區(qū)塊鏈綜述：技術(shù)與挑戰(zhàn)

王錫亮,劉學(xué)楓，趙淦森，王欣明*，周子衡 ，莫澤楓

(1.華南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510631；2.唯鏈基金會(huì)，新加坡 018936；3.華南師范大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510631)

0 引言

自2008年被首次提出后[1]，區(qū)塊鏈的概念從加密數(shù)字貨幣逐漸延伸到各行各業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用里。隨著2016年比特幣在資本市場(chǎng)市值趨于100億美元的規(guī)模[2]，大眾對(duì)區(qū)塊鏈的認(rèn)識(shí)亦從比特幣的底層技術(shù)——一個(gè)由對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)和擴(kuò)展的共享賬本轉(zhuǎn)變成為“區(qū)塊鏈+領(lǐng)域”的應(yīng)用發(fā)展模式。認(rèn)知的轉(zhuǎn)變過程說明了區(qū)塊鏈技術(shù)成為全球技術(shù)創(chuàng)新的競(jìng)爭(zhēng)高地。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N集成式創(chuàng)新，其涉及的技術(shù)包括對(duì)等網(wǎng)絡(luò)、拜占庭容錯(cuò)、智能合約以及分布式共識(shí)算法等?；谶@種集成式的技術(shù)堆疊，區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可以在數(shù)字空間里達(dá)成一致信任的去中心化系統(tǒng)。其核心思想是在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的去中心化特性下，通過節(jié)點(diǎn)之間達(dá)成一致性共識(shí)，并共同維護(hù)一個(gè)按時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以鏈條的方式首尾相連成鏈的數(shù)據(jù)鏈條。數(shù)據(jù)鏈條上的每一個(gè)區(qū)塊以數(shù)字簽名[3]等數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式防止數(shù)據(jù)篡改和偽造。由此，區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)了一個(gè)去中心化共享賬本。這種新的思路可以解決傳統(tǒng)中心化系統(tǒng)所普遍依賴中央權(quán)威、信任和共識(shí)的成本高、可靠性差、安全性低等問題，對(duì)于傳統(tǒng)社會(huì)組織和運(yùn)作方式是一種顛覆性的變革和挑戰(zhàn)。

區(qū)塊鏈這種具有普適性的技術(shù)架構(gòu)，可以很容易擴(kuò)展延伸到其他應(yīng)用場(chǎng)景里。事實(shí)上，根據(jù)目前區(qū)塊鏈的發(fā)展進(jìn)展，區(qū)塊鏈技術(shù)可以分為三個(gè)階段[4]，即以可編程數(shù)字加密貨幣體系為主要特征的區(qū)塊鏈1.0模式，這個(gè)階段的區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性稍微欠缺且功能相對(duì)單一，主要的能力體現(xiàn)在價(jià)值交換上，比如比特幣、數(shù)字資產(chǎn)、在線支付等[5-6]。隨著智能合約的興起，通過在區(qū)塊鏈上運(yùn)行和存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序代碼，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化合約的可信存儲(chǔ)和執(zhí)行，使得區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)入2.0模式。金融領(lǐng)域的區(qū)塊鏈應(yīng)用層出不窮，標(biāo)志著區(qū)塊鏈技術(shù)從加密數(shù)字貨幣這單一的功能逐漸擴(kuò)展到其他金融領(lǐng)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)世界中業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)字化的協(xié)同工作，讓區(qū)塊鏈技術(shù)得以在包括股票、清算、私募股權(quán)等眾多金融領(lǐng)域嶄露頭角[7]；區(qū)塊鏈3.0模式則強(qiáng)調(diào)區(qū)塊鏈向行業(yè)的滲透，區(qū)塊鏈技術(shù)陸續(xù)被嘗試應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)[8]、隱私保護(hù)[9]、商品防偽等其他領(lǐng)域中來，應(yīng)用范圍涵蓋了整個(gè)社會(huì)的方方面面。區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、去信任特點(diǎn)，能夠從根本上減少組織形態(tài)的摩擦并且提高協(xié)作效率，從而在大規(guī)模協(xié)作領(lǐng)域里更好地提升個(gè)人或組織的工作效率。

