區塊鏈關鍵技術及應用探究

［滕琳雅 楊一帆 林斌］

1 背景

區塊鏈作為互聯網技術3.0，習總書記在中央政治局第十八次集體學習時強調過將把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展。區塊鏈作為新型基礎設施是推動數字經濟和先進制造業高質量發展的基礎，未來可以應用在幾乎所有的信息化系統上，帶來生產關系和生產力的變革。在區塊鏈發展領域我國目前與其他發達國家相比基本在同一起跑線上，我國較高的互聯網普及度及基礎設施建設均為區塊鏈良好發展奠定了基礎。并且，由于近年來民粹主義盛行，大國間博弈升級，對技術保護、出口越發嚴苛，我國急需依靠創新來建設由中國主導的世界級的基礎設施、技術標準和應用，搶先占領這一領域，擺脫由歐美國家為主導的基于TCP/IP協議層的現有互聯網體系，因此加快推動區塊鏈技術及網絡成熟落地，拓展應用場景變得十分重要。

2 區塊鏈關鍵技術及概念

2.1 區塊鏈密碼算法

Hash（哈希）算法在區塊鏈系統中應用廣泛，它主要是將任意長度的明文字符串換算為二進制的形式，再將這些二進制的內容計算得到固定長度的二進制密文串，也是就Hash散列值，理論上不同的明文經處理后不可能得到相同的Hash值，算法的不可逆性保障了數據的安全。Hash算法得到的結果可以當作一個字符串來對待，因為輸入算法中的熵源存在隨機性，所以Hash算法的結果也具有隨機性，可能存在兩個不同的明文輸入得到一個相同的輸出，這種情況稱為一次Hash碰撞。Hash碰撞的情況需要盡可能避免，Hash抗碰撞性可分為弱抗碰撞性和強抗碰撞性：

（1）弱抗碰撞性：在給定明文前提下，無法找到與之碰撞的其他明文。

（2）強抗碰撞性：無法找到任意兩個發生Hash碰撞的明文。

為了保障Hash算法在密碼學上的安全性，一個優秀的Hash算法應具備：特性一是逆向困難，無法（或者說很大程度上很難）從輸出散列值逆向推導出原始輸入；特性二是輸入敏感，任意輸入明文的變化，即使十分微小也會導致輸出值發生改變；特性三是抗碰撞，抗碰撞不意味著完全不會發生碰撞，若要找到兩個發生碰撞的輸入需要消耗大量的算力。

常見的用于Hash算法的有MD、SHA、和RIPEMD，下面詳細以SHA算法作為介紹。SHA算法是一個家族算法，最初代為SHA-1，目前已被破解，在商用領域不適用。鑒于安全性考慮，一般推薦使用SHA-256或能輸出更長Hash值的算法。

SHA-256算法是將原數據通過二進制表示后進行補位，使其長度在對512取模后余數是448。也就是說，補位后的數據長是512的整數倍并且余數是448，即使長度滿足對512取模后是448也要進行補位（補512位），補位長度范圍為1到512。原始數據在補位后得到二進制表達式會被分為N個512 bit長的數據塊，Hash初值H（0）經由第一個數據塊執行過程后得到H（1），H（1）經由第二個數據塊執行計算過程后得到H（2），有多個數據塊時以此類推，得到的H（N）便是最后的計算成果，由8個32 bit長的計算結果連接成一串256 bit長的二進制數值，流程如圖1所示。

圖1 SHA-256算法計算過程

區塊鏈的密碼算法保障了數據的不可篡改性，用戶不再能通過修改自己本地數據進行造假，通過技術手段建立起用戶之間的信任機制，在應用中保障數據使用的可靠性。

2.2 區塊鏈共識機制

區塊鏈是由分布式的數據庫通過共識算法機制保障每個節點間的數據完整性和同步性，可以說共識算法是區塊鏈技術實現的基礎。常見的共識算法可分為兩類，一類是能解決網絡拜占庭錯誤的算法——BFT（Byzantine Fault Tolerance）類算法，另一類是不能解決網絡拜占庭錯誤，而只是針對普通節點錯誤的算法——CFT（Crash Fault Tolerance）類算法。

能夠解決網絡拜占庭錯誤的算法有以PBFT算法為代表的PoW算法、PoS算法以及DPoS算法等。PBFT算法很像一種少數服從多數的投票機制，這種機制在網絡節點數量可控、具有監管方機構的分布式網絡環境下能發揮較大的優勢。一方面，PBFT算法在這種環境下共識的時延只有2～5秒。另一方面，在這種環境下即使交易量非常高頻，PBFT算法也有較高的共識效率。但是網絡節點數量不可控、沒有監管機構的分布式網絡環境下存在一定隱患。

