發(fā)布時間：2020-04-02所屬分類：計算機職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:比特幣等加密數(shù)字貨幣的普及引發(fā)了關(guān)于其底層區(qū)塊鏈技術(shù)的研究熱潮，引起了政府部門、行業(yè)協(xié)會、金融機構(gòu)等各行各業(yè)對區(qū)塊鏈的廣泛關(guān)注。本文主要以比特幣為例，介紹了區(qū)塊鏈的基本概念和特點，闡述了其技術(shù)原理及應(yīng)用價值，分析了其潛在問題并針對區(qū)塊
摘要:比特幣等加密數(shù)字貨幣的普及引發(fā)了關(guān)于其底層區(qū)塊鏈技術(shù)的研究熱潮，引起了政府部門、行業(yè)協(xié)會、金融機構(gòu)等各行各業(yè)對區(qū)塊鏈的廣泛關(guān)注。本文主要以比特幣為例，介紹了區(qū)塊鏈的基本概念和特點，闡述了其技術(shù)原理及應(yīng)用價值，分析了其潛在問題并針對區(qū)塊鏈技術(shù)未來的發(fā)展提出了相應(yīng)建議。
關(guān)鍵詞:區(qū)塊鏈;數(shù)字加密貨幣;技術(shù)原理
0引言
2016年1月20日，中國人民銀行數(shù)字貨幣研討會在北京召開，會議肯定了數(shù)字貨幣在降低傳統(tǒng)貨幣發(fā)行、流通成本，提高經(jīng)濟活動便利性和透明度等方面的價值，同時表示爭取早日推出央行發(fā)行的數(shù)字貨幣。據(jù)統(tǒng)計，截止2016年9月26日，市場存在的加密數(shù)字貨幣種類達到了682種，總市值達119.6億美元，其中以比特幣最具代表性，占到了79%。
雖然各界對比特幣的態(tài)度褒貶不一，但作為支持比特幣發(fā)行和交易的底層技術(shù)，區(qū)塊鏈正逐漸成為各行各業(yè)研究的熱點。全球有24個國家正在投資區(qū)塊鏈技術(shù)，90多個中央銀行加入了區(qū)塊鏈討論，90多個公司加入了區(qū)塊鏈聯(lián)盟。在過去三年里，區(qū)塊鏈的風險投資超過了14億美元，區(qū)塊鏈相關(guān)專利達2500多項。關(guān)于區(qū)塊鏈的研究和討論呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長的態(tài)勢，被認為是繼大型計算機、個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)、移動/社交網(wǎng)絡(luò)之后計算范式的第五次顛覆式創(chuàng)新，是人類信用進化史上繼血親信用、貴金屬信用、央行紙幣信用之后的第四里程碑。[1]
1區(qū)塊鏈基本概念和特點
1.1區(qū)塊鏈的基本概念
區(qū)塊鏈脫胎于比特幣，區(qū)塊鏈的概念最早出現(xiàn)在中本聰?shù)奈恼隆侗忍貛牛阂环N點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》中。文中指出，在傳統(tǒng)的交易中由于交易雙方互相不信任，因此需要國家信用背書(比如央行)或企業(yè)背書(比如支付寶)的第三方機構(gòu)。第三方機構(gòu)的存在增加了交易費用，擴大不必要的交易規(guī)模，產(chǎn)生了交易時滯，降低了交易的效率。通過數(shù)字簽名對電子貨幣進行加密可以解決電子貨幣交易雙方的身份問題，無須第三方機構(gòu)進行監(jiān)管。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)則進一步解決了數(shù)字加密貨幣長期以來面臨的兩個問題：即雙重支付問題和拜占庭將軍問題，實現(xiàn)了交易雙方之間的直接支付，逐步實現(xiàn)了去中心化、去中介的過程，極大地提升了交易效率，降低了交易成本，標志著中心化的國家信用向去中心化的算法信用的根本性變革。
區(qū)塊鏈(Blockchain)，也叫分布式總賬技術(shù)，是指通過去中心化和去信任的方式集體維護一個可靠數(shù)據(jù)庫的技術(shù)方案。該技術(shù)方案主要讓參與系統(tǒng)中的任意多個節(jié)點，通過一串使用密碼學(xué)方法相關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊(block)，每個數(shù)據(jù)塊中包含了一定時間內(nèi)的系統(tǒng)全部信息交流數(shù)據(jù)，并且生成數(shù)據(jù)指紋用于驗證其信息的有效性和鏈接(chain)下一個數(shù)據(jù)庫塊。以比特幣為例，區(qū)塊鏈技術(shù)中每一個數(shù)據(jù)塊由區(qū)塊體和區(qū)塊頭構(gòu)成，區(qū)塊體包含了過去十分鐘內(nèi)所有的比特幣交易信息，區(qū)塊頭存儲前一個區(qū)塊的引用，區(qū)塊以類似鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲起來，形成從創(chuàng)世區(qū)塊到當前區(qū)塊的一條最長的主鏈，從而記錄了所有比特幣交易記錄。因此有人也將區(qū)塊鏈技術(shù)一種分布式去中心化的公共總賬本。
