區(qū)塊鏈技術(shù):應(yīng)用及問題

翟社平, 段宏宇, 李兆兆, 高　山, 李　婧

(西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 陜西 西安 710121)

區(qū)塊鏈?zhǔn)鞘褂梅植际綌?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行識(shí)別、傳播和記載信息的智能化對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，也稱價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)[1]。區(qū)塊鏈技術(shù)最初是為了解決傳統(tǒng)中心化交易存在的不可信第三方問題所提出的方案，它基于去中心化的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，將密碼學(xué)原理、時(shí)序數(shù)據(jù)和共識(shí)機(jī)制相結(jié)合，來保障分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中各節(jié)點(diǎn)的連貫和持續(xù)，使信息能即時(shí)驗(yàn)證、可追溯、難以篡改和無法屏蔽，進(jìn)而創(chuàng)造了一套隱私、高效、安全的共享價(jià)值體系[2]。發(fā)展至今，區(qū)塊鏈不單局限于數(shù)字貨幣應(yīng)用，其與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)相結(jié)合，在多領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。區(qū)塊鏈技術(shù)有望改變互聯(lián)網(wǎng)治理模式，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)成為新型信用基礎(chǔ)設(shè)施，其在各行業(yè)中的應(yīng)用將深刻顛覆人們的傳統(tǒng)生活方式，因此，它將成為世界各國(guó)在新一代信息技術(shù)領(lǐng)域戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。

詳細(xì)闡述區(qū)塊鏈涉及到的區(qū)塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、區(qū)塊數(shù)據(jù)傳輸與同步、節(jié)點(diǎn)共識(shí)、非對(duì)稱加密、智能合約等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)從擴(kuò)展性、安全性、隱私保護(hù)三個(gè)方面說明區(qū)塊鏈技術(shù)的現(xiàn)存問題。

1　區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)

1.1　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：多技術(shù)組合創(chuàng)新的起源階段、以比特幣關(guān)鍵技術(shù)為代表的區(qū)塊鏈技術(shù)1.0階段、以智能合約為代表的區(qū)塊鏈技術(shù)2.0階段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)區(qū)塊鏈的底層技術(shù)、應(yīng)用場(chǎng)景及市場(chǎng)監(jiān)管展開深入研究，探索區(qū)塊鏈技術(shù)在實(shí)際生活中的應(yīng)用。

國(guó)外針對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的研究開展較早，2014年，美國(guó)以太坊平臺(tái)Ethereum基于區(qū)塊鏈為用戶提供可編程智能合約開發(fā)服務(wù)[3]。2015年，IBM宣布加入?yún)^(qū)塊鏈開放式賬本。同年，微軟公司在Azure云計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)上推出了區(qū)塊鏈即服務(wù)(blockchain as a service，BAAS)[4]。雖然國(guó)內(nèi)區(qū)塊鏈起步比國(guó)外晚2至3年，但熱度爆發(fā)的速度更快。2016年2月，全球首家專注網(wǎng)絡(luò)空間設(shè)施創(chuàng)新的中關(guān)村區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在北京成立。2016年10月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《中國(guó)區(qū)塊鏈白皮書》[5]，這是國(guó)內(nèi)首個(gè)落地的區(qū)塊鏈官方指導(dǎo)文件。2017年3月，國(guó)內(nèi)首個(gè)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能合約平臺(tái)“信和云”由阿里巴巴與普華永道合作推出。2017年4月，騰訊發(fā)布區(qū)塊鏈平臺(tái)Trust SQL，為上層應(yīng)用場(chǎng)景提供區(qū)塊鏈基礎(chǔ)服務(wù)。2017年9月，上海保交所發(fā)布區(qū)塊鏈底層技術(shù)平臺(tái)，為保險(xiǎn)行業(yè)交易提供區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施。

從技術(shù)發(fā)展角度來看，區(qū)塊鏈技術(shù)正處于發(fā)展的期望膨脹期。在行業(yè)應(yīng)用需求的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)也投入大量的人力和財(cái)力對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)展開研究。從計(jì)算機(jī)軟件及計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科角度出發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)外高影響因子文獻(xiàn)進(jìn)行分析，在區(qū)塊鏈技術(shù)綜述、區(qū)塊鏈技術(shù)研究和區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用三個(gè)方面給出分類總結(jié)。從表1中可以看出，目前區(qū)塊鏈的相關(guān)文獻(xiàn)主要集中于底層技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景研究，技術(shù)綜述型文獻(xiàn)較少。通過對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)研究型的已有文獻(xiàn)來看，研究者們的主要關(guān)注點(diǎn)集中在系統(tǒng)框架開發(fā)、數(shù)據(jù)安全和智能化平行區(qū)塊鏈三個(gè)方面，并有學(xué)者指出未來區(qū)塊鏈的發(fā)展是基于人工智能的平行區(qū)塊鏈，這也將是區(qū)塊鏈技術(shù)驅(qū)動(dòng)的智能產(chǎn)業(yè)必然發(fā)展趨勢(shì)。

表1　區(qū)塊鏈文獻(xiàn)分析

1.2　分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

相比于傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)、極易遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊的特性[39]，區(qū)塊鏈采用分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，以特殊的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存放數(shù)據(jù)，只提供寫、讀權(quán)限，不允許修改和刪除，并且全網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保存完整數(shù)據(jù)的副本，單節(jié)點(diǎn)故障并不影響系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)使得所有數(shù)據(jù)都可追蹤，數(shù)據(jù)安全性得到較大提高[40]。區(qū)塊鏈可描述為一個(gè)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，它將一段時(shí)間內(nèi)的交易以Merkle樹形式組織，將數(shù)據(jù)和代碼封裝形成區(qū)塊，按照時(shí)間順序依次組織區(qū)塊，同時(shí)利用密碼學(xué)原理保證了數(shù)據(jù)不可篡改和偽造。區(qū)塊鏈的分布式存儲(chǔ)涉及區(qū)塊結(jié)構(gòu)、Merkle樹、時(shí)間戳和SHA256算法等關(guān)鍵技術(shù)。

區(qū)塊是包含區(qū)塊鏈全網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由包含元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)頭和包含所有交易數(shù)據(jù)的區(qū)塊體共同組成[41]。

