區(qū)塊鏈技術(shù)綜述及應(yīng)用

白宇嘉 尼瑪扎西 曹學(xué)琪

摘要：區(qū)塊鏈技術(shù)是隨著數(shù)字加密貨幣比特幣從興起到被接受而走進(jìn)人們的視野中，從而備受關(guān)注，引發(fā)越來(lái)越多的人來(lái)研究該技術(shù)。區(qū)塊鏈的顛覆性的創(chuàng)新特性受到各行各業(yè)尤其是金融行業(yè)的熱捧。我們將從該技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)、存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展應(yīng)用三個(gè)大的方面來(lái)討論區(qū)塊鏈技術(shù)。在2018年，作為區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵一年，我們需要更多地了解該技術(shù)，為各類應(yīng)用的登陸打下更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；比特幣；數(shù)字貨幣；區(qū)塊鏈應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）32-0020-05

Abstract： The blockchain technology has entered the field of vision with the digital cryptocurrency bitcoin from the rise to the acceptance， which has attracted much attention and triggered more and more people to study the technology. The disruptive and innovative nature of the blockchain has been hailed by all walks of life， especially the financial industry. We will discuss blockchain technology from three major aspects of the technical characteristics， existing problems and future development of the technology. In 2018， as a key year for the development of blockchain technology applications， we need to know more about this technology to lay a more solid foundation for the landing of various applications.

Key words：blockchain；bitcoin； digital currency； blockchain application

1 引言

人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈和深度學(xué)習(xí)是近年來(lái)在IT領(lǐng)域多次提到的一些名詞。當(dāng)你提起區(qū)塊鏈，你可能會(huì)想到比特幣。事實(shí)上，比特幣和區(qū)塊鏈技術(shù)無(wú)法相提并論[1]。區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)源于比特幣，區(qū)塊鏈?zhǔn)请S著比特幣的產(chǎn)生而產(chǎn)生，并且在信息傳播的時(shí)候比特幣和區(qū)塊鏈經(jīng)常同時(shí)出現(xiàn)，所以有些人會(huì)認(rèn)為區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛?，?shí)則不然。好比用石頭建造房子，區(qū)塊鏈技術(shù)就像石頭，而比特幣只是其中的一幢房子。石頭本身只是基礎(chǔ)，用石頭還可以建造金字塔和長(zhǎng)城。用區(qū)塊鏈技術(shù)也可以來(lái)實(shí)現(xiàn)更多更廣泛的應(yīng)用。比特幣是區(qū)塊鏈最成功的應(yīng)用，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止比特幣。

2 初識(shí)區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈?zhǔn)墙┠曜罹吒锩缘男屡d技術(shù)之一[2]。區(qū)塊鏈的概念于2008年由Ben Cong首次發(fā)布，名為“比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的電子現(xiàn)金系統(tǒng)”的比特幣白皮書(shū)中提出的，所以說(shuō)區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)源于比特幣，或者說(shuō)比特幣是區(qū)塊鏈技術(shù)的第一個(gè)成功應(yīng)用。

如果說(shuō)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是解決通訊問(wèn)題的話，那么區(qū)塊鏈技術(shù)解決的是信任問(wèn)題。區(qū)塊鏈?zhǔn)且蝗赫J(rèn)同并遵守這個(gè)規(guī)則的人共同參與共同記錄一個(gè)去中心化的分布式賬本數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程[3]。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)全體聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參與維護(hù)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，用高度的數(shù)據(jù)冗余實(shí)現(xiàn)低成本的信任建立，用密碼學(xué)保證信息安全和權(quán)屬安全，用共識(shí)機(jī)制和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信形成的去中心化、防篡改、防作偽的一種新型協(xié)作范式。

雖然不同的機(jī)構(gòu)對(duì)區(qū)塊鏈的定義不盡相同，但其本質(zhì)上是一樣的，即區(qū)塊鏈技術(shù)有幾個(gè)關(guān)鍵的特征[4]，那就是去中心化、去信任化、防篡改、匿名、開(kāi)放、自治、可追溯。并且，區(qū)塊鏈技術(shù)仍舊在不斷地發(fā)展和完善。

3 區(qū)塊鏈的分類與架構(gòu)

3.1 區(qū)塊鏈分類

區(qū)塊鏈技術(shù)的分類隨著各方面的應(yīng)用而越來(lái)越明朗，目前主要按照三種形式來(lái)分類。

3.1.1 按照網(wǎng)絡(luò)范圍

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的范圍，可以分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。

