區(qū)塊鏈技術(shù)及特色應(yīng)用

常廣炎 蔡蓉

摘要：區(qū)塊鏈如今成為科技領(lǐng)域最熱門的話題，主要在于其解決的關(guān)鍵問題是交易的信任和安全問題。解決了信任問題，就能解決非常多的社會問題，讓數(shù)據(jù)領(lǐng)域更加透明。區(qū)塊鏈技術(shù)正在賦能實(shí)體經(jīng)濟(jì)，打造互聯(lián)互通的產(chǎn)業(yè)新生態(tài)，對我國發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，創(chuàng)新政府治理和公共服務(wù)模式具有重要意義。本文就區(qū)塊鏈核心技術(shù)及發(fā)展路徑進(jìn)行了闡釋，并給出區(qū)塊鏈特色應(yīng)用實(shí)例及應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)和未來區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展展望。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；SHA256；非對稱加密；數(shù)字簽名

1、區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)

區(qū)塊鏈?zhǔn)侨ブ行幕姆植际劫~本數(shù)據(jù)庫。是分布式數(shù)據(jù)存儲、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、共識機(jī)制、加密算法、智能合約等計算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式，是多種技術(shù)的集成創(chuàng)新。具有透明可信、防偽造、防篡改、可追溯等特點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈，是一種構(gòu)建在點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)上的分布式存儲數(shù)據(jù)庫，它具有去中心化的、集體維護(hù)、可編程性、數(shù)據(jù)可信等特征。被視為下一代全球信用認(rèn)證和價值互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。從系統(tǒng)架構(gòu)上看，區(qū)塊鏈可分為核心層、服務(wù)層和用戶層，如圖1-1所示。

1.1 區(qū)塊鏈的存儲結(jié)構(gòu)

區(qū)塊是一塊存儲空間，可以存儲數(shù)據(jù)。鏈?zhǔn)枪Ｖ羔?，用來指向前一個區(qū)塊位置的指針，同時也是位置數(shù)據(jù)的哈希值。區(qū)塊和區(qū)塊鏈構(gòu)成，如圖1-2、圖1-3所示。

1.2 區(qū)塊鏈核心技術(shù)

1.2.1 分布式賬本

分布式賬本包括分布式存儲、節(jié)點(diǎn)運(yùn)算、時序服務(wù)及賬本記錄四部分。分布式存儲提供區(qū)塊鏈運(yùn)行產(chǎn)生的各種類型數(shù)據(jù)的寫入及查詢功能；節(jié)點(diǎn)運(yùn)算提供區(qū)塊鏈運(yùn)行的計算能力支持，包括虛擬機(jī)技術(shù)、云計算技術(shù)等；時序服務(wù)提供區(qū)塊鏈的行為或數(shù)據(jù)一致性時序，一般選擇特定的時序機(jī)制；賬本記錄提供區(qū)塊鏈分布式數(shù)據(jù)的存儲機(jī)制，每個節(jié)點(diǎn)記錄都是完整的賬目，每個節(jié)點(diǎn)都可參與并監(jiān)督交易的合法性，同時共同為其他用戶作證。

1.2.2 對等網(wǎng)絡(luò)

對等網(wǎng)（P2P）是區(qū)塊鏈底層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，區(qū)塊鏈中的各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用對等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行組織，各結(jié)點(diǎn)之間可高效安全通信、具有點(diǎn)對點(diǎn)通信多播功能及結(jié)點(diǎn)信息和狀態(tài)的及時獲取。

1.2.3 智能合約

智能合約是一套可以自動化執(zhí)行一些預(yù)先設(shè)定好的規(guī)則和條款。一個合約就是一個存儲在區(qū)塊鏈里的應(yīng)用小程序，代碼就是法律，不可以篡改，透明可信，在系統(tǒng)上無須第三方的參與便可自動執(zhí)行。

1.2.4 密碼學(xué)應(yīng)用

區(qū)塊鏈中使用安全散列算法SHA256、非對稱加密、數(shù)字簽名等密碼學(xué)應(yīng)用來確保數(shù)據(jù)安全。區(qū)塊鏈通過安全散列算法SHA256（哈希算法）對一個交易區(qū)塊中的交易信息進(jìn)行加密。SHA256是美國國家安全局（NSA）設(shè)計的一系列密碼散列函數(shù)，將任何一串?dāng)?shù)據(jù)輸入到SHA256將得到一個256位的Hash值（散列值），正向計算（由輸入數(shù)據(jù)計算其對應(yīng)的Hash值）十分容易；但知道Hash值，卻很難（基本不可能）計算出原來的輸入值。