區(qū)塊的字段結(jié)構(gòu)如表2所示，前一區(qū)塊哈希是區(qū)塊成鏈的關(guān)鍵字段，該字段是對(duì)上一個(gè)區(qū)塊的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行哈希運(yùn)算所得的結(jié)果，各個(gè)區(qū)塊利用該哈希值依次連接，形成從創(chuàng)世區(qū)塊到當(dāng)前區(qū)塊的一條最長(zhǎng)主鏈，記錄了完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)信息，提供區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的溯源和定位功能，區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

表2　區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

圖1　區(qū)塊鏈鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

SHA256是一種求哈希值的加密算法，任何一串?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)過SHA256運(yùn)算得到256位的Hash值[42]。相同的數(shù)據(jù)輸入將得到相同的結(jié)果，輸入數(shù)據(jù)只要稍有變化則得到完全不同的結(jié)果，正向計(jì)算(由數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)的Hash值)十分容易，逆向計(jì)算(由Hash計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)據(jù))非常難。區(qū)塊鏈不直接保存原有數(shù)據(jù)和交易記錄，而是將原始交易記錄經(jīng)過散列運(yùn)算，得到一定長(zhǎng)度的散列值，將這串字母與數(shù)字組成的定長(zhǎng)字符串記錄到區(qū)塊。區(qū)塊鏈?zhǔn)褂秒pSHA256散列函數(shù)，將任意長(zhǎng)度原始交易記錄經(jīng)過2次SHA256散列運(yùn)算，得到一串256位的散列值，便于存儲(chǔ)和查找[43]。同時(shí)，SHA256函數(shù)也用于區(qū)塊鏈的工作量證明，系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)尋找一個(gè)隨機(jī)數(shù)，使新區(qū)塊頭的雙SHA256散列值小于或等于目標(biāo)散列值，并加入難度值，使區(qū)塊相關(guān)數(shù)學(xué)問題的解決時(shí)間平均為10分鐘，進(jìn)而使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)的出塊時(shí)間維持在10分鐘，保證區(qū)塊鏈系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

時(shí)間戳以Unix紀(jì)元為時(shí)間編碼，采用精確的時(shí)間源、高強(qiáng)度高標(biāo)準(zhǔn)的安全機(jī)制，以確認(rèn)區(qū)塊鏈系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)在某一時(shí)間的存在性和相關(guān)操作的相對(duì)時(shí)間順序，為區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的時(shí)間防抵賴提供基礎(chǔ)服務(wù)[44-45]。時(shí)間戳表示區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)在某個(gè)特定時(shí)間之前就已經(jīng)存在，且數(shù)據(jù)完整、可驗(yàn)證、可追溯，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中每一個(gè)區(qū)塊生成時(shí)都必須加蓋時(shí)間戳才可以向全網(wǎng)廣播。時(shí)間戳作為區(qū)塊數(shù)據(jù)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，還為未來基于區(qū)塊鏈技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)增加了時(shí)間維度，使通過區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)和時(shí)間戳來重現(xiàn)歷史成為可能。

Merkle樹是一種哈希二叉樹，最初是由著名的密碼學(xué)家Merkle提出的，用于快速校驗(yàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的完整性[46]。Merkle樹極大地提高了區(qū)塊鏈的運(yùn)行效率和可擴(kuò)展性，使得區(qū)塊頭只需包含哈希值而不必封裝底層數(shù)據(jù)。另外，Merkle樹的查找算法簡(jiǎn)單，即在不需要運(yùn)行完整區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的情況下，也能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，極大地降低了運(yùn)行時(shí)的資源占用。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，使用Merkle樹組織交易數(shù)據(jù)，提供交易數(shù)據(jù)的快速追蹤，其構(gòu)建過程自底向上。

如圖2所示，首先對(duì)某時(shí)間段內(nèi)的交易數(shù)據(jù)分別進(jìn)行哈希運(yùn)算得到對(duì)應(yīng)哈希序列，將哈希序列存儲(chǔ)至相應(yīng)葉子節(jié)點(diǎn)中，對(duì)相鄰葉子節(jié)點(diǎn)的哈希值進(jìn)行哈希運(yùn)算，如此遞歸操作直至只剩頂部的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即Merkle根，并將該節(jié)點(diǎn)記入?yún)^(qū)塊頭中[47-48]。

Merkle構(gòu)建算法可描述如下。

輸入交易數(shù)據(jù)

輸出Merkle根哈希值

步驟1對(duì)交易數(shù)據(jù)做雙重SHA256運(yùn)算，即

Node0i= SHA256(SHA256(Data0i))
(i=1,2,3,4)。

步驟2相鄰兩個(gè)Hash塊串聯(lián)，進(jìn)行雙重SHA256運(yùn)算。

步驟3遞歸操作步驟2，直至只剩頂部一個(gè)結(jié)點(diǎn)。

步驟4返回Merkle根哈希。

圖2　Merkle樹

哈希算法、時(shí)間戳、Merkle樹是區(qū)塊頭的重要組成部分，交易數(shù)據(jù)則是區(qū)塊體存儲(chǔ)的重要信息。區(qū)塊鏈綜合應(yīng)用多種技術(shù)就是為了確保新交易數(shù)據(jù)的快速生成、安全傳播和有效驗(yàn)證，并且最終添加至整個(gè)分布式總賬即區(qū)塊鏈中，全網(wǎng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有總賬的副本以確保交易數(shù)據(jù)一致可靠且不可篡改。在區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)中，交易的基本單位被定義成未花費(fèi)交易輸出(unspent transaction output，UTXO)，指記錄于區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的無法再細(xì)分、被所有者“鎖住”并被整個(gè)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別成貨幣單位的一定量的貨幣。每一個(gè)交易可以分為交易輸入和交易輸出兩部分，交易輸入和交易輸出包含用來驗(yàn)證交易合法性的腳本。輸出腳本明確了下一筆交易取得當(dāng)前UTXO使用權(quán)的條件，又稱鎖定腳本，通常包含公鑰的哈希。輸入腳本說明了鎖定腳本在其交易輸出上所設(shè)定的花費(fèi)UTXO的條件，又稱解鎖腳本，通常含有一個(gè)由用戶私鑰生成的數(shù)字簽名。在交易驗(yàn)證階段，需要將兩個(gè)腳本組合在一起，以堆棧執(zhí)行引擎形式進(jìn)行驗(yàn)證，只有組合腳本驗(yàn)證通過，包含在交易中的UTXO才可以被使用，才可以證明交易有效，從而保證了全網(wǎng)中所有數(shù)據(jù)一致可信。