（1）公有鏈

所謂公有鏈就是完全對(duì)外開(kāi)放，不用注冊(cè)，沒(méi)有權(quán)限設(shè)定，無(wú)須授權(quán)，任何個(gè)人或團(tuán)體都可以訪問(wèn)到網(wǎng)絡(luò)。只要接入公有鏈網(wǎng)絡(luò)上，所有發(fā)生的交易數(shù)據(jù)都可以隨意查看，并且完全公開(kāi)透明。它還可以參與公有鏈上的交易發(fā)送，也可以參與其共識(shí)的過(guò)程。公有鏈?zhǔn)堑谝粋€(gè)出現(xiàn)的區(qū)塊鏈，并且是真正意義上的完全分散的區(qū)塊鏈[5]。公有鏈通常也被稱為非許可鏈，即節(jié)點(diǎn)不需要認(rèn)證即可加入，凡是需要大眾參與，并且最大限度保證數(shù)據(jù)公開(kāi)透明的系統(tǒng)，兩者都適用于公有鏈，如比特幣系統(tǒng)、以太坊系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)金融交易系統(tǒng)等。

（2）私有鏈

私有鏈和公有鏈?zhǔn)窍鄬?duì)的，所謂私有就是不公開(kāi)的，僅僅在一個(gè)公司或者組織內(nèi)部單獨(dú)的擁有讀寫(xiě)權(quán)限，具體的規(guī)則是由組織內(nèi)部自行制定。目前私有鏈主要應(yīng)用于金融企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)管理、財(cái)務(wù)、審計(jì)等相關(guān)工作領(lǐng)域，防范企業(yè)內(nèi)部或者外部對(duì)企業(yè)數(shù)據(jù)的泄露和攻擊，它不僅提高了企業(yè)管理效率，還保證了企業(yè)數(shù)據(jù)的安全行[6]。私有鏈通常被稱為許可鏈，即節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)認(rèn)證才可以加入，凡是不需要大眾參與，并且需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保密的系統(tǒng)，都適用于私有鏈，如數(shù)據(jù)不方便公開(kāi)的企業(yè)內(nèi)部。

（3）聯(lián)盟鏈

聯(lián)盟鏈結(jié)合了公有鏈的完全開(kāi)放和私有鏈的盡可能封閉兩種特點(diǎn)，通常是各個(gè)機(jī)構(gòu)或企業(yè)共同參與的策略，所以開(kāi)放程度根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景而決定。例如，由40多家銀行組成的區(qū)塊鏈聯(lián)盟R3之間的支付結(jié)算采用聯(lián)盟鏈的形式[7]。他們之間的數(shù)據(jù)交易形式就不完全是封閉狀態(tài)的。因此，可以說(shuō)聯(lián)盟鏈?zhǔn)怯蓭讉€(gè)私有鏈組成的小規(guī)模的公有鏈。聯(lián)盟鏈通常也被稱為許可鏈，即節(jié)點(diǎn)也需要通過(guò)認(rèn)證才可以加入，如金融業(yè)的區(qū)塊鏈聯(lián)盟R3。

3.1.2 按照部署環(huán)境

根據(jù)部署環(huán)境來(lái)劃分，可以分為主鏈和測(cè)試鏈。

（1）主鏈

所謂主鏈，在生產(chǎn)環(huán)境中部署的真正的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，軟件將在正式發(fā)布之前會(huì)經(jīng)過(guò)很多內(nèi)部測(cè)試版本。用于發(fā)現(xiàn)可能存在的一些錯(cuò)誤，并用于內(nèi)部演示以查看效果，直到正式版本發(fā)布?；蛘呖梢哉f(shuō)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)由客戶端的正式版組成，只有主鏈才會(huì)真正推廣和使用，而且功能設(shè)計(jì)也比較完善。

（2）測(cè)試鏈

所謂的測(cè)試鏈?zhǔn)情_(kāi)發(fā)人員為測(cè)試目的提供的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，例如比特幣測(cè)試鏈和以太坊測(cè)試鏈。除了區(qū)塊鏈開(kāi)發(fā)人員提供的測(cè)試區(qū)塊鏈之外，用戶還可以根據(jù)需要搭建自己的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，測(cè)試鏈中的功能設(shè)計(jì)與生產(chǎn)環(huán)境中的主鏈之間仍存在一些差異。

3.1.3 按照互聯(lián)類型

根據(jù)互聯(lián)類型來(lái)劃分，可以分為單鏈、側(cè)鏈和互聯(lián)鏈。

（1）單鏈

可以獨(dú)立操作的區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以統(tǒng)稱為“單鏈”，并且這種區(qū)塊系統(tǒng)具有完整的組件模塊，作為一個(gè)系統(tǒng)，應(yīng)用程序的操作需要單獨(dú)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)的支持。

