區(qū)塊鏈技術(shù)初步應(yīng)用研究

周文剛，馮貴蘭

（中國民航飛行學(xué)院，四川廣漢，618307）

0　引言

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于日本學(xué)者中本聰于2008年所發(fā)表的論文《比特幣：一種P2P電子現(xiàn)金系統(tǒng)》[1]，目前在業(yè)界尚沒有統(tǒng)一的區(qū)塊鏈定義，但普遍認(rèn)為，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N將數(shù)據(jù)區(qū)塊以特定鏈條的形式構(gòu)成相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而廣義的區(qū)塊鏈技術(shù)則集成更多新興技術(shù)，可通過使用加密鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)來確認(rèn)與存儲數(shù)據(jù)；使用分布式節(jié)點(diǎn)共識算法來產(chǎn)生與更新相關(guān)數(shù)據(jù)；使用智能合約技術(shù)來預(yù)設(shè)操作條件，以自動執(zhí)行相關(guān)腳本代碼操作數(shù)據(jù)。

目前，人們最熟悉的應(yīng)用場景是近年來比特幣在全球范圍內(nèi)的快速發(fā)展，此外，政府機(jī)構(gòu)、金融部門、高科技企業(yè)以及風(fēng)投資本等也對這一新興技術(shù)投以廣泛的關(guān)注，2016年1月，英國政府發(fā)布區(qū)塊鏈專題研究報告[2]，大力推進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)在金融和政務(wù)中的應(yīng)用；中國人民銀行也召開數(shù)字貨幣研討會討論利用區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)行虛擬貨幣的可行性，在風(fēng)頭資本端，也有高達(dá)數(shù)十億美元的資金涌入這一領(lǐng)域，初創(chuàng)公司R3CEV推出的BAAS（Blockchain as a service）服務(wù)，已吸引花旗、匯豐、高盛、摩根大通、摩根斯坦利等多家大型銀行集團(tuán)的加入，力圖制定銀行業(yè)的區(qū)塊鏈行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]。與此同時，學(xué)術(shù)界也積極探索區(qū)塊鏈技術(shù)特征并對區(qū)塊鏈技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了重要支撐。

1　區(qū)塊鏈技術(shù)原理和特點(diǎn)

1.1　區(qū)塊鏈構(gòu)成

區(qū)塊鏈?zhǔn)怯删W(wǎng)絡(luò)中各區(qū)塊通過有序方式鏈接起來而形成的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)區(qū)塊是相關(guān)信息和特點(diǎn)記錄的集合，是構(gòu)成相關(guān)區(qū)塊鏈的基本數(shù)據(jù)單元。通常地，每個數(shù)據(jù)區(qū)塊由包含區(qū)塊頭（Header）和區(qū)塊體（Body）的兩個部分所組成，其中，區(qū)塊頭版本號、當(dāng)前區(qū)塊哈希值、時間戳等相關(guān)信息被封裝于區(qū)塊頭內(nèi)部[4]，同時，區(qū)塊頭還記錄前一區(qū)塊的地址以鏈接到前一區(qū)塊，為整個區(qū)塊鏈的完整性提供支持，如圖1所示。哈希算法通過數(shù)學(xué)計算可以將大小各不相同的數(shù)據(jù)換算生成固定長度的字符串，并且，這是一個單項函數(shù)，即很難通過計算后的哈希散列值反推出原始數(shù)據(jù)，這一特點(diǎn)對區(qū)塊鏈技術(shù)很重要。Markle樹就是一基于哈希方法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所生成的樹中的每一個非葉子節(jié)點(diǎn)都是節(jié)點(diǎn)自身所包含的葉子節(jié)點(diǎn)的哈希散列值[4]，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中所有記錄節(jié)點(diǎn)再利用Markle樹的哈希過程生成唯一的Markle根并存儲于區(qū)塊頭中。區(qū)塊體則主要記錄當(dāng)前區(qū)塊的相關(guān)交易數(shù)據(jù)以及整個網(wǎng)絡(luò)中所更新的數(shù)據(jù)信息。各數(shù)據(jù)區(qū)塊依據(jù)區(qū)塊頭的相關(guān)信息依次相連形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。

