發(fā)布時間：2020-01-14所屬分類：管理論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要區(qū)塊鏈?zhǔn)且豁椌哂蓄嵏苍S多傳統(tǒng)行業(yè)的潛力的新興技術(shù).自以比特幣為代表的區(qū)塊鏈1.0誕生以來，區(qū)塊鏈技術(shù)獲得了廣泛的關(guān)注，積累了大量的用戶交易數(shù)據(jù).而以以太坊為代表的區(qū)塊鏈2.0的誕生，更加豐富了區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)類型.區(qū)塊鏈技術(shù)的火熱，催生了大量基于區(qū)
摘要區(qū)塊鏈?zhǔn)且豁椌哂蓄嵏苍S多傳統(tǒng)行業(yè)的潛力的新興技術(shù).自以比特幣為代表的區(qū)塊鏈1.0誕生以來，區(qū)塊鏈技術(shù)獲得了廣泛的關(guān)注，積累了大量的用戶交易數(shù)據(jù).而以以太坊為代表的區(qū)塊鏈2.0的誕生，更加豐富了區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)類型.區(qū)塊鏈技術(shù)的火熱，催生了大量基于區(qū)塊鏈的技術(shù)創(chuàng)新的同時也帶來許多新的問題，如用戶隱私泄露，非法金融活動等.而區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)公開的特性，為研究人員通過分析區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)了解和解決相關(guān)問題提供了前所未有的機(jī)會.因此，總結(jié)目前區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存在的研究問題、取得的分析成果、可能的研究趨勢以及面臨的挑戰(zhàn)具有重要意義.為此，全面回顧和總結(jié)了當(dāng)前的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)分析的成果，在介紹區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析了目前區(qū)塊鏈系統(tǒng)中主要的數(shù)據(jù)類型，總結(jié)了目前區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的分析方法，并就實體識別、隱私泄露風(fēng)險分析、網(wǎng)絡(luò)畫像、網(wǎng)絡(luò)可視化、市場效應(yīng)分析、交易模式識別、非法行為檢測與分析等7個問題總結(jié)了當(dāng)前區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)分析的研究進(jìn)展.最后針對目前區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)分析研究中存在的不足分析和展望了未來的研究方向以及面臨的挑戰(zhàn).
關(guān)鍵詞區(qū)塊鏈;數(shù)據(jù)分析;比特幣;以太坊;智能合約
區(qū)塊鏈技術(shù)是一種新型的分布式賬本技術(shù)，它可以在互不信任的環(huán)境下實現(xiàn)去信任中介的可信交易.與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)相比，區(qū)塊鏈技術(shù)具有防偽造、不可篡改以及能方便實現(xiàn)智能合約等特點，被譽(yù)為一種將引發(fā)社會變革的新型技術(shù)[1].國務(wù)院印發(fā)的《十三五國家信息規(guī)劃》將區(qū)塊鏈等相關(guān)技術(shù)列入強(qiáng)化超前布局的戰(zhàn)略性前沿技術(shù).著名信息技術(shù)研究分析公司Gartner①連續(xù)2年(2017年、2018年)將區(qū)塊鏈及其相關(guān)技術(shù)列入十大戰(zhàn)略科技.
區(qū)塊鏈技術(shù)是比特幣等新型數(shù)字貨幣的底層支撐技術(shù).由于要在分布式環(huán)境中實現(xiàn)可信的交易，區(qū)塊鏈技術(shù)大量使用密碼學(xué)技術(shù)隱藏用戶信息，同時所有交易信息則由分布式網(wǎng)絡(luò)共同驗證、存儲.區(qū)塊鏈技術(shù)可根據(jù)應(yīng)用場景和網(wǎng)絡(luò)加入許可機(jī)制的不同劃分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈[2].比特幣[3]、以太坊[4]等對節(jié)點的加入與退出沒有任何限制，是典型的公有鏈.傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)通常隸屬于某家企業(yè)或機(jī)構(gòu)，只有內(nèi)部人員能夠查看和分析，而公有區(qū)塊鏈因為可以自由加入與退出，其中的數(shù)據(jù)即區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)可以方便地獲取.這為數(shù)據(jù)分析人員通過獲取公有鏈的交易數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析系統(tǒng)中的各種行為提供了前所未有的機(jī)會.