區(qū)塊鏈中使用非對稱加密和數(shù)字簽名技術(shù)來確保賬戶和數(shù)據(jù)傳送安全。非對稱加密是指使用一對秘鑰，一個用來加密，一個用來解密，而且公鑰是公開的，私鑰是自己保存的（公鑰加密，私鑰解密）。數(shù)字簽名和手寫簽名功能非常類似，基本要求是無法偽造、容易論證和不可抵賴。數(shù)字簽名是他人無法偽造的一段數(shù)字串信息，該信息只有發(fā)送者才能產(chǎn)生，是對信息發(fā)送者發(fā)送信息真實(shí)性的一個有效證明（私鑰加密，公鑰解密）。

1.2.5 共識機(jī)制

共識機(jī)制是在一個時間段內(nèi)對事物的前后順序達(dá)成共識的一種算法。共識機(jī)制猶如國家的法律，維系著區(qū)塊鏈?zhǔn)澜缯＿\(yùn)轉(zhuǎn)。在區(qū)塊鏈中有工作量證明、權(quán)益證明和股份授權(quán)證明三種共識機(jī)制。

工作量證明機(jī)制PoW（proof-of-work）是第一代共識機(jī)制，是比特幣的基礎(chǔ)。是依賴機(jī)器算力來獲取記賬權(quán)（挖礦），按勞取酬，這里的勞動就是為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)提供的計算服務(wù)，提供這種計算服務(wù)的過程就是“挖礦”，礦工們爭著計算出區(qū)塊的哈希特定唯一值，率先算出區(qū)塊唯一哈希的礦工會得到這個區(qū)塊的獎勵，多勞多得。

權(quán)益證明機(jī)制PoS（Proof-of-Stake）是根據(jù)你持有加密貨幣的數(shù)量和時間，誰持幣的數(shù)量多、時間長，誰就有更大的機(jī)率獲得記賬權(quán)。

股份授權(quán)證明機(jī)制DPOS（ Delegated Proof of Stake）指持幣者投出一定數(shù)量代表，代理他們進(jìn)行驗(yàn)證和記賬，類似于董事會投票方式。

1.2.6 跨鏈技術(shù)

跨鏈技術(shù)是解決兩個或多個不同鏈上的資產(chǎn)以及功能狀態(tài)不能互相傳遞、轉(zhuǎn)移、交換的問題。跨鏈技術(shù)能夠增加區(qū)塊鏈的可拓展性，能夠從根本上解決不同公鏈/側(cè)鏈之間交易困難產(chǎn)生的“數(shù)據(jù)孤島”問題。目前主流的跨鏈技術(shù)包括公證人機(jī)制、側(cè)鏈/中繼、哈希鎖定、分布式私鑰控制等。

2、區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展路徑

在近十年的發(fā)展歷程中，區(qū)塊鏈技術(shù)給政治、經(jīng)濟(jì)、社會都帶來了很大的影響。區(qū)塊鏈的發(fā)展階段分為區(qū)塊鏈1.0、區(qū)塊鏈2.0、區(qū)塊鏈3.0時代。

2.1 區(qū)塊鏈1.0時代

區(qū)塊鏈1.0又稱可編程貨幣，數(shù)據(jù)層以區(qū)塊為單位的鏈狀數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)即通過加蓋時間戳將系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)塊有序鏈接，并通過密碼學(xué)等手段技術(shù)處理以首尾相連的方式有序聯(lián)系在一起。由于每個區(qū)塊都與前一個區(qū)塊相連，隨著長度的增加，要修改區(qū)塊鏈的交易信息就必須將以前的所有信息進(jìn)行重構(gòu)，這幾乎是不可能的事情，由此保證了賬本的信息安全。

比特幣的誕生是區(qū)塊鏈1.0時代的標(biāo)志。2008年11月1日自稱日裔美國人的中本聰發(fā)表了篇名為《比特幣：一種點(diǎn)對點(diǎn)式的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》的論文，打開了區(qū)塊鏈時代的大門，2009年初比特幣系統(tǒng)上線運(yùn)行。區(qū)塊鏈1.0時代最顯著的應(yīng)用是數(shù)字貨幣和支付，出現(xiàn)了以比特幣為代表的一系列虛擬貨幣，如萊特幣、瑞波幣等，這一時期的區(qū)塊鏈在金融領(lǐng)域掀起一股巨浪。