能夠解決網絡非拜占庭錯誤的算法有以Paxos、Raft等為代表的共識算法，使用網絡拜占庭容錯的算法對網絡的運行要求更加嚴格，在大部分的區塊鏈技術應用中沒有使用這類的算法。常見共識算法及應用如表1所示。

表1 常見共識算法及其應用一覽表

區塊鏈的共識機制是區塊鏈實現去中心化的關鍵技術，在應用中我們不再需要依托可信任的中心化機構或組織，由所有用戶參與制定的共識機制保障大家手中數據的完整性、一致性，減少中間環節，大大提升數據要素的使用效率。

2.3 區塊擴容

區塊鏈擴容即擴大每個區塊的容量以存儲更多的交易數據，在每個區塊鏈技術的應用中通常都限制了區塊數據占用存儲空間的大小。限制區塊的大小很好地控制了區塊賬本數據的增長速度，比如比特幣早期對其區塊數據占用存儲空間的大小設定為1 MB，按照每個交易數據平均占用存儲空間為200 byte（字節）計算，再加上區塊頭占用的80 byte空間，這樣一個區塊中平均放置交易事物的數量大概為5 000個左右，也就是每5 000次交易進行一次打包，按照每10分鐘產生一個區塊，5 000起交易的處理效率大概每秒8起。當交易次數高頻發生時該交易效率無法滿足要求，必須進行擴容。

目前在用的擴容方法有隔離見證和區塊直接擴容。隔離見證與交易簽名密切相關，一個交易中要包含能夠識別的交易者的簽名才能算是有效的交易，在之后驗證交易的過程中也會涉及過往的交易簽名。隔離認證是指將交易中的簽名部分獨立出來，放在交易數據末尾的稱為“見證（Witness）”字段中。“見證”字段會隨著交易被各個節點接收，但在交易經過打包存儲在區塊中時不再包含“見證”字段。通常一個新用戶節點在接收到一個新區塊時不會對里面每一條交易的簽名合法性進行驗證，只關心交易數據本身，簽名對他們來說意義不大，同時簽名所占存儲空間約為50 byte，如果這部分數據沒有隨區塊存入區塊鏈的話，理論上需要4 MB的區塊才能存儲下來的交易數據現在只需1 MB的區塊就足夠了，無形中獲得了擴容的效果。當最后需要對交易數據執行SHA-256計算，以得到交易事物ID進而構建Merkle樹需要用到整個交易事物的數據時（包括簽名在內），而簽名部分存放在“見證”字段里，不會對交易事物ID的計算過程產生影響。

區塊直接擴容便是直接將區塊擴容至更高MB容量，如比特幣系統通過硬分叉方式直接產生一個新的比特幣區塊鏈變種——Bitcoin Cash(BCH，比特幣現金)，這次分叉便硬生生將區塊擴容至8 MB。

區塊鏈技術可應用在各行各業的信息化系統中，各行業對數據的生產、使用、存儲有不同的需求，對區塊的擴容有其個性化需求，通過以上的擴容方式用戶可選擇自己喜愛的方式進行區塊擴容，滿足其應用需求。

2.4 側鏈

側鏈技術實現了在兩個不相干的區塊鏈應用上來回轉移數據，進而達到溝通兩條區塊鏈的目的。從“側鏈”的稱呼可以看出，側鏈是相對于主鏈而存在的，想要確定哪一條鏈為側鏈就必須先確定一條主鏈。沒有一種應用規定自己所存的數據必須作為主鏈數據，同樣也沒有一種應用規定自己所存的數據必須為側鏈數據，可以依據用戶使用需求及實際情況進行劃分。

側鏈的設計主要用來在主區塊鏈應用和側鏈區塊鏈應用之間實現資產的安全轉移，通常稱主鏈和側鏈之間的數據往來為“雙向掛鉤”。以比特幣系統中設計的SPV（Simplified Payment Verification，簡化支付確認）證明為例，其主要是為快速驗證數據的安全及有效性。

