區(qū)塊鏈技術綜述

沈鑫，裴慶祺，劉雪峰

（1. 西安電子科技大學通信工程學院，陜西 西安 710071；2. 西安電子科技大學網絡與信息安全學院，陜西 西安 710071）

區(qū)塊鏈技術綜述

沈鑫1，裴慶祺1，劉雪峰2

（1. 西安電子科技大學通信工程學院，陜西 西安 710071；2. 西安電子科技大學網絡與信息安全學院，陜西 西安 710071）

區(qū)塊鏈是一種廣泛應用于新興數(shù)字加密貨幣的去中心化基礎架構，隨著比特幣的逐漸被接受而受到關注和研究。區(qū)塊鏈技術具有去中心化，區(qū)塊數(shù)據基本不可篡改、去信任化等特性，因此受到企業(yè)尤其是金融機構的追捧。闡述了區(qū)塊鏈技術的核心技術原理，探討了區(qū)塊鏈技術的應用以及所存在的監(jiān)管問題、安全問題，旨在對區(qū)塊鏈技術的相關研究提供幫助。

區(qū)塊鏈；數(shù)字貨幣；去中心化；分布式；共識機制

1 引言

區(qū)塊鏈是比特幣的基礎支撐技術，首次出現(xiàn)在中本聰（Satoshi Nakamoto）發(fā)表的《比特幣：一種點對點式的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》[1]，文中詳細描述了如何建立一套全新的、去中心化的、不需要信任基礎的點到點交易體系的方法，其可實現(xiàn)性已經被自2009年運行至今的比特幣所證明。區(qū)塊鏈技術的突出優(yōu)勢在于去中心化設計，通過運用加密算法、時間戳、樹形結構、共識機制和獎勵機制，在節(jié)點無需信任的分布式網絡中實現(xiàn)基于去中心化信用的點到點交易，解決了目前中心化模式存在的可靠性差、安全性低、高成本、低效率等問題。雖然近幾年比特幣快速發(fā)展，但其交易的匿名性和作為貨幣的發(fā)行權無法被掌握，多數(shù)國家機構不承認其貨幣屬性，而區(qū)塊鏈憑借其獨特的優(yōu)勢，吸引眾多目光，相關研究和應用一時之間呈現(xiàn)井噴的趨勢。區(qū)塊鏈技術更是被認為是繼大型計算機、個人計算機、互聯(lián)網、移動社交之后的第5次顛覆式計算范式，是人類信用進化史上繼血親信用、貴金屬信用、央行紙幣信用之后的第4個里程碑[2]。廣義的區(qū)塊鏈技術有望徹底重塑人類社會活動形態(tài)，為金融、科技、文化、政治等領域帶來深刻的變革。

截至2016年9月，有關區(qū)塊鏈的學術研究成果仍然寥寥無幾[3～18]，相關知識產權和專利也是一片空白，區(qū)塊鏈領域更是呈現(xiàn)出技術和產業(yè)創(chuàng)新驅動的發(fā)展趨勢[19～27]。本文系統(tǒng)地梳理了區(qū)塊鏈技術的相關內容，包括區(qū)塊鏈的起源、發(fā)展現(xiàn)狀、基本原理、核心特點、相關應用及其存在的問題，為以后的研究提供啟發(fā)和借鑒。

2 區(qū)塊鏈概述

文獻[1]中所描述的區(qū)塊鏈是一種按照時間順序將數(shù)據區(qū)塊用類似鏈表的方式組成的數(shù)據結構，并以密碼學方式保證不可篡改和不可偽造的分布式去中心化賬本，能夠安全存儲簡單的、有先后關系的、能在系統(tǒng)內進行驗證的數(shù)據[5]。區(qū)塊鏈的出現(xiàn)解決了數(shù)字貨幣的兩大問題：雙重支付問題以及拜占庭將軍問題[28～33]。雙重支付問題是同一筆錢被使用了超過一次，是在原有的以物理實體（紙幣）為基礎的傳統(tǒng)金融體系中自然可避免的問題。在區(qū)塊鏈出現(xiàn)之前的數(shù)字貨幣，都是通過可信任的中心化第三方機構來保證，以前是銀行，現(xiàn)在是支付寶、微信支付等。區(qū)塊鏈技術通過共識機制和分布式賬本，不需要可信第三方就可以解決雙重支付的問題是數(shù)字貨幣的一大突破。拜占庭將軍問題（Byzantine generals problem）[15]是現(xiàn)實世界問題的模型化，適用于分布式網絡的簡單抽象為“在缺少可信中心節(jié)點的情況下，分布式節(jié)點怎么達成共識建立互信的問題”。區(qū)塊鏈使用“工作量證明”（PoW，proof of work）及“權益證明”（proof of stake）或其他的共識機制，再加上加密技術，使一個不可信網絡變成可信的網絡，所有參與者可以在某些方面達成一致，而無需信任單個節(jié)點。