圖1　區(qū)塊結(jié)構(gòu)

1.2　區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)

組網(wǎng)方式：區(qū)塊鏈系統(tǒng)利用P2P方式來組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，形成一個去中心化的P2P點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，由于整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中沒有任何中心化的管理機(jī)構(gòu)和特殊節(jié)點(diǎn)，整個網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)的地位對等且以相對扁平化的拓?fù)浞绞交ヂ?lián)互通，可同時充當(dāng)客戶端和服務(wù)器端。同時，在整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，每個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都存儲了區(qū)塊鏈的全部數(shù)據(jù)信息，在這種全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)式數(shù)據(jù)架構(gòu)下，每個節(jié)點(diǎn)可以不依賴于其他節(jié)點(diǎn)獨(dú)立完成數(shù)據(jù)的查詢與更新，另外，由于數(shù)據(jù)有多個備份，個別節(jié)點(diǎn)的加入或離開不會影響到整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和健壯性，也使得數(shù)據(jù)信息被惡意篡改的可能性更小，保證了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的前后一致性。

非對稱加密：由于P2P網(wǎng)絡(luò)沒有中心化的硬件或權(quán)威機(jī)構(gòu)，為解決網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)信息的相互信任問題，區(qū)塊鏈系統(tǒng)采用非對稱加密算法以滿足網(wǎng)絡(luò)安全性和所有權(quán)驗證的實際需求。非對稱加密通常需要兩個密鑰：公開密鑰和私有密鑰[5]。在其加密和解密過程中，首先用其中一個密鑰（公鑰或私鑰）進(jìn)行數(shù)據(jù)加密后，只有與之相對應(yīng)的另一個密鑰（私鑰或公鑰）才能進(jìn)行數(shù)據(jù)解密操作，其次公鑰可以向其他方公開，而私鑰則只有操作方自己知曉。相比于對稱加密技術(shù)，其安全性更好，常見的非對稱加密算法有 ：RSA，Elgmal，D-H，Rabin，ECC等。

區(qū)塊鏈中各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都有各自特定的公鑰和私鑰，其中公鑰公開給全網(wǎng)用戶，私鑰則由用戶自己保存。特定信息被用戶用私鑰加密后，其他節(jié)點(diǎn)用戶可用對應(yīng)的公鑰解密信息，同時，私鑰用戶加密時可在數(shù)據(jù)尾部加注數(shù)字簽名信息，其他節(jié)點(diǎn)用戶在用公鑰解密后可通過相關(guān)簽名信息驗證數(shù)據(jù)的合法性和真實性。

2　區(qū)塊鏈應(yīng)用的實際訪問過程

考慮區(qū)塊鏈協(xié)議的訪問過程，如果用符號對(,)S∏表示區(qū)塊鏈協(xié)議，其中表示狀態(tài)算法，輸入特征值k并維持局部狀態(tài)量state.算法 S ( k, s tate)輸出記錄的有序序列我們稱S( k, s t ate)為一個參與者的記錄鏈，且其特征值為k，局部狀態(tài)量為state。算法通過封裝有效語義值V來實現(xiàn)特征參數(shù)化，以表示，旨在達(dá)到原區(qū)塊鏈設(shè)計所想要實現(xiàn)的目標(biāo)。

定義1：假設(shè)Z為一次執(zhí)行環(huán)境，A為某一消息傳播者，參與方(1,2,......,)n，執(zhí)行過程在模型時間步長的回合中進(jìn)行。如果在回合r，參與方在執(zhí)行環(huán)境Z接收一條消息（記錄），然后，它可以執(zhí)行相關(guān)操作，并向其他參與方廣播信息，并更新其局部狀態(tài)量是參與方i的本地狀態(tài)集。采用表示一個聯(lián)合所有各方意見的隨機(jī)變量，顯然，這一聯(lián)合視圖能決定區(qū)塊鏈執(zhí)行過程。