SPV機制從主鏈向側鏈交換數據的過程大概為以下幾步，如圖2所示。

（1）用戶先在比特幣系統上創建交易，這起交易的輸出就是用戶在另一虛擬幣系統（以萊特幣為例）上的地址，由于輸出的不是比特幣地址，所以這是一起特殊的交易。

（2）這起特殊交易所涉及的比特幣被系統主動鎖定，在交易沒有被礦工成功挖出之前，這些比特幣不應該再被使用。

（3）交易需要等待被打包進區塊，可能需要十幾分鐘，有了足夠的工作量證明，側鏈應用才會承認該筆交易的合法性。

（4）用戶來到萊特幣系統，通過SPV機制向萊特幣系統證明來自比特幣系統的輸出就是用戶在側鏈系統內的賬戶地址，然后領取到該筆比特幣。

（5）在萊特幣系統，用戶等待一段時間，當該筆交易被足夠的工作量證明之后，這些比特幣才能在萊特幣系統上自由流通。

圖2 主/側鏈交換數據過程

側鏈的使用為不同應用間的數據安全交互提供可能，實際生產中每個應用需要使用的數據源通常來自于多個應用，側鏈技術的使用十分必要，有助于區塊鏈應用在生產中的落地。

3 構建區塊鏈網絡

為落地部署各類區塊鏈應用，需首先部署一張區塊鏈專網，搭建好網絡環境。以省級區塊鏈專網為例，在省級（一級）節點以區級進行部署，二級節點以下以各市為節點，全網按照業務垂直架構定義專網垂直層級，全網CA、秘鑰和網關SDK統一，實現上下層級互通。各區域節點是本區域內用戶業務系統接入和部署應用完成記賬的節點，采用統一的共識機制。運營平臺部署在其中一個區域節點中，監管節點負責對專網內數據和交易情況進行監管。各節點可部署在用戶現有云資源或購買新的云資源，各節點可采用邏輯或物理隔離方式進行部署。全網拓撲結構如圖3所示。

圖3 省級區塊鏈專網拓撲圖

4 常見區塊鏈應用場景案例探討

4.1 精準扶貧領域

我國正處于脫貧攻堅收官之年，扶貧工作仍是政府部門的重要工作之一，現階段扶貧工作存在低收入對象識別不準，對扶貧對象動態信息掌握不及時不完整，未能完全達到有效退出；幫扶對象難以全面了解扶持政策，缺乏全程監管技術手段，在資金使用過程中出現套取、侵占和挪用等問題。為了長效解決此類問題，結合區塊鏈技術提供以下解決方案：

（1）扶貧對象精準識別。利用區塊鏈防偽造性，結合指紋、語音、面部識別，將扶貧對象和扶貧干部雙指紋進行確認并記錄在區塊鏈中，生成基于區塊鏈的數字身份，保證扶貧對象的精準識別。記錄數據可用于跟蹤扶貧工作開展情況，便于政府、醫院、學校等單位進行貧困戶身份識別，采取相應的事務處理手續。

（2）扶貧對象精準退出。利用區塊鏈可追溯性，精準記錄幫扶行動和效果，確保幫扶對象精準退出。

（3）扶貧資金精準管理。利用區塊鏈的智能合約技術，匹配幫扶項目和幫扶資金的發放及使用情況，實現扶貧資金流動的全程追蹤。

（4）社會扶貧資金全流程管理。利用區塊鏈共識機制，對社會扶貧資金的募集、申請、使用、效果評估全流程上鏈記錄管理，提高資源的效益，提高資金使用透明度。

4.2 稅務領域

“假票真開，真票假開”一直是傳統發票領域的痛點，在多方參與的區塊鏈中，將支付信息融入發票流程，一切可追蹤可追溯。將“資金流、發票流”二流合一，將發票開具與線上支付相結合，打通發票申領、開票、報銷和報稅全流程，如圖4所示。使用區塊鏈技術后可解決以下痛點：

（1）解決信息孤島問題。將發票流轉信息上鏈，實現了發票狀態全流程可查可追溯。

（2）實現無紙化報銷。因為發票全流程的信息都在鏈上，報銷時只要鏈上更新發票狀態即可，無需再打印為紙制的文件存檔，節能環保。

（3）解決一票多報，虛抵虛報的問題。利用區塊鏈技術，可以確保發票的唯一性和信息記錄的不可篡改性。

（4）提升政府監管力度。由于發票全流程的信息都在鏈上可幫助稅局等監管方實現實時性更好的全流程監管。

圖4 區塊鏈電子發票業務流程示意圖

4.3 醫療領域

醫療行業在嘗試做跨醫院、跨省市的醫療數據共享，但是現有的醫療數據共享平臺普遍存在著兩大痛點：一是患者敏感信息的隱私保護，二是多方機構對數據的安全共享得不到保障，沒有建立可靠的信任機制。醫療領域特別適合使用區塊鏈技術，通過其加密算法保障數據的安全性，點對點的網絡傳輸機制，使數據僅向獲得自己授權的用戶進行開放共享。