區(qū)塊鏈技術(shù)亦有其面臨的局限與問題。首先是區(qū)塊鏈擴(kuò)展性，由于區(qū)塊大小具有容量限制，且共識(shí)過程需要一定的時(shí)間進(jìn)行，因此交易的吞吐量和區(qū)塊鏈的容量是影響區(qū)塊鏈大規(guī)模應(yīng)用的障礙。其次在安全方面，目前的工作量證明共識(shí)算法則需要至少六個(gè)區(qū)塊的確認(rèn)，才能在概率上確保交易的安全性[1]，因此區(qū)塊鏈的實(shí)時(shí)性較差。另外，如果參與共識(shí)的算力聯(lián)合起來超過總算力51%時(shí)，可以很容易發(fā)起惡意分叉或者雙重支付的攻擊[10]。在隱私保護(hù)方面，目前可以通過一定的技術(shù)手段獲得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)IP的相關(guān)信息，可以通過追溯交易對(duì)其進(jìn)行聚類得到很多有價(jià)值的信息，而且由于用戶的使用不當(dāng)也會(huì)造成DAPP的隱私泄露，以上種種都反映了區(qū)塊鏈的隱私保護(hù)問題仍亟待加強(qiáng)[11]。

1 區(qū)塊鏈參考架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

分層系統(tǒng)架構(gòu)的最好例子莫過于互聯(lián)網(wǎng)OSI模型[12]，而區(qū)塊鏈系統(tǒng)本身即是一個(gè)類似OSI模型的龐大且復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)。從軟件架構(gòu)的角度而言，區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、激勵(lì)層、合約層以及應(yīng)用層(如圖1所示)。數(shù)據(jù)層是區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)表示及數(shù)據(jù)操作規(guī)則；網(wǎng)絡(luò)層則管理著區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的通信聯(lián)系；共識(shí)層則是描述節(jié)點(diǎn)間達(dá)成一致性的一組協(xié)議；激勵(lì)層掌握著整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)作的經(jīng)濟(jì)刺激；合約層則通過虛擬機(jī)及可編程語言為區(qū)塊鏈提供開發(fā)環(huán)境；應(yīng)用層則是基于整個(gè)區(qū)塊鏈底層體系結(jié)構(gòu)所能實(shí)現(xiàn)的功能系統(tǒng)集合。

圖1 區(qū)塊鏈參考架構(gòu)

數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)區(qū)塊鏈底層數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)模式。區(qū)塊鏈通過鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)按時(shí)間戳的先后順序?qū)^(qū)塊關(guān)聯(lián)起來，區(qū)塊之間再通過一個(gè)哈希校驗(yàn)碼來保證鏈上數(shù)據(jù)的完整性和不可篡改性。區(qū)塊結(jié)構(gòu)主要分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體，主要用于存儲(chǔ)交易數(shù)據(jù)相關(guān)的哈希值和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)重要參數(shù)。交易數(shù)據(jù)可以通過Merkle樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，利用其提供的Merkle證明可以保證交易數(shù)據(jù)的不可篡改性，比特幣中利用Merkle樹結(jié)構(gòu)還提供了簡(jiǎn)單支付驗(yàn)證(SPV)功能[1]。

網(wǎng)絡(luò)層則包括分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)機(jī)制、區(qū)塊廣播機(jī)制和數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制等部分。網(wǎng)絡(luò)層是區(qū)塊鏈系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、共識(shí)及數(shù)據(jù)同步的關(guān)鍵。區(qū)塊鏈通過對(duì)等網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)去中心化的分布式自治網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)路由、節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和區(qū)塊數(shù)據(jù)傳輸、驗(yàn)證的功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新的區(qū)塊產(chǎn)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)間會(huì)廣播這個(gè)新區(qū)塊，除產(chǎn)生該區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)外，所有的節(jié)點(diǎn)都需要對(duì)該區(qū)塊及其內(nèi)的交易進(jìn)行驗(yàn)證。