1.3　對(duì)等網(wǎng)絡(luò)可靠性傳輸技術(shù)

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)采用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)(peer to peer，P2P)[49]技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分布式節(jié)點(diǎn)間通信與數(shù)據(jù)傳輸。不同于傳統(tǒng)中心化網(wǎng)絡(luò)模式，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有相同的數(shù)據(jù)操作權(quán)限，以扁平式拓?fù)浞绞较嗷ミB通和交互，不存在任何中心化的特殊節(jié)點(diǎn)和層級(jí)結(jié)構(gòu)。所有節(jié)點(diǎn)之間均通過特定的軟件協(xié)議共享部分計(jì)算資源、軟件或者信息內(nèi)容，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均會(huì)承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)路由、驗(yàn)證交易信息、傳播交易信息、發(fā)現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)等工作[50]。P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是構(gòu)成區(qū)塊鏈技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)的核心技術(shù)之一，區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)間連接的建立以及節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信都基于P2P技術(shù)。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的通信是靠對(duì)等節(jié)點(diǎn)響應(yīng)確認(rèn)并建立連接實(shí)現(xiàn)的，網(wǎng)絡(luò)中的對(duì)等節(jié)點(diǎn)利用verack消息對(duì)version消息確認(rèn)并建立連接，如果接收節(jié)點(diǎn)需要互換連接并連回起始節(jié)點(diǎn)，也會(huì)傳回該對(duì)等節(jié)點(diǎn)的version消息，如圖3所示。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中沒有特殊節(jié)點(diǎn)，但客戶端會(huì)維持一個(gè)列表，列出了長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)，這樣的節(jié)點(diǎn)被稱為“種子節(jié)點(diǎn)”。新節(jié)點(diǎn)并不一定需要與種子節(jié)點(diǎn)建立連接，但可以通過連接到種子節(jié)點(diǎn)來快速發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)。在區(qū)塊鏈客戶端中，起始時(shí)將至少一個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的IP地址提供給正在啟動(dòng)的節(jié)點(diǎn)(該節(jié)點(diǎn)不包含任何區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的組成信息)[51]。在這之后，啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以通過后續(xù)指令建立新的連接，用戶可以使用命令行參數(shù)把啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)“引薦”并連接到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并將該節(jié)點(diǎn)用作DNS種子。在種子節(jié)點(diǎn)被用于形成“引薦”信息之后，客戶端會(huì)斷開與它的連接、并與新發(fā)現(xiàn)的對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

圖3　對(duì)等節(jié)點(diǎn)“握手”通信

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)使用廣播的方式傳播交易信息，當(dāng)建立一個(gè)或多個(gè)連接后，新節(jié)點(diǎn)將一條包含自身IP地址的addr消息發(fā)送給其相鄰節(jié)點(diǎn)。相鄰節(jié)點(diǎn)再將此條addr消息依次轉(zhuǎn)發(fā)給其各自的相鄰節(jié)點(diǎn)，從而保證新節(jié)點(diǎn)信息被多個(gè)節(jié)點(diǎn)所接收，保證連接更穩(wěn)定。另外，新接入的節(jié)點(diǎn)可以向它的相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送getaddr消息，要求它們返回其已知對(duì)等節(jié)點(diǎn)的IP地址列表。通過這種方式，節(jié)點(diǎn)可以找到需要連接到的對(duì)等節(jié)點(diǎn)，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布它的消息以便其他節(jié)點(diǎn)查找，圖4描述了這種地址發(fā)現(xiàn)過程。

圖4　地址廣播發(fā)現(xiàn)

1.4　共識(shí)機(jī)制

共識(shí)機(jī)制在去中心化的思想上解決了節(jié)點(diǎn)間互相信任的問題，使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)達(dá)成一致，有效避免了分布式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延遲、傳輸錯(cuò)誤、黑客入侵等問題[52]。目前常用的共識(shí)機(jī)制有工作量證明(proof of work，POW)、權(quán)益證明(proof of stake，POS)、股份授權(quán)證明(delegated proof of stake，DPOS)、實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(practical byzantine fault tolerance，PBFT)等。

POW是區(qū)塊鏈系統(tǒng)最早使用的共識(shí)機(jī)制之一，它通過引入分布式系統(tǒng)的強(qiáng)大算力來達(dá)成共識(shí)。區(qū)塊鏈的共識(shí)的達(dá)成實(shí)質(zhì)上是新區(qū)塊的生成過程，所有參與“挖礦”的節(jié)點(diǎn)都在遍歷尋找一個(gè)隨機(jī)數(shù)，這個(gè)隨機(jī)數(shù)使得當(dāng)前區(qū)塊的區(qū)塊頭的雙SHA256運(yùn)算結(jié)果小于或等于某個(gè)值，找到符合要求隨機(jī)數(shù)的節(jié)點(diǎn)獲得當(dāng)前區(qū)塊的記賬權(quán)，負(fù)責(zé)將一定時(shí)間內(nèi)的交易數(shù)據(jù)打包形成新區(qū)塊，并廣播至全網(wǎng)，從而獲得一定數(shù)額的Coinbase獎(jiǎng)勵(lì)[53]，工作量證明過程如下。

(1) 將當(dāng)前階段全網(wǎng)交易打包進(jìn)區(qū)塊，組成交易列表，通過Merkle樹構(gòu)建算法生成Merkle根哈希。

(2) 把Merkle根哈希及其他相關(guān)字段組裝成區(qū)塊頭，將區(qū)塊頭的80字節(jié)數(shù)據(jù)作為工作量證明的輸入記為Block_Header，隨機(jī)數(shù)初始值置0。

(3) 不斷變更隨機(jī)數(shù)的數(shù)值，并對(duì)每次變更后的的區(qū)塊頭做雙重SHA256運(yùn)算(即SHA256(SHA256(Block_Header)))，將結(jié)果值與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)值做對(duì)比，如果小于目標(biāo)值，則解題成功，工作量證明完成[54]。區(qū)塊鏈系統(tǒng)規(guī)定每經(jīng)過2016個(gè)區(qū)塊對(duì)難度目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，使得每個(gè)區(qū)塊的生成時(shí)間保持在10分鐘，新難度目標(biāo)的計(jì)算公式為