1.2區(qū)塊鏈的特點
從區(qū)塊鏈的定義看，區(qū)塊鏈是一個由去中心化的網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點共同維護的分布式數(shù)據(jù)庫。我們知道傳統(tǒng)中心式數(shù)據(jù)庫有增、刪、改、查四種操作，可以被概括為CRUD，C(create)代表創(chuàng)建，R(read)代表讀取，U(update)代表更新，D(delete)代表刪除。區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式數(shù)據(jù)庫摒棄了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫更新(U)和刪除(D)的操作，為這種嶄新的數(shù)據(jù)庫賦予其兩個重要的特點，即“不可篡改”和“不可抵賴”，卿蘇德博士將這種特點概括為CROSS。C(create)依然代表創(chuàng)建，R(Retrieve)被重新定義為可溯源，各區(qū)塊嚴格按時間順序組合成鏈，相鄰區(qū)塊間嚴密的邏輯關(guān)系保證了數(shù)據(jù)庫的可追溯性。O(open)代表開放，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)依托去中心化的P2P網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點開放，任何人都可以通過公開的接口參與記賬。第一個S(safe)代表安全，區(qū)塊鏈依靠現(xiàn)代密碼學(xué)的非對稱加密技術(shù)，保證了交易信息的匿名性和安全性，依賴一種稱為工作量證明機制(Proofofwork)的共識過程確保證了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的不可篡改。第二個S(Steady)代表穩(wěn)定，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)在P2P網(wǎng)絡(luò)中分布式產(chǎn)生、分布式傳播、分布式存儲，每一個節(jié)點都存儲了完整的數(shù)據(jù)記錄。因此如果部分節(jié)點出現(xiàn)故障，只要存在一個正常運行的節(jié)點，都不會影響區(qū)塊數(shù)據(jù)的更新。毫無疑問，這種“去中心化”的存儲模式比云存儲這種多重存儲與備份的“多中心化”的模式具有更高的穩(wěn)定性。
期刊推薦：《計算機應(yīng)用與軟件》刊登反映計算機應(yīng)用和軟件技術(shù)開發(fā)應(yīng)用方面的新理論、新方法、新技術(shù)以及創(chuàng)新應(yīng)用的文章。本刊致力于創(chuàng)辦以創(chuàng)新、準確、實用為特色，突出綜述性、科學(xué)性、實用性，及時報道國內(nèi)外計算機技術(shù)在科研、教學(xué)、應(yīng)用方面的研究成果和發(fā)展動態(tài)的綜合性技術(shù)雜志，為國內(nèi)計算機同行提供學(xué)術(shù)交流的平臺。
綜上，區(qū)塊鏈的特征可以概括為以下幾點：(1)去中心化：整個網(wǎng)絡(luò)中不存在中心化的管理機構(gòu)，而是一種分布式端到端的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的權(quán)限對等;(2)自治性：采用基于協(xié)商一致的規(guī)范和協(xié)議使得整個所有節(jié)點能夠在去信任的環(huán)境自由安全地交換數(shù)據(jù);(3)安全可信：采用非對稱密碼學(xué)技術(shù)對交易數(shù)據(jù)進行加密，同時借助工作量證明機制保證數(shù)據(jù)理論上難以篡改;(4)公開透明：所有的交易記錄在全網(wǎng)公開透明，打破了信息不對稱。
2區(qū)塊鏈的技術(shù)原理
