區塊鏈技術方案淺析

周瑞珍 陳媛 李幼娟

中國人民銀行海口中心支行

區塊鏈是一種底層開源技術，具有去中心化、去信任、透明、安全等特點，被視為繼互聯網之后最有可能引發具顛覆性技術革命和產業變革的技術之一。經過近十年的發展，已經從最初的數字貨幣領域擴展到社會領域的方方面面，各種各樣的區塊鏈技術方案不斷涌現。

一、以太坊

以太坊是一個運行智能合約的去中心化平臺，用于構建和發布分布式應用。它具備開放通用的特性，且內置有圖靈完備虛擬機，可以運用任何貨幣、協議和區塊鏈。合約執行過程語句占用的CPU和內存消耗Gas，Gas則由以太幣兌換而來。以太坊采用公有鏈，工作量證明(POW)作為共識機制，以太幣和比特幣一樣通過挖礦產生。網絡上的每一個節點都可以運行以太坊虛擬機來發布分布式智能合約程序。

以太坊前三個階段采用的是POW共識機制，為了提高性能、避免挖礦造成的能源浪費，根據規劃將于第四個階段將切換到稱為Casper的權益證明（PoS）系統，旨在解決比特幣挖礦高能耗等問題。Casper 是一種基于保證金的經濟激勵共識協議。協議中的節點，作為“鎖定保證金的驗證人(bonded validators)”，必須先繳納保證金(這一步叫做鎖定保證金，“bonding”)才可以參與出塊和共識形成。Casper共識協議通過對這些保證金的直接控制來約束驗證人的行為。如果一個驗證人作出了讓Casper認為“無效”的事情，他的保證金將被罰沒，記賬和參與共識的權利也會被取消。保證金的引入解決了"nothing at stake"，即經典POS協議中做壞事的代價很低的問題。為了實現平穩過渡，將先使用一個融合POW和POS的Hybrid Casper機制，其原理是利用節點手中的以太幣數量，把共識機制分開。持有ETH在1500個以上的，用POS的共識機制挖礦，否則使用POW的共識機制。

二、瑞波幣

瑞波幣(Ripple)技術是基于區塊鏈技術的跨境支付領域分布式網絡。Ripple 系統提供全球統一的網絡金融傳輸協議，支持任何一種貨幣，用戶可以自由使用任何貨幣完成支付或者兌換。各方參與者擁有相同的一本賬本，以 Ripple 作為各種貨幣兌換的中介橋梁貨幣，實現實時的點對點跨境支付，無需中心化組織管理，從而加快貨幣流通的速度，降低了流通的難度，滿足跨境電商對支付清算服務的及時性、便捷性需求。Ripple 的主要參與者包括金融機構、流動性提供方(做市商、央行)和運維機構。Ripple Network 負責維護整個交易賬簿,接收金融機構發起的交易，獲取做市商的報價，并向全網廣播。

Ripple平臺采用瑞波共識算法，節點分為兩類，追蹤節點只負責轉發交易，驗證節點負責驗證和生成賬簿，每個驗證節點都維護一份信任節點列表（特殊節點列表，Unique Node List），只接收列表中節點傳遞的交易。記賬節點基于該列表中其他節點的投票結果驗證交易。如果一筆交易獲得特殊節點列表中超過 80%的節點認可后，記賬節點就將該筆交易記入總賬簿。驗證交易只需要信任節點列表中的絕大多數節點認可，而非全網共識，因此與聯邦民主體制非常相似。與工作量證明機制相比，投票機制更簡單，但由于形成了部分的中心化，仍然削弱了系統整體安全性。目前，Ripple 通過監控的方式提高系統的可靠性, 如果特殊節點列表中的驗證節點有明顯惡意行為，比如對每筆交易都投反對票、持續提交無法通過投票驗證的交易等，將有可能被列為安全隱患，甚至從網絡中剔除。

三、Hyperledger

超級賬本（hyperledger）是Linux基金會于2015年發起的推進區塊鏈數字技術和交易驗證的開源項目，是面向企業應用場景的開源分布式賬本平臺，主要為透明、公開和去中心化的企業級分布式賬本技術提供參考，目標是推動區塊鏈和分布式賬本的相關協議、規范和標準的發展。

Hyperledger提供多個區塊鏈平臺。其中最受關注的是Fabirc，由IBM主力開發，主要用于運行智能合約，用可插拔方式來實現各種商業應用場景。Fabric 區塊鏈采用聯盟鏈結構，可基于Go和Java語言開發智能合約，每秒能夠處理超過 1000 筆交易。在權限控制方面，Fabric按照聯盟鏈的思路來設計，對系統中的成員能否發起交易進行了嚴格的權限控制。系統參與者需要從RA（注冊中心）處取得注冊許可，然后通過CA（認證中心）頒發的證書來獲取交易安全證書。只有被上述注冊中心和驗證中心簽名后的節點才有權力發起交易。

Fabric采用Kalfka共識算法。包括兩個應用：Orderer和Peer，其中Orderer負責交易共識并生成區塊，Peer節點負責模擬執行交易和記賬。共識過程如下：

1.客戶端構造交易提案，發送給一個或多個Peer節點。2.Peer節點收到交易提案后，模擬執行交易，將原始交易提案和執行結果打包，進行簽名并發回給客戶端。3.客戶端收到應答，打包組成一個交易并簽名，發送給Orderer。4.Orderer對接收到的交易進行共識排序，然后按照區塊生成策略，將一批交易打包到一起，生成新的區塊，發送給Peer節點。5.Peer節點收到區塊后，會對區塊中的每筆交易進行校驗，檢查交易依賴的輸入輸出是否符合當前區塊鏈的狀態，完成后將區塊寫入賬本。

以下對比特幣和上述三個區塊鏈解決方案進行比較。

BTC 以太坊 Hyperledger Fabric Ripple區塊鏈技術方案管理機構 所有節點自發運行 以太坊開發者 Linux基金會 Ripple公司授權機制 無授權，公有無授權，可公開，也可私有 有授權，私有 有授權，私有區塊鏈類型 公有鏈 公有鏈 聯盟鏈 聯盟鏈采用的共識機制POW POW，Hybrid Casper瑞波共識機制（Ripple Consensus）每秒交易數（TPS） 7 15 PBFT（0.6）Kafka共識算法（1.0）200-2000（0.6）10000（1.0）1500交易確認時間 1小時 15秒 3-6秒；數百毫秒RocksDB/SQLite是否支持智能3-6秒底層數據庫 Level DB Level DB Level DB/Couch DB合約不支持智能合約代碼（例如，Solidity）不支持智能合約代碼（例如，Go、Java）

無需消耗額外電力去中心化程度 完全 完全 部分 部分是否全節點記賬能源消耗約為比特幣的三分之一無需消耗額外電力每年消耗57.91TWh電力自定義 否開源程度 完全 完全 有開源版本 完全貨幣 比特幣 以太幣 無 瑞波幣（XRP）建立時間 2009年 2013 年 2015 年 2012年是是