區(qū)塊鏈技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)與應(yīng)用研究

［摘 要］區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個共享數(shù)據(jù)庫，其存儲的所有數(shù)據(jù)或信息都具有“公開追溯”和“全過程追溯”等特點(diǎn)。文章首先介紹區(qū)塊鏈的含義與分類，其次論述區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)架構(gòu)，最后總結(jié)區(qū)塊鏈的發(fā)展歷程與應(yīng)用現(xiàn)狀，希望能夠推動區(qū)塊鏈技術(shù)在經(jīng)濟(jì)社會中得到廣泛應(yīng)用。

［關(guān)鍵詞］區(qū)塊鏈技術(shù)；去中心化；智能合約；基礎(chǔ)架構(gòu)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2023.10.061

［中圖分類號］TP393 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A ［文章編號］1673-0194（2023）10-0185-03

0" " "引 言

區(qū)塊鏈擁有諸多優(yōu)勢，在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)、助力經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用。從應(yīng)用角度來看，區(qū)塊鏈可以提供共享的數(shù)據(jù)存儲空間。在保持信息集中能力的同時，可以對互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行公開處理，從而穩(wěn)定信息節(jié)點(diǎn)之間的連接性能；從技術(shù)角度來看，區(qū)塊鏈技術(shù)涉及計算機(jī)編程、密碼學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，可以保證區(qū)塊存儲結(jié)構(gòu)的透明度，為相關(guān)信息的連接提供基礎(chǔ)服務(wù)。目前，各個國家和經(jīng)濟(jì)體都在研究區(qū)塊鏈技術(shù)典型應(yīng)用方式，大力推動了區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展，因此本文的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1" " "區(qū)塊鏈含義與分類

1.1" "含 義

區(qū)塊鏈概念源于2008年中本聰學(xué)者發(fā)表的一篇奠基性論文Bitcoin：A peer-to-peer electronic cash system（《比特幣：一種點(diǎn)對點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》）。此后，眾多組織和學(xué)者開始從不同學(xué)科背景或視角定義區(qū)塊鏈，基本認(rèn)為區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式賬本數(shù)據(jù)庫［1］，具體可從4個方面來理解。

第一，區(qū)塊是構(gòu)成區(qū)塊鏈的基本結(jié)構(gòu)單元，每個區(qū)塊可看作賬本的一頁，由包含元數(shù)據(jù)的區(qū)塊頭和包含交易數(shù)據(jù)的區(qū)塊主體構(gòu)成，增加一個區(qū)塊，賬本就多一頁。區(qū)塊鏈從字面理解，就是按照區(qū)塊生成時間順序?qū)⑦@些區(qū)塊連成的鏈。交易信息可寫入?yún)^(qū)塊鏈，也可從中讀取，所以區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€可以無限“增加頁數(shù)”的巨型賬本。

第二，區(qū)塊鏈具有數(shù)據(jù)分布式存儲、去中心化、系統(tǒng)集體維護(hù)的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)結(jié)合共識機(jī)制、智能合約等技術(shù)創(chuàng)新，能夠有效解決傳統(tǒng)中心化系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)不透明、運(yùn)行效率低、協(xié)同性差等問題。另外，區(qū)塊鏈每個節(jié)點(diǎn)都保存著整個數(shù)據(jù)庫信息，內(nèi)容同步，無中心節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間直聯(lián)互通，可直接交易，系統(tǒng)由所有節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)、共同記賬，任何一個節(jié)點(diǎn)的損壞或丟失都不會影響整個系統(tǒng)運(yùn)作。

第三，區(qū)塊鏈信息不可篡改。區(qū)塊鏈通過哈希算法加密存儲每個區(qū)塊信息，加密過程不可逆，即無法通過輸出的數(shù)據(jù)倒推輸入的明文，并且輸入的明文與輸出的數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，任何一個輸入信息變化，都將導(dǎo)致最終輸出的散列數(shù)據(jù)的變化。另外，區(qū)塊鏈單個節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)庫的修改是無效的，除非能夠同時控制系統(tǒng)中超過51%的節(jié)點(diǎn)，但這很難實(shí)現(xiàn)。

第四，區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行交易不需要相互信任，也不需要公開身份。區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)間的信任不是來自第三方的信任背書，而是來自所有參與者對其獨(dú)特技術(shù)手段和機(jī)制設(shè)計的認(rèn)同。整個數(shù)據(jù)庫運(yùn)作公開透明，節(jié)點(diǎn)間無法欺騙，所有節(jié)點(diǎn)在去信任的環(huán)境下進(jìn)行交易和數(shù)據(jù)交換。