隨著在不同場景和行業(yè)中的應(yīng)用，區(qū)塊鏈技術(shù)也被進行了相應(yīng)的改造。但其核心技術(shù)架構(gòu)中主要用到的基礎(chǔ)技術(shù)——P2P網(wǎng)路、非對稱加密、哈希算法、工作量證明(PoW，ProofofWork)機制。下面對這幾種技術(shù)在區(qū)塊鏈中的使用進行介紹。
2.1相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)
(1)P2P網(wǎng)絡(luò)
區(qū)別于由服務(wù)器和客戶端組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，P2P網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點地位平等，客戶端之間直接進行通信[3]。P2P網(wǎng)絡(luò)分為有結(jié)構(gòu)和無結(jié)構(gòu)兩種，有結(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)采用一致性哈希表構(gòu)建每個節(jié)點的路由表，無結(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間路由的方式為廣播式，每個節(jié)點都向其鄰居節(jié)點讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)，以此在網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)的傳遞和廣播。區(qū)塊鏈采用的就是這種無結(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)路結(jié)構(gòu)下，數(shù)據(jù)的加密和驗證就顯得格外重要。
(2)非對稱加密與數(shù)字簽名
非對稱加密使用一對公鑰私鑰對信息進行加密，特點是公鑰可以由私鑰生成，公鑰加密的內(nèi)容，對應(yīng)的私鑰才能解密[2]。私鑰加密的內(nèi)容，對用的公鑰才能解密。數(shù)字簽名保證了信息傳輸?shù)陌踩訹4]，信息的發(fā)送者將信息進行摘要后進行哈希操作作為數(shù)字簽名附在末尾，再使用私鑰對文本進行加密，接受者收到信息后使用公鑰對文本進行解密，再對摘要進行同樣的哈希操作，與數(shù)字簽名進行對比，一致則說明未被篡改。
(3)哈希算法
哈希算法，也稱散列函數(shù)，用于將一列任意長度的值映射成一組固定長度的值，稱為哈希值。哈希算法有四個重要的性質(zhì)：(1)單向性，幾乎不能通過哈希值反推輸入值;(2)定時性，不同長度的輸入得到哈希值的時間大致相同;(3)定長性，輸出長度固定;(4)隨機性，輸入稍有變化輸出哈希值千差萬別。區(qū)塊鏈采用的就是雙SHA256哈希函數(shù)，任意長度的數(shù)據(jù)經(jīng)過兩次SHA256哈希運算得到長度為256為的哈希值。
(4)工作量證明機制
比特幣的區(qū)塊鏈采用工作量證明機制來保證去中心化網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的一致性，節(jié)點通過解決一個求解復(fù)雜但容易驗證的數(shù)學(xué)難題來競爭獲得區(qū)塊鏈的記賬權(quán)，該過程稱為“挖礦”，獲得區(qū)塊鏈記賬權(quán)的節(jié)點(也稱為礦工)將獲得一定的比特幣獎勵。該數(shù)學(xué)難題為：通過尋找一個隨機數(shù)使得區(qū)塊頭的雙哈希值小于或等于一個目標哈希值。目標哈希值通常由多個前導(dǎo)零構(gòu)成，前導(dǎo)零越多，目標哈希值越小，找到滿足要求的隨機數(shù)的難度越大。比特幣系統(tǒng)通過動態(tài)規(guī)定前導(dǎo)零的個數(shù)調(diào)整隨機數(shù)的搜索難度，以此來控制區(qū)塊平均生成時間為10分鐘/個。
如果有兩個節(jié)點同時取得了記賬權(quán)，此時會有多個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中廣播他們打包好的區(qū)塊，某節(jié)點若收到多個針對同一前續(xù)區(qū)塊的后續(xù)臨時區(qū)塊，區(qū)塊鏈主鏈會出現(xiàn)暫時的分支，隨著區(qū)塊鏈的持續(xù)生成，系統(tǒng)會選擇工作量最多，也就是區(qū)塊鏈高度最高的區(qū)塊鏈作為主鏈進行延續(xù)。