當(dāng)前，各種公有鏈如比特幣、以太坊等獲得了大量用戶的參與，積累了大量交易數(shù)據(jù).以比特幣為例，一份ARK投資公司和Coinbase聯(lián)合發(fā)布的研究報告指出，截至2016年底，全球有超過1000萬用戶持有比特幣，每天比特幣的交易量達(dá)到2億美元[5].大量用戶的參與和活躍的用戶交易使得基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)分析成為一個重要且有價值的研究問題.隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)將區(qū)塊鏈技術(shù)作為底層技術(shù)引入，勢必導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)以區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的形式存在，因而研究基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)分析問題具有重要的理論和現(xiàn)實意義.
與典型數(shù)據(jù)形式相比，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)具有2個重要的特點：1)在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，尤其是在公有鏈中，用戶都是匿名的，各種用戶的屬性數(shù)據(jù)(如性別、年齡等)都無從獲得;2)區(qū)塊鏈系統(tǒng)中用戶通過交易形成聯(lián)結(jié)，構(gòu)成各種網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)之間彼此互相關(guān)聯(lián).因而，基于匿名網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)將成為區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)分析的重要技術(shù).
目前，由于區(qū)塊鏈技術(shù)尚處于初始階段，缺乏大量成熟的區(qū)塊鏈應(yīng)用項目，因而基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)分析亦處于探索階段.區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)分析相關(guān)的文獻(xiàn)主要針對目前相對成熟且已有足夠數(shù)據(jù)的區(qū)塊鏈如比特幣、以太坊等.其中，又以比特幣區(qū)塊鏈因其創(chuàng)立時間較長、廣受關(guān)注而成為區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)分析研究的重要對象.
目前，已有大量針對區(qū)塊鏈技術(shù)不同角度的文獻(xiàn)綜述，如技術(shù)架構(gòu)[6]、共識機(jī)制[7]、安全和隱私的問題[8-9]、攻擊問題[9]、應(yīng)用現(xiàn)狀[10-11]、研究方向與挑戰(zhàn)[2]、研究熱點[12]等，但尚缺乏對區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)分析技術(shù)的進(jìn)展的相關(guān)報道，為彌補(bǔ)這一缺失，本文對目前區(qū)塊鏈(主要是比特幣、以太坊)數(shù)據(jù)分析的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了對比分析，概括出2類典型的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)和相應(yīng)的分析方法，并總結(jié)了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)分析的七大研究問題和進(jìn)展，希望能夠給當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)的相關(guān)研究提供一定的參考與幫助.
1區(qū)塊鏈基礎(chǔ)介紹
當(dāng)前，我們處于一個信息泛濫的時代，各種數(shù)據(jù)充斥我們周圍.然而，數(shù)據(jù)是否真實可信卻不得而知.
區(qū)塊鏈技術(shù)因其特殊的機(jī)制，其中的數(shù)據(jù)具有“可信”的寶貴特征，這使得基于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)分析的信息具有重要的價值.為理解為何區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)具有可信的特征，本節(jié)將介紹區(qū)塊鏈的基本架構(gòu)，并重點分析使得區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)可信的關(guān)鍵技術(shù).
1.1區(qū)塊鏈架構(gòu)
2008年，化名為“中本聰”(SatoshiNakamoto)的學(xué)者在密碼學(xué)郵件組發(fā)表比特幣奠基性論文[3]，并于2009年1月實現(xiàn)了比特幣的最初版本.在經(jīng)過一段時間的運行之后，比特幣開始走進(jìn)大眾的視野.由于比特幣具有許多優(yōu)良特性，其迅速成為金融市場的寵兒.區(qū)塊鏈技術(shù)正是指比特幣等加密貨幣的底層支撐技術(shù).