經(jīng)過無數(shù)次記賬，區(qū)塊鏈就成為一個可信賴、超容量的公共賬本數(shù)據(jù)庫，這個賬本數(shù)據(jù)庫具有去中心化、集體維護(hù)、不可篡改、可追溯、去信任、匿名性等多個技術(shù)特征。

1.2" "分 類

根據(jù)自身特點(diǎn)和應(yīng)用場景的不同，尤其是網(wǎng)絡(luò)去中心化程度的不同，區(qū)塊鏈可被分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈［2］。

公有鏈出現(xiàn)最早，完全開放，任何人都可自由加入和退出，沒有身份認(rèn)證，沒有權(quán)限設(shè)定，完全去中心化，不受任何機(jī)構(gòu)和他人控制。公有鏈由所有節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)，任何節(jié)點(diǎn)都不能篡改其中的數(shù)據(jù)。也正因此，公有鏈需要設(shè)置一些激勵機(jī)制，鼓勵人們積極參與公有鏈的構(gòu)建和維護(hù)，只有這樣才能保證公有鏈系統(tǒng)的穩(wěn)定性和不可篡改性。

私有鏈與公有鏈相對，不對外開放，只限在一個組織或機(jī)構(gòu)內(nèi)部使用，參與者需要提交身份認(rèn)證，使用權(quán)限由該組織或機(jī)構(gòu)控制，只有獲得授權(quán)才可參與和使用私有鏈系統(tǒng)。例如，一些大型金融機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)積極建立自己的私有鏈或把私有鏈用于企業(yè)內(nèi)部票據(jù)管理、財務(wù)審計等工作，利用區(qū)塊鏈優(yōu)勢保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全。

聯(lián)盟鏈開放程度介于公有鏈和私有鏈之間，是由多個組織或機(jī)構(gòu)共同參與的區(qū)塊鏈，屬于半開放式區(qū)塊鏈，一般由多個利益共同體組成的聯(lián)盟共同構(gòu)建，聯(lián)盟規(guī)?？梢源蟮絿?，也可以小到幾家企業(yè)或機(jī)構(gòu)。聯(lián)盟鏈為聯(lián)盟成員使用，一般需要身份認(rèn)證和權(quán)限設(shè)置，賬本的生成和維護(hù)由聯(lián)盟鏈成員共同完成。聯(lián)盟鏈可以使聯(lián)盟成員共享資源和利益，不僅提高了成員間協(xié)作水平和交易效率，也增進(jìn)了聯(lián)盟成員間的信任，聯(lián)盟鏈的主要應(yīng)用有政務(wù)系統(tǒng)、銀行之間的支付結(jié)算等。

2" " "區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)架構(gòu)

區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)架構(gòu)大致包含6個層次，分別為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應(yīng)用層，各層次職責(zé)明確，相互獨(dú)立又相互支撐。

2.1" "數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)的存儲及賬戶、交易的實(shí)現(xiàn)與安全，涉及鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、時間戳、哈希函數(shù)、Merkle樹、非對稱加密等技術(shù)。其中，數(shù)據(jù)存儲主要基于Merkle樹，通過區(qū)塊的方式和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而賬戶、交易的實(shí)現(xiàn)與安全則主要借助時間戳、哈希函數(shù)、非對稱加密等密碼學(xué)算法和技術(shù)，保證區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)去中心化分布式儲存，不可篡改與可追溯［3］。

2.2" "網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、搭建交易通道，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)間的信息交流，主要涉及組網(wǎng)模式、消息傳播機(jī)制和數(shù)據(jù)驗證機(jī)制。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是一個點(diǎn)對點(diǎn)（P2P）網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點(diǎn)都可以參與記賬和校驗數(shù)據(jù)，一個節(jié)點(diǎn)創(chuàng)造出新區(qū)塊后會以廣播的形式通知其他節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)接收到信息后會對這個區(qū)塊數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，只有通過全網(wǎng)超過51%的節(jié)點(diǎn)驗證后，區(qū)塊數(shù)據(jù)才能記入?yún)^(qū)塊鏈。