區(qū)塊鏈具有去中心化、網絡健壯、靈活性、安全可信等特點。首先，區(qū)塊鏈采用純數(shù)學的方法建立分布式節(jié)點間的信任關系，形成去中心化的可信分布式系統(tǒng)，產生交易、驗證交易、記錄交易信息、進行同步等活動均是基于分布式網絡完成的，是徹徹底底的去中心化。其次，區(qū)塊鏈采用獨特的經濟激勵機制來吸引節(jié)點完成工作（如挖礦），促使節(jié)點提供算力或其他資源，保證整個分布式網絡的順利運行。整個分布式網絡所容納的節(jié)點越多，其健壯性越強，除非一半以上的節(jié)點同時出現(xiàn)問題，否則分布式網絡將會一直安全運行。再次，區(qū)塊鏈提供用戶可編程的腳本系統(tǒng)，大大增加了區(qū)塊鏈應用的靈活性。在比特幣中，腳本不是很成熟，多用于交易的用途；而在以太坊（Ethereum）中，更加完備、功能更加強大的腳本系統(tǒng)智能合約，使更為復雜更為高級的分布式應用得以實現(xiàn)[34]。最后，區(qū)塊鏈的安全性是加密技術所保證的，整個分布式網絡所提供的算力是非常驚人的，想要篡改區(qū)塊鏈中的數(shù)據，不僅只是在理論上可行，而且所花費的電力、設備等成本也是得不償失的。

下面通過描述比特幣的工作過程來一窺區(qū)塊鏈的全貌。比特幣網絡的全節(jié)點無時無刻不在進行數(shù)學運算（挖礦、工作量證明），每個節(jié)點貢獻自己的算力來競爭解決一個動態(tài)可調整的數(shù)學問題（進行SHA256運算的結果小于某個值），成功解決該數(shù)學問題的節(jié)點將獲得一定數(shù)量的比特幣（初始50比特幣，每挖出210 000個區(qū)塊減少一半）以及該區(qū)塊的記賬權，該節(jié)點將當前時間段的所有交易打包計入一個新的區(qū)塊，獲得基于自愿原則的交易手續(xù)費，所有的交易都會經過算法處理（SHA256），并且經過驗證，產生一定格式的區(qū)塊（按一定格式計算出的包含前一區(qū)塊信息的塊頭，由樹形結構組織的交易數(shù)據構成塊體），最后將該區(qū)塊鏈接到主鏈上。整個比特幣網絡周而復始，比特幣網絡順利運行。“挖礦”是所有節(jié)點通過數(shù)學運算達成共識的過程，由于非對稱算法SHA256的性質，理論上保證記賬權獲得的隨機性。一筆交易數(shù)據經全部節(jié)點驗證通過后，進行SHA256運算，與其他交易兩兩匹配，再進行SHA256運算，直到最后剩下一個“樹根”，礦工將上一區(qū)塊的散列值（SHA256運算結果）、時間戳、本區(qū)塊的計算難度值、一個隨機數(shù)和本區(qū)塊的“樹根”（Merkle樹根）打包成塊頭，加上“交易樹”（Merkle tree）作為塊體，形成完整的區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈上。由于每個區(qū)塊都帶有前一區(qū)塊的特征，想要篡改一個區(qū)塊的交易記錄，必須要重新計算該塊之后的所有區(qū)塊，需要修改時間越久的區(qū)塊，所花費的算力越大，一般來說，一個區(qū)塊后面有6個區(qū)塊，就無法被修改了（根據比

特幣網絡算力以及現(xiàn)有計算設備綜合考慮）。

3 區(qū)塊鏈架構與關鍵技術詳解

本節(jié)使用比特幣和以太坊的區(qū)塊鏈架構為實例，詳細描述區(qū)塊鏈技術的基礎架構、基本原理以及核心技術。比特幣和以太坊是2種具代表性的區(qū)塊鏈技術應用，一個是區(qū)塊鏈技術的起源，另一個是區(qū)塊鏈2.0的代表應用，市面上其他使用區(qū)塊鏈技術的數(shù)字貨幣大都與之雷同，所以，比特幣和以太坊的基礎架構是研究學習區(qū)塊鏈技術的重要實例。

比特幣和以太坊的基礎架構如圖1所示。圖1中虛線表示的是以太坊與比特幣的不同之處?？傮w來說，數(shù)字貨幣的區(qū)塊鏈系統(tǒng)包含底層的交易數(shù)據、狹義的分布式賬本、重要的共識機制、完整可靠的分布式網絡、網絡之上的分布式應用這幾個要素。底層的數(shù)據被組織成區(qū)塊這一數(shù)據結構，各個區(qū)塊按照時間順序鏈接成區(qū)塊鏈，全分布式網絡的各個節(jié)點分別保存一份名為區(qū)塊鏈的分布式賬本，網絡中使用P2P協(xié)議進行通信，通過共識機制達成一致，基于這些基礎產生相對高級的各種應用。在該架構中，不可篡改的區(qū)塊鏈數(shù)據結構、分布式網絡的共識機制、工作量證明機制和愈發(fā)靈活的智能合約是具代表性的創(chuàng)新點。

圖1 區(qū)塊鏈基礎架構

3.1 底層數(shù)據

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，底層數(shù)據并不是存儲在區(qū)塊鏈中的數(shù)據，這些原始數(shù)據需要進一步加工才能被寫入區(qū)塊內。底層數(shù)據最根本的是交易記錄，其他的數(shù)據只是為了對消息記錄進行封裝。