共識(shí)層是指區(qū)塊鏈對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中達(dá)成一致性所運(yùn)行的算法的集合，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)對(duì)交易和數(shù)據(jù)達(dá)成一致。共識(shí)層所使用的算法主要是為了應(yīng)對(duì)拜占庭容錯(cuò)[13]及女巫攻擊[14]。共識(shí)算法主要分為概率性算法和確定性算法。確定性算法是指一旦達(dá)成對(duì)某個(gè)結(jié)果的共識(shí)時(shí)，該結(jié)果就不可逆轉(zhuǎn)，共識(shí)即結(jié)果，如PBFT[15]；而概率性算法則是指當(dāng)前的共識(shí)結(jié)果暫不可靠，需要一定的時(shí)間或達(dá)成某種條件后，共識(shí)結(jié)果被推翻的概率越來越小，最終在數(shù)學(xué)上成為最終結(jié)果，如PoW。

激勵(lì)層主要負(fù)責(zé)區(qū)塊鏈代幣的發(fā)行和分配機(jī)制。區(qū)塊鏈通過將社會(huì)生活的經(jīng)濟(jì)因素引入到計(jì)算機(jī)技術(shù)體系中，使得區(qū)塊鏈的共識(shí)過程和去中心化特性得以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫_(dá)成共識(shí)的過程越分散，其效率越低，但安全性和可靠性高，整個(gè)系統(tǒng)也越穩(wěn)定；相反，達(dá)成共識(shí)的過程越集中，其效率越高，但也越容易出現(xiàn)中心權(quán)威。而通過在區(qū)塊產(chǎn)生時(shí)賦予節(jié)點(diǎn)利益，可確保節(jié)點(diǎn)有利可圖，因而能吸引越多的節(jié)點(diǎn)參與到共識(shí)的過程里。同樣的，節(jié)點(diǎn)過多時(shí)需要考慮激勵(lì)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，使得節(jié)點(diǎn)的數(shù)量維持在一定的界限里。比如，以太坊里創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了Gas花費(fèi)，使得在以太坊上的大部分操作都需要消耗Gas來獲得，這一過程符合現(xiàn)實(shí)世界的考慮，會(huì)驅(qū)使更多的節(jié)點(diǎn)參與到系統(tǒng)的共識(shí)過程中，以獲得利益來支撐在以太坊上的Gas操作[16]。

合約層賦予了區(qū)塊鏈可編程的特性，能夠在數(shù)字空間里實(shí)現(xiàn)一定限度內(nèi)的各種應(yīng)用。合約層通過在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上搭載的虛擬機(jī)等部件，能夠在其上自動(dòng)和強(qiáng)制執(zhí)行各類腳本、算法和智能合約[17-18]。合約的執(zhí)行，無需經(jīng)由除區(qū)塊鏈和本身外第三方來激活、管理和干預(yù)，是區(qū)塊鏈應(yīng)用去信任的基礎(chǔ)。

應(yīng)用層是基于區(qū)塊鏈整體架構(gòu)發(fā)展而來的區(qū)塊鏈去中心化應(yīng)用的集合，主要涵蓋了區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用場(chǎng)景和案例。區(qū)塊鏈的去中心化特性、數(shù)據(jù)的不可篡改性及可追溯性，給予了區(qū)塊鏈作為金融領(lǐng)域、物流領(lǐng)域等需要數(shù)據(jù)安全場(chǎng)景下的生命活力。而智能合約自動(dòng)執(zhí)行的特性使得區(qū)塊鏈能在更廣泛的商業(yè)邏輯甚至是組織模式下大展拳腳。

1.2 數(shù)據(jù)架構(gòu)

區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)架構(gòu)決定了其數(shù)據(jù)的表示方式和組織形式。在數(shù)據(jù)架構(gòu)上，區(qū)塊鏈?zhǔn)褂脜^(qū)塊結(jié)構(gòu)作為數(shù)據(jù)的載體，功能上類似于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表，利用哈希算法給予每個(gè)區(qū)塊一個(gè)哈希標(biāo)示，并將多個(gè)區(qū)塊組合形成前后銜接的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，保證區(qū)塊不可篡改。區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)和區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 區(qū)塊鏈參考數(shù)據(jù)架構(gòu)

