區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)與共識(shí)機(jī)制

袁琛

摘 要 2008年，中本聰發(fā)表了一篇關(guān)于比特幣的論文，首次建立了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)的概念，為缺乏第三方可信平臺(tái)和交易雙方互不信任情況下交易活動(dòng)的安全進(jìn)行提供了一種選擇。區(qū)塊鏈技術(shù)是這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵核心，是一種全新的去中心化結(jié)構(gòu)。現(xiàn)階段，學(xué)術(shù)界對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的研究才剛剛起步，研究成果較少且尚未成熟。在本論文中，筆者首先對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行分析，然后對(duì)區(qū)塊鏈的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。然后對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)使用中的公示機(jī)制進(jìn)行了介紹，并對(duì)比了其特點(diǎn)。文章對(duì)于區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展有較一定的理論指導(dǎo)價(jià)值。

關(guān)鍵詞 區(qū)塊鏈；特點(diǎn)；共識(shí)機(jī)制

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）230-0153-02

1 區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)及其特點(diǎn)

區(qū)塊鏈在比特幣系統(tǒng)中是作為一個(gè)分布式共享賬本的形式存在，同時(shí)也是比特幣的底層技術(shù)，在其中發(fā)揮連接溝通的作用，使得網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)之間形成穩(wěn)定的信任關(guān)系。有關(guān)區(qū)塊鏈的含義，學(xué)術(shù)界有著狹義和廣義兩種說(shuō)法，前者認(rèn)為區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行封裝，并以時(shí)間順序進(jìn)行排序，同時(shí)對(duì)內(nèi)容進(jìn)行加密，確保其不可偽造和篡改。后者則認(rèn)為區(qū)塊鏈實(shí)質(zhì)上是一種以塊鏈形式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)、以分布式共識(shí)算法生成和更新數(shù)據(jù)、以密碼學(xué)方式加密數(shù)據(jù)保障傳輸、同時(shí)以自動(dòng)化腳本代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的分布式構(gòu)架。

傳統(tǒng)的第三方支付平臺(tái)是一種中心化的數(shù)據(jù)庫(kù)，網(wǎng)絡(luò)中所有的交易行為和交易信息必須經(jīng)由這個(gè)中心數(shù)據(jù)庫(kù)完成和記錄，因此需要確保中心與各節(jié)點(diǎn)之間的暢通，維護(hù)成本高，難度大[ 1 - 3 ]。

而區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的數(shù)據(jù)庫(kù)，去除了傳統(tǒng)第三方支付平臺(tái)中的中央數(shù)據(jù)庫(kù)，繼而由網(wǎng)絡(luò)中千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)共同承擔(dān)數(shù)據(jù)庫(kù)的作用，儲(chǔ)存和維護(hù)發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)中的每一筆交易信息，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既扮演數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)者的角色，也發(fā)揮數(shù)據(jù)共享者的作用。然而，在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，僅僅做到去中心化還不能完全保障數(shù)據(jù)安全，還需將網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)區(qū)塊之間進(jìn)行鏈接，共同記錄和監(jiān)管所有的交易數(shù)據(jù)。在區(qū)塊鏈中，各區(qū)塊之間是一種共生的關(guān)系，即下一區(qū)塊的內(nèi)容由上一區(qū)塊的內(nèi)容決定，區(qū)塊之間環(huán)環(huán)相扣，若要更改其中一個(gè)區(qū)塊的內(nèi)容需要獲取其他全部區(qū)塊的認(rèn)可，因此難度極大，繼而確保了數(shù)據(jù)的安全性[ 4 ]。