交易數(shù)據：交易數(shù)據是帶有一定格式的交易信息，以比特幣為例，一條比特幣交易信息應包含以下字段：4 B的版本信息，用來明確這筆交易參照的規(guī)則；1～9 B的輸入計數(shù)器，表示被包含的輸入數(shù)量；變長字節(jié)的輸入，表示一個或多個交易輸入（地址）；1～9 B的輸出計數(shù)器，表示被包含的輸出數(shù)量；變長字節(jié)的輸出，表示一個或多個輸出（地址）；4 B的時鐘時間，表示一個UNIX時間戳或區(qū)塊號[35]。

時間戳：時間戳被用來加蓋在區(qū)塊頭中，確定了區(qū)塊的寫入時間，同時也使區(qū)塊鏈具有時序的性質，時間戳可以作為區(qū)塊數(shù)據的存在性證明，有助于形成不可篡改不可偽造的分布式賬本。更為重要的是，時間戳為未來給予區(qū)塊鏈技術的互聯(lián)網和大數(shù)據增加了時間維度，使通過區(qū)塊數(shù)據和時間戳來重現(xiàn)歷史成為可能[5]。

SHA256算法：區(qū)塊鏈不會直接保存明文的原始交易記錄，只是將原始交易記錄經過散列運算，得到一定長度的散列值，將這串字母與數(shù)字組成的定長字符串記錄進區(qū)塊。比特幣使用雙SHA256散列函數(shù)，將任意長度的原始交易記錄經過2次SHA256散列運算，得到一串256 bit的散列值，便于存儲和查找。散列函數(shù)具有單向性、定時性、定長性和隨機性的優(yōu)點。單項性指由散列值無法反推得到原來的輸入數(shù)據（理論上可以，實際幾乎不可能），定時性指不同長度的數(shù)據計算散列值所需要的時間基本一樣，定長性指輸出的散列值都是相同長度，隨機性指2個相似的輸入卻有截然不同的輸出。同時，SHA256函數(shù)也是比特幣所使用的算力證明，礦工們尋找一個隨機數(shù)，使新區(qū)塊頭的雙SHA256散列值小于或等于一個目標散列值，并且加入難度值，使這個數(shù)學問題的解決時間平均為10 min，也就是平均每10 min產生一個新的區(qū)塊。

Merkle樹：Merkle樹是區(qū)塊鏈技術的重要組成部分，將已經運算為散列值的交易信息按照二叉樹形結構組織起來，保存在區(qū)塊的塊體之中。Merkle樹的生成過程：將區(qū)塊數(shù)據分組進行散列函數(shù)運算，將新的散列值放回，再重新拿出2個

數(shù)據進行運算，一直遞歸下去，直到剩下唯一的“Merkle根”。比特幣采用經典的二叉Merkle樹，而以太坊采用了改進的Merkle Patricia樹。Merkle樹的優(yōu)點：良好的擴展性，不管交易數(shù)據怎么樣，都可以生成一顆Merkle樹；查找算法的時間復雜度很低，從底層溯源查找到Merkle根部來驗證一筆交易是否存在或合法，時間復雜度為lb N，極大降低運行時的資源占用；使輕節(jié)點成為可能，輕節(jié)點不用保存全部的區(qū)塊鏈數(shù)據，僅需要保存包含Merkle根的塊頭，就可以驗證交易的合法性。

3.2 分布式記賬本

這里使用分布式記賬本來代替區(qū)塊鏈，是為了區(qū)別狹義的區(qū)塊鏈和廣義的區(qū)塊鏈技術，前者是分布式記賬本這一時序鏈式數(shù)據結構，后者是個完整的帶有數(shù)學證明的系統(tǒng)框架。狹義的區(qū)塊鏈結構如圖2所示，每個區(qū)塊分為塊頭和塊體兩部分，所有區(qū)塊按照時序相鏈接，形成狹義上的區(qū)塊鏈。

區(qū)塊頭：區(qū)塊頭的內容有上一區(qū)塊頭的散列值、時間戳、當前 PoW 計算難度值、當前區(qū)塊PoW問題的解（滿足要求的隨機數(shù)），以及Merkle根。以比特幣為例，具體的數(shù)據格式為：4 B的版本字段，用來描述軟件版本號；32 B（256 bit）的父區(qū)塊頭散列值；32（256 bit）字節(jié)的Merkle根；4 B的時間戳；4 B的難度目標；4 B的Nonce（隨機數(shù)，問題的解）。區(qū)塊頭設計是整個區(qū)塊鏈設計中極為重要的一環(huán)，區(qū)塊頭包含了整個區(qū)塊的信息，可以唯一標識出一個區(qū)塊在鏈中的位置，還可以參與交易合法性的驗證，同時體積小（一般不到整個區(qū)塊的千分之一），為輕量級客戶端的實現(xiàn)提供依據。