其中，Tnew是新難度目標(biāo)，Told是舊難度目標(biāo)，Ttotal指過去2016個(gè)區(qū)塊的生成總時(shí)間。目標(biāo)難度的調(diào)整由區(qū)塊鏈系統(tǒng)自行完成，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

POS是為解決POW共識(shí)的資源浪費(fèi)和安全性缺陷而提出的替代方案，它采用權(quán)益證明來代替POW中工作量證明，由系統(tǒng)中具有最高權(quán)益而非最高算力的節(jié)點(diǎn)獲得區(qū)塊記賬權(quán)[55]。POS是根據(jù)錢包里面貨幣的多少以及貨幣在錢包里存在的天數(shù)來合成一個(gè)單位，稱為“幣天”，錢包里的幣天數(shù)越大的節(jié)點(diǎn)擁有記賬權(quán)的概率就越大[56]。POS機(jī)制僅依靠?jī)?nèi)部幣齡和權(quán)益而不需要消耗外部算力和資源，從根本上解決了POW共識(shí)算力資源浪費(fèi)的問題，但同時(shí)丟棄了POW的一些優(yōu)勢(shì)，因此更容易造成分叉[57]，一筆交易需要等待更多確認(rèn)才能確保安全，鏈中數(shù)據(jù)有極大可能被篡改，存在一定的安全隱患。

DPOS是基于POS衍生出的更專業(yè)的解決方案，是類似于董事會(huì)的投票機(jī)制，由全網(wǎng)所有持有數(shù)字貨幣的人投票選舉出n個(gè)記賬節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)中提案者提交的提案被這些記賬節(jié)點(diǎn)投票決定誰(shuí)是正確的[55]。被選出的特權(quán)節(jié)點(diǎn)不具備永久性，一旦在生成區(qū)塊的時(shí)候由于網(wǎng)絡(luò)故障、節(jié)點(diǎn)宕機(jī)、惡意行為等原因未能生成，節(jié)點(diǎn)被除名，再次選舉新節(jié)點(diǎn)來替代，除名選舉在系統(tǒng)中時(shí)刻進(jìn)行。DPOS共識(shí)機(jī)制中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能自主決定其信任的授權(quán)節(jié)點(diǎn)并由這些節(jié)點(diǎn)輪流記賬生成新區(qū)塊，因而大幅減少了參與驗(yàn)證和記賬的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)快速驗(yàn)證，但是一定程度上失去了去中心化的概念。

PBFT是一種采用許可投票、少數(shù)服從多數(shù)來選舉領(lǐng)導(dǎo)者進(jìn)行記賬的共識(shí)機(jī)制，但此共識(shí)機(jī)制允許容錯(cuò)。該共識(shí)機(jī)制允許強(qiáng)監(jiān)管節(jié)點(diǎn)參與，具備權(quán)限分級(jí)能力，性能更高且耗能更低，每輪記賬都會(huì)由全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)共同選舉領(lǐng)導(dǎo)者，允許33%的節(jié)點(diǎn)作惡，容錯(cuò)性為33%。PBFT機(jī)制共識(shí)效率高，可實(shí)現(xiàn)高頻交易，但當(dāng)系統(tǒng)只剩下33%的節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)停止運(yùn)行。

以上四個(gè)共識(shí)機(jī)制各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中POW機(jī)制是去中心化程度最高的共識(shí)機(jī)制，DPOS機(jī)制可以理解為多中心化的機(jī)制。區(qū)塊鏈系統(tǒng)開發(fā)者往往結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的共識(shí)機(jī)制，其特點(diǎn)對(duì)比如表3所示。

表3　共識(shí)機(jī)制特點(diǎn)對(duì)比表

1.5　非對(duì)稱加密機(jī)制

非對(duì)稱加密是為滿足安全性需求和所有權(quán)驗(yàn)證需求而集成到區(qū)塊鏈中的加密技術(shù)，在加密和解密過程中使用兩個(gè)非對(duì)稱密碼，稱為公鑰和私鑰。公鑰可公開發(fā)布，用于發(fā)送方加密要發(fā)送的信息，私鑰用于接收方解密接收到的加密內(nèi)容。常見的非對(duì)稱加密算法有RSA算法、Elgamal算法、橢圓曲線密碼(elliptic curves cipher，ECC)等[58]。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，使用RSA進(jìn)行數(shù)字簽名、數(shù)字加密，使用橢圓曲線加密算法生成區(qū)塊鏈系統(tǒng)交易地址。

區(qū)塊鏈?zhǔn)褂脭?shù)字簽名確認(rèn)消息是由發(fā)送方簽名并發(fā)出的，信息發(fā)送者用自己的私鑰對(duì)待發(fā)送信息進(jìn)行加密發(fā)送給接收者，接收者采用發(fā)送者對(duì)應(yīng)的公鑰對(duì)加密信息進(jìn)行解密獲得原始信息[59]。以圖5“交易2”為例，“交易2”的簽名過程是付款人(用戶1)來完成的，用已經(jīng)公開的收款人(用戶2)的公鑰加密上一筆交易單數(shù)據(jù)，算出哈希值x，付款人(用戶1)用付款人私鑰對(duì)x進(jìn)行加密，得到付款人(用戶1)簽名，將付款人簽名附加在交易單中，發(fā)給收款人(用戶2)。

圖5　交易簽名和驗(yàn)證過程

區(qū)塊鏈通過交易驗(yàn)證確認(rèn)交易單是否有效。交易的接收方會(huì)首先驗(yàn)證交易的有效性。以圖5“交易2”為例，驗(yàn)證過程是收款人(用戶2)來完成的，用公開的付款人(用戶1)的公鑰來解密用戶1的私鑰，進(jìn)一步解密付款人(用戶1)的簽名，得到哈希值x。收款人(用戶2)利用自己的公鑰和上一交易單的數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希計(jì)算，也得到另一個(gè)散列值y。如果這個(gè)y和之前交易簽名的x一樣，交易單有效。