一般來(lái)說(shuō)，區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、區(qū)塊層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層和激勵(lì)層、應(yīng)用層五層構(gòu)成（如圖2所示）。底層數(shù)據(jù)全部保存在數(shù)據(jù)層中，為了確保其安全性，采用了非對(duì)稱加密、哈希算法、時(shí)間戳、Merkle樹等密碼學(xué)技術(shù)進(jìn)行加密；區(qū)塊層中包括了區(qū)塊之間的連接方式及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)層是對(duì)數(shù)據(jù)安全性進(jìn)行驗(yàn)證的，其應(yīng)該是對(duì)數(shù)據(jù)的安全性進(jìn)行驗(yàn)證，除此之外，還要對(duì)信息的傳播方式進(jìn)行協(xié)議的統(tǒng)一。如圖所示，圖中的激勵(lì)和網(wǎng)絡(luò)層使用封裝的方法，對(duì)各節(jié)點(diǎn)之間的共識(shí)機(jī)制、經(jīng)濟(jì)激勵(lì)發(fā)行機(jī)制和分配機(jī)制；頂層應(yīng)用層則包括區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用場(chǎng)景和案例。鏈?zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)、分布式節(jié)點(diǎn)的共識(shí)算法、哈希值、非對(duì)稱加密、智能合約、經(jīng)濟(jì)激勵(lì)機(jī)制等基礎(chǔ)技術(shù)是該模型的核心部分[ 5 ]。

區(qū)塊鏈的特點(diǎn)如下所示：

1）去中心化。區(qū)塊鏈的核算和存儲(chǔ)技術(shù)是分布式的，相比與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，去除了中央數(shù)據(jù)庫(kù)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)具有相等的權(quán)利和義務(wù)，由全體共同負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的維和和存儲(chǔ)。

2）自治性。區(qū)塊鏈中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互遵循一套既定的協(xié)議和規(guī)范，任何人為的干預(yù)行為都將被拒絕，因此整個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)都能在自由安全的環(huán)境下交換數(shù)據(jù)，從而確保交易活動(dòng)的安全可靠。

3）不可篡改性。數(shù)據(jù)信息一旦通過(guò)各節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證寫入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)，就將被各節(jié)點(diǎn)共識(shí)并封裝，在單個(gè)節(jié)點(diǎn)篡改數(shù)據(jù)信息不能達(dá)成共識(shí)，因而無(wú)效，從而極大程度地確保了區(qū)塊鏈信息的安全性。

4）匿名性。整個(gè)區(qū)塊鏈都遵循同一套協(xié)議和規(guī)范，因此網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間無(wú)需建立信任即可進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而確保了數(shù)據(jù)信息的匿名性。

2 區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制與特點(diǎn)

區(qū)塊鏈系統(tǒng)中如果各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠相互信任的話，那么用戶之間就能進(jìn)行信息的寫入和交換，這也是區(qū)塊鏈技術(shù)使用的技術(shù)支持前提。以往的用戶之間都是相互獨(dú)立的，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間很難進(jìn)行相互信任，但是如今的區(qū)塊鏈技術(shù)能夠打破該技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)用戶之間可信任的數(shù)據(jù)交換。

1）POW：顧名思義，工作量證明機(jī)制即對(duì)于工作量的證明，是指在分布式系統(tǒng)中，新區(qū)塊的生成必須滿足的要求。節(jié)點(diǎn)通過(guò)消耗自身算力計(jì)算隨機(jī)哈希散在數(shù)列的數(shù)值，最先求得該隨機(jī)數(shù)的節(jié)點(diǎn)體現(xiàn)了該節(jié)點(diǎn)的算力，獲得比特幣獎(jiǎng)勵(lì)同時(shí)享有記賬權(quán)。在比特幣系統(tǒng)中，為了確保新區(qū)塊的生成時(shí)間維持在10分鐘，隨機(jī)數(shù)的計(jì)算的難度值每2016塊調(diào)整一次。在以太坊社區(qū)中，為了提高區(qū)塊的生成效率，使得每12秒生成一個(gè)新區(qū)塊，隨機(jī)數(shù)搜索算法和難度值調(diào)整算法均進(jìn)行了一定程度的優(yōu)化。