2.2區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
區(qū)塊鏈以區(qū)塊為單位組織數(shù)據(jù)，每個區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成，如圖1所示，區(qū)塊頭包含了當前區(qū)塊的版本號，前一區(qū)塊的地址，時間戳，當前區(qū)塊的目標哈希值，滿足條件的隨機數(shù)以及記錄了當前區(qū)塊所有交易MerKle樹的根節(jié)點的哈希值，區(qū)塊之間按時間順序前后相連形成鏈式結(jié)構(gòu)。區(qū)塊體記錄了一段時間內(nèi)區(qū)塊的交易(包括一個用于獎勵獲得記賬權(quán)的礦工的coninbase交易)以及經(jīng)過驗證的、區(qū)塊創(chuàng)建過程中生成的所有交易記錄，這些交易記錄將構(gòu)建成Merkle二叉樹這樣的結(jié)構(gòu)，如果交易記錄是奇數(shù)，則由二叉樹自己填補，二叉樹的兩個交易記錄的哈希值串聯(lián)作為下一個二叉樹的輸入，最終生成唯一的Merkle根節(jié)點并寫入?yún)^(qū)塊頭。根據(jù)哈希算法的隨機性，如果交易記錄被篡改，則Merkle根節(jié)點的哈希值將千差萬別，其他節(jié)點很快就能發(fā)現(xiàn)問題，提高了檢驗的效率。
3區(qū)塊鏈的應(yīng)用展望
目前對區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用還很有限，主要集中在金融領(lǐng)域，以比特幣、以太坊、Ripple和萊特幣為代表的數(shù)字貨幣是區(qū)塊鏈技術(shù)最廣泛的應(yīng)用。據(jù)CoinDesk統(tǒng)計，目前全球約有6萬家商家接受比特幣交易，中國是比特幣交易增長最為迅速的國家。除此之外，2015年12月30日，納斯達克首次在個股交易上運用了區(qū)塊鏈技術(shù)。伴隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，其分布式、去中心化的特點將賦予各行各業(yè)無限的可能。
(1)通信領(lǐng)域
傳統(tǒng)通信工具的設(shè)計思路都是在所有節(jié)點中找到最短或者最快的路徑把信息復(fù)制過去。區(qū)塊鏈分布式和去中心化的特征則完全可以顛覆這種設(shè)計思想，依托P2P的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、非對稱加密技術(shù)和數(shù)字簽名，信息的內(nèi)容在全網(wǎng)進行廣播，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都可以收到信息，只有擁有鑰匙的人才能打開，實現(xiàn)信息傳輸功能的同時保證了安全性和匿名性。
(2)公證領(lǐng)域
區(qū)塊信息的不可篡改和偽造特征可以用于對文件或者數(shù)據(jù)資料進行公證，不在依賴公證公司提供信用。洪都拉斯、希臘等國已將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于房屋產(chǎn)權(quán)證明領(lǐng)域。BitProof通過區(qū)塊鏈服務(wù)，把學(xué)生的學(xué)歷證書頒布到區(qū)塊鏈上，讓文憑無法作假。
(3)投票領(lǐng)域
將區(qū)塊鏈技術(shù)用于投票可在大大降低投票的成本的同時還保證安全性，難以作假，特別是針對西方國家的選舉和公投等成本高昂的投票活動。美國區(qū)塊鏈技術(shù)公司(BlockchainTechnologyCorporation，BTC)做了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的投票機，有望用于美國大選。納斯達克已經(jīng)宣布使用區(qū)塊鏈技術(shù)代替原來的傳統(tǒng)投票方式來進行股東投票。
(4)能源領(lǐng)域
通常情況下，用電企業(yè)或個人通過電力公司獲得電力。即使個體能源生產(chǎn)者通過太陽能、風力等產(chǎn)生剩余電力也須通過電力公司統(tǒng)一購買，再統(tǒng)一轉(zhuǎn)售給用電企業(yè)或個人，用電效率不高。隨著“輸配放開、調(diào)度獨立、售電側(cè)放開、交易平臺獨立”的電力改革的全面實施，給區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用帶來新的契機。使用區(qū)塊鏈技術(shù)可以擺脫中間方完全實現(xiàn)需求側(cè)和供給側(cè)的自主交易。