目前，尚未形成行業(yè)認(rèn)可的對區(qū)塊鏈技術(shù)的統(tǒng)一定義.在2016年10月由中國工業(yè)和信息化部發(fā)布的《中國區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展白皮書》將區(qū)塊鏈技術(shù)描述為分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機(jī)制、加密算法等計算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式.在區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)方面，袁勇等人[13]將其劃分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應(yīng)用層.然而，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷發(fā)展，區(qū)塊鏈的內(nèi)涵與外延也在不斷演化.比如一些實際商業(yè)應(yīng)用中，并不需要幣的存在，因而激勵層也并不存在.文獻(xiàn)[14]從隱私保護(hù)的角度將區(qū)塊鏈的架構(gòu)劃分為3個層次：網(wǎng)絡(luò)層、交易層和應(yīng)用層.本文站在數(shù)據(jù)分析的角度，從數(shù)據(jù)的類型和環(huán)境出發(fā)，認(rèn)為區(qū)塊鏈可以描述為三橫一縱的結(jié)構(gòu)，如圖1所示：
三橫既是對區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)類型的抽象，同時也代表區(qū)塊鏈的3種發(fā)展階段.最底層是交易(transaction)層，對應(yīng)的是以比特幣為代表的區(qū)塊鏈1.0階段.交易是改變區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的手段，也是區(qū)塊鏈中重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).記錄交易以及確保區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)本身的全局唯一性和不可篡改性是區(qū)塊鏈1.0的核心.中間層是智能合約層，智能合約是密碼學(xué)家尼克·薩博(NickSzabo)于1996年提出的概念[15]，旨在將合約條款電子化，當(dāng)條件滿足時，條款能自動執(zhí)行，因而智能合約本質(zhì)上是一段計算機(jī)程序.由于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)具有不可篡改、完整可信等重要特征，基于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)構(gòu)建智能合約具有天然的優(yōu)勢.因而，區(qū)塊鏈加智能合約被稱為區(qū)塊鏈2.0.智能合約本身亦是構(gòu)成區(qū)塊鏈2.0的一種重要數(shù)據(jù)類型，我們稱這種數(shù)據(jù)為合約數(shù)據(jù).當(dāng)然，智能合約的部署和運行離不開交易，同時也會產(chǎn)生交易數(shù)據(jù).最頂層是應(yīng)用層，應(yīng)用層代表的是基于區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用，對應(yīng)區(qū)塊鏈3.0.應(yīng)用可以建立在智能合約之上，實現(xiàn)許多復(fù)雜的自動化功能，也可以沒有智能合約(因而合約層以虛線表示)，如基于比特幣的各種應(yīng)用.目前，由于區(qū)塊鏈技術(shù)尚處于發(fā)展初期，因而缺少與實際場景結(jié)合的應(yīng)用數(shù)據(jù).
一縱代表的是區(qū)塊鏈的運行環(huán)境是分布式的.分布式環(huán)境穿越區(qū)塊鏈的3個不同層次，表示3個層次都處于分布式環(huán)境中.比如同一個智能合約，作為一種數(shù)據(jù)存儲在分布式環(huán)境中的每一個節(jié)點上，當(dāng)接收到觸發(fā)合約運行的交易時，每個節(jié)點基于本地的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)運行相關(guān)合約，并將運行結(jié)果存入本地數(shù)據(jù)中，最后通過共識機(jī)制，使得本地的數(shù)據(jù)與整個分布式網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一致.在區(qū)塊鏈的分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通常存在著大量節(jié)點.不同的節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中可能扮演著不同的角色.在比特幣系統(tǒng)中，節(jié)點有錢包、挖礦(爭奪記賬權(quán))、完整區(qū)塊數(shù)據(jù)存儲、路由4種角色[16].通常一個節(jié)點會因功能的不同實現(xiàn)不同的角色，比如一個輕量級的錢包節(jié)點不僅需要實現(xiàn)錢包功能，同時需要鏈接一定數(shù)量的節(jié)點以實現(xiàn)發(fā)布交易和驗證交易的功能，即需要實現(xiàn)路由功能，但大部分情況下，由于資源的限制，并不需要實現(xiàn)完整區(qū)塊數(shù)據(jù)存儲，而只是存儲區(qū)塊鏈頭部.我們把同時實現(xiàn)4種角色的節(jié)點稱為全節(jié)點，通常一個挖礦節(jié)點會實現(xiàn)所有的角色而成為全節(jié)點.由于全節(jié)點實現(xiàn)了所有的角色，因而是整個網(wǎng)絡(luò)中重要的支持和維護(hù)節(jié)點.本文中，當(dāng)談到節(jié)點時，若沒有特別指明，都表示這類全節(jié)點.