區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易地址標(biāo)識(shí)的生成過程如圖6所示，系統(tǒng)首先使用隨機(jī)數(shù)生成器生成一個(gè)256位二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)作為私鑰，該私鑰不直接提供給用戶，對(duì)其進(jìn)行SHA256哈希運(yùn)算生成256位的哈希序列，之后經(jīng)區(qū)塊鏈自定義方案即Base58Check編碼方案將哈希值和校驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一種字母-數(shù)字表示，形成50字符長(zhǎng)度的易識(shí)別字符提供給用戶。二進(jìn)制公鑰通過Secp256k1橢圓曲線加密算法生成65字節(jié)的非壓縮公鑰，該非壓縮公鑰被定義成一個(gè)點(diǎn)，即K=(x，y)，生成過程是

K=k*G，

其中k是二進(jìn)制私鑰，G是橢圓曲線的中被稱為生成點(diǎn)的一個(gè)常數(shù)點(diǎn)，定義為

G=0279BE667EF9DCBBAC55A0
6295CE870B07029BFCDB2D
CE28D959F2815B16F81798，

K是所得公鑰，“*”則是橢圓曲線乘運(yùn)算[60]。該公鑰用來生成區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易賬戶地址標(biāo)識(shí)[61]，首先對(duì)公鑰進(jìn)行兩次SHA256哈希運(yùn)算，得到一個(gè)32字節(jié)的字符串，取運(yùn)算結(jié)果的前4字節(jié)作為公鑰哈希的校驗(yàn)碼，將其鏈接在20字節(jié)公鑰的尾部，最后對(duì)得到的24字節(jié)字符串進(jìn)行Base58編碼轉(zhuǎn)化，形成33字符的交易地址標(biāo)識(shí)。

圖6　交易地址生成過程

1.6　智能合約

智能合約是1994年由計(jì)算機(jī)科學(xué)家加密大師尼克·薩博首次提出的概念，當(dāng)時(shí)計(jì)算程序很難控制現(xiàn)實(shí)世界資金的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致智能合約沒有得到很好的應(yīng)用。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)不僅可以支持可編程合約，而且具有去中心化、不可篡改、過程透明、可追蹤等優(yōu)勢(shì)特征，完全適用于智能合約。區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的智能合約技術(shù)是一個(gè)能夠自動(dòng)執(zhí)行合約條款的計(jì)算機(jī)化程序[62]，智能合約以代碼和數(shù)據(jù)集合的形式存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上，通過區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)在時(shí)間或事件的驅(qū)動(dòng)下以分布式的方式執(zhí)行，所有相關(guān)條款都由代碼編成，能夠進(jìn)行自動(dòng)結(jié)算，通過簽名或其他外部數(shù)據(jù)信息觸發(fā)事件來執(zhí)行。

智能合約是能夠使區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)，區(qū)塊鏈技術(shù)中的智能合約包括事務(wù)處理和保存的機(jī)制以及一個(gè)完備的狀態(tài)機(jī)，事務(wù)的保存和狀態(tài)處理都在區(qū)塊鏈上完成，狀態(tài)機(jī)用于接受和處理各種智能合約。事務(wù)主要包含需要發(fā)送的數(shù)據(jù)及對(duì)這些數(shù)據(jù)的描述信息，事務(wù)信息傳入智能合約后，合約資源集合中的資源狀態(tài)會(huì)被更新，進(jìn)而觸發(fā)智能合約進(jìn)行狀態(tài)機(jī)判斷。如果自動(dòng)狀態(tài)機(jī)中某個(gè)或某幾個(gè)動(dòng)作的觸發(fā)條件滿足，則由狀態(tài)機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)信息選擇合約動(dòng)作自動(dòng)執(zhí)行?；趨^(qū)塊鏈的智能合約構(gòu)建及執(zhí)行分為如下幾步，如圖7所示。

圖7　智能合約運(yùn)作機(jī)制

(1) 多方用戶共同參與制定一份智能合約，包含了雙方的權(quán)利和義務(wù)，以電子化的編程機(jī)器語(yǔ)言方式發(fā)布，參與者分別用各自私鑰進(jìn)行簽名以確保合約的有效性。

(2) 合約通過P2P的方式在區(qū)塊鏈全網(wǎng)中擴(kuò)散，區(qū)塊鏈中的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)會(huì)將收到的合約先保存到內(nèi)存中，等待新一輪的共識(shí)時(shí)間，觸發(fā)對(duì)該份合約的共識(shí)和處理，最終達(dá)成一致的合約集合會(huì)以區(qū)塊的形式擴(kuò)散到全網(wǎng)。

(3) 智能合約會(huì)定期檢查自動(dòng)機(jī)狀態(tài)，逐條遍歷每個(gè)合約內(nèi)包含的狀態(tài)機(jī)、事務(wù)以及觸發(fā)條件，滿足觸發(fā)條件的合約將自動(dòng)執(zhí)行。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約不僅可以發(fā)揮成本效率方面的優(yōu)勢(shì)，而且可以避免惡意行為對(duì)合約正常執(zhí)行的干擾。將智能合約以數(shù)字化的形式寫入?yún)^(qū)塊鏈中，由區(qū)塊鏈技術(shù)的特性保障合約的存儲(chǔ)、讀取、執(zhí)行的整個(gè)過程透明可跟蹤且不可篡改，同時(shí)，由區(qū)塊鏈自帶的共識(shí)機(jī)制所構(gòu)建的狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)可以保證智能合約高效運(yùn)行。

2　區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

區(qū)塊鏈在應(yīng)用層面具有安全可靠、公開透明和自動(dòng)化的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)推動(dòng)其應(yīng)用場(chǎng)景從最初單純的數(shù)字貨幣過渡到更廣泛的金融行業(yè)，并且已經(jīng)延伸至社會(huì)系統(tǒng)中的多個(gè)領(lǐng)域。列舉出點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易、文件存儲(chǔ)、健康醫(yī)療、電子存證、版權(quán)管理和農(nóng)產(chǎn)品溯源六個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在這些場(chǎng)景中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述。