（2）側(cè)鏈

側(cè)鏈不是指某個(gè)特定的區(qū)塊鏈，而是指遵循側(cè)鏈協(xié)議的所有區(qū)塊鏈。側(cè)鏈協(xié)議是指：一種協(xié)議，允許比特幣安全地從比特幣骨干轉(zhuǎn)移到其他區(qū)塊鏈，并安全地從其他區(qū)塊鏈返回比特幣骨干網(wǎng)。因此，只需側(cè)鏈協(xié)議，并且所有現(xiàn)有的區(qū)塊鏈，例如以太坊和萊特幣，都可以成為側(cè)鏈。

（3）互聯(lián)鏈

對(duì)于特定領(lǐng)域的應(yīng)用程序，可能存在形成其自己的垂直領(lǐng)域的區(qū)塊鏈，并且這些區(qū)塊鏈將具有互連要求。這樣，這些區(qū)塊鏈將通過(guò)某種互連協(xié)議連接，該區(qū)塊鏈中的互連形成互連鏈[8]，即形成區(qū)塊鏈的全球網(wǎng)絡(luò)。

3.2 區(qū)塊鏈架構(gòu)

區(qū)塊鏈技術(shù)模型由自上而下的數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、激勵(lì)層、合約層和應(yīng)用層組成。

首先，數(shù)據(jù)層封裝底層數(shù)據(jù)塊的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，以及相關(guān)的非對(duì)稱公私和鑰數(shù)據(jù)加密技術(shù)和時(shí)間戳技術(shù)，這是整個(gè)區(qū)塊鏈技術(shù)中最低的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[9]。這些技術(shù)的結(jié)合是區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)，數(shù)十年的實(shí)踐證明了其安全性和可靠性。其次，網(wǎng)絡(luò)層包括P2P組網(wǎng)機(jī)制，數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制，這意味著區(qū)塊鏈具有自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)功能。第三層是共識(shí)層，共識(shí)層封裝了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的各類共識(shí)機(jī)制算法，共識(shí)機(jī)制算法是區(qū)塊鏈的核心技術(shù)，因?yàn)檫@決定了到底由誰(shuí)來(lái)進(jìn)行“記賬”，并且“記賬”的方式將影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性，到目前為止，共識(shí)機(jī)制算法已有十多種，其中眾所周知的是工作量證明（PoW）機(jī)制，權(quán)益證明（PoS）機(jī)制，股權(quán)授權(quán)證明（DPoS）機(jī)制等[10]。

數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層和共識(shí)層是構(gòu)建區(qū)塊鏈技術(shù)的基本要素。

第四層是激勵(lì)層，它將經(jīng)濟(jì)方面應(yīng)用于區(qū)塊鏈技術(shù)系統(tǒng)，包括經(jīng)濟(jì)激勵(lì)的發(fā)布和分配機(jī)制。這些主要出現(xiàn)在公有鏈中，公有鏈必須激勵(lì)遵守規(guī)則參與記賬的節(jié)點(diǎn)，并懲罰不遵守規(guī)則的節(jié)點(diǎn)[11]。才能讓整個(gè)系統(tǒng)朝著良性循環(huán)的方向發(fā)展。在私有鏈中，沒(méi)有必要進(jìn)行激勵(lì)，并且是在鏈外就完成了記賬的分配任務(wù)。第五層合約層，該層封裝各類腳本、算法和智能合約，是區(qū)塊鏈可編程性的基礎(chǔ)。比特幣本身具有簡(jiǎn)單的腳本功能，而以太坊則極大地增強(qiáng)了編程語(yǔ)言協(xié)議，理論上可以編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)任何功能的應(yīng)用程序，如果您認(rèn)為比特幣是一本全球賬本的話，以太坊可以被視為全球計(jì)算機(jī)，任何人都可以上傳和執(zhí)行任何應(yīng)用程序[12]。并且程序的有效執(zhí)行能得以保證。第六層是應(yīng)用層，它封裝了各種應(yīng)用場(chǎng)景和區(qū)塊鏈的案例。未來(lái)的可編程金融和可編程社會(huì)也將建立在應(yīng)用層上。

激勵(lì)層、合約層和應(yīng)用層并不是每個(gè)區(qū)塊鏈應(yīng)用的必要因素。如圖1所示為區(qū)塊鏈技術(shù)的體系架構(gòu)。

4 區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)

區(qū)塊鏈的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在區(qū)塊鏈架構(gòu)的數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層和共識(shí)層。這里主要介紹數(shù)據(jù)層中的區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非對(duì)稱密碼技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)層中的P2P網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；共識(shí)層中的工作量證明機(jī)制（PoW）和權(quán)益證明機(jī)制（PoS）[13]。

