識體系是非常龐大的，這里限于篇幅原因，就不再展開介紹。

2.4 共識機(jī)制

在區(qū)塊鏈中，能夠去中心化操作，其實一個重要的原因就是因為各個互不信任的節(jié)點在交易中就合法地達(dá)成了共識。這種共識機(jī)制為解決節(jié)點間互不相信任的問題起到非常關(guān)鍵的作用。

所謂的共識機(jī)制，就是指共識的達(dá)成機(jī)制。目前，與區(qū)塊鏈具有關(guān)聯(lián)的主流共識機(jī)制，主要有4種：PoW機(jī)制、PoS機(jī)制、DoS和PBFT算法[5]。其中，PoW機(jī)制是一個最為經(jīng)典的共識機(jī)制，它基于給定難度值要求在最快時間內(nèi)通過迭代計算得到一個隨機(jī)數(shù)None以爭奪記賬權(quán)，對獲得優(yōu)先記賬權(quán)的節(jié)點給予一定的獎勵。PoS是通過對全網(wǎng)節(jié)點的持幣量和持幣時間進(jìn)行計算，從而決定投票權(quán)和打包權(quán)。DPoS共識機(jī)制是PoS的改進(jìn)版，它是通過對全網(wǎng)節(jié)點進(jìn)行選舉產(chǎn)生代理節(jié)點，并由這些代理節(jié)點進(jìn)行交易驗證和記賬，當(dāng)代理節(jié)點取得共識后將會得到部分獎勵，對于不合格的代理節(jié)點則將會被投票替換。PBFG則是廣泛運用聯(lián)盟鏈的一種共識機(jī)制，它采用循環(huán)的領(lǐng)導(dǎo)選舉，可以抵制1/3的攻擊[5]。

3 區(qū)塊鏈的具體應(yīng)用

3.1 區(qū)塊鏈與商品溯源

由于區(qū)塊鏈具有不可篡改、數(shù)據(jù)可追溯及時間戳等特性，能夠較好解決商品溯源和防偽等問題。這里以貴重物品—黃金首飾為例，介紹區(qū)塊鏈對黃金首飾的溯源應(yīng)用過程。首先，需要對黃金首飾的信息（如黃金首飾的系列號、所有人、鑒定證書等）進(jìn)行提取，放入?yún)^(qū)塊鏈中進(jìn)行記錄，如果發(fā)現(xiàn)該黃金首飾的所有權(quán)發(fā)生轉(zhuǎn)移，那么此時區(qū)塊鏈也需要對黃金首飾的交易的詳細(xì)情況進(jìn)行記錄，同時將這個記錄再次存儲于區(qū)塊鏈并附上時間戳。此外，借助于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)不可篡改的特性，可以使得存儲于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)能夠永遠(yuǎn)保存，這樣可以實現(xiàn)隨時查閱，這樣較好解決黃金首飾的溯源及防偽問題。

3.2 區(qū)塊鏈與跨境支付業(yè)務(wù)

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)與區(qū)塊鏈金融的普及，區(qū)塊鏈在商業(yè)領(lǐng)域的運用也越來越廣。這里以區(qū)塊鏈與資金結(jié)算為例，談?wù)剠^(qū)塊鏈在跨境支付業(yè)務(wù)的運用。在區(qū)塊鏈運用于跨境支付的場景中，資金交易主要包括3個過程：資金支付環(huán)節(jié)、資金接收環(huán)節(jié)和資金傳遞環(huán)節(jié)。其中，在資金支付和資金接收兩個環(huán)節(jié)，分別使用本國的法定貨幣，而在資金傳遞環(huán)節(jié)，是通過數(shù)字貨幣來完成的。通過使用數(shù)字貨幣可以提升效率和降低成本，而且又可以節(jié)省大量的操作環(huán)節(jié)和人工操作時間。

結(jié)算過程描述：（1）國家1利用本國法定貨幣向金融機(jī)構(gòu)進(jìn)行交易支付；（2）國家1的金融機(jī)構(gòu)對本國法定貨幣進(jìn)行臨時兌換成數(shù)字貨幣；（3）國家1金融機(jī)構(gòu)通過區(qū)塊鏈轉(zhuǎn)賬將相應(yīng)金額的數(shù)字貨幣轉(zhuǎn)到國家2的金融機(jī)構(gòu)給的區(qū)塊鏈上的地址；（4）國家2的金融機(jī)構(gòu)接收數(shù)字貨幣并將其轉(zhuǎn)化為本國法定貨幣；（5）國家2的金融機(jī)構(gòu)將對應(yīng)法定貨幣轉(zhuǎn)給國家2的資金接收方。

3.3 區(qū)塊鏈與眾籌

眾籌（Crowd Funding）即大眾籌資，一般是由發(fā)起人、跟投入和平臺構(gòu)成。那么區(qū)塊鏈又是與眾籌結(jié)合的呢？首先，發(fā)起項目的組織方或者個人，通過智能合約對項目的出資條件、投資回報方式和條件進(jìn)行固化，同時募集個人投資者等其他出資人，對于愿意投資的個人投資者可以通過數(shù)字貨幣進(jìn)行出資。當(dāng)項目成功并獲得盈利時，項目將以數(shù)字貨幣的形式回饋給投資者。

3.4 區(qū)塊鏈與著作權(quán)管理

對于傳統(tǒng)的知識產(chǎn)權(quán)和著作權(quán)管理，通常需要引入第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行公證。然而，利用區(qū)塊鏈對知識產(chǎn)權(quán)和著作權(quán)管理，則無需涉及第三方，僅僅通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)即可證明著作權(quán)和知識產(chǎn)權(quán)的正確性。

在利用區(qū)塊鏈管理著作權(quán)與作品產(chǎn)權(quán)時，首先需要將作品進(jìn)行電子化和數(shù)字化，然后在電子化后的作品中嵌入與之對應(yīng)的著作權(quán)信息（比如：著作權(quán)所有作者信息和著作權(quán)存在的證明信息等），并且將信息保存在區(qū)塊鏈中。僅僅只要經(jīng)過這樣一次的證明，那么區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上其他任何節(jié)點便可以共享證明的結(jié)果。

4 結(jié)語

本文介紹了區(qū)塊鏈的概念和基本特征，重點介紹了區(qū)塊鏈分布式賬本、P2P網(wǎng)絡(luò)、密碼學(xué)和共識機(jī)制等相關(guān)技術(shù)，同時也對區(qū)塊鏈在商品溯源、跨境支付、眾籌和著作權(quán)管理等方面的運用進(jìn)行詳細(xì)的闡述。隨著5G時代的來臨，區(qū)塊鏈將會物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算和人工智能等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，而如何區(qū)塊鏈與這些技術(shù)的融合從而更好服務(wù)于人類，將是未來研究工作人員們的一個重要的研究課題。