2.2 區(qū)塊鏈2.0時代

區(qū)塊鏈2.0又稱可編程資產(chǎn)，是智能合約開發(fā)和應(yīng)用的時代，最早由密碼學(xué)家尼克.薩博于1995年提出智能合約這一概念。2014年俄羅斯程序員Vitalik Buterin受比特幣啟發(fā)開發(fā)出以太坊，智能合約才被廣泛的應(yīng)用，以太坊是區(qū)塊鏈2.0的代表，掀起了區(qū)塊鏈2.0應(yīng)用的浪潮。以太坊是一個開源的具有智能合約功能的公共區(qū)塊鏈平臺，通過其專用加密貨幣（以太幣）提供去中心化的以太虛擬機(jī)來處理點(diǎn)對點(diǎn)合約，為用戶提供非常豐富的API，可以在其上快速開發(fā)各種區(qū)塊鏈應(yīng)用，應(yīng)用范圍已經(jīng)超越貨幣，延伸至期貨、貸款、抵押、產(chǎn)權(quán)、眾籌等，目前，以太坊上已有200多個應(yīng)用。

2.3 區(qū)塊鏈3.0時代

區(qū)塊鏈3.0又稱可編程社會，指在社會領(lǐng)域下的應(yīng)用場景實(shí)現(xiàn)，為各行各業(yè)提供去中心化的解決方案，能夠?qū)γ恳粋€互聯(lián)網(wǎng)中代表價值的信息進(jìn)行產(chǎn)權(quán)確認(rèn)、計量和存儲，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)在區(qū)塊鏈上可被追蹤、控制和交易，是區(qū)塊鏈全面應(yīng)用的時代。區(qū)塊鏈3.0構(gòu)成價值互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)核，由此構(gòu)建一個大規(guī)模協(xié)作社會。以EOS為代表第三代區(qū)塊鏈技術(shù)開創(chuàng)了區(qū)塊鏈社會化應(yīng)用的序幕，EOS是由Block.one公司開發(fā)的高性能區(qū)塊鏈底層操作系統(tǒng)。

3、區(qū)塊鏈特色應(yīng)用

3.1 在政務(wù)服務(wù)方面

政府利用區(qū)塊鏈，建立分布式賬本，可將政務(wù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)公之于眾，推進(jìn)政府?dāng)?shù)據(jù)開放，同時行政機(jī)構(gòu)可破除“信息孤島”實(shí)現(xiàn)電子政務(wù)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。雄安新區(qū)的“鏈上雄安”項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈+工程資金管理、區(qū)塊鏈+政務(wù)管理、“千年秀林”實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈+數(shù)字森林；貴州“區(qū)塊鏈+精準(zhǔn)扶貧”讓三千億扶貧基金有的放矢，使貧困人口識別、資金、管理、監(jiān)督、政策等各個環(huán)節(jié)納入?yún)^(qū)塊鏈。北京海淀區(qū)將區(qū)塊鏈技術(shù)運(yùn)用于“一網(wǎng)通辦”即不動產(chǎn)登記與用電過戶一并辦理，區(qū)塊鏈技術(shù)打通了政務(wù)服務(wù)和公共服務(wù)之間的數(shù)據(jù)壁壘。廣東省佛山市禪城區(qū)利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)佛山市禪城區(qū)的IMI身份認(rèn)證系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)材料“零提交”、辦事“零跑腿”。

3.2 在健康醫(yī)療方面

建立有時間戳的通用記錄存儲庫，利用區(qū)塊鏈加密、透明、不可篡改的特性，看病換醫(yī)院不用反復(fù)檢查，用藥價格透明、安全放心，也不用為報銷醫(yī)保反復(fù)折騰。阿里巴巴與常州市醫(yī)聯(lián)體合作，用區(qū)塊鏈打造中國醫(yī)療場景落地實(shí)施的第一個應(yīng)用。

3.3 在食品安全方面

“中興云鏈”由中興農(nóng)業(yè)與同濟(jì)大學(xué)合作開發(fā)出我國首個基于區(qū)塊鏈技術(shù)的有機(jī)食品溯源與防偽系統(tǒng)、首個區(qū)塊鏈DAPP“米戀”；“步步雞”是眾安科技的區(qū)塊鏈養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用，在安徽、河南、貴州、陜西、甘肅地得到廣泛推廣；“中糧橙鏈”區(qū)塊鏈+電子商務(wù)優(yōu)秀案例，5萬斤擁有自己“身份證”的“鏈橙”在中糧旗下“我買網(wǎng)”平臺上市，半小時即被秒殺一空。