(1) 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易

基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易無需第三方中介機(jī)構(gòu)參與，消費(fèi)者能夠自由地進(jìn)行生產(chǎn)和交易，大幅減少信息傳遞過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，提升信息傳輸效率[63]。這種交易模式通過計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)確認(rèn)執(zhí)行雙方交易結(jié)果，即交易確認(rèn)和清算結(jié)算在同一時(shí)間完成，極大提高了金融交易和結(jié)算效率。在區(qū)塊鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易機(jī)制中，非對(duì)稱加密算法和數(shù)字簽名機(jī)制保障了交易賬戶的有效性，工作量證明機(jī)制實(shí)現(xiàn)了記賬權(quán)的公正性，交易參與者可在區(qū)塊鏈上憑借數(shù)字簽名啟用唯一對(duì)應(yīng)的賬戶進(jìn)行交易，其交易信息將被隨機(jī)的第三方角色記錄進(jìn)區(qū)塊鏈永久儲(chǔ)存起來，而所有交易順次相關(guān)聯(lián)的鏈條式記錄保障了交易的可追溯性和防篡改。區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易系統(tǒng)繞過了代理行、中央托管等機(jī)構(gòu)，完善了交易雙方的通訊方式，消除交易對(duì)第三方的依賴，提高了交易效率，增加了數(shù)據(jù)安全性，使得交易市場(chǎng)信息更加透明化。

(2) 文件存儲(chǔ)

當(dāng)前文件存儲(chǔ)模式極易消耗資源、效率低下且容易竊取，將區(qū)塊鏈技術(shù)和云計(jì)算相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)基于區(qū)塊鏈的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以一種安全、高效、廉價(jià)的方式來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)散布在許多節(jié)點(diǎn)上，以密碼學(xué)原理保障數(shù)據(jù)安全。所有用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行碎片化處理，分割成單位區(qū)塊保存，將用戶關(guān)鍵元數(shù)據(jù)信息保存至區(qū)塊鏈中，使用加密算法對(duì)用戶敏感信息進(jìn)行加密以保障隱私。北京郵電大學(xué)區(qū)塊鏈研究實(shí)驗(yàn)室提出一種基于區(qū)塊鏈的云計(jì)算電子取證模型，設(shè)計(jì)適用于取證的區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)改進(jìn)的PBFT共識(shí)算法，有效地對(duì)電子證據(jù)信息進(jìn)行保全和驗(yàn)證，保障取證數(shù)據(jù)的完整性和實(shí)效性[32]。另外，分布式文件云存儲(chǔ)服務(wù)運(yùn)營(yíng)商Sia發(fā)布了一款基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)協(xié)作云服務(wù)[64]，該平臺(tái)具有自動(dòng)化點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的特性，允許用戶在可靠的安全協(xié)議下定制存儲(chǔ)計(jì)劃。平臺(tái)將用戶數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在眾多節(jié)點(diǎn)上，數(shù)據(jù)可以被自動(dòng)化智能合約追蹤，同時(shí)由多階段進(jìn)程提供保護(hù)，并用加密算法Twofish加密，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)非信任的、具有容錯(cuò)能力的文件存儲(chǔ)服務(wù)。

(3) 健康醫(yī)療

區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域可以解決病歷隱私泄露、數(shù)據(jù)共享不安全、保險(xiǎn)索賠的低效等問題，其可追溯的特點(diǎn)及其分布式存儲(chǔ)技術(shù)可以把醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間孤立的數(shù)據(jù)連接起來。利用區(qū)塊鏈技術(shù)存儲(chǔ)醫(yī)療數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)添加時(shí)間戳字段保障來源，實(shí)現(xiàn)病歷泄露源精準(zhǔn)定位、電子病歷的多方查看權(quán)限，確保數(shù)據(jù)不被篡改，有助于精準(zhǔn)醫(yī)療，易于醫(yī)療數(shù)據(jù)擴(kuò)展，最終實(shí)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全有序共享。研究者針對(duì)各醫(yī)療機(jī)構(gòu)間共享數(shù)據(jù)困難的問題，利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)基于區(qū)塊鏈的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享模型，在將病人隱私信息加密存儲(chǔ)的前提下提出分層存儲(chǔ)的思想，在對(duì)現(xiàn)有醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上配合使用改進(jìn)的共識(shí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了方便、安全、快捷的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享。在實(shí)際應(yīng)用中，雷盈科技公司團(tuán)隊(duì)開發(fā)出“超級(jí)醫(yī)療賬本”項(xiàng)目[65]，將病歷信息加密保存在區(qū)塊鏈中，設(shè)置一定的訪問控制策略，跨院醫(yī)生需經(jīng)病人同意才可調(diào)取電子病歷，旨在將病歷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化加密數(shù)字資產(chǎn)，建造健康檔案共享與數(shù)據(jù)流通系統(tǒng)。

(4) 電子存證

區(qū)塊鏈電子存證系統(tǒng)以區(qū)塊鏈作為底層技術(shù)，解決互聯(lián)網(wǎng)世界中電子數(shù)據(jù)的易變性、無痕性和不易歸檔性等固有問題，讓電子數(shù)據(jù)可證明、可追溯、可信賴。區(qū)塊鏈存證是將需要存證的信息加上隨機(jī)數(shù)生成哈希值[66]，再由利益相關(guān)人或見證人簽名并生成哈希，最后記錄在區(qū)塊鏈上。用戶可以將電子文件的簽署時(shí)間、簽署主體、文件哈希值等的數(shù)字指紋信息同步保存至區(qū)塊鏈，司法鑒定中心與公證處等機(jī)構(gòu)作為認(rèn)證節(jié)點(diǎn)接入?yún)^(qū)塊鏈，廣播某個(gè)電子憑證的哈希，實(shí)現(xiàn)鏈上存證，提供法律效力，防范電子文件毀損或丟失造成的法律風(fēng)險(xiǎn)，保障參與方的權(quán)益。除司法機(jī)構(gòu)之外的節(jié)點(diǎn)完成實(shí)名認(rèn)證、模板處理、文件合并等各種業(yè)務(wù)功能，可以實(shí)現(xiàn)鏈上直接驗(yàn)證憑證真?zhèn)危灰坏┊a(chǎn)生糾紛，用戶下載電子文件全文，將文件數(shù)據(jù)與之前存證的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)后，即可生成相應(yīng)的鑒定報(bào)告，維護(hù)自身合法權(quán)益。區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)的電子文件都會(huì)進(jìn)行加密處理，即使數(shù)據(jù)被黑客竊取，黑客也無法解密獲取原始數(shù)據(jù)，這樣提高了數(shù)據(jù)存證的安全性。