2）POS：POS（Proof of Stake）直譯意思為權(quán)益的證實(shí)，與前面所述對(duì)于工作量的證明不同的是，權(quán)益的證實(shí)是需要對(duì)使用者進(jìn)行權(quán)限的驗(yàn)證。比如POS要對(duì)使用該算法的用戶，要求其提供貨幣的擁有證明，權(quán)益最高的節(jié)點(diǎn)將獲得記賬權(quán)。挖礦難度值方面，POW共識(shí)系統(tǒng)與POS系統(tǒng)有較大的差別，兩者雖然在難易程度上保持一致，有相同的難易度，但是POW共識(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)是其計(jì)算能力越強(qiáng)，其在進(jìn)行挖礦活動(dòng)時(shí)就越容易；而后者則與幣齡成反比，即區(qū)塊中交易消耗的持有幣數(shù)量和時(shí)間越多，挖礦難度值越低。

3）PBFT：該共識(shí)機(jī)制的基礎(chǔ)原理是拜占庭容錯(cuò)算法，對(duì)于區(qū)塊鏈中惡意節(jié)點(diǎn)的忍受限度為1/3，即只要全網(wǎng)要確保有超過(guò)2/3的節(jié)點(diǎn)是可以受到信任和信賴的，這樣就能使區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)得到很好地安全保證。數(shù)據(jù)的前后一致和節(jié)點(diǎn)之間的一致性都能得到很好地保證，也能夠確保數(shù)據(jù)的相對(duì)安全性。因此，運(yùn)用此共識(shí)機(jī)制的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)至少具有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，且要有3個(gè)可信節(jié)點(diǎn)。

上述內(nèi)容為目前比較有代表性的幾種共識(shí)算法的運(yùn)作原理，表1對(duì)上述共識(shí)算法的抗攻擊性、效率、使用場(chǎng)景及適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的規(guī)模進(jìn)行了歸納梳理[ 6 ]。

由共識(shí)算法性能比較表可以看出，POW共識(shí)算法與POS共識(shí)算法均適用于節(jié)點(diǎn)規(guī)模較大且任一節(jié)點(diǎn)都享有同等記賬權(quán)（即公有鏈）的場(chǎng)景，其中POW較POS能適應(yīng)更多的節(jié)點(diǎn)。DPOS共識(shí)算法的抗攻擊性和效率很高，同時(shí)也能適應(yīng)較大的節(jié)點(diǎn)規(guī)模，但是該算法只能在選出的擁有記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)（即聯(lián)盟鏈）的場(chǎng)景。PBFT共識(shí)算法的使用場(chǎng)景最廣，能同時(shí)適用于聯(lián)盟鏈或私有鏈，同時(shí)抗攻擊性與效率也非?？捎^，但適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的規(guī)模較小。RAFT共識(shí)算法是眾多主流算法中效率最高的，但是其缺點(diǎn)也非常多，如抗攻擊性低、適用節(jié)點(diǎn)規(guī)模小、使用場(chǎng)景局限。

參考文獻(xiàn)

[1]Ming Zheng Liu， Zong feng Zou.The application of blockchain technology in spot exchange [J]. Journal of Intelligent & Fuzzy Systems，2018，34（2）.

[2]安慶文.基于區(qū)塊鏈的去中心化交易關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[D].上海：東華大學(xué)，2017.

[3]唐塔普斯科特，亞力克斯·塔普斯科特.區(qū)塊鏈革命：比特幣底層技術(shù)如何改變貨幣、商業(yè)和世界[J].中國(guó)報(bào)道，2016（11）：34-41.

[4]何蒲，于戈，張巖峰，等.區(qū)塊鏈技術(shù)與應(yīng)用前瞻綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2017，44（4）：1-7.

[5]沈鑫，裴慶祺，劉雪峰.區(qū)塊鏈技術(shù)綜述[J].網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報(bào)，2016，2（11）：52-61.

[6]朱巖，甘國(guó)華，鄧迪，等.區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)中的安全性研究[J].信息安全研究，2016，2（12）：1090-1097.