對(duì)于大部分采用工作量證明共識(shí)算法的區(qū)塊鏈而言，區(qū)塊頭結(jié)構(gòu)里包含區(qū)塊鏈版本號(hào)、父區(qū)塊哈希值(地址)、時(shí)間戳、難度系數(shù)、交易哈希根以及當(dāng)前區(qū)塊共識(shí)過程中計(jì)算難題的解(隨機(jī)數(shù))等信息。區(qū)塊鏈版本號(hào)用以跟蹤和識(shí)別區(qū)塊鏈所運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議版本，在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)里用于節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和通信。時(shí)間戳則用于記錄區(qū)塊的產(chǎn)生時(shí)間，使區(qū)塊能根據(jù)時(shí)間戳的先后時(shí)間按順序連接在一起。交易哈希根一般是采用Merkle樹結(jié)構(gòu)組織交易后所得的根節(jié)點(diǎn)哈希值，即交易樹里按層逐級(jí)兩兩哈希后最終產(chǎn)生的結(jié)果，該值可用于快速檢驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性。交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)因應(yīng)用場(chǎng)景的差異而不同，但交易信息一般是以Merkle樹的組織形式，通過哈希過程生成唯一的Merkle根，Merkle樹能提供數(shù)據(jù)完整性證明，可用于區(qū)塊鏈的零知識(shí)證明[19]。

2 區(qū)塊鏈的核心理論和技術(shù)

從本質(zhì)上來說，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)不可篡改的、透明的、可以被信任的分布式數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的是所有節(jié)點(diǎn)共同認(rèn)可的交易數(shù)據(jù)，并且依賴這些交易數(shù)據(jù)自動(dòng)執(zhí)行預(yù)先約定的動(dòng)作。

2.1 區(qū)塊鏈的基本邏輯

區(qū)塊鏈對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)中有多個(gè)核心的參與主體，其中包括有交易方和記賬方。交易方是實(shí)際依托區(qū)塊鏈進(jìn)行交易信息記錄、存證和結(jié)算的主體。系統(tǒng)中的交易被廣播到區(qū)塊鏈上。區(qū)塊鏈上的各個(gè)記賬節(jié)點(diǎn)需要完成多個(gè)交易信息的打包，構(gòu)建一個(gè)完整的區(qū)塊，并添加到區(qū)塊鏈上。各個(gè)記賬節(jié)點(diǎn)通過共識(shí)算法來競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)次記賬的權(quán)利。競(jìng)爭(zhēng)勝利的節(jié)點(diǎn)打包的區(qū)塊可以被順利通過各節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證并被添加到區(qū)塊鏈上。通常，記賬節(jié)點(diǎn)還會(huì)獲得相應(yīng)的激勵(lì)。

對(duì)應(yīng)相應(yīng)的交易，區(qū)塊鏈能夠自動(dòng)執(zhí)行智能合約。智能合約是交易雙方提前約定的可執(zhí)行的代碼，由雙方共同提交到區(qū)塊鏈中。智能合約不可修改，其執(zhí)行自動(dòng)觸發(fā)，不受干擾。每個(gè)智能合約都約定對(duì)應(yīng)的觸發(fā)信息，明確智能合約觸發(fā)啟動(dòng)的條件。

區(qū)塊鏈中的每一個(gè)區(qū)塊包含有眾多的交易信息。交易信息一般以一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，比如Merkle樹，并借助該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)交易信息進(jìn)行校驗(yàn)，如Merkle證明。

由于區(qū)塊鏈自身架構(gòu)的約束，當(dāng)前大部分的區(qū)塊鏈在交易的吞吐率等方面有一定的約束，并且區(qū)塊鏈之間的整合和互動(dòng)的需求也逐漸涌現(xiàn)，因此多條區(qū)塊鏈的跨鏈互動(dòng)和協(xié)作的能力也逐步成為區(qū)塊鏈的一個(gè)主要能力。

2.2 共識(shí)算法

2.2.1 工作量證明(PoW)