4區(qū)塊鏈的潛在問題
區(qū)塊鏈作為一種尚未成熟的技術(shù)，有著廣闊的發(fā)展前景，同時也存在安全、效率、資源等各方面的問題。
(1)安全問題
51%攻擊是目前區(qū)塊鏈技術(shù)面臨的最大威脅，PoW的證明機制決定了如果有節(jié)點掌握了的區(qū)塊鏈中超過51%的算力就可以篡改和偽造數(shù)據(jù)。此外，區(qū)塊鏈采用了非對稱加密的技術(shù)進行信息交互，但是隨著密碼學(xué)、數(shù)學(xué)以及計算能力的提升，非對稱加密算法也有被破解的風險。事實上，尚未成熟的區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)有了被攻擊的記錄。2011年6月，Allinvain被盜走了25000個比特幣，成為比特幣歷史上第一個因為黑客攻擊而遭受重大損失的玩家。2012年9月，比特幣平臺Bitfloor被一個黑客成功攻破，損失24000個比特幣，Bitfloor平臺也于2013年4月被迫關(guān)閉。2016年6月，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的全球最大眾籌項目TheDao被黑客攻擊，導(dǎo)致價值6000萬美元的360多萬以太幣被劫持，引起業(yè)內(nèi)震動和高度關(guān)注。
(2)效率問題
以比特區(qū)塊鏈為例，相比較于VISA信用卡每秒10000比交易的處理能力，比特幣區(qū)塊鏈每秒僅能支持7筆交易的處理。另外，比特幣區(qū)塊生成時間控制在了10分鐘/個，交易智能在10分鐘以后才能被確認。對于一些小額高頻或者時間敏感的交易情景，區(qū)塊鏈將受到很大限制。
(3)資源問題
區(qū)塊鏈的PoW證明機制解決了比特幣發(fā)行、交易和驗證的功能，一定程度上保證了系統(tǒng)的安全性。但是每次只有一個礦工獲得記賬權(quán)意味著其他礦工的計算能力都被浪費，而且各節(jié)點的算力主要用來解決一個沒有實際意義的純數(shù)學(xué)問題。其次，區(qū)塊鏈消息的廣播容易帶來廣播風暴，大量消耗底層網(wǎng)絡(luò)的帶寬，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降甚至癱瘓。此外，隨著比特幣的普及以及專業(yè)挖礦設(shè)備的出現(xiàn)，大量的電力資源也被消耗。據(jù)報道，東北一家挖礦工程2500臺礦機每月運行消耗的電力就達到40萬人民幣。
5建議
區(qū)塊鏈技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用證明了其價值，但是具體到很多應(yīng)用如何落地，如何與企業(yè)整合提高生產(chǎn)力還需要不斷摸索，要產(chǎn)生真正的影響仍需要時間。政府、行業(yè)協(xié)會、企業(yè)要辯證看待這種創(chuàng)新技術(shù)，積極研究、正確引導(dǎo)促進區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)揮其潛力。
(1)政府方面要對區(qū)塊鏈技術(shù)有正確的認知，發(fā)揮統(tǒng)籌作用，組織相關(guān)專家研究區(qū)塊鏈技術(shù)的本質(zhì)及發(fā)展趨勢，挖掘潛在價值。同時要加快制定相關(guān)法律法規(guī)，將區(qū)塊鏈技術(shù)納入合適的監(jiān)管框架，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
(2)金融機構(gòu)要積極參與數(shù)字貨幣背后的技術(shù)創(chuàng)新研究，加入?yún)^(qū)塊鏈產(chǎn)品開發(fā)的行列，優(yōu)化現(xiàn)有業(yè)務(wù)流程、提高金融機構(gòu)競爭力。
(3)行業(yè)協(xié)會要促進區(qū)塊鏈行業(yè)標準、國家標準的制定，培育區(qū)塊鏈開源生態(tài)，促進源代碼的開放與協(xié)作，構(gòu)架區(qū)塊鏈開源社區(qū)，增強我國在區(qū)塊鏈領(lǐng)域的話語權(quán)和影響力。
(4)科研機構(gòu)針對區(qū)塊鏈技術(shù)的潛在問題，加強密碼學(xué)等相關(guān)學(xué)科的研究，設(shè)計更合理的共識機制發(fā)揮區(qū)塊鏈技術(shù)的計算能力解決有實際意義的問題，不斷對區(qū)塊鏈技術(shù)進行改進。