區(qū)塊體：區(qū)塊體包含了一個區(qū)塊的完整交易信息，以Merkle樹的形式組織在一起。如圖2所示，Merkle樹的構建過程是一個遞歸計算散列值的過程，以圖中為例，交易1經過SHA256計算得到Hash 1，同樣算得Hash 2，將2個散列值串聯(lián)起來，再做SHA256計算，得到Hash12，這樣一層一層地遞歸計算散列值，直到最后剩下一個根，就是Merkle根?？梢钥吹?，Merkle樹的可擴展性很好，不管交易記錄有多少，最后都可以產生Merkle樹以及定長的Merkle根。同時，Merkle樹的結構保證了查找的高效性，N個葉子節(jié)點的Merkle樹最長查找路徑長度為lb N，這種高效在大交易規(guī)模中異常明顯。

圖2 分布式記賬本模型

鏈式結構：除了創(chuàng)世區(qū)塊以外，所有區(qū)塊均通過包含上一區(qū)塊頭的散列值的方法構成一條區(qū)塊鏈。同時，由于包含了時間戳，區(qū)塊鏈還帶有時序性。時間越久的區(qū)塊后面所鏈接的區(qū)塊越多，修改該區(qū)塊所花費的代價也就越高，這里借用一個形象的比喻，區(qū)塊鏈就好比地殼，越往下層，時間越久遠，越穩(wěn)定，不會輕易發(fā)生改變。區(qū)塊鏈在增加新區(qū)塊的時候，有很小的概率發(fā)生“分叉”現(xiàn)象，即同一時間挖出2個符合要求的區(qū)塊。對于“分叉”的解決方法是延長時間，等待下一個區(qū)塊生成，選擇長度最長的支鏈添加到主鏈，“分叉”發(fā)生的概率很小，多次分叉的概率基本可以忽略不計，“分叉”只是短暫的狀態(tài)，最終的區(qū)塊鏈必然是唯一確定的最長鏈。

創(chuàng)世區(qū)塊：每一個區(qū)塊鏈都有一個特殊的頭區(qū)塊，不管從哪個區(qū)塊開始追溯，最終都會到達這個頭區(qū)塊，即創(chuàng)世區(qū)塊。這里不得不提到比特幣的創(chuàng)世區(qū)塊，它在北京時間2009年1月4日02∶15∶05被中本聰生成，是比特幣誕生的里程碑，也是數(shù)字貨幣的新紀元。中本聰在比特幣創(chuàng)世塊中留下了一句話“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for bank”，是當天的頭版文章標題。中本聰?shù)囊茫仁菍υ搮^(qū)塊產生時間的說明，也是對舊有銀行系統(tǒng)面對金融危機脆弱表現(xiàn)的冷嘲[36,37]。

3.3 組網方式和核心機制

狹義的區(qū)塊鏈，即分布式賬本的內容上面已經介紹完畢，將這個賬本用起來才是區(qū)塊鏈技術的關鍵所在?；诜植际劫~本之上的區(qū)塊鏈網絡，采用對等式網絡——P2P網絡（peer-to-peer network）將所有節(jié)點連接在一起，設計PoW或其他共識機制使無信任基礎的雙方在不需要第三方的情況下建立互信，使用廣播的方式傳播交易信息，加上激勵機制來保證節(jié)點提供算力以維持整個網絡的順利運行。

P2P網絡：區(qū)塊鏈網絡的去中心化來自于采用P2P組網方式，網絡中每個節(jié)點均地位對等且以扁平式拓撲結構相互連通和交互，不存在任何中心化的特殊節(jié)點和層級結構，每個節(jié)點均會承擔網絡路由、驗證交易信息、傳播交易信息、發(fā)現(xiàn)新節(jié)點等工作。

廣播機制：區(qū)塊鏈網絡公布交易信息的方式是廣播，生成交易信息的節(jié)點先將信息廣播到相連接的節(jié)點，節(jié)點驗證通過后就會再進行廣播，信息會以極快的方式被全網中的節(jié)點接收。實際上，并不需要全部節(jié)點都保留這條交易信息，只要保證大多數(shù)（51%）節(jié)點接收到，就可以認為交易通過。如果這條交易信息有問題，如交易者的余額不足以支付，接收到錯誤消息的節(jié)點驗證不通過，就會廢棄該交易數(shù)據，不會對它再進行廣播。新區(qū)塊的生成也是通過廣播來確認的，找到滿足條件的隨機數(shù)后進行廣播，記過驗證后確認新區(qū)塊的記賬權，生成新的區(qū)塊，全網進行同步，將該塊添加到主鏈上。

共識機制：分布式網絡的核心難題是如何高效地達成共識，就好比現(xiàn)有的社會系統(tǒng)，中心化程度高的、決策權集中的社會更容易達成共識，像獨裁和專制，但是社會的滿意度很低；中心化程度低的、決策權分散的社會更難達成一致，像民主投票，但是整個社會的滿意度更高?！叭魏位诰W絡的數(shù)據共享系統(tǒng)，都最多擁有以下3條中的2條：1) 數(shù)據一致性（C）；2) 對數(shù)據更新具備高可用性（A）；3) 能容忍的網絡分區(qū)（P）”，即CAP理論[38]，分布式網絡已經帶有了P，那么C或A只能在兩者中選擇一條。如何在一致性和可用性之間進行平衡，在不影響實際使用體驗的前提下還能保證相對可靠的一致性，是研究共識機制的目標。早期的比特幣采用高度依賴節(jié)點算力的 PoW 機制來保證比特幣網絡分布式記賬的一致性，隨著各種競爭幣種的發(fā)行，更多相似的共識機制得以出現(xiàn)，PoS就是一種基于PoW并且進行改進的共識機制。