工作量證明(Proof of Work,PoW)[20]是用來證明完成某項(xiàng)任務(wù)而付出了一定計(jì)算量的證明。這里的任務(wù)指的是要計(jì)算出一個(gè)與密碼學(xué)安全相關(guān)的nonce值，使得加上區(qū)塊中的其他數(shù)據(jù)內(nèi)容的hash值小于給定的上限(與挖礦難度有關(guān))。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)成功計(jì)算出這一個(gè)nonce值，則立即向全網(wǎng)廣播這個(gè)新產(chǎn)生的塊，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)塊后，會(huì)立即對(duì)這個(gè)塊驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后，會(huì)將這個(gè)區(qū)塊加入到自己本地節(jié)點(diǎn)維護(hù)的區(qū)塊鏈中，并停止競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)前的區(qū)塊打包，轉(zhuǎn)而進(jìn)行下一個(gè)區(qū)塊的競(jìng)爭(zhēng)。在整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，只有最快計(jì)算出nonce的節(jié)點(diǎn)所打包的區(qū)塊才能添加到區(qū)塊鏈上。

2.2.2 權(quán)益證明(PoS)

權(quán)益證明(Proof of Stake，PoS)[20]是根據(jù)用戶所擁有的權(quán)益來決定區(qū)塊鏈中下一個(gè)區(qū)塊由誰來構(gòu)造，用戶所擁有的權(quán)益越高，產(chǎn)生下一個(gè)區(qū)塊的可能性越大。

如果權(quán)益僅僅是指用戶在網(wǎng)絡(luò)中所擁有幣的數(shù)量，那么這意味著，擁有幣的數(shù)量越多，則其權(quán)益越高，也就越有可能打包下一個(gè)區(qū)塊。但是，這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中越富的用戶，擁有更多的記賬權(quán)，而擁有很少幣的用戶則幾乎不可能獲得記賬權(quán)，從而導(dǎo)致了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心化。

所以針對(duì)這個(gè)問題，關(guān)于下一個(gè)區(qū)塊的記賬權(quán)的選擇算法衍生出了2個(gè)變種，分別是隨機(jī)選擇與基于幣齡的選擇。其中隨機(jī)選擇算法應(yīng)用在BlackCoin項(xiàng)目中，它是采用一個(gè)公式來預(yù)測(cè)下一個(gè)區(qū)塊的產(chǎn)生者，這個(gè)公式是通過結(jié)合權(quán)益的大小來尋找最小的hash值，因?yàn)闄?quán)益是公開的，所以每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以使用這個(gè)公式準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)產(chǎn)生下一個(gè)區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)；而基于幣齡的選擇則在PeerCoin中得到了應(yīng)用，在這個(gè)項(xiàng)目中，持有幣量越多，幣齡越久的用戶就越有可能獲得下一個(gè)區(qū)塊的記賬權(quán)。

2.2.3 拜占庭容錯(cuò)算法(PBFT)

拜占庭容錯(cuò)算法[21](Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)，本質(zhì)上而言是一種基于狀態(tài)機(jī)的副本復(fù)制算法。它將服務(wù)建模為狀態(tài)機(jī)，在分布式網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行副本復(fù)制，其中，網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)都在這些副本上保存相應(yīng)的狀態(tài)信息并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。

PBFT算法是一個(gè)循環(huán)，在每一輪中，首先會(huì)根據(jù)設(shè)定的規(guī)則選出一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，由其來組織網(wǎng)絡(luò)中的交易，這整個(gè)處理過程分為三個(gè)階段：分別是預(yù)準(zhǔn)備階段、準(zhǔn)備階段和確認(rèn)階段。在每一個(gè)階段中，都會(huì)進(jìn)行投票，在本階段中只有超過2/3的投票同意才會(huì)進(jìn)入下一個(gè)階段，每輪結(jié)束后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新區(qū)塊。

2.3 智能合約

智能合約[16]的概念最早是在1995年由Nick Szabo所提出來的，其定義為：“一個(gè)智能合約是一套以數(shù)字形式定義的承諾，包括合約參與方可以在上面執(zhí)行這些承諾的協(xié)議”[22]。從本質(zhì)上而言，智能合約實(shí)際上是計(jì)算機(jī)上的可執(zhí)行程序，只要滿足條件，即可被準(zhǔn)確執(zhí)行。但是，其又不僅僅只是一段程序，它本身也是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的參與者，它對(duì)其他用戶發(fā)出的信息進(jìn)行響應(yīng)，可以儲(chǔ)存網(wǎng)絡(luò)中的價(jià)值單元，也可以自己發(fā)送信息與價(jià)值給其他用戶。

