區(qū)塊鏈技術(shù)研究

（招商局公路網(wǎng)絡(luò)科技控股股份有限公司戰(zhàn)略發(fā)展部，北京 100022）

引言

隨著密碼學(xué)、分布式網(wǎng)絡(luò)、共識(shí)算法、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的飛速發(fā)展，區(qū)塊鏈誕生條件日趨成熟，比特幣的誕生成為區(qū)塊鏈的標(biāo)志性事件，之后以太坊開創(chuàng)性地將智能合約和區(qū)塊鏈結(jié)合起來，目前區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)展開研究和應(yīng)用。

一、區(qū)塊鏈技術(shù)的起源

探尋區(qū)塊鏈的機(jī)制和發(fā)展，比特幣永遠(yuǎn)是無法繞過的話題。區(qū)塊鏈技術(shù)最早可以追溯到比特幣系統(tǒng)中，2008年一個(gè)筆名為中本聰?shù)娜耍ɑ驁F(tuán)隊(duì)）發(fā)布了一篇名為《比特幣—一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》的文章，又在2009年公開了其早期的實(shí)現(xiàn)代碼，比特幣就此誕生。

中本聰并沒有直接提出區(qū)塊鏈這一概念，但其解決交易記錄，真實(shí)有效并不可篡改的方案可以看作區(qū)塊鏈技術(shù)的雛形。

區(qū)塊鏈技術(shù)幾乎與比特幣是同一時(shí)間誕生，當(dāng)時(shí)中本聰分別提到了區(qū)塊以及鏈的概念，不過并沒有明確提出完整的區(qū)塊鏈概念，區(qū)塊鏈?zhǔn)窃诒忍貛诺幕A(chǔ)上，被許多研究人員挖掘出的技術(shù)。

綜合有關(guān)區(qū)塊鏈技術(shù)的研究，我們認(rèn)為區(qū)塊鏈技術(shù)是一種由多方集體共同維護(hù)，使用密碼學(xué)保證傳輸和訪問安全，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)去中心化一致存儲(chǔ)、不可篡改、去除第三方信任機(jī)構(gòu)的記賬技術(shù)[1]。

二、區(qū)塊鏈的基本分類

區(qū)塊鏈根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性、節(jié)點(diǎn)的可參與性及其功能價(jià)值，可以分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈三種模式。

表1 公有鏈、聯(lián)盟鏈及私有鏈對(duì)比分析表

三、區(qū)塊鏈的核心技術(shù)

1.非對(duì)稱加密算法

非對(duì)稱加密算法，就是了使用公鑰和私鑰在不直接傳遞解開密碼的密鑰的情況下，使加密的信息解密，也就是說，加密的方式和解密的過程可以是完全不對(duì)稱的關(guān)系。

2.摘要算法

區(qū)塊鏈采用密碼學(xué)摘要算法技術(shù)，保證區(qū)塊鏈賬本的完整性不被破壞。摘要算法能將二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射為一串較短的字符串，并具有輸入敏感特性，一旦輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，發(fā)生微小的篡改，經(jīng)過摘要運(yùn)算得到的字符串，將發(fā)生非常大的變化。此外，優(yōu)秀摘要算法還具有沖突避免特性，輸入不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，得到的摘要結(jié)果字符串是不同的。

3.數(shù)字簽名

數(shù)字簽名是在區(qū)塊鏈技術(shù)中把摘要函數(shù)、密鑰全部運(yùn)用到的重要機(jī)制。數(shù)字簽名主要主要有兩個(gè)作用：第一，發(fā)送節(jié)點(diǎn)公鑰和私鑰，因此，確定了消息是由發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送；第二，則是運(yùn)用摘要函數(shù)確保了信息在發(fā)送過程中完好無損。

4.時(shí)間戳

時(shí)間戳主要負(fù)責(zé)記錄每個(gè)區(qū)塊接受信息的時(shí)間，確保每條信息的先后順序，進(jìn)而保證了每個(gè)區(qū)塊都能做出一致的判斷。

5.分布式賬本技術(shù)

分布式賬本技術(shù)DLT（Distributed Ledger Technology）本質(zhì)上是一種可以在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、多個(gè)物理地址或者多個(gè)組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分享、同步和復(fù)制的去中心化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)[2]。

四、區(qū)塊鏈共識(shí)算法

1.工作量證明

工作量證明的概念早在1993年就已經(jīng)被人提出了，工作量證明需要發(fā)起人進(jìn)行一定的運(yùn)算，1998年，戴偉發(fā)布了匿名的分散式電子現(xiàn)金系統(tǒng)（B-Money），引入了工作量證明機(jī)制，強(qiáng)調(diào)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易和不可更改的特性，之后中本聰將工作量證明應(yīng)用到比特幣上，比特幣采用PoW工作量證明來保證分布式網(wǎng)絡(luò)記賬的一致性，這是目前實(shí)踐看來最為安全的公有鏈共識(shí)算法。

2.權(quán)益證明

權(quán)益證明最早由在2012年8月發(fā)布的PPC（PeerToPeerCoin點(diǎn)點(diǎn)幣）系統(tǒng)中首先實(shí)現(xiàn)，權(quán)益證明是工作量證明的升級(jí)共識(shí)機(jī)制，主要思想是節(jié)點(diǎn)記賬權(quán)的獲得難度與節(jié)點(diǎn)持有的權(quán)益成反比，相對(duì)于工作量證明，一定程度減少了數(shù)學(xué)運(yùn)算帶來的資源消耗，性能也得到了相應(yīng)的提升，縮短了延遲，但依然是基于哈希運(yùn)算競爭獲取記賬權(quán)的方式，因此，權(quán)益證明也不是完全彌補(bǔ)了工作量證明的不足，它只是在工作量證明的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了部分改善。

3.股份授權(quán)證明

股份授權(quán)證明DPoS是2014年4月由Bitshares 的首席開發(fā)者Dan Larimer提出的一種基于代理人機(jī)制的PoS算法，股份授權(quán)證明比權(quán)益證明更加權(quán)威，它類似投票機(jī)制，由節(jié)點(diǎn)選舉若干代理人，由代理人驗(yàn)證和記賬，是在權(quán)益證明的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出的共識(shí)算法。

4.拜占庭容錯(cuò)機(jī)制

拜占庭容錯(cuò)機(jī)制也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，但該共識(shí)機(jī)制允許拜占庭容錯(cuò)。

結(jié)語

本文從比特幣與區(qū)塊鏈技術(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系出發(fā)，描述了實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈分布式記賬的主要技術(shù)原理和框架，從技術(shù)原理出發(fā)到應(yīng)用場景落地全方位闡述了區(qū)塊鏈的實(shí)現(xiàn)方式。