PoW共識機制：PoW機制是由中本聰所設計的適用于比特幣系統(tǒng)的共識機制，其核心思想是通過引入分布式節(jié)點的算力競爭來保證數(shù)據一致性和共識的安全性。在比特幣中，所有參與“挖礦”的節(jié)點都在遍歷尋找一個隨機數(shù)，這個隨機數(shù)使當前區(qū)塊的區(qū)塊頭的雙SHA256運算結果小于或等于某個值，找到符合要求的隨機數(shù)的節(jié)點獲得當前區(qū)塊的記賬權，獲得一定數(shù)額的比特幣作為獎勵。另外，引入動態(tài)難度值，使求解該數(shù)學問題所花費的時間在10 min左右。PoW共識機

制具有十分重要的意義，將比特幣的發(fā)行、交易和記錄完美地聯(lián)系起來，同時還保證了記賬權的隨機性，確保比特幣系統(tǒng)的安全和去中心化。

GHOST（Greedy Heaviest Observed Subtree）協(xié)議：GHOST協(xié)議是為了解決比特幣使用PoW算力競爭引起的高廢塊率帶來的算力浪費問題。廢區(qū)塊指的是在新塊廣播確認的時間里“挖”出的符合要求的區(qū)塊。GHOST協(xié)議提出在計算最長鏈時把廢區(qū)塊也包含起來，即在比較哪一個區(qū)塊具有更多的工作量證明時，不僅有父區(qū)塊及其祖先區(qū)塊，還添加其祖先區(qū)塊的作廢后代區(qū)塊來計算哪個塊擁有最大的工作量證明。在以太坊中，采用了簡化版GHOST協(xié)議，廢區(qū)塊只在五代之間參與工作量證明，并且廢區(qū)塊的發(fā)現(xiàn)者也會收到一定數(shù)量的以太幣作為獎勵。

PoS共識機制：PoW共識機制有明顯的缺點，算力資源被過多地浪費掉，PoS共識機制是為了解決PoW的缺陷而提出的替代方案。PoS本質上是采用權益證明來代替PoW的算力證明，記賬權由最高權益的節(jié)點獲得，而不是最高算力的節(jié)點。權益證明就是資源證明，擁有最多資源的節(jié)點挖礦的難度最小。以太坊目前采用的仍然是PoW，但是正在開發(fā)的下一版本將會轉為PoS共識機制。

激勵機制：激勵機制是區(qū)塊鏈技術中的重要一環(huán)，以比特幣為例，開采出新的區(qū)塊的節(jié)點會得到一定數(shù)量的比特幣和記賬權，記賬權使節(jié)點在處理交易數(shù)據的時候得到交易費用。比特幣的交易費用基于自愿原則，提供交易費用的交易會被優(yōu)先處理，而不含交易費用的交易會先放在交易池中，隨時間的增加而增加其優(yōu)先級，最終還是會被處理。激勵機制保證了整個區(qū)塊鏈網絡的保持向外擴張，促使全節(jié)點提供資源，自發(fā)維護整個網絡。以比特幣為例，目前整個比特幣網絡的算力已經達到800 000 000 Gh/s，超過了全球Top 500超級計算機的算力總和，想要對整個比特幣網絡做出影響幾乎不可能。

3.4 區(qū)塊鏈節(jié)點

在最初的區(qū)塊鏈網絡設計中，不存在任何中心化的特殊節(jié)點和層級結構，每個節(jié)點完全對等，承擔著網絡路由、驗證交易信息、傳播交易信息、發(fā)現(xiàn)新節(jié)點等工作。但是實際上物理設備是存在明顯性能差距的，以比特幣網絡為例，可作為節(jié)點的設備有個人計算機、服務器、專為比特幣挖礦設計的礦機，以及移動端，它們提供的算力相差了幾個數(shù)量級，并且存儲空間也不同。目前市面上可見的移動端存儲空間最大不過100 GB左右，而存有全部數(shù)據的區(qū)塊鏈數(shù)據總量已經超過60 GB，想要將移動端作為全節(jié)點無疑是不現(xiàn)實的。于是有了全節(jié)點和輕型節(jié)點，全節(jié)點是傳統(tǒng)意義上的區(qū)塊鏈節(jié)點，包含有完整的區(qū)塊鏈數(shù)據，支持全部區(qū)塊鏈節(jié)點的功能。全節(jié)點通常是高性能的計算設備，比特幣剛面世時依靠CPU來提供算力，后來使用GPU，發(fā)展到現(xiàn)在是專門設計將SHA256算法固化到硬件的礦機，算力成幾何增長趨勢。輕型節(jié)點是依靠全節(jié)點存在的節(jié)點，不用為區(qū)塊鏈網絡提供算力，只保存區(qū)塊鏈的區(qū)塊頭，由于區(qū)塊頭包含了Merkle根，可以對交易進行驗證。輕型節(jié)點多為移動端，如智能手機、平板電腦、移動計算機等。

