區塊鏈技術綜述

王 璐，劉雙印，3，張 壘，3，徐龍琴，3，曹 亮，3

（1.仲愷農業工程學院，信息科學與技術學院，廣州 510225;2.仲愷農業工程學院，廣東省高校智慧農業工程研究中心，廣州 510225;3.仲愷農業工程學院，廣東省水禽健康養殖重點實驗室，廣州 510225）

隨著2008年Satoshi Nakamoto 發表了論文《Bitcoin：A Peerto-Peer Electronic Cash System》[1]，區塊鏈技術作為比特幣的底層核心技術逐漸映入人們的眼簾。2013年區塊鏈技術得到廣泛關注。2014年區塊鏈技術創業公司R3CEV 成立，2015年由9家金融機構聯合成立R3金融區塊鏈聯盟，截止2019年3月已與超過100家金融機構達成合作。基于區塊鏈技術的證券交易平臺Linq于2015年12月首次在美國推出，這是區塊鏈技術去中心化趨勢在金融證券市場的一個關鍵里程碑。在我國，區塊鏈技術研究起步相對較晚，但發展勢頭迅猛，特別是在2016年發展最為顯著，在1月20日，中國人民銀行數字貨幣研討會在北京舉行，會議提議盡早明晰央行發行數字貨幣的規劃，爭取早日發行自己本國的數字貨幣。同年，中國區塊鏈研究聯盟立、中國分布式總賬基礎協議、金融區塊鏈合作聯盟和央行數字貨幣研究所成立。在此情形下，我國的區塊鏈研究文獻數量也呈現迅猛增長態勢。盡管如此，我國的區塊鏈技術仍然處于初步階段，研究性文獻大多聚集在基礎性概念方面，對區塊鏈的應用研究仍處于探索階段，因此對該技術的研究仍需加強。綜上原因，本文將從區塊鏈技術的概念特征、基礎架構、關鍵技術和區塊鏈的發展及應用四個方面對區塊鏈技術進行介紹，期望以此能夠對后續研究具有一定的借鑒意義。

1 區塊鏈的概括

1.1 區塊鏈的概念

至今，區塊鏈的概念仍沒有一個統一的定義，學術界大多從兩方面理解區塊鏈：一、區塊鏈是一種賬本技術[2-9]，它結合了數據庫技術，將所有發生在區塊鏈上的交易信息記錄到數據庫中，使區塊鏈具有去中心化的特征；二、區塊鏈是一種鏈式的數據結構，它遵循時間順序連接，并結合密碼學以保證數據的不可篡改性[10-11]。袁勇等人[12]從狹義和廣義兩方面探討了該定義。狹義的角度來看，區塊鏈是一種鏈式的數據結構，按照時間順序組合，再應用密碼學形成分布式賬本的一種技術；廣義的角度，區塊鏈是利用各種技術（密碼學、共識算法、智能合同等）形成的一種全新的計算范式，是一種技術的整合而不是單一的技術。

綜上所述，本文中對區塊鏈技術做出如下概括：區塊鏈是一種鏈式結構，將數據塊遵循時間順序組合并與密碼學、共識機制、智能合同等技術結合所形成的一種去中心化的公共賬簿技術。

1.2 區塊鏈的特征

區塊鏈是基于分布式結構的技術，選取純數字的形式對數據進行記錄、存儲和維護，各節點間的權利和義務是均等的，因此具有去中心化的特點[4，8，12]。數據一旦成功添加到區塊鏈上就不可再更改，時間戳提供的檢索和查找功能并結合鏈式結構實現可追根溯源，且信息難以篡改，因此區塊鏈具有可追溯、信息難篡改、安全性高的特點[4，8]。依靠開源算法，區塊鏈形成公開透明的運作環境，共識機制的參與更是為構建一個“信任”網絡增加助力，參與方不需要知道對方的身份，只需要基于信任的算法就可以達成共識，因此區塊鏈具體透明化、去信任化的特點[4，6]。