1.2區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)
區(qū)塊鏈在本質(zhì)上相當(dāng)于一個去中心化的賬本數(shù)據(jù)庫，相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，其核心特征是“不可篡改”.正是不可篡改的特性，使得區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)具有“可信”的特征.在分布式環(huán)境中，實現(xiàn)一個不可篡改的賬本，其關(guān)鍵的問題是數(shù)據(jù)如何組織以確保不可篡改以及如何在分布式環(huán)境中對賬本狀態(tài)達(dá)成共識.我們將解決這2個問題的技術(shù)概括為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和共識機(jī)制.下面以比特幣系統(tǒng)為例分別介紹這2個關(guān)鍵技術(shù).
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)決定了區(qū)塊鏈中賬戶和交易的組織形式.在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，通常采用Merkle樹組織賬本中所有的賬戶或發(fā)生的交易[16].Merkle樹，又稱Hash樹，其上所有的值都是Hash值.圖2展示了比特幣系統(tǒng)中采用的Merkle樹結(jié)構(gòu).在比特幣系統(tǒng)中，當(dāng)交易發(fā)生時，節(jié)點根據(jù)接收到交易的先后順序或手續(xù)費高低等條件將交易排在一起，然后通過Hash運算得到每個交易的Hash值.這個Hash值就是Merkle樹的葉子節(jié)點值，此后通過將Hash值兩兩拼接在一起的再次Hash運算得到一個新的Hash值，依此自底向上通過不斷地拼接Hash運算就可以得到Merkle樹的樹根節(jié)點值(Merkleroot)，這個根節(jié)點值代表了一段時間內(nèi)被打包的所有交易的摘要信息.當(dāng)交易發(fā)生任何的篡改(如地址、數(shù)額等發(fā)生變化)或者交易組織的順序發(fā)生任何改變，重復(fù)這個過程得到的新的樹根節(jié)點必然與改變之前的樹根節(jié)點完全不同.與比特幣的做法不同，在以太坊等區(qū)塊鏈中，為了方便實現(xiàn)智能合約，引入了賬戶的概念，因而它們的做法是將賬戶組織到一個Merkle樹上，賬戶代替了交易去做Hash運算，當(dāng)賬戶狀態(tài)發(fā)生變化時，對應(yīng)的Hash值發(fā)生變化，最終導(dǎo)致Merkle樹根節(jié)點值發(fā)生變化.因此，不管是通過將賬戶還是交易組織到一棵Merkle樹上，引進(jìn)Merkle樹的一個重要作用是當(dāng)交易或賬戶狀態(tài)被篡改時，重新計算對應(yīng)區(qū)塊中的Merkle樹根節(jié)點必然跟篡改之前的不同，換句話說，Merkle樹根節(jié)點值可以看成是對賬本當(dāng)前狀態(tài)形成了一個“快照”，這是區(qū)塊鏈系統(tǒng)防篡改的第1步.
采用Merkle樹組織交易的另一個重要作用是簡化支付驗證(simplifiedpaymentverification，SPV)[16].如圖2所示，設(shè)想某輕量級錢包節(jié)點需要驗證交易4的合法性，此時，該錢包節(jié)點只需要與鄰近的數(shù)據(jù)節(jié)點(存儲了所有區(qū)塊數(shù)據(jù)的節(jié)點)通信獲取對應(yīng)區(qū)塊的Hash12的值即可，而不需要區(qū)塊中所有相關(guān)的交易信息.因為有了這個值，該錢包節(jié)點即可通過Hash運算重新構(gòu)造出區(qū)塊的Merkle樹根節(jié)點，與本地存儲的對應(yīng)區(qū)塊頭部中的根節(jié)點比對以驗證其合法性.