3.4 在教育信用體系建設(shè)方面

在教育領(lǐng)域存在信用體系缺失的問題，基于區(qū)塊鏈去中心化、可驗(yàn)證、防篡改的存儲系統(tǒng)，可以保證存放于區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)記錄、學(xué)歷證書的真實(shí)性，使得學(xué)歷驗(yàn)證更加安全、高效。同時有助于學(xué)生與社會用人需求的無縫銜接，促進(jìn)學(xué)校和企業(yè)在人才培養(yǎng)上高效精準(zhǔn)合作。

4、當(dāng)前區(qū)塊鏈應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

4.1 技術(shù)成熟度有待提高

從區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能上看，區(qū)塊鏈上進(jìn)行交易的吞吐量不高，難以滿足高頻次業(yè)務(wù)需求；從生態(tài)上看，我國在區(qū)塊鏈開源平臺上缺少話語權(quán)和影響力較弱，缺乏相關(guān)的開發(fā)、集成和運(yùn)維體系，標(biāo)準(zhǔn)缺失；從監(jiān)管上看，區(qū)塊鏈技術(shù)本身的特點(diǎn)使得違法犯罪行為難追蹤、責(zé)任認(rèn)定困難等，使監(jiān)管手段帶來挑戰(zhàn)，需加強(qiáng)區(qū)塊鏈監(jiān)管力度，建立健全監(jiān)管機(jī)制；從成本上看，區(qū)塊鏈作為一種新興的應(yīng)用，一個優(yōu)秀的區(qū)塊鏈應(yīng)用項(xiàng)目從底層實(shí)現(xiàn)到應(yīng)用落實(shí)，各環(huán)節(jié)需要投入大量的成本。

4.2 行業(yè)專業(yè)人才相對稀缺

區(qū)塊鏈技術(shù)包含數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊、操作系統(tǒng)、密碼學(xué)、數(shù)學(xué)、金融等多學(xué)科，同時也跨多個領(lǐng)域，是多學(xué)科技術(shù)集成的應(yīng)用。區(qū)塊鏈底層系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計人才要掌握多項(xiàng)交叉學(xué)科的專業(yè)技能，我國目前在交叉學(xué)科方面存在短板，區(qū)塊鏈專業(yè)人才十分稀缺。

4.3 相關(guān)法律法規(guī)有待完善

區(qū)塊鏈發(fā)展訊速，但對區(qū)塊鏈技術(shù)的治理、監(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)等仍不健全。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，沒有為整個系統(tǒng)承擔(dān)責(zé)任的中心機(jī)構(gòu)，缺乏中心化的法律實(shí)體，使得傳統(tǒng)法律規(guī)則難以在事后對區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)管。

5、對區(qū)塊鏈技術(shù)的未來展望

區(qū)塊鏈被公認(rèn)為是一種構(gòu)建人類信任共同體、保障網(wǎng)絡(luò)空間安全的技術(shù)。其應(yīng)用場景從最初的“數(shù)字貨幣”加速向民生、政務(wù)、商業(yè)、產(chǎn)業(yè)等多領(lǐng)域延伸擴(kuò)展。基于區(qū)塊鏈的去中心化、分布式賬本、智能合約、難以篡改時間戳這四大特征，使區(qū)塊鏈將成為互聯(lián)網(wǎng)2.0版，成為未來價值互聯(lián)網(wǎng)的TCP/ IP、一種傳輸價值的基礎(chǔ)協(xié)議，推動互聯(lián)網(wǎng)從信息互聯(lián)網(wǎng)到價值互聯(lián)網(wǎng)的飛躍。未來，數(shù)字資產(chǎn)的創(chuàng)設(shè)和轉(zhuǎn)移，智能合約的發(fā)布和執(zhí)行，將促使區(qū)塊鏈的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入前所未有的價值互聯(lián)網(wǎng)，區(qū)塊鏈將成為一種商業(yè)模式、社會結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施，人類將建立一種新型的組織架構(gòu)，從而深刻影響未來每個人的生活，它最終的影響范圍和深度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜均 .《區(qū)塊鏈+：從全球50個案例看區(qū)塊鏈的應(yīng)用與未來》.機(jī)械工業(yè)出版社 . 2018.11

[2] 井底望天.《區(qū)塊鏈與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新》.人民郵電出版社 . 2018.12

作者簡介：

常廣炎，中共遼寧省委黨校，碩士，教授，研究方向：大數(shù)據(jù)應(yīng)用；

蔡蓉，中共遼寧省委黨校，碩士，副教授，研究方向：企業(yè)管理。