2 區塊鏈技術的基礎架構

六層架構是普遍被認同的區塊鏈技術的基礎架構，具體架構模型如圖1所示[12]。

圖1 區塊鏈架構模型

圖中最底層為數據層，主要描述區塊鏈的物理形式。各節點通過指定的Hash 函數和Merkle 樹，將一段時間內的交易信息封裝到帶有時間戳的數據區塊中，最后鏈接到主鏈上。整個過程涉及到的數據區塊、鏈式結構、時間戳、非對稱加密等技術都被封裝在數據層上。

網絡層是基于TCP/IP 和對等網絡形成的分布式系統，系統不依靠可信任的第三方來轉發信息，而是所有節點都參與信息的轉發，并對數據具有校驗和記賬的功能，數據只有經過大部分節點驗證后才可以存入區塊鏈。

共識層的主要任務是讓高度分散的節點在去中心化的系統中達成共識，該層封裝了各類共識算法。

激勵層主要提供一些激勵措施，采用激勵分配機制和發行機制兩種方法來激勵節點積極參與區塊鏈的安全驗證。通過這些措施，激勵了參與記賬的節點遵循規則并對違反規則的節點進行懲罰，推動區塊鏈的進步。

腳本代碼、算法機制和智能合同封裝在合約層中，智能合同可以在達到約束條件時自動觸發執行，條件不滿足時自動解除合約。依此原理，區塊鏈具備了可編程的特性。

區塊鏈的應用層封裝了一些實際的應用案例，例如瀏覽門戶網站、搜索引擎和計算機上的應用程序等。在此基礎上，可編程金融和可編程社會得以應用。

3 區塊鏈的關鍵技術

3.1 加密技術

應用非對稱加密技術保證區塊鏈的安全性。該技術的每個用戶都含有公鑰與私鑰兩把密鑰，其形成過程如下：首先是由系統選擇一種密鑰生成一種算法，然后計算隨后的輸入信息得出私鑰，再采用與其不同的算法根據私鑰形成對應的公鑰，并且這個形成的公鑰是不可逆的。數據加密和數字簽名是非對稱加密技術的兩個主要功能[13]。

非對稱加密技術在區塊鏈交易中分為交易簽名和交易驗證兩個階段。文獻[14-15]還指出非對稱加密技術已經不僅僅只應用在區塊交易的簽名驗證這一個方面。多重簽名技術在區塊鏈中的應用，起到了有限匿名的作用；盲簽名技術被應用在區塊鏈技術之中以防止真實的數據被校驗者看到。未來隨著加密技術的發展，區塊鏈數據的安全性也將進一步得以提升。

3.2 共識機制

為了解決區塊鏈節點與節點之間的信任問題，共識機制應運而生。隨著區塊鏈技術的發展，共識機制作為區塊鏈的核心技術也有了很大的進步，目前已知的共識機制有20 多種，常見 的 有Paxos、Raft、Casper、Tendermint、BFT（Byzantine Fault Tolerant，拜占庭容錯）、PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance，實用拜占庭容錯）、PoW（Proof of Work，工作量證明）、PoS（Proof of Stake，權益證明）、DPoS（Delegated Proof of Stake，授權股權證明）、LPoS（Lease Proof of Stake，租賃權益證明）、PoA（Proof of Activity，活躍度證明）、POI（Proof of Importance，重要性證明）、PoL（Proof of Luck，運氣證明）、PoB（Proof of Burn，燃燒證明）、PoC（Proof of Contribution，貢獻證明）等共識機制[17]。區塊鏈中主要應用了PoW（Proof of Work，工作量證明）、PoS（Proof of Stake，權益證明）和DPoS（Delegated Proof of Stake，授權股權證明）三種共識機制，下面分別對這三種共識機制進行簡單的介紹。

3.2.1 PoW

PoW 是節點間進行算力競爭，從而保證數據的一致性，達成節點間的共識。PoW 的優勢是去中心化、算法容易實現、高安全性并且節點與節點之間不需要交換任何的信息就可以達成共識。但也存在著一些問題。一是資源浪費大；二是節點間達成共識的時間漫長；三是仍然存在51%攻擊的可能性。