從技術(shù)上來說，區(qū)塊鏈上的智能合約包括：用于運(yùn)行的環(huán)境——完備的狀態(tài)機(jī)[23](例如，以太坊的EVM[16])和事務(wù)的處理與保存機(jī)制。在區(qū)塊鏈中，事務(wù)主要指的是待發(fā)送的數(shù)據(jù)，事件則是對(duì)事務(wù)動(dòng)作的記錄與描述。當(dāng)事務(wù)、事件信息傳到智能合約當(dāng)中時(shí)，會(huì)觸發(fā)智能合約進(jìn)行狀態(tài)機(jī)判斷，如果某個(gè)或某幾個(gè)方法的觸發(fā)條件滿足，狀態(tài)機(jī)就會(huì)依據(jù)合約自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

智能合約存在的根本目的是為了保證在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，使一些數(shù)字化的承諾能夠按照約定的條件正確執(zhí)行，它本身并不會(huì)生成智能合約，也不會(huì)對(duì)智能合約的信息進(jìn)行修改。

2.4 Merkle樹與零知識(shí)Merkle證明

在比特幣系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)是通過Merkle樹[24]來組織的，Merkle樹結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Merkle樹結(jié)構(gòu)

Merkle樹是二叉樹的結(jié)構(gòu)，其葉子節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)塊的hash值，然后其父母節(jié)點(diǎn)為兩兩的哈希，這樣一層層上去，根節(jié)點(diǎn)是其孩子節(jié)點(diǎn)的hash值。Merkle樹可以支持零知識(shí)證明。向別人證明自己擁有的某一組數(shù)據(jù)(L1,L2,L3,L4)中包含給定的內(nèi)容L3，同時(shí)又不暴露其他數(shù)據(jù)內(nèi)容的證明就叫零知識(shí)證明[25]。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)證明，只要構(gòu)造如圖3所示的Merkle樹結(jié)構(gòu)，并公布Hash5、Hash0和Root就可以了。

2.5 雙花

雙花問題[10]是指一筆數(shù)字資產(chǎn)被重復(fù)使用，簡(jiǎn)而言之就是一筆錢可以被花兩次甚至多次。雙花攻擊分為0確認(rèn)雙花與已確認(rèn)雙花。目前解決0確認(rèn)雙花的方法，在比特幣系統(tǒng)中使用的是UTXO模型和時(shí)間戳來解決，其中，UTXO(Unspent Transaction Output)[1]是比特幣中獨(dú)特的價(jià)值轉(zhuǎn)移基本單元，當(dāng)一筆交易被雙花時(shí)，挖礦節(jié)點(diǎn)在接收到后會(huì)選擇先接收到的交易，拋棄另外一個(gè)交易；而在以太坊系統(tǒng)中則不建議用戶開啟0確認(rèn)雙花，而對(duì)于已確認(rèn)雙花，目前還沒辦法很好地解決。

3 區(qū)塊鏈的典型系統(tǒng)

3.1 比特幣

作為區(qū)塊鏈思想誕生的源頭，比特幣網(wǎng)絡(luò)是首個(gè)得到大規(guī)模部署的區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用，并且是歷史上首個(gè)經(jīng)過大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間檢驗(yàn)的數(shù)字貨幣系統(tǒng)。比特幣項(xiàng)目糅合并借鑒了來自數(shù)字貨幣、密碼學(xué)、博弈論、分布式系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)成果，這些技術(shù)組合形成的在技術(shù)應(yīng)用和業(yè)務(wù)應(yīng)用均具備強(qiáng)大創(chuàng)新意義的比特幣網(wǎng)絡(luò)。