3　區(qū)塊鏈應(yīng)用的特點(diǎn)

區(qū)塊鏈這一特殊的數(shù)據(jù)組成形式，使相關(guān)區(qū)塊鏈技術(shù)主要有以下幾個特點(diǎn)[6]：去中心化，透明公開性，腳本智能自動執(zhí)行，可追溯性。

去中心化主要體現(xiàn)在整個網(wǎng)絡(luò)中沒有強(qiáng)制性的特定控制中心，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)具有同樣的義務(wù)和權(quán)利，而全網(wǎng)數(shù)據(jù)在多個節(jié)點(diǎn)互為備份，互為補(bǔ)充，互為監(jiān)督。這樣，如果某個節(jié)點(diǎn)想進(jìn)行篡改數(shù)據(jù)的單方面操作，其成本將非常高，也幾乎不太可能同時修改所有節(jié)點(diǎn)的備份數(shù)據(jù)。這樣，存儲數(shù)據(jù)的安全可靠性有了較高的保障，另一方面，由于其高度分布式自治結(jié)構(gòu)，任意網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的異?；驌p壞不會影響到整個區(qū)塊鏈，保證了整個數(shù)據(jù)系統(tǒng)具有較高的魯棒性。

透明公開性主要體現(xiàn)在整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則透明公開，任意數(shù)據(jù)的操縱、更新等也對所有節(jié)點(diǎn)透明公開，其數(shù)據(jù)為全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)所共享，并共同維護(hù)這一特定組織網(wǎng)絡(luò)。任意節(jié)點(diǎn)之間很難互相欺騙，從而保證了各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間較高的信任忠誠度，極大降低了整體信用成本。

腳本智能自動執(zhí)行主要是指區(qū)塊鏈技術(shù)能夠為用戶提供方便靈活的腳本代碼系統(tǒng)，用戶可以加入一系列的通過腳本實現(xiàn)的智能合約，在合約中設(shè)置一定的前置條件，區(qū)塊鏈系統(tǒng)自動判斷執(zhí)行的前置條件，當(dāng)所有條件都達(dá)到設(shè)定值時，區(qū)塊鏈系統(tǒng)能夠在沒有第三方監(jiān)督的情況下，自動強(qiáng)制執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的合約條款，能夠有效保障合約的正常執(zhí)行，降低了合約執(zhí)行的人力、物力成本。

可追溯性主要體現(xiàn)在區(qū)塊鏈中的所有節(jié)點(diǎn)在區(qū)塊頭中有數(shù)據(jù)區(qū)塊的時間記錄信息：包括區(qū)塊寫入與交易時間，同時，交易的完整傳遞路徑也能被記錄和追溯，不易被篡改，這一特性也為區(qū)塊鏈技術(shù)增加了時間維度，為數(shù)據(jù)的可追溯性提供了重要支持。

4　總結(jié)與展望

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種新的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，因其公開透明，去中心化，可編程，可信度高等特點(diǎn)，正受到越來越多的關(guān)注，產(chǎn)業(yè)界最近幾年對區(qū)塊鏈技術(shù)的重視也在不斷提高。當(dāng)然，我們也應(yīng)看到，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的實際應(yīng)用還比較少，其應(yīng)用范圍還比較窄，目前在全球范圍內(nèi)最成熟的應(yīng)用還是比特幣系統(tǒng)，將區(qū)塊鏈技術(shù)從金融交易領(lǐng)域應(yīng)用到其他領(lǐng)域，仍然有一定的行業(yè)壁壘和相對不確定性，還需要相關(guān)產(chǎn)業(yè)與研究人員不斷努力，積累應(yīng)用經(jīng)驗，推動區(qū)塊鏈技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。