3.2.2 PoS

PoS 與PoW 相比較而言，實質上就是將其中的算力證明使用權益證明來替換，最高權益獲得記賬權，該機制解決了Pow中資源浪費的難題。PoS 中的權益是指節點對一定數量的貨幣的所有權，被稱為幣齡（幣天數）。

PoS 的優勢是相對于PoW 而言，在一定程度上減少了達成共識的時間，并且節省了資源。缺點是沒有從根本上解決仍然需要“挖礦”操作的商業痛點。

3.2.3 DPoS

DPoS 是在PoS 上進行改進的一種共識算法，全網各節點首先按照PoS 共識機制的方式以權益的多少為投票的參照選出一定數量的記賬人，然后記賬人之間再依照一定的規律輪流進行記賬。記賬人必須保證能夠長時間在線，為節點提供廣播的服務，否則可能會失去節點的支持而失去記賬人的資格。

DPoS 的優勢是選取了記賬人作為代表，降低了節點的參與度，從而節點間達成共識的時間也相應的減少了。但是DPoS 共識機制是一種依賴代幣的方法，而目前商業中是不需要代幣的。

3.3 智能合同

Nick Szabo 在1995年提出智能合同概念，他認為智能合同是以數字形式定義的一種合同形式的諾言，是一種參與方也可以在上面履行這些諾言的一種協議[17]。其中數字形式為計算機代碼，諾言為合同雙方同意的權利和義務。

目前，智能合同在區塊鏈中的應用越來越多，比如開源項目Ethereum[18]、Hyperledger[19]和OpenBazzar[20]等。將智能合同與傳統合同作比較可以明顯的看出智能合同的優勢所在，具體比較內容如表1所示。

表1 智能合同與傳統合同的比較

4 區塊鏈的發展及應用

依據區塊鏈技術對應用的影響，Melanie Swan 把區塊鏈分為了區塊鏈1.0、區塊鏈2.0和區塊鏈3.0三個時代[21]。區塊鏈1.0也被稱為可編程貨幣，在這個時代區塊鏈技術沒有實質的應用，主要任務是發行數字貨幣，構建去中心化的數字支付系統，實現快捷的貨幣、跨國支付等金融服務，例如比特幣；區塊鏈2.0也稱為可編程金融，智能合同作為應用的支持提供基礎設施，對金融領域進行優化，是智能資產、智能合同市場的去中心化，可使除貨幣之外的數字資產進行轉移，以太坊是主要代表的平臺；區塊鏈3.0被稱為可編程社會，在該時代區塊鏈技術能應用在各行各業，例如選舉、版權、公證和學歷鑒定等，而不僅僅局限在金融領域。當前我們已經跨過區塊鏈1.0時代，正處于2.0向3.0過渡的階段，其應用已從開始的數字貨幣發展到更廣泛的金融領域，并且正向其它領域延伸中。其中，金融領域的發展是最為成熟的，已經應用到征信系統、證券和眾籌等方面，而在教育方面，檔案管理、學歷證明和成績證明等方面也有相關應用。除了上述所提到的領域，區塊鏈在物流供應鏈、通信、社會公益等其他領域也得到廣泛的應用。綜上所述，區塊鏈技術基于其去中心化、可追溯、透明化、去信任化、信息難篡改等優勢漸漸應用到社會的各行各業，解決了目前行業所存在的信任問題，并且達到了降低成本、建立信任關系、便于追溯、安全性高等目的，在未來社會，區塊鏈技術在的應用將會更加普遍。

5 結束語

本文從區塊鏈技術的基礎概念特征入手，繼而介紹了區塊鏈技術的六層架構，接下來分別介紹了加密技術、共識機制和智能合同三種關鍵技術，最后簡單敘述了區塊鏈在金融、教育等領域的應用前景。