3.5 智能合約

區(qū)塊鏈技術的智能合約是一組情景——應對型的程序化規(guī)則和邏輯，是部署在區(qū)塊鏈上的去中心化、可信息共享的程序代碼。簽署合約的各參與方就合約內容達成一致，以智能合約的形式部署在區(qū)塊鏈上，即可不依賴任何中心機構自動化地代表各簽署方執(zhí)行合約[5]。智能合約具有自治、去中心化等特點，一旦啟動就會自動運行，不需要任何合約簽署方的干預。

智能合約的運行過程如下。智能合約封裝預定義的若干狀態(tài)、轉換規(guī)則、觸發(fā)條件以及對應操作等，經過各方簽署后，以程序代碼的形式附著在區(qū)塊鏈數(shù)據上，經過區(qū)塊鏈網絡的傳播和驗證后被記入各個節(jié)點的分布式賬本中，區(qū)塊鏈可以實時監(jiān)控整個智能合約的狀態(tài)，在確認滿足特定的觸發(fā)條件后激活并執(zhí)行合約。

智能合約對區(qū)塊鏈有重要的意義，智能合約不僅賦予了區(qū)塊鏈底層數(shù)據可編程性，為區(qū)塊鏈2.0和區(qū)塊鏈3.0奠定了基礎；還封裝了區(qū)塊鏈網絡中各節(jié)點的復雜行為，為建立基于區(qū)塊鏈技術的上層應用提供方便的接口，擁有了智能合約的區(qū)塊鏈技術前景極為廣闊。例如，對互聯(lián)網金融的股權招募，智能合約可以記錄每一筆融資，在

成功達到特定融資額度后計算每個投資人的股權份額，或在一段時間后未達到融資額度時將資金退還給投資人。還有互聯(lián)網租借的業(yè)務，將房屋或車輛等實體資產的信息加上訪問權限控制的智能合約部署到區(qū)塊鏈上，使用者符合特定的訪問權限或執(zhí)行類似付款的操作后就可以使用這些資產。甚至與物聯(lián)網相結合，在智能家居領域實現(xiàn)智能自動化，如室內溫度濕度亮度的自動控制、自動門允許特定的人進入等。

現(xiàn)有水平的智能合約及其應用本質邏輯上還是根據預定義場景的“IF-THEN”類型的條件響應規(guī)則，能夠滿足目前自動化交易和數(shù)據處理的需求。未來的智能合約應具備根據未知場景的“WHAT-IF”推演、計算實驗和一定程度上的自主決策功能，從而實現(xiàn)由目前“自動化”合約向真正“智能”合約的飛躍[5]。

3.6 上層應用

前文系統(tǒng)地介紹了區(qū)塊鏈技術，有了一個比較全面的系統(tǒng)性概念之后，可以更為深入地研究基于區(qū)塊鏈技術的上層應用。目前的區(qū)塊鏈應用都具有相似的架構，各家的重心在于研發(fā)不同的上層應用。比特幣是經典區(qū)塊鏈應用，所使用的區(qū)塊鏈技術十分具有研究學習價值。然而，比特幣本身作為一種數(shù)字貨幣來說存在局限性，雖然可以用很低的成本開發(fā)出其他的數(shù)字貨幣（實際市面上存在很多類似的競爭幣），但是很難開發(fā)出除了數(shù)字貨幣之外的應用。以太坊是另一個使用區(qū)塊鏈技術的產品，不僅在底層解決了區(qū)塊鏈原有的一些問題，更是把區(qū)塊鏈技術進行封裝，降低區(qū)塊鏈和具體上層應用的耦合性。以太坊提供功能強大的智能合約語言來進行上層應用的設計，開發(fā)者們通過部署智能合約可以方便快捷地開發(fā)區(qū)塊鏈應用。以太坊的最終目標是將所有節(jié)點連接起來，成為一臺擁有恐怖算力的虛擬機，虛擬機上運行著各種各樣的分布式應用，徹底改變現(xiàn)有的網絡架構。

4 區(qū)塊鏈技術存在的問題

毋庸置疑任何技術都存在局限性，雖然區(qū)塊鏈技術有自身的獨特優(yōu)勢，但也不是解決所有問題的靈丹妙藥。區(qū)塊鏈技術還處在發(fā)展初期，存在諸多問題。本節(jié)從各個角度描述目前區(qū)塊鏈技術有待解決的問題。

4.1 效率問題

效率是區(qū)塊鏈技術可用性的保證，目前區(qū)塊鏈的效率問題表現(xiàn)為以下幾點。

分布式記賬本數(shù)據量問題。分布式記賬本記錄了整個區(qū)塊鏈網絡從誕生到當前時間節(jié)點的一切交易記錄，在保證區(qū)塊鏈數(shù)據不可篡改的同時，帶來了存儲和同步的問題。上文提到過，目前比特幣的數(shù)據量已經超過了60 GB，數(shù)據量巨大，更令人頭疼的是比特幣從誕生到現(xiàn)在才不過短短7年，按照比特幣愈發(fā)活躍的走勢來看，賬本過大是一個急需解決的問題。

同步時間問題。截至目前為止，比特幣網絡已經有43萬個區(qū)塊被開采出來，新添加進網絡的節(jié)點同步賬本所花費的時間就長達幾天。如果沒有改進的方案，時間越往后增加，新節(jié)點的代價就越大，甚至會阻礙區(qū)塊鏈網絡的擴張。