(5) 版權(quán)管理

現(xiàn)有的版權(quán)管理大多是基于中心化的網(wǎng)站，存在內(nèi)容不精確、容易遭受攻擊、沒有嚴(yán)格可信的可追溯性等缺點(diǎn)，而區(qū)塊鏈技術(shù)與逐漸增強(qiáng)的版權(quán)保護(hù)意識(shí)不謀而合。區(qū)塊鏈技術(shù)的時(shí)間戳和非對(duì)稱密碼學(xué)加密的特性保證了區(qū)塊數(shù)據(jù)不能被偽造和篡改，上傳至區(qū)塊鏈的每一個(gè)信息區(qū)塊都擁有自己獨(dú)有的時(shí)間戳和哈希值，版權(quán)所有人對(duì)于版權(quán)的每次交易活動(dòng)如授權(quán)、分發(fā)、跟蹤、使用、銷毀等都會(huì)根據(jù)時(shí)間形成一條獨(dú)一無二的副鏈，這為版權(quán)糾紛的舉證提供了有力幫助。同時(shí)分布式存儲(chǔ)讓區(qū)塊鏈具有了透明性和公開性，只要進(jìn)行過區(qū)塊鏈注冊(cè)的人，均可知道作品的歸屬權(quán)等相關(guān)信息。區(qū)塊鏈技術(shù)還為版權(quán)所有者提供了可編程的腳本系統(tǒng)，版權(quán)所有者可以靈活設(shè)置條件來對(duì)版權(quán)進(jìn)行授權(quán)，例如通過智能合約，版權(quán)所有者可以設(shè)置通過支付一定數(shù)量的貨幣后，支付人可以獲得一個(gè)擁有查看作品權(quán)限的私鑰。國(guó)外已經(jīng)有公司利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)音樂版權(quán)的管理，可以追蹤用戶購(gòu)買音樂的全記錄?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的Colu公司在區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)平臺(tái)[67]，為數(shù)字資產(chǎn)的發(fā)行和分配提供安全渠道，包括音樂作品的上市和注冊(cè)，能夠?yàn)樗惺袌?chǎng)參與者提供更高的透明度和效率。

(6) 農(nóng)產(chǎn)品溯源

基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源綜合利用區(qū)塊鏈技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備和防偽技術(shù)，打通底層區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)智能硬件數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)信息，把采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步上鏈，并接入生態(tài)聯(lián)盟鏈，追溯整個(gè)農(nóng)產(chǎn)品的成長(zhǎng)過程。區(qū)塊鏈能夠圍繞核心企業(yè)搭建一條包括制造商、供應(yīng)商、零售商、物流公司、消費(fèi)者在內(nèi)的信息聯(lián)盟，并將資金流、信息流、貨物流等信息都記錄在這鏈條上。在整個(gè)生產(chǎn)鏈上，從農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)源、培養(yǎng)基地，到加工廠、檢疫部門、物流企業(yè)等環(huán)節(jié)不再存在信息壁壘，所有信息都通過區(qū)塊鏈進(jìn)行流轉(zhuǎn)，并通過共識(shí)算法保證信息的不可篡改，完全真實(shí)可靠。將區(qū)塊鏈技術(shù)運(yùn)用于物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)產(chǎn)品，為物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)產(chǎn)品追溯提供新的解決思路，為推進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品溯源真實(shí)可靠、方便查詢、不可復(fù)制等方面產(chǎn)生巨大作用。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用不局限于以上六個(gè)場(chǎng)景，區(qū)塊鏈技術(shù)將重新定義整個(gè)世界，新業(yè)態(tài)、新模式將不斷衍生?？梢哉f，區(qū)塊鏈技術(shù)是建立價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，將實(shí)現(xiàn)價(jià)值在互聯(lián)網(wǎng)上的自由流通。

3　區(qū)塊鏈技術(shù)面臨的問題

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的廣泛應(yīng)用與研究的不斷深入，區(qū)塊鏈技術(shù)所存在的一些問題逐漸顯現(xiàn)，如區(qū)塊鏈大小與系統(tǒng)交易吞吐量的不平衡、數(shù)據(jù)安全存在隱患、數(shù)據(jù)隱私較難保障等。從區(qū)塊鏈的設(shè)計(jì)和需求出發(fā)，探討區(qū)塊鏈技術(shù)的特征，揭示它在系統(tǒng)可擴(kuò)展性、系統(tǒng)安全性和隱私保護(hù)等方面的問題。

3.1　擴(kuò)展性問題

如今加密貨幣領(lǐng)域面臨的最大問題就是擴(kuò)展性問題[68]，對(duì)于區(qū)塊鏈的實(shí)現(xiàn)框架，擴(kuò)展性主要包括兩個(gè)方面，一是區(qū)塊存儲(chǔ)的擴(kuò)展，另一個(gè)是提升交易吞吐量的擴(kuò)展程度。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)通常是只能追加記錄，而不能修改和刪除記錄。針對(duì)之前數(shù)據(jù)有誤的情況，需要在現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈中增加一條新數(shù)據(jù)，并且再增加一條聲明，表明前述記錄添加有誤，才能保存完整數(shù)據(jù)。只有數(shù)據(jù)完整，新加入的節(jié)點(diǎn)才有能力對(duì)全網(wǎng)的完整交易歷史進(jìn)行驗(yàn)證，而無須信任其他節(jié)點(diǎn)。這種機(jī)制為區(qū)塊鏈的去中心化機(jī)制提供了便利，但是也影響了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。另外，目前主流的支付處理商例如Visa信用卡可以處理2000筆交易/秒，最高可達(dá)56000筆交易/秒，當(dāng)前區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)每秒只能處理7筆。如果單純調(diào)整區(qū)塊鏈中區(qū)塊的大小，使得每個(gè)區(qū)塊可以存放更多交易數(shù)據(jù)，顯然可以提高交易吞吐量。然而區(qū)塊數(shù)據(jù)量增大將導(dǎo)致單個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)不能運(yùn)行完整的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，只有可以負(fù)擔(dān)起全節(jié)點(diǎn)資源消耗的商業(yè)機(jī)構(gòu)才可以運(yùn)行完整節(jié)點(diǎn)。全網(wǎng)的算力將集中在部分實(shí)體機(jī)構(gòu)中，這些實(shí)體可以共謀對(duì)區(qū)塊鏈進(jìn)行惡意攻擊或篡改以謀求自身利益最大化。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目足夠多的情況下，全網(wǎng)可以保證抵御51%攻擊，然而節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間交互和通信會(huì)占用更多網(wǎng)絡(luò)資源，這導(dǎo)致區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)處理速度的降低。悉尼大學(xué)構(gòu)建出一個(gè)在公有和私有環(huán)境中工作的區(qū)塊鏈，稱作“紅腹區(qū)塊鏈”，使交易能夠以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行，也能夠在僅限于特定用戶的行業(yè)環(huán)境中進(jìn)行，進(jìn)而使得該區(qū)塊鏈可以在100臺(tái)機(jī)器上每秒處理超過44萬次的交易[69]，但該區(qū)塊鏈仍處于實(shí)驗(yàn)階段，尚未投入使用。因此區(qū)塊鏈的開發(fā)者應(yīng)考慮如何設(shè)計(jì)一個(gè)高性能的區(qū)塊鏈，在保證安全性和網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的前提下提高交易效率。