比特幣網(wǎng)絡(luò)提供的是一個(gè)公共可見的記賬本，比特幣網(wǎng)絡(luò)中的用戶沒有單獨(dú)的賬戶，每個(gè)用戶擁有一個(gè)或者多個(gè)秘鑰對(duì)。秘鑰對(duì)中的公鑰作為用戶地址，用于作為交易的發(fā)起方和接收方的身份標(biāo)識(shí)。由此，比特幣網(wǎng)絡(luò)的用戶地址并非記錄每個(gè)賬戶的余額，而是用戶使用該公鑰作為用戶地址參與交易的交易余額。用戶的真正余額應(yīng)該是用戶擁有的所有的公鑰對(duì)應(yīng)的交易的交易余額的總和。比特幣網(wǎng)絡(luò)在每次發(fā)生交易后，將交易記錄通過比特幣點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)廣播到比特幣網(wǎng)絡(luò)上，并利用網(wǎng)絡(luò)中礦工的挖礦過程來選取當(dāng)前交易記賬的節(jié)點(diǎn)和構(gòu)建當(dāng)前的區(qū)塊，來完成對(duì)交易記錄的記賬過程。最后等比特幣網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)完成確認(rèn)后即可認(rèn)為交易完成。

3.2 以太坊

本質(zhì)上來說，以太坊是一個(gè)基于交易的狀態(tài)機(jī)，支持圖靈完備的應(yīng)用[16]。以太坊延伸了比特幣網(wǎng)絡(luò)的思想，除了具備比特幣網(wǎng)絡(luò)的功能外，還能使得在全球范圍的多個(gè)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行代碼成為現(xiàn)實(shí)。智能合約是以太坊中非常重要的一個(gè)概念，即以程序代碼的方式來數(shù)字化和運(yùn)行各種合約。智能合約運(yùn)行在太坊虛擬機(jī)里，能按照智能合約的約定邏輯自動(dòng)執(zhí)行，可以在沒有中心協(xié)調(diào)者的情況下被以太坊網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)復(fù)制和處理。

以太坊同樣使用工作量證明作為共識(shí)算法，但以太坊產(chǎn)生區(qū)塊的時(shí)間更短，而且區(qū)塊的容量相對(duì)于比特幣網(wǎng)絡(luò)而言更小，這在一定程度上改善了區(qū)塊鏈擴(kuò)展性的問題，但是仍未能達(dá)到傳統(tǒng)中心化應(yīng)用的交易吞吐量。另外，智能合約相比于比特幣原始的腳本語言而言，在以太坊中用來部署代碼以及運(yùn)行智能合約的語言更高級(jí)，而且由于智能合約圖靈完備的特點(diǎn)，在任何其他程序語言中能夠完成的計(jì)算都可以利用智能合約實(shí)現(xiàn)。

3.3 超級(jí)賬本

比特幣提供了區(qū)塊鏈技術(shù)的原型，開創(chuàng)了區(qū)塊鏈技術(shù)的浪潮。以太坊則通過智能合約擴(kuò)展并延伸了區(qū)塊鏈技術(shù)的功能，發(fā)展了區(qū)塊鏈應(yīng)用的組織模式。而超級(jí)賬本[21](Hyperledger)卻是另辟蹊徑，引入了權(quán)限控制和安全保障，強(qiáng)調(diào)區(qū)塊鏈技術(shù)不需局限在完全開放的模式下。超級(jí)賬本是Linux基金會(huì)管理下的合作項(xiàng)目，目標(biāo)是建立面向企業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的分布式賬簿平臺(tái)的底層構(gòu)架，吸引了許多科技和金融公司參與，包括IBM、Intel、Cisco、摩根大通等。在這個(gè)項(xiàng)目下，許多參與的公司都提供各自的區(qū)塊鏈解決方案，比如IBM和Interl公司提供了各自已有的區(qū)塊鏈代碼。目前，在項(xiàng)目中的區(qū)塊鏈解決方案中，以Fabric最為知名。

Hyperledger Fabric是一個(gè)提供分布式賬本解決方案的平臺(tái)，與其他區(qū)塊鏈系統(tǒng)的差異體現(xiàn)在私有性和許可制上，即維護(hù)著一個(gè)需要認(rèn)證接入的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，嚴(yán)格來說，其是一種部分去中心化的區(qū)塊鏈系統(tǒng)[24]。Hyperledger Fabric優(yōu)點(diǎn)在于支持不同的模塊組件直接拔插啟用，使其能根據(jù)特定的商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活的組裝。

4 技術(shù)挑戰(zhàn)