2.3" "共識層

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)無中心節(jié)點(diǎn)監(jiān)管，節(jié)點(diǎn)四處分散，系統(tǒng)由所有節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)，這就要求區(qū)塊鏈系統(tǒng)必須達(dá)成共識，通過制定一套制度或協(xié)議準(zhǔn)則規(guī)范、激勵各個節(jié)點(diǎn)的操作和行為。共識層包含網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的各種共識算法和機(jī)制，主要有工作量證明（Proof of Work，PoW）機(jī)制、權(quán)益證明（Proof of Stake，PoS）機(jī)制、權(quán)益授權(quán)證明（Delegated Proof of Stake，DPoS）機(jī)制、實(shí)用拜占庭容錯（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）機(jī)制等，這些共識機(jī)制能確保系統(tǒng)運(yùn)作的順序、公平性和穩(wěn)定性。

2.4" "激勵層

激勵層通常發(fā)生在公有鏈中，包括發(fā)行機(jī)制和激勵機(jī)制兩個部分，在供應(yīng)鏈聯(lián)盟鏈中，共同維護(hù)平臺正常運(yùn)行是每個成員的責(zé)任，而產(chǎn)生的利益分配可以按照成員需求，通過產(chǎn)品流或者資金流來實(shí)現(xiàn)。

2.5" "合約層

合約層封裝區(qū)塊鏈系統(tǒng)的各類腳本代碼、算法及由此生成的更為復(fù)雜的智能合約，它可用機(jī)器指令代替人工指令，指令一旦設(shè)定，就不再需要中介參與自動執(zhí)行，即達(dá)到某個條件，合約自動執(zhí)行，如自動付款、保險自動理賠等。

2.6" "應(yīng)用層

應(yīng)用層是區(qū)塊鏈與應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行交互的標(biāo)準(zhǔn)接口層，用戶不需要掌握區(qū)塊鏈專業(yè)知識，僅需調(diào)用應(yīng)用層提供的標(biāo)準(zhǔn)接口，就可使用應(yīng)用層定義的各種應(yīng)用，如可編程貨幣、可編程金融和可編程社會都是區(qū)塊鏈的主要應(yīng)用場景和案例。

3" " "區(qū)塊鏈的發(fā)展歷程與應(yīng)用

區(qū)塊鏈的應(yīng)用發(fā)展經(jīng)歷了區(qū)塊鏈1.0、區(qū)塊鏈2.0和區(qū)塊鏈3.0三個階段，且三個階段不是質(zhì)變式更替的，而是平行發(fā)展、相互影響、相互補(bǔ)充。其中，區(qū)塊鏈1.0是可編程貨幣時代，表現(xiàn)為以比特幣為代表的新型數(shù)字貨幣的出現(xiàn)與發(fā)展，其構(gòu)建了一個去中心化的數(shù)字支付體系，實(shí)現(xiàn)了用戶與用戶之間快捷、安全、低成本的貨幣交易和跨國支付；區(qū)塊鏈2.0是可編程金融時代，表現(xiàn)為智能合約的出現(xiàn)和應(yīng)用，是區(qū)塊鏈在金融領(lǐng)域更廣泛、更深入的應(yīng)用和優(yōu)化，應(yīng)用領(lǐng)域從原先的貨幣領(lǐng)域拓展到股票、證券、期貨等其他金融領(lǐng)域；區(qū)塊鏈3.0是可編程社會時代，表現(xiàn)為區(qū)塊鏈沖破金融領(lǐng)域，向更多行業(yè)滲透和拓展，為有需求的領(lǐng)域提供去中心化、去信任、安全可靠的解決方案［4］。本文主要關(guān)注和研究目前區(qū)塊鏈技術(shù)比較熱門和成熟的應(yīng)用領(lǐng)域，包括金融、政府、醫(yī)療、供應(yīng)鏈等領(lǐng)域。

3.1" "區(qū)塊鏈在金融領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1.1" "“區(qū)塊鏈+銀行”

傳統(tǒng)銀行是一個中心化系統(tǒng)，離中心越近，則權(quán)限越大、數(shù)據(jù)越多，為維護(hù)中心數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和權(quán)威性，銀行需要投入巨大的運(yùn)營成本。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、去信任、不可篡改等特征，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式記賬，可以削減無效銀行中介，節(jié)省大量運(yùn)營成本。

3.1.2" "“區(qū)塊鏈+證券”

傳統(tǒng)證券市場以交易所為中心，如果中心系統(tǒng)出現(xiàn)故障或被攻擊，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，交易暫停。區(qū)塊鏈去中心化的特性能夠保證整體運(yùn)作不會因部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題而受影響，區(qū)塊鏈技術(shù)還可以大大簡化清算、結(jié)算流程，使“交易即結(jié)算”成為現(xiàn)實(shí)。