3.2　安全性問題

區(qū)塊鏈技術(shù)雖然基于密碼學(xué)原理，但并非絕對(duì)安全，主要可以從區(qū)塊鏈加密算法、區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)間的共識(shí)協(xié)議與區(qū)塊鏈公私鑰使用安全性幾個(gè)方面考慮。在算法層面，以目前我國(guó)天河二號(hào)的算力來說，產(chǎn)生區(qū)塊鏈SHA256哈希算法的一個(gè)哈希碰撞大約需要248年，但隨著量子計(jì)算機(jī)等新計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，NP完全問題的破解將成為可能[70]。協(xié)議方面，基于POW共識(shí)過程的區(qū)塊鏈主要面臨的是51%攻擊問題，即節(jié)點(diǎn)通過掌握全網(wǎng)超過51%的算力就有能力成功篡改和偽造區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。51%算力是考慮到區(qū)塊鏈中攻擊者用更大代價(jià)的貨幣來?yè)Q取較小價(jià)值的收益是不劃算的，但區(qū)塊鏈應(yīng)用前景廣闊，不排除攻擊者為了某種目的不惜成本地攻擊，且理論上技術(shù)手段可實(shí)現(xiàn)。使用安全性方面，區(qū)塊鏈技術(shù)一大特點(diǎn)就是不可逆、不可偽造，但前提是私鑰是安全的。私鑰是用戶生成并保管的，沒有第三方參與，私鑰一旦丟失，便無法對(duì)賬戶的資產(chǎn)做任何操作，同時(shí)也無法排除私鑰被他人竊取從而造成數(shù)據(jù)隱私泄露的情況。區(qū)塊鏈大量應(yīng)用了各種密碼學(xué)技術(shù)，屬于算法高度密集工程，在實(shí)現(xiàn)上比較容易出現(xiàn)問題，The DAO項(xiàng)目被攻擊就是一個(gè)典型的例子，2016年由于其智能合約中存在漏洞而被黑客攻擊，損失達(dá)到6000萬美元，本次攻擊是通過代碼的遞歸調(diào)用攻擊合約漏洞實(shí)現(xiàn)的，是對(duì)于區(qū)塊鏈去中心化信任機(jī)制的一次嚴(yán)峻問題。針對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的各種安全問題，應(yīng)考慮綜合應(yīng)用密碼學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)從算法、協(xié)議、使用和實(shí)現(xiàn)方面提高區(qū)塊鏈安全性，應(yīng)對(duì)現(xiàn)存的安全問題。

3.3　隱私保護(hù)問題

區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的隱私一般分為身份隱私和交易隱私兩類，身份隱私是指用戶身份信息和區(qū)塊鏈地址之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，交易隱私是指區(qū)塊鏈存儲(chǔ)的交易記錄和交易記錄背后的知識(shí)。相對(duì)于傳統(tǒng)的中心化架構(gòu)，區(qū)塊鏈機(jī)制不依賴特定中心節(jié)點(diǎn)處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因此能夠避免集中式服務(wù)器單點(diǎn)崩潰和數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)，然而隨著區(qū)塊鏈技術(shù)不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其面臨的隱私泄露問題越來越突出。用戶在使用區(qū)塊鏈地址參與區(qū)塊鏈業(yè)務(wù)時(shí)，有可能泄露一些敏感信息，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中通過賬戶地址標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或交易的傳輸，而一個(gè)地址的統(tǒng)一性無法掩蓋，不同地址之間穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)交易也有跡可循，例如區(qū)塊鏈交易在網(wǎng)絡(luò)中的傳播軌跡，這些信息有可能被用戶推測(cè)區(qū)塊鏈地址對(duì)應(yīng)的真實(shí)身份。此外，交易記錄通常能反映一些敏感數(shù)據(jù)，有可能泄露用戶的隱私，例如在數(shù)字貨幣應(yīng)用中，分析人員通過分析交易記錄可以獲得用戶的交易規(guī)律，甚至能推測(cè)出用戶的身份信息、消費(fèi)水平、位置信息及生活狀態(tài)等。身份隱私和交易隱私是用戶在使用區(qū)塊鏈技術(shù)時(shí)需要重點(diǎn)保護(hù)的內(nèi)容，這些信息一旦泄露有可能對(duì)用戶造成巨大威脅。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)，可以采用基于屬性的密碼訪問控制技術(shù)，將一般訪問控制技術(shù)同密碼學(xué)工具相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)訪問對(duì)象的安全訪問。

4　結(jié)語(yǔ)

作為一種全新的去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)與分布式計(jì)算范式，區(qū)塊鏈在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注。首先，從技術(shù)角度來講，區(qū)塊鏈通過共識(shí)機(jī)制保證全網(wǎng)就區(qū)塊信息達(dá)成一致共識(shí)，網(wǎng)絡(luò)中對(duì)等節(jié)點(diǎn)結(jié)合非對(duì)稱加密機(jī)制共同維護(hù)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全可靠。其次，區(qū)塊鏈去中心化、公開透明和自動(dòng)化的特點(diǎn)消除了對(duì)第三方中介機(jī)構(gòu)的需求，這將促使區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到更多的實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景之中。最后，問題與機(jī)遇并存，區(qū)塊鏈有望成為智能技術(shù)時(shí)代的新動(dòng)力和新引擎，實(shí)現(xiàn)從信息互聯(lián)網(wǎng)向價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)、秩序互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)化，并在多領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性變革。