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區(qū)塊鏈?zhǔn)俏磥戆l(fā)展行業(yè)之一，今后有關(guān)區(qū)塊鏈的論文也會越來越多，那哪些期刊可以刊登區(qū)塊鏈方面的論文呢?許多人不禁會問。本文小編針對這個問題，給大家整理了一部分可以投稿區(qū)塊鏈的期刊，供大家參考。有投稿需求的作者，可以咨詢在線編輯。
決定區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)不可篡改的第2步也是最重要的一步是鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)和共識機(jī)制.在以比特幣為代表的區(qū)塊鏈中，當(dāng)節(jié)點接收到系統(tǒng)中發(fā)生的交易時，首先驗證交易的合法性，如是否存在“雙花”問題等，確認(rèn)不合法的交易被直接拋棄，而合法交易將廣播給相鄰節(jié)點同時存儲在本地的區(qū)塊中.由于系統(tǒng)存在網(wǎng)絡(luò)延遲，不同節(jié)點接收到交易的順序可能不同，而且由于交易支付的手續(xù)費差異，不同的節(jié)點打包交易的順序可能不同.因而，不同的節(jié)點計算的系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的“快照”可能都不一樣，那么如何在分布式環(huán)境下維護(hù)一個完整和唯一的賬本即形成唯一的“快照”呢?一個普遍的做法是：根據(jù)某種條件，在分布式網(wǎng)絡(luò)中挑選一個具有“優(yōu)先記賬權(quán)”的節(jié)點，然后網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點都與之保持同步即可.我們稱選擇具有優(yōu)先記賬權(quán)節(jié)點的機(jī)制為共識機(jī)制.
在比特幣系統(tǒng)中，共識的過程可以劃分為3個階段：1)各個節(jié)點根據(jù)協(xié)議將接收到的交易打包進(jìn)區(qū)塊，并產(chǎn)生本節(jié)點對本地賬本當(dāng)前狀態(tài)的快照;2)節(jié)點將當(dāng)前狀態(tài)的快照信息與其他信息一起填入?yún)^(qū)塊頭并找到一個合適的隨機(jī)數(shù)，使得該區(qū)塊頭的Hash值小于某個給定的數(shù)或者該值的高位有足夠的零.由于Hash運算具有隨機(jī)性和不可預(yù)測性，這個合適的隨機(jī)數(shù)可能需要重復(fù)多次Hash運算才能找到，這一過程就是常說的“挖礦”.在填入?yún)^(qū)塊頭的各種值中，有一個重要的值是上一個區(qū)塊的Hash值，通過這個值，區(qū)塊之間形成了一個“鏈”式結(jié)構(gòu)(如圖2所示).一個節(jié)點選擇將某個區(qū)塊的Hash值存入當(dāng)前區(qū)塊然后去挖礦，代表著該節(jié)點接受了這個區(qū)塊以及該區(qū)塊鏈接的所有之前的區(qū)塊的交易.當(dāng)然，每個節(jié)點都可以自由地選擇從哪個區(qū)塊開始挖礦，但系統(tǒng)規(guī)定節(jié)點應(yīng)該選擇接著最長的鏈去挖.最后，最先找到合適的隨機(jī)數(shù)的節(jié)點將其對應(yīng)的區(qū)塊廣播給網(wǎng)絡(luò)中相鄰的節(jié)點，每個節(jié)點在接收到最新的塊時，首先驗證其合法性(如是否從最長的鏈開始挖，區(qū)塊頭Hash值是否滿足條件等)，在確認(rèn)合法之后，節(jié)點將該區(qū)塊廣播給相鄰節(jié)點，并以該新的區(qū)塊為始，構(gòu)造、尋找下一個合法區(qū)塊.當(dāng)這個新的區(qū)塊被全網(wǎng)50%以上節(jié)點接受之后，找到該區(qū)塊的節(jié)點相當(dāng)于獲得了優(yōu)先記賬權(quán).