3.1.3" "“區(qū)塊鏈+保險”

傳統(tǒng)模式下，保險定價和理賠所需數(shù)據(jù)存儲在各個主體中，采集過程存在一定困難。區(qū)塊鏈能夠促成各方建立聯(lián)盟，數(shù)據(jù)通過加密儲存在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，各節(jié)點(diǎn)需要使用相關(guān)數(shù)據(jù)時，可以通過授權(quán)的方式，將數(shù)據(jù)解密給某一指定節(jié)點(diǎn)，既保證了數(shù)據(jù)安全，又提高了保險定價和理賠的效率。

3.2" "區(qū)塊鏈在政務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.2.1" "保護(hù)政府基礎(chǔ)信息，促進(jìn)政務(wù)公開

政府信息大多需要從下級部門逐級匯總至上級部門，上級部門有權(quán)調(diào)用各下級部門的信息，上級部門信息系統(tǒng)一旦遭到攻擊，信息就面臨泄露、損壞、被篡改等風(fēng)險，而區(qū)塊鏈技術(shù)將所有政府信息分布式存儲在各個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)都有一個總賬本，能夠有效避免以上風(fēng)險，提高政府信息系統(tǒng)的安全性。同時，區(qū)塊鏈技術(shù)使政務(wù)工作更加公開透明，間接提高了政府工作人員服務(wù)的規(guī)范性和有效性。

3.2.2" "簡化公民身份認(rèn)定

基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建公民身份信息認(rèn)證系統(tǒng)，不僅可以有效儲存每個公民的所有信息，隨用隨取，安全可靠，還可以極大降低人工成本。

3.2.3" "強(qiáng)化稅收監(jiān)管，杜絕偷稅漏稅

部分企業(yè)試圖通過偽造賬目的方式達(dá)到避稅的目的，應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，可以從企業(yè)創(chuàng)辦之初就建立一個分布式賬本數(shù)據(jù)庫，企業(yè)運(yùn)營過程中的每一筆賬目都會體現(xiàn)在賬本上，且不可篡改、可追溯，這樣政府就可以強(qiáng)化稅收監(jiān)管，杜絕企業(yè)偷稅漏稅行為。

3.3" "區(qū)塊鏈在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

區(qū)塊鏈在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用主要有兩個方面。一方面，藥品防偽。采用區(qū)塊鏈技術(shù)不僅可以確定藥品是何時何地由何機(jī)構(gòu)生產(chǎn)，還可以記錄藥品的成分與來源，并且可以展示整個藥品的流通環(huán)節(jié)，這樣就可以輕松識別假藥并追溯生產(chǎn)源頭。另一方面，醫(yī)保審核與支付。利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子票據(jù)信息、電子病歷信息、費(fèi)用清單信息、檢查檢驗信息在內(nèi)的數(shù)據(jù)上鏈歸集，進(jìn)而有效突破異地就醫(yī)報銷慢的瓶頸。

3.4" "區(qū)塊鏈在供應(yīng)鏈領(lǐng)域的應(yīng)用

供應(yīng)鏈系統(tǒng)涉及物流、信息流、資金流等海量數(shù)據(jù)，也涉及不同主體，如供應(yīng)商、制造商、倉儲商、運(yùn)輸商、分銷商、零售商及用戶等。傳統(tǒng)供應(yīng)鏈的信息被離散地保存在各主體系統(tǒng)中，信息不透明、不流暢，各參與主體難以準(zhǔn)確掌握相關(guān)信息，難以及時發(fā)現(xiàn)問題，也難以事后追查問題，供應(yīng)鏈管理效率較低［5］。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去信任、不可篡改、可溯源等特征，所有參與主體都能夠在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中記錄、儲存、分享、使用數(shù)據(jù)，各方交易公開透明，在整個供應(yīng)鏈條上形成完整的信息流，確保各參與方能夠及時發(fā)現(xiàn)供應(yīng)鏈中存在的問題并加以改正，進(jìn)而有效提升供應(yīng)鏈的整體效率。

4" " "結(jié)束語

區(qū)塊鏈技術(shù)業(yè)已成為各國贏得未來發(fā)展先機(jī)、搶占國際競爭主動權(quán)的關(guān)鍵。掌握區(qū)塊鏈技術(shù)，研究其典型應(yīng)用場景，積極探索其應(yīng)用創(chuàng)新方式，不僅有利于各行各業(yè)降低交易成本、提高運(yùn)營效率，還能為我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供持久動能，推動我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

主要參考文獻(xiàn)

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