區塊鏈原理及其應用

徐春雨

摘 要：區塊鏈是目前存在的大多數加密貨幣背后的技術，它提供了一種范式轉換技術，它有可能改變我們在互聯網上記錄和驗證事件的方式。通過提供一個非中心化的、不可變的、社區驗證的交易記錄，不管這些交易代表什么，區塊鏈技術承諾將改變許多行業。本文對這一重要技術進行了研究，并探討了其可能的用例及其對社會的影響。本文系統地梳理了區塊鏈技術的基本原理、技術、方法與應用。目的是讓讀者熟悉區塊鏈世界的最新技術和社會影響。

關鍵詞：區塊鏈 加密貨幣 比特幣 以太坊

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（c）-0026-02

正如其名稱所表述的，區塊鏈技術是一個鏈塊。這些塊中的每一個都包含一組被加密驗證的事務，這些事務都是確定的，并且這些塊是通過一個鏈連接的，它遵從每個塊中所包含的事務的時間順序，因此也就是區塊鏈。

區塊鏈表示一種分布式賬本，它存儲系統中發生的事件。該分類器是不可變的，它的內容由系統社區中的所有節點驗證。這個簡單的想法為各種各樣的應用提供了基礎。本文區塊鏈背后的技術進行了審視，然后對其使用進行了研究。

1 基本原理闡述

1.1 區塊鏈原理

傳統的因特網應用程序大多遵循一種中心化的客戶機-服務器體系結構，其中服務器存儲了所有需要的信息。任何需要存儲在因特網上的信息通常都在一個中央化的客戶機-服務器體系結構中進行，服務器具有所有信息，并且在安全性和可用性方面為整個系統提供了一個單點故障診斷。

如果該服務器被黑客攻擊或被惡意的代理管理，它所包含的信息是依然可以實現。同樣的，如果服務器失敗或被占用維護，服務器提供的可用性就會因受到影響。緩解這一問題的方法通常是在服務器上復制數據，但仍然受到上述問題的困擾，因為這些服務器通常是由同一類實體控制的，因此也受到相同的安全威脅和物理環境的影響，最嚴重的話可能導致停機。

區塊鏈的動機是為存儲信息提供一種不同的替代方式。通過將數據從一個集中的系統中釋放出來，它的安全性變得更加強大，并且不會在單個站點的物理故障下被刪除。對于最初的區塊鏈，一種為貨幣比特幣提供動力的方案，一個其他的原因是，將系統的參與者從中央銀行這樣的中央集權的集權統治下解放出來，從而為貨幣領域的民主化提供了一些措施。從這個動機中，我們發現了大量的區塊鏈，它們都試圖將人類活動的特定領域作為目標。

1.2 比特幣的原理

2008年，在美國次貸危機的時候，一個化名中本聰的匿名作者，描述了支持創建和使用虛擬貨幣的區塊鏈的實現方式。這種虛擬貨幣是比特幣。與法定貨幣不同的是，比特幣不是由中央銀行發行的，而是作為一種對點對點網絡的獎勵而建立的，這是一種對P2P網絡的獎勵，該網絡將其置于自身上，將一組已驗證的交易添加到現有的比特幣區塊鏈中。

我們進一步闡述的話，就是比特幣網絡是由一組由全球各地的、分布式的計算機組成的，它們都在運行開源軟件。當事務發生時，系統中的所有節點都驗證其真實性。系統中的一組計算機，被稱為“礦工”，把它放在自己的位置上，將經過驗證的事務塊添加到比特幣區塊鏈中，實際上是將事物變成一個不可變的分布式分類賬。作為對他們工作的獎勵，系統創造新的比特幣，并將新創建的比特幣分配給他們。

請注意，系統中的所有節點驗證跨操作，這被稱為社區驗證。社區驗證對于確保系統中關于交易的真實性的共識是必不可少的。一旦事務被社區驗證并放置在一個塊中，這些礦商就爭著將其添加到區塊鏈。因此，系統中所有的礦商現在都相互競爭。成功地完成這一任務的礦工得到了回報，因為它證明了它做了最多的工作。這被稱為工作證明。

與其把所有的數據都放在一個位置上，在安全、隱私和可靠性方面提供一個單一的故障點，還不如把你的文件存儲在區塊鏈上。區塊鏈可以用來協商在某些計算機上存儲文件的代價，并且它的回饋將提供安全以便應對數據丟失。當然，數據本身會被加密以確保隱私。

比特幣礦商使用的硬件已經隨著系統中采礦節點數量的增加而不斷發展，因此，這一問題的難度水平也隨之提高了。一開始，礦工們可以用他們的CPU來挖比特幣。但是隨著難度的增加，礦工們將目光轉移到GPU上，又隨著復雜度進一步增加，礦工們進而轉向了定制設計的硬件，即ASICs（專用集成電路）。這可以在盡量少消耗電力的情況下來解決這個問題。這一演變過程中固有的事實是，比特幣挖掘是一種權衡。這種權衡即是在所收到的報酬和按所需計算所消耗的功率之間進行權衡。這種對更快、更高效硬件的需求日益增長，其后果之一是采礦變得更加集中。這是因為它使礦工們能夠集中他們的資源以實現規模經濟，并聚集在能源成本較低的地區。