4.1 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

一個(gè)個(gè)區(qū)塊用鏈條的形式連接起來(lái)，就形成了區(qū)塊鏈。每個(gè)區(qū)塊分為兩部分：區(qū)塊頭和區(qū)塊體，其中區(qū)塊頭是區(qū)塊的核心部分。區(qū)塊頭包含時(shí)間戳、前一個(gè)區(qū)塊的哈希值、Merkle根、難度系數(shù)和當(dāng)前目標(biāo)哈希值等，它們是整個(gè)區(qū)塊的“大腦”。

時(shí)間戳：時(shí)間戳簡(jiǎn)而言之就是該區(qū)塊產(chǎn)生的時(shí)間。時(shí)間戳的存在確保了區(qū)塊之間具有的時(shí)序性，保證了每個(gè)區(qū)塊數(shù)據(jù)的不可篡改性、不可偽造性及數(shù)據(jù)的可追溯性。

前一個(gè)區(qū)塊的哈希值：所謂哈希值，就是把相關(guān)數(shù)據(jù)（文本、圖像、音頻、視頻等）進(jìn)行加密運(yùn)算得到的一組二進(jìn)制值，這個(gè)二進(jìn)制值是一個(gè)獨(dú)特且極其緊湊的值。大多數(shù)區(qū)塊鏈?zhǔn)褂肧HA256哈希算法。前一個(gè)區(qū)塊的哈希值就是把前一個(gè)區(qū)塊的區(qū)塊頭信息通過(guò)SHA256哈希算法，得到一個(gè)“壓縮值”，并記錄到當(dāng)前區(qū)塊的區(qū)塊頭中。因而，保證了各個(gè)區(qū)塊的連續(xù)性。在比特幣計(jì)算能力中，礦工尋找一個(gè)隨機(jī)數(shù)，使得新區(qū)塊頭的雙SHA256哈希值小于或等于目標(biāo)哈希值，并添加難度值，這樣找到這個(gè)隨機(jī)數(shù)的平均時(shí)間是10分鐘，可以說(shuō)每10分鐘就可以產(chǎn)生一個(gè)新的區(qū)塊。

Merkle根：Merkle Tree，通常也稱為Hash Tree，是一個(gè)存儲(chǔ)哈希值的樹(shù)。每個(gè)區(qū)塊中都有一個(gè)倒立的Merkle tree，Merkle tree的根存在于區(qū)塊頭中，Merkle樹(shù)的葉子存在于區(qū)塊體中，也就是數(shù)據(jù)塊的hash值（如圖2 Merkle樹(shù)結(jié)構(gòu)）。

難度系數(shù)：第100，000個(gè)區(qū)塊的難度系數(shù)14484.16236122，則區(qū)塊頭包含難度系數(shù)，其確定計(jì)算哈希值的難度。區(qū)塊鏈協(xié)議規(guī)定常數(shù)除以難度因子，其可以是目標(biāo)值（target），即：目標(biāo)值=常量/難度系數(shù)。顯然，難度系數(shù)越大，目標(biāo)值就越小。哈希值的有效性和目標(biāo)值密切相關(guān)。由于目標(biāo)值非常小，因此散列值小于目標(biāo)值的可能性更大，并且可能會(huì)進(jìn)行數(shù)億次計(jì)算。這就是比特幣中“采礦”難度大、速度慢的根本原因。按照以上的理論“采礦”的難度會(huì)變得越來(lái)越大，但是區(qū)塊鏈的設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)了難度系數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制，具體規(guī)定，難度系數(shù)每?jī)芍苷{(diào)整一次[14]。如果在過(guò)去的兩周內(nèi)該區(qū)塊的平均生成速度為9分鐘，則意味著比指定速度快10%，因此難度系數(shù)將增加10%；如果平均生成速度為11分鐘，則意味著比指定速度慢10%，因此難度系數(shù)降低10%?？傮w來(lái)說(shuō)，隨著硬件設(shè)備的不斷更新，算力的不斷增強(qiáng)，難度系數(shù)只會(huì)越調(diào)越高，從而導(dǎo)致現(xiàn)在“挖礦”難度越來(lái)越大。

4.2 非對(duì)稱密碼技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)的一個(gè)特性是數(shù)據(jù)的不可篡改性，并且該特性中使用的到技術(shù)之一是非對(duì)稱加密技術(shù)。傳統(tǒng)的對(duì)稱加密算法易于理解，而非對(duì)稱加密算法需要公鑰和私鑰。公鑰和私鑰是一對(duì)，每個(gè)用戶都有兩個(gè)密鑰：公鑰和私鑰，兩個(gè)密鑰互相匹配，但只有公鑰是公開(kāi)的，私鑰只由用戶自己保存[15]。具體加密過(guò)程如下（圖3非對(duì)稱加密技術(shù)過(guò)程）：