交易效率問題。以比特幣為例，一秒只能處理7筆交易，而確定交易則要等待下一個區(qū)塊產生，平均為10 min。這種交易效率遠遠無法滿足需求，雖然現(xiàn)在有了些研究成果，如閃電網絡（lightning-network）[39]，但仍然缺少全面解決效率問題的方法。

4.2 中心化問題

算力證明導致節(jié)點的不對等。理論上，在區(qū)塊鏈網絡中每個節(jié)點被平等地對待，但是為了挖礦獲得經濟回報，開始進行硬件競賽，導致節(jié)點之間的不對等（使用礦機的節(jié)點自然比使用CPU的節(jié)點更容易挖到礦）。目前，使用CPU挖比特幣，理論概率幾乎等于 0。區(qū)塊鏈記賬權的隨機性受到破壞，違背了設計初衷。

算力證明導致的產業(yè)化趨勢。同樣，也是為了挖礦獲得經濟收益，產生了礦池。礦池指的是產業(yè)化規(guī)?；诘V，通常在地理位置上選擇靠近水電站的地區(qū)，在硬件上選擇專門用于挖礦的礦機，幾千上萬臺機器集群，試圖用較低的成本來挖礦獲得收益。以比特幣為例，據統(tǒng)計，有約60%的算力來自中國的礦池，比較有名的三大礦池是F2Pool、BTCChina Pool以及Huobi Pool。算力的集中破壞了分布式設計，并且?guī)砹酥摹?1%

攻擊”威脅。

51%攻擊問題。簡單地說，就是在投票制中掌握了半數(shù)以上的選票，可以使任何提案得到通過，放在比特幣環(huán)境下就成為實現(xiàn)雙重支付的手段，一筆交易只要半數(shù)以上的節(jié)點通過，那么對整個網絡來說就是合法有效的。雖然理論上掌握分布式網絡的大多數(shù)算力是幾乎不可能的事，但是礦池的出現(xiàn)使“51%攻擊”具備了實施的可能，并且算力的集中破壞了去中心化，帶來種種安全隱患，所以開發(fā)新的共識機制是目前區(qū)塊鏈研究的一個主要方向。

中心化趨勢。分布式網絡的中心化趨勢也是一大問題，前面所說礦池的出現(xiàn)不僅帶來了“51%攻擊”的威脅，也影響了整個分布式網絡的穩(wěn)定性，如果一個礦池發(fā)生問題（如停電、火災等），整個網絡都會受到影響，削弱了分布式網絡的優(yōu)勢。

4.3 隱私和安全問題

雖然區(qū)塊鏈技術采用密碼學相關技術，具有很高的安全性，但是整個區(qū)塊鏈網絡在隱私和安全方面仍然存在薄弱環(huán)節(jié)。

數(shù)據隱私問題。以比特幣為例，比特幣使用地址進行交易，具有匿名性，但是交易記錄卻完全公開，一個地址的所有交易記錄全部都可以被查到，一旦將地址與真實身份聯(lián)系起來，后果十分嚴重。

使用安全問題。區(qū)塊鏈技術本身的安全性很高，采用非對稱密鑰機制，保證了安全性和有效性。但是對私鑰的使用和保存狀況卻令人堪憂，即使256 bit的私鑰表現(xiàn)成50個字符長度形式，依然難以記憶，使用其他軟件進行輔助交易是必然的選擇，但這類軟件的安全性就值得商榷，交易網站或者個人的比特幣被盜的消息絡繹不絕，使用安全問題需要引起人們的重視。

4.4 公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈的問題

根據區(qū)塊鏈網絡中心化程度的不同，分化出3種不同應用場景下的區(qū)塊鏈。1) 允許任何節(jié)點都可以加入區(qū)塊鏈網絡，查看區(qū)塊鏈上任意信息的區(qū)塊鏈被稱為公有鏈，最初的區(qū)塊鏈都是公有鏈，如比特幣。2) 允許授權的節(jié)點加入網絡，可以根據權限查看信息，往往被用于幾個公司或機構之間的區(qū)塊鏈被稱為聯(lián)盟鏈或行業(yè)鏈。3) 所有網絡中的節(jié)點都被掌握在一家公司或機構手中，被稱為私有鏈、不管是公有鏈，聯(lián)盟鏈還是私有鏈都是區(qū)塊鏈技術在不同場景下的應用，還處于發(fā)展初期的區(qū)塊鏈技術在發(fā)揮其獨特優(yōu)勢的同時，也帶來了諸多挑戰(zhàn)。公有鏈的問題在上面已經簡要描述過，在此不再贅述。