區(qū)塊鏈當(dāng)前還面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)，其中最為受關(guān)注的是跨鏈技術(shù)、隱私保護(hù)以及擴(kuò)展性的技術(shù)。

4.1 跨鏈

當(dāng)前的區(qū)塊鏈應(yīng)用越來越豐富，不同的應(yīng)用可能依賴不同的區(qū)塊鏈。長(zhǎng)期發(fā)展下去，區(qū)塊鏈的應(yīng)用很有可能變得碎片化，區(qū)塊鏈上的交易、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和鏈上的共識(shí)將被割裂形成區(qū)塊鏈孤島。由此，其中的一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是為區(qū)塊鏈提供區(qū)塊鏈之間的交互和整合能力，使得區(qū)塊鏈上的交易、價(jià)值等能夠跨區(qū)塊鏈進(jìn)行流動(dòng)和互動(dòng)。跨鏈技術(shù)[26]就是讓區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵，它是把區(qū)塊鏈從分散的孤島中拯救出來的良藥，是區(qū)塊鏈向外拓展和連接的橋梁。早在比特幣誕生初期,人們就意識(shí)到比特幣在轉(zhuǎn)賬速度、容量以及智能合約等方面的不足,如果說能建立比特幣賬本的一個(gè)副本,就像以前許多法定貨幣由黃金擔(dān)保一樣,在需要的時(shí)候資產(chǎn)可以在2個(gè)區(qū)塊鏈之間相互轉(zhuǎn)換，就可以加速比特幣或者其他數(shù)字資產(chǎn)的流動(dòng)性。而目前跨鏈技術(shù)主要包括有：① 公證人機(jī)制；② 中繼模式；③ 哈希鎖定；④ 分布式密鑰控制。

4.2 隱私

在比特幣網(wǎng)絡(luò)或以太坊網(wǎng)絡(luò)中可以通過一些技術(shù)手段獲取網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的IP信息以及一些節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系[11]，從而泄露了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)ip、端口等隱私，甚至泄露了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潆[私。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)信息以及拓?fù)湫畔⒌入[私進(jìn)行保護(hù)，對(duì)于目前來說仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。其中，文獻(xiàn)[9，27]等主要研究區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易隱私。在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，交易是可被追溯的，因?yàn)椴捎肬TXO模型，通過查找所有的輸入與輸出信息，對(duì)相關(guān)地址進(jìn)行聚類，會(huì)得到很多有價(jià)值信息，從而造成了隱私泄露問題。目前比特幣的這個(gè)隱私泄露問題還沒有得到很好的解決。

4.3 可擴(kuò)展性

目前區(qū)塊鏈技術(shù)的可擴(kuò)展性[28-29]在某些方面受限，特別是，區(qū)塊存儲(chǔ)和交易吞吐量方面。隨著網(wǎng)絡(luò)中交易的不斷產(chǎn)生，區(qū)塊數(shù)量也會(huì)不斷增加，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，其所占用的存儲(chǔ)空間越來越大，直至非常龐大。因此需要提高區(qū)塊存儲(chǔ)的可擴(kuò)展性。交易吞吐量的可擴(kuò)展性指的是針對(duì)交易性能而言的，目前區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的交易性能還是不能很好地支持大規(guī)模的交易數(shù)量，目前提出了很多方案來解決這些問題，如閃電網(wǎng)絡(luò)、側(cè)鏈等技術(shù)，但是這個(gè)問題并沒有真正得到解決。

5 結(jié)束語

區(qū)塊鏈技術(shù)綜合了密碼學(xué)、博弈學(xué)、社會(huì)學(xué)以及經(jīng)濟(jì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的技術(shù)，具有去中心、去信任、透明、開放、不可篡改以及可追溯等特性，重塑了社會(huì)的信任體系，具有重大的意義。本文介紹了區(qū)塊鏈的相關(guān)背景，闡述了區(qū)塊鏈的參考架構(gòu)、核心技術(shù)與算法；討論了典型的區(qū)塊鏈系統(tǒng)如比特幣、以太坊以及超級(jí)賬本，分析了目前區(qū)塊鏈所面臨的重大挑戰(zhàn)，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供有價(jià)值的指導(dǎo)和借鑒。