（1）發(fā)送方將發(fā)送帶有加密散列函數(shù)（MD5，SHA，SM3）的文件以生成摘要，并且發(fā)送方用其自己的私鑰加密摘要以形成數(shù)字簽名。

（2）發(fā)送方用接收方的公鑰對(duì)原文件再進(jìn)行加密，同形成數(shù)字簽名一起發(fā)送給接收方。

（3）接收方用發(fā)送方的公鑰對(duì)數(shù)字簽名的摘要進(jìn)行解密，以獲取發(fā)送方生成的摘要。

（4）接收方用自己的私鑰解密收到的原文件，并使用與發(fā)送方相同的密碼散列函數(shù)（MD5，SHA，SM3）把解密后的原文件形成摘要。

（5）將解密的摘要與由接收者重新加密的接收者原始文件生成的摘要進(jìn)行比較。如果兩者一致，則在傳輸過(guò)程中信息不會(huì)被破壞或偽造。

簡(jiǎn)單概括上述過(guò)程就是：公鑰加密，私鑰解密；私鑰加密，公鑰解密。區(qū)塊鏈技術(shù)采用這種非對(duì)稱加密技術(shù)，大大提高了信息的傳輸?shù)陌踩?，防止了信息被篡改，所以不可篡改性是區(qū)塊鏈技術(shù)的重要特性之一。

4.3 P2P網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也稱為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)，該技術(shù)沒(méi)有中央服務(wù)器，依靠用戶在互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上交換信息。它的應(yīng)用范圍非常廣泛，從流媒體到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，從文件共享到協(xié)同處理，它在許多領(lǐng)域都有存在。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的P2P技術(shù)主要用于在節(jié)點(diǎn)之間傳輸交易數(shù)據(jù)和區(qū)塊數(shù)據(jù)。從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的角度來(lái)看，大多數(shù)區(qū)塊鏈項(xiàng)目使用的底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是TCP/IP協(xié)議；從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕嵌葋?lái)看，區(qū)塊鏈技術(shù)采用全分布式拓?fù)?，?jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的傳輸過(guò)程更接近“泛洪算法”，即：交易數(shù)據(jù)從某個(gè)節(jié)點(diǎn)生成，然后廣播到相鄰節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)一傳十，十傳百，直至傳播到全網(wǎng)[16]?？偠灾?，區(qū)塊鏈中P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就是數(shù)據(jù)的定位和數(shù)據(jù)的共享兩種方式的并存。

4.4 工作量證明機(jī)制（POW）

工作量證明機(jī)制是存在于公有鏈范疇內(nèi)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，它就是一份證明工作節(jié)點(diǎn)做過(guò)一定量工作的證明。區(qū)塊鏈技術(shù)最成功的應(yīng)用比特幣就是使用這種工作量證明機(jī)制，它的核心思想就是通過(guò)分布式各節(jié)點(diǎn)的算力競(jìng)爭(zhēng)來(lái)保證數(shù)據(jù)的一致性和共識(shí)機(jī)制的安全性。哈希函數(shù)是密碼學(xué)上計(jì)算難度經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證的東西，所以用它來(lái)作證明是最有效的，每發(fā)出一條信息上傳到區(qū)塊鏈的時(shí)候，你要證明你付出了一定的算力，你的證據(jù)就是你區(qū)塊里面的字符串，而加上這個(gè)字符串以后，你的區(qū)塊的哈希值正好小于某個(gè)數(shù)。哈希函數(shù)的特征表明，你沒(méi)有任何取巧的方法可以做到這一點(diǎn)，你只能一個(gè)個(gè)字符串的去嘗試。形象來(lái)說(shuō)就是系統(tǒng)為了找出合適的值，每次會(huì)出一道數(shù)學(xué)題，讓所有節(jié)點(diǎn)來(lái)解答此題，誰(shuí)有更強(qiáng)大的計(jì)算能力，以最快的速度解出這道題目的節(jié)點(diǎn)才有進(jìn)行記賬的權(quán)利。獲得了該節(jié)點(diǎn)的記賬權(quán)，就證明了該節(jié)點(diǎn)做了相應(yīng)的工作，這就是工作量證明機(jī)制的簡(jiǎn)要描述。