聯(lián)盟鏈的問題。聯(lián)盟鏈作為一種帶有權限機制的區(qū)塊鏈，需要考慮的問題有很多。首先，是準入權限問題，一個節(jié)點如何被通過允許加入區(qū)塊鏈，是人工鑒別還是采用身份驗證機制；其次，是區(qū)塊鏈數(shù)據的查閱權限問題，很明顯企業(yè)和機構的數(shù)據都是存在保密等級的，擁有不同等級權限的節(jié)點只能看到本層及本層以下的數(shù)據，如何進行查閱權限的分配和數(shù)據保密等級的劃分是主要問題；再次，聯(lián)盟鏈中是否應該存在一種機制，保證等級較低的節(jié)點無法直接與等級高的節(jié)點進行交易，就像在生活之中，普通人去銀行辦業(yè)務，只會去找柜員而不是去找行長一樣，一旦出現(xiàn)這種跨等級的交易，應該有特別措施進行處理；最后，是匿名性和數(shù)據透明性以及審計便利性的綜合問題，如果需要保留匿名性，各個公司的審計就無法開展。如果為了方便審計不保留匿名性，就需要降低數(shù)據的透明性（畢竟一個公司并不想其他公司知道自身的準確數(shù)據），如將交易數(shù)據進行加密，但這樣就增加了審計的工作量，總之是一個需要綜合考慮的問題。

私有鏈的問題。私有鏈多用于一個公司或機構的內部，也存在與聯(lián)盟鏈類似的問題。首先，是細粒度的可視權限分配問題，即對數(shù)據的訪問權限要細化到每一個賬戶，跟聯(lián)盟鏈的查閱權限類似；其次，是效率問題，私有鏈的節(jié)點都是被掌握的可信節(jié)點，自然不需要PoW共識機制，不僅浪費算力，還不夠高效，考慮使用其他高性能分布式一致性解決方法；最后，是私有鏈本身的安全問題，過于集中的私有鏈抵御攻擊的能力跟前2種區(qū)塊鏈相比差很多，尤其是如果攻擊來自內部，修改“理論上不可篡改”的區(qū)塊鏈也是可以做到的。

5 結束語

自2009年到2016年，區(qū)塊鏈技術已經走過

了7個春秋，經歷了區(qū)塊鏈1.0時代，目前處于區(qū)塊鏈2.0，正在向區(qū)塊鏈3.0穩(wěn)步邁進。區(qū)塊鏈1.0更適合被稱作狹義區(qū)塊鏈技術的時代，其代表為比特幣；區(qū)塊鏈2.0是功能強大的智能合約時代，可以實現(xiàn)更為高級更為復雜的功能，大大擴寬區(qū)塊鏈技術的應用場景；至于區(qū)塊鏈3.0，是將區(qū)塊鏈技術的去中心化和共識機制發(fā)展到新的高度、影響全人類意識形態(tài)的時代。

目前，受到較多關注的研究方向是去中心化自治社會（DAS, decentralized autonomous society），這是一個從去中心化應用（Dapp, decentralized application）逐漸發(fā)展到去中心化自治組織/公司（DAO/DAC, decentralized autonomous organization/decentralized autonomous corporation），最后實現(xiàn)DAS的發(fā)展方向[40,41]。區(qū)塊鏈技術天然契合分布式社會系統(tǒng)的概念，其中每個節(jié)點都將作為分布式系統(tǒng)中的一個自治的個體，隨著區(qū)塊鏈生態(tài)體系的逐步完善，自治節(jié)點通過更為復雜的智能合約參與各種Dapp，形成特定組織形式的DAO和DAC，最終形成DAS[42]。

區(qū)塊鏈技術也許是實現(xiàn)人工智能的一個途徑，智能合約被設計得越來越自動化，智能化和復雜化，考慮將現(xiàn)有的研究成果移植到區(qū)塊鏈上來，使其得到進一步發(fā)展。

本文系統(tǒng)性地介紹了區(qū)塊鏈技術的原理技術和應用，是對目前區(qū)塊鏈技術研究成果的一個總結。目前，區(qū)塊鏈技術的基礎理論和技術研究還處于起步階段，雖然出現(xiàn)了很多使用區(qū)塊鏈技術的商業(yè)產品，但缺少理論研究，無法對產品進行支撐，不利于區(qū)塊鏈技術的長遠發(fā)展。希望本文能為未來的研究提供參考與啟發(fā)。

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沈鑫（1994-），男，陜西寶雞人，西安電子科技大學碩士生，主要研究方向為區(qū)塊鏈安全。

裴慶祺（1975-），男，廣西玉林人，西安電子科技大學教授、博士生導師，主要研究方向為信任管理、無線網絡安全、區(qū)塊鏈安全。

劉雪峰（1985-），男，安徽亳州人，西安電子科技大學講師，主要研究方向為云計算安全、區(qū)塊鏈安全、物理層安全。

Survey of block chain

SHEN Xin1, PEI Qing-qi1, LIU Xue-feng2
(1. School of Telecommunications Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China; 2. School of Cyber Engeering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

With the wide spread of Bitcoin, block chain serving as the building block of digital currency becomes a hot spot in industry and academia. Due to the decentration of network, the unforgeability of block data, etc., block chain has attracted more and more attentions from financial institutions. The essential theory and core technique of block chain were surveyed, and the issues of management and security problems of block chain based applications were discussed. To help improve the block chain techniques is the goal.

block chain, digital currency, decentralization, distribution, consensus mechanism

TP319

A

10.11959/j.issn.2096-109x.2016.00107

2016-07-15；

2016-10-11。通信作者：沈鑫，shenxinzh@gmail.com