1.3 以太坊

可以看出，比特幣是在區塊鏈之上建立的數字貨幣。一位創造者Ethereum發現了區塊鏈技術的更大的潛力。剛才所介紹的區塊鏈可以處理的事務有：它可以提供一個不可變的分布式的分類賬交易，它是社區驗證的，并且不依賴于任何一個中央集權。Ethereum的創建者認為這可以用于許多其他領域。

他們的主要貢獻是在區塊鏈上添加了一個圖靈虛擬機。這個準許區塊鏈執行定制的書面代碼。這種創新為在區塊鏈上實現許多不同的想法打開了大門。比如：一款殺手級應用程序設計的是“smart contracts”，軟件負責兩個交易對手之間進行編碼的協議。例如：如果A和B兩方同意，如果某一事件發生，A將支付一定金額的B，這將被編碼同時并放置在區塊鏈上。

當觸發事件發生時，不需要進行輸入請求，錢將會被自動轉移。當系統本身，也就是代碼片段就會被驗證，系統中每個節點都知道該合同的條款，并在觸發事件發生時執行它。就像比特幣一樣，給區塊鏈添加一個特殊的合約或交易的礦商，將會得到以太網的數字貨幣以太訪。

以太坊的底層技術與比特幣所使用的技術是一樣的，除了使用SHA 256算法作為工作證明之外，以太坊還使用了一種更昂貴的內存哈希函數，稱為Ethash。當然，Ethereum還包括了一個完整的虛擬機，允許用戶在區塊鏈上執行代碼。以太坊設計者選擇一種昂貴的內存哈希嗎目的是想要降低硬件設計者設計ASICs的能力。通過這樣做，他們認為可以防止挖掘過程在一些定制的數據中心中集中起來，這些數據中心使用的是硬件，而不是將其交給那些在CPU和GPU上運行算法的用戶。

1.4 其他數字貨幣

比特幣的成功和Ethereum的繼續發揚，已經引起了建立在區塊鏈上的大量數字貨幣的發展。這些貨幣被稱為“altcoin”，簡稱“altcoin”，是比特幣的替代品。這些技術的變化通常會改變驗證工作的算法，使之更加集中，或者以其他方式調整底層技術，例如：加速事務處理的時間。其他數字貨幣的一些例子包括Lite-coin、Dogecoin、Peercoin、Feathercoin、Zetacoin、novacoin。這些貨幣與以太坊和比特幣的差別不大，因此，在本文不對其進行更詳細的解釋。

1.5 區塊鏈的其他應用

所以說區塊鏈有可能成為一種變化的技術，它將影響到不同的行業，如金融和云計算。通過對一個社區進行驗證，不可變的，分布式的交易分類賬，它允許大量的使用案例，這將有益于社會和經濟。

加密貨幣，一種區塊鏈應用的例子，提供機會創造一種新的貨幣，它不是由中央集權控制的，而且是有限的。因此，當央行印更多的錢以鼓勵經濟增長時，減少貨幣供應會導致通貨膨脹壓力，這是2008—2009年金融危機期間開始的量化寬松政策。

在那些被通貨膨脹和貨幣貶值所折磨的國家，加密貨幣提供了一個安全的避風港，并儲存了可以用來對沖這些風險的價值。同時為金融創新也提供了一種潛力，可以通過提供不那么昂貴的籌資方式來為新公司籌集資金，從而為經濟提供額外的動力。

區塊鏈還可以用來存儲用戶身份、身份和文件。所有這些都在一個分布式的、非集中式的環境中。此外，在一些區塊鏈上的圖靈機完全虛擬機的內化使他們能夠實現智能合同，這一發展對于金融市場和商業組織來說已經有了深遠的影響。

2 結語

區塊鏈技術逐漸成為學術界和產業界的熱點研究課題。區塊鏈技術的去中心化信用、不可篡改和可編程等特點，使其在數字加密貨幣、金融和社會系統中有廣泛的應用前景。然而，與蓬勃發展的區塊鏈商業應用相比，區塊鏈的基礎理論和技術研究仍處于起步階段，許多更為本質性的、對區塊鏈產業發展至關重要的科學問題函待研究跟進。

簡而言之，區塊鏈就像機器學習、大數據和物聯網一樣，是一種范式轉換技術，它將對我們未來幾年的生活方式產生重大影響。這篇論文提供了該領域的簡要概述以及其應用。希望鼓勵讀者深入研究圍繞這一主題的技術文獻，因為我們認為這是一個熱門的研究領域。

參考文獻

[1] 袁勇，王飛躍.區塊鏈技術發展現狀與展望[J].自動化學報，2016，42（4）：481-494.

[2] 安慶文.基于區塊鏈的去中心化交易關鍵技術研究及應用[D].東華大學，2017.

[3] 沈鑫，裴慶祺，劉雪峰.區塊鏈技術綜述[J].網絡與信息安全學報，2016，2（11）：11-20.

[4] 賈麗平.比特幣的理論、實踐與影響[J].國際金融研究，2013（12）：14-25.

[5] 楊曉晨，張明.比特幣：運行原理、典型特征與前景展望[J].金融評論，2014，6（1）：38-53，124.