但POW也有明顯的缺點(diǎn)，那就是依靠計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算獲取記賬權(quán)，但該數(shù)學(xué)運(yùn)算沒(méi)有實(shí)際的意義，只是為了得到目標(biāo)值而形成的一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此造成了時(shí)間、精力、電力及計(jì)算機(jī)硬件資源的巨大消耗，每次全網(wǎng)達(dá)成共識(shí)需要全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)共同參與計(jì)算，而最終只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)成功，其余節(jié)點(diǎn)的努力都將化為烏有，運(yùn)行效率低。因此，權(quán)益證明機(jī)制POS很好地解決了POW存在的明顯缺陷問(wèn)題。

4.5 權(quán)益證明機(jī)制（POS）

權(quán)益證明機(jī)制是解決POW缺陷的一種替代方案，但其實(shí)質(zhì)是通過(guò)計(jì)算能力來(lái)獲得記賬權(quán)。與股票股利制度類似，股權(quán)相對(duì)較大的人可以獲得更多股息。主要思想是獲得節(jié)點(diǎn)記賬權(quán)的難度與節(jié)點(diǎn)持有的權(quán)益成反比，等比例地降低挖礦難度，從而加快找到隨機(jī)數(shù)的速度，即擁有比較高股權(quán) （貨幣） 的節(jié)點(diǎn)即有比較高的概率獲得記賬權(quán)及獎(jiǎng)勵(lì)。用戶還可以購(gòu)買等價(jià)的令牌并將其作為存款放入POS機(jī)制，這樣用戶就有更大的機(jī)會(huì)計(jì)算目標(biāo)值，從而產(chǎn)生新的區(qū)塊和獎(jiǎng)勵(lì)。它在一定程度上減少了數(shù)學(xué)運(yùn)算引起的資源消耗，并且性能也相應(yīng)提高，但仍然基于哈希運(yùn)算。簡(jiǎn)而言之，它是一個(gè)根據(jù)用戶持有多少錢和時(shí)間（硬幣年齡）支付利息的系統(tǒng)。實(shí)際上最典型的例子是股票或銀行存款。

但POS也有一些缺點(diǎn)，由于POS區(qū)塊鏈系統(tǒng)缺少了POW“挖礦”的過(guò)程，POS系統(tǒng)面臨如何分發(fā)虛擬資產(chǎn)的問(wèn)題。本質(zhì)上沒(méi)有解決商業(yè)應(yīng)用的痛點(diǎn)；所有的確認(rèn)只是概率表達(dá)，而不是確定性的。

5 區(qū)塊鏈技術(shù)存在的問(wèn)題

任何技術(shù)都有其局限性，而且，該技術(shù)正處于快速發(fā)展時(shí)期，但該技術(shù)仍處在初級(jí)發(fā)展階段，存在許多問(wèn)題。其中一些問(wèn)題將對(duì)區(qū)塊鏈行業(yè)的未來(lái)發(fā)展產(chǎn)生非常不利的影響。下面我們來(lái)了解這些亟待解決的問(wèn)題。

5.1 安全和隱私問(wèn)題

雖然區(qū)塊鏈技術(shù)在密碼學(xué)中使用非對(duì)稱密鑰加密技術(shù)，但它具有很高的安全性。在安全性問(wèn)題中，區(qū)塊鏈技術(shù)具有不可篡改、不可偽造的特征，這個(gè)既是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)，區(qū)塊鏈沒(méi)有遺憾，沒(méi)有人可以對(duì)區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)變化做任何事情。但是，在金融系統(tǒng)中，如果轉(zhuǎn)賬地址填寫(xiě)錯(cuò)誤，將直接造成永久性損失，不能撤銷；私鑰由用戶生成和維護(hù)，無(wú)須第三方參與，但如果私鑰丟失將無(wú)法對(duì)賬戶資產(chǎn)進(jìn)行任何操作，會(huì)造成永久無(wú)法挽回的損失。在當(dāng)前的集中式系統(tǒng)中，如果您的銀行卡丟了或忘記密碼，您可以到銀行處理，您的錢也不會(huì)丟失。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，這意味著每個(gè)人都有一個(gè)完整的賬簿，每個(gè)賬戶都需要追溯，因?yàn)閰^(qū)塊鏈計(jì)算余額并驗(yàn)證交易的有效性。因此交易數(shù)據(jù)是公開(kāi)透明的。沒(méi)有隱私可言。并且個(gè)人賬戶與真實(shí)身份是綁定在一起的，個(gè)人賬戶信息的公開(kāi)，就意味著個(gè)人身份的公開(kāi)。如果人們使用不純的動(dòng)機(jī)，這將帶來(lái)無(wú)法估量的損失。