從隱私保護層面，傳輸的醫療數據都經過加密處理，安全地存儲在區塊中，難以被篡改和丟失。從訪問控制層面，現有的區塊鏈上的訪問控制機制可以采用智能合約或者一些非對稱加密算法來實現。患者在不同醫療機構之間的歷史就醫記錄都可以上傳到共享平臺上，不同的數據提供者可以授權平臺上的用戶在其允許的渠道和范圍上對數據進行公開訪問，可通過醫療數據區塊鏈共享平臺實現醫療資源的共享。醫療數據區塊鏈共享平臺如圖5所示。

圖5 醫療數據區塊鏈共享平臺示意圖

4.4 農產品溯源

目前市場上的農產品若出現質量問題，要查找其完整的生產銷售鏈條需要耗費大量的人力物力，并且消費者對于商家標榜的生產于優質產地或品種的產品也會存疑，廠商利用消費者的信息不對等大肆銷售低品質或假冒偽劣產品。為解決以上問題，可利用區塊鏈技術對農產品進行多環節管控，從根本上杜絕偽劣假冒，提升農業信息化程度，實現產銷協同，如圖6所示，可帶來以下的優勢。

（1）實現物流全流程信息追蹤，農產品關聯物流信息，物流進度數據與區塊鏈平臺對接，將全程數據上鏈存儲，全鏈條無死角公示，防止信息丟失漏報或誤報。

（2）實現倉儲庫存信息同步，有效證實貨品庫存及發貨情況，信息公開透明，接受消費者的監督。

（3）減少人為操作風險，利用區塊鏈智能合約對農產品流程進行智能管理，結合物聯網等技術，將采集到的數據直接上鏈，減少人為產生的錯誤或欺騙行為。

（4）“區塊鏈+大數據”結合，進行數據分析。基于不可篡改的唯一編號，利用大數據技術精準分析，便于產量的預估及產銷協同，提高生產銷售效率。

（5）便于政府有關部門對農產品產量、質量進行監督管理，制定有針對性的規章管理制度。

圖6 農產品溯源交易平臺示意圖

4.5 跨境匯款

目前要進行跨境匯款轉賬，從發起用戶進行轉賬開始到對方用戶收到賬款，中間會經過多個中間行，如匯款人所屬銀行支行、該行總行、對接的對方國家銀行總行、收款人所屬支行等等，匯款流程復雜，每個環節都需進行兩兩對賬，到賬時間通常需要一到兩天，時效性差。區塊鏈使得跨境匯款的各參與方有了實時、可信的信息驗證渠道，匯款有跡可循，匯款再也不是串行的一環扣一環，而是點對點的直接價值傳輸，監管機構可以對個人跨境匯款鏈路進行實時、全程監測。匯款方式對比如圖7所示。

圖7 區塊鏈跨境匯款的原理

基于區塊鏈技術，能夠實現：

（1）跨境匯款就像境內轉賬一樣實時到賬。

（2）7×24小時隨時可用手機進行匯款。

（3）手續費更低，無需經過層層中間銀行。

（4）安全性高，整個匯款過程可在鏈上追溯，錢不會丟。

（5）透明性高，各方匯款信息上鏈保存，無法被篡改，便于監管。

5 總結

區塊鏈技術雖然歷經十多年的發展，目前也已經在幾大城市（北京、杭州、雄安等）有試點落地或處于建設部署中，但整體仍然處在發展成熟的早中期，各項技術及標準仍在更新迭代中，如成熟的跨鏈技術、區塊擴容標準、如何有效避免區塊鏈分叉等。各行業應用也處在摸索階段，只有應用遍地開花才能真正使區塊鏈發揮其作用，帶給現有信息化系統顛覆性變革，促使生產要素、生產過程、數據使用等都發生徹底的變化，成為推動第四次工業革命的幾項主要技術之一。區塊鏈結合云存儲、智能技術等新興技術可推動社會及各項產業向更高層級發展，將區塊鏈引入更多的行業中進行使用。中國在發展區塊鏈技術上具有一定優勢，加快推進區塊鏈技術將更好的幫助中國完成新一輪的技術革新，助力國家民族復興。