5.2 效率問(wèn)題

效率是任何一項(xiàng)技術(shù)都要考慮的因素之一。區(qū)塊鏈中形成一個(gè)新區(qū)塊的平均時(shí)間是十分鐘，區(qū)塊形成后將數(shù)據(jù)寫(xiě)入新區(qū)塊，進(jìn)而所有節(jié)點(diǎn)都同步數(shù)據(jù)，則需要更多的時(shí)間。由于到目前為止已經(jīng)開(kāi)發(fā)了超過(guò)500，000個(gè)區(qū)塊，因此如果他們想要同步他們的新賬本，那么對(duì)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)新的節(jié)點(diǎn)將花費(fèi)更多時(shí)間。長(zhǎng)此以往，隨著區(qū)塊的增多，很可能沒(méi)有新的節(jié)點(diǎn)愿意加入?yún)^(qū)塊鏈中來(lái)同步賬本。并且每個(gè)區(qū)塊中有很大的數(shù)據(jù)量，要同步所有區(qū)塊中的數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行存儲(chǔ)，占用的時(shí)間和存儲(chǔ)空間也是巨大的。并且時(shí)間和空間的耗費(fèi)對(duì)節(jié)點(diǎn)本身有可能沒(méi)有實(shí)際的意義，只是一個(gè)純粹的參與者。

前任央行行長(zhǎng)周小川在2016年初的一次采訪中表示，區(qū)塊鏈仍然占用太多資源，無(wú)論是計(jì)算資源還是存儲(chǔ)資源，都無(wú)法應(yīng)對(duì)當(dāng)前的交易規(guī)模[17]。目前比特幣每秒只能完成7筆訂單。我們可以想象一下在交易量非常大的時(shí)間段內(nèi)，每秒只能處理7筆訂單，這也就是每分鐘僅能處理420筆訂單，這樣的效率甚至無(wú)法滿足一個(gè)城市的交易速度，更別提服務(wù)于全國(guó)甚至全世界的消費(fèi)者了，因此，區(qū)塊鏈創(chuàng)新支付技術(shù)的效率尚未得到解決。

5.3 高能耗問(wèn)題

區(qū)塊鏈技術(shù)的高能耗問(wèn)題主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是區(qū)塊鏈技術(shù)中的各類證明機(jī)制帶來(lái)的“挖礦”，其次是區(qū)塊鏈上的每個(gè)事務(wù)都廣播到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

為了得到記賬權(quán)，區(qū)塊鏈中所有的節(jié)點(diǎn)都要進(jìn)行一個(gè)復(fù)雜而沒(méi)有意義的運(yùn)算，這些節(jié)點(diǎn)二十四小時(shí)不間斷地進(jìn)行著運(yùn)算，對(duì)硬件的損耗和電能的消耗是巨大的。根據(jù)Digiconomist的評(píng)估，2018年5月25日，全球比特幣礦業(yè)電力消耗1.88億千瓦時(shí)，這意味著全年電力消耗為688.1億千瓦時(shí)，它是2017年5月份耗電量（115.7億千瓦時(shí)）的6倍。全球比特幣采礦的總耗電量相當(dāng)于捷克一個(gè)國(guó)家的電力消耗量，占全球電力消費(fèi)的0.31%。平均而言，每個(gè)比特幣交易耗電968千瓦時(shí)，相當(dāng)于美國(guó)32個(gè)家庭的每日電力消耗[18]。這種殘酷的計(jì)算競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果是巨大的能源消耗。同時(shí)，為了確保區(qū)塊鏈信息的透明性和公開(kāi)性，區(qū)塊鏈上的每個(gè)交易都將廣播到每個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此每一次廣播都是對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的一種消耗，并且這種消耗是不間斷的。

根據(jù)上述問(wèn)題，與由“采礦”代表的傳統(tǒng)高能耗區(qū)塊鏈系統(tǒng)相比，最近提出了綠色區(qū)塊鏈。倡導(dǎo)和實(shí)踐新的綠色區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)是世界上第一個(gè)有助于綠色資產(chǎn)的區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)。綠色區(qū)塊鏈的提出是未來(lái)區(qū)塊鏈技術(shù)不斷完善的理論依據(jù)。

6 區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用前景與展望

區(qū)塊鏈技術(shù)被認(rèn)為是繼蒸汽機(jī)、電力和互聯(lián)網(wǎng)之后的顛覆性創(chuàng)新。如果說(shuō)蒸汽機(jī)和電力解放了生產(chǎn)力并且互聯(lián)網(wǎng)改變了信息傳輸?shù)姆绞?，那么區(qū)塊鏈作為構(gòu)建信任的機(jī)器，可能會(huì)改變價(jià)值傳遞方式。作為數(shù)字貨幣的技術(shù)支撐，目前的區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)引發(fā)了金融領(lǐng)域的巨大浪潮，以及許多金融巨頭，包括主要的國(guó)際銀行。區(qū)塊鏈技術(shù)是公司未來(lái)發(fā)展計(jì)劃的重中之重。我們都認(rèn)為區(qū)塊鏈技術(shù)將導(dǎo)致金融業(yè)發(fā)生類似海嘯的巨變。

此外，根據(jù)中國(guó)工業(yè)和信息化部發(fā)布的“中國(guó)區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展白皮書(shū)2016”，區(qū)塊鏈的應(yīng)用已延伸到許多領(lǐng)域，如醫(yī)療健康、教育、慈善公益、社會(huì)管理[19]。就文化產(chǎn)業(yè)來(lái)看，復(fù)制成本低、維權(quán)成本高、證明難度使知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)始終成為行業(yè)的一個(gè)難點(diǎn)。通過(guò)區(qū)塊鏈，文化產(chǎn)品的生產(chǎn)、傳播和交易記錄真實(shí)透明、可靠，問(wèn)題得到解決。從2014年以來(lái)，包括麻省理工大學(xué)、斯坦福大學(xué)和普林斯頓大學(xué)在內(nèi)的十幾所歐洲和美國(guó)頂尖大學(xué)先后開(kāi)設(shè)了區(qū)塊鏈課程。而現(xiàn)在，將不再局限于區(qū)塊鏈技術(shù)教學(xué)，有人準(zhǔn)備用區(qū)塊鏈技術(shù)向傳統(tǒng)的教育模式發(fā)出挑戰(zhàn)。據(jù)《泰晤士高等教育報(bào)》報(bào)道，2018年4月，一群來(lái)自牛津大學(xué)的學(xué)者宣布將創(chuàng)辦世界上第一所區(qū)塊鏈大學(xué)——伍爾夫大學(xué)，并且在今年夏季，將向所有學(xué)生開(kāi)放申請(qǐng)。

從技術(shù)角度看，區(qū)塊鏈應(yīng)用主要分為以下四種類型：第一種是使用賬本模式的賬務(wù)類應(yīng)用程序，包括數(shù)字資產(chǎn)交易、各種代幣、積分、電子賬單和其他類型的系統(tǒng)；第二種是使用存儲(chǔ)模式的存證類應(yīng)用，包括各種信息確權(quán)、溯源存證等類型的系統(tǒng)；第三種是基于平臺(tái)模式的通用系統(tǒng)，包括各種智能合約基礎(chǔ)鏈、BaaS區(qū)塊鏈通用云等；第四種是其他基于模式的應(yīng)用程序，其主要特征是它們?cè)谄渖虡I(yè)模式中僅需要區(qū)塊鏈系統(tǒng)的某些特性，例如利用區(qū)塊鏈P2P廣播能力的因特網(wǎng)廣告系統(tǒng)，一種利用區(qū)塊鏈加密能力的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)等[20]。

之前各類報(bào)告宣稱2018年是區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用落地的關(guān)鍵年份，在這一年會(huì)有各類應(yīng)用如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)，但截至今年年中，仍沒(méi)有成熟的區(qū)塊鏈應(yīng)用投入使用，但我們不要過(guò)度悲觀，對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)產(chǎn)生過(guò)度懷疑，我們要相信區(qū)塊鏈技術(shù)作為顛覆性的創(chuàng)新，現(xiàn)在尚處于“嬰兒期”，我們要看著它成長(zhǎng)為社會(huì)有用的“棟梁之才”。我們現(xiàn)在要做的就是對(duì)技術(shù)的進(jìn)一步研究和對(duì)技術(shù)存在的問(wèn)題的進(jìn)一步探索及優(yōu)化，盡量減少技術(shù)的缺點(diǎn)，讓技術(shù)造福社會(huì)。

7 結(jié)束語(yǔ)

從2009年到2018年，區(qū)塊鏈技術(shù)經(jīng)歷近10年的發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展也帶來(lái)了各行業(yè)運(yùn)營(yíng)觀念的變化，新技術(shù)與新思想促進(jìn)了各個(gè)行業(yè)的新發(fā)展以及這種推動(dòng)力對(duì)社會(huì)的影響，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的推動(dòng)也是巨大的，許多新的行業(yè)現(xiàn)象將陸續(xù)出現(xiàn)，大眾將拭目以待，期待這項(xiàng)新技術(shù)被各行業(yè)所采用，更好地造福各行業(yè)。總之，區(qū)塊鏈涉及金錢、信任和權(quán)力，這是人類賴以生存的根本性基礎(chǔ)。因此值得我們投入更多的時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)和研究。

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