新型區(qū)塊鏈專利技術(shù)概述

孫 佐 趙洪君 劉仲果

（中國人民銀行延邊州中心支行，吉林延邊 133000）

各國央行基于區(qū)塊鏈交易記錄篡改難度高、去中心化管理等優(yōu)勢，將區(qū)塊鏈技術(shù)選作央行數(shù)字貨幣（CBDC）技術(shù)核心開展深化研究。在試驗過程中，早期區(qū)塊鏈技術(shù)出現(xiàn)諸多缺陷。其中包括：協(xié)議通信復(fù)雜、共識達成時間長、系統(tǒng)信息吞吐量不足導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)算效率下降、不足以全面支撐大國金融結(jié)算；數(shù)字貨幣大量用于洗錢、詐騙等非法交易；智能合約漏洞導(dǎo)致假幣橫生，危及金融穩(wěn)定。中國人民銀行設(shè)立數(shù)字貨幣研究所，組織金融企業(yè)、科技公司等科研機構(gòu)積極參與并推進區(qū)塊鏈技術(shù)開發(fā)，實現(xiàn)大量專利科技，在共識方法提升系統(tǒng)效率、非法交易篩查、智能合約漏洞檢測等方面取得較大進展。

一、新型區(qū)塊鏈共識方法提升系統(tǒng)效率

（一）共識方法基本內(nèi)容

該方案是對早期區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的拜占庭容錯(Byzantine Fault Tolerance，BFT)共識問題，提出的一種替代方法，稱為鏈?zhǔn)紹FT或者CBFT。此種區(qū)塊鏈共識方法，提供了多個不同投票權(quán)限的CBFT協(xié)議，分不同安全層級降低協(xié)議通信投票數(shù)量，降低通信復(fù)雜度，減少區(qū)塊鏈共識達成時間，提升系統(tǒng)的信息吞吐量，該方法包括4個模塊：通信、處理、確定、共識，以包含3f+1個區(qū)塊鏈副本節(jié)點的區(qū)塊鏈舉例說明。

通信模塊負責(zé)接收領(lǐng)導(dǎo)人廣播的區(qū)塊消息，區(qū)塊消息由領(lǐng)導(dǎo)人在接收到用戶指令后按照預(yù)設(shè)消息結(jié)構(gòu)進行打包，其中包含領(lǐng)導(dǎo)人響應(yīng)于用戶指令提出的新區(qū)塊及該新區(qū)塊的父塊的第一投票結(jié)果，該新區(qū)塊由領(lǐng)導(dǎo)人按照預(yù)設(shè)區(qū)塊結(jié)構(gòu)進行打包，其中包含所述新區(qū)塊的父塊投票結(jié)果類型，所述投票結(jié)果以投票副本節(jié)點數(shù)量多寡分為f+1、2f+1和3f+1三種。

處理模塊根據(jù)當(dāng)前保存的本地變量及預(yù)設(shè)投票規(guī)則確定所述新區(qū)塊的有效性，當(dāng)確定所述新區(qū)塊有效時，向所述領(lǐng)導(dǎo)人發(fā)送新區(qū)塊的第二投票，同時根據(jù)所述區(qū)塊消息更新本地變量，本地變量包括區(qū)塊最新投票塊、最新投票證據(jù)和最新弱投票證據(jù)，所述區(qū)塊最新投票塊更新為區(qū)塊消息中包含的新區(qū)塊；當(dāng)所述第一投票結(jié)果包含2f+1或3f+1個副本的投票時，將最新投票證據(jù)更新為第一投票結(jié)果；當(dāng)所述第一投票結(jié)果包含f+1個副本的投票時，將最新弱投票證據(jù)更新為第一投票結(jié)果；領(lǐng)導(dǎo)人收集各個副本發(fā)送的新區(qū)塊的第二投票，將收集得到的所有第二投票作為以當(dāng)前新區(qū)塊為父塊的下一個新區(qū)塊的區(qū)塊消息中攜帶的第一投票結(jié)果。

確定模塊根據(jù)預(yù)先指定的共識協(xié)議類型及第一投票結(jié)果確定共識規(guī)則。

共識模塊根據(jù)所述共識規(guī)則，追溯新區(qū)塊的指定數(shù)量的父塊的投票結(jié)果，如果指定數(shù)量的父塊的投票結(jié)果滿足共識規(guī)則，則確定指定數(shù)量的父塊中最早提出的父塊達成共識，執(zhí)行區(qū)塊提交協(xié)議，將所述最早提出的父塊，及與所述最早提出的父塊在同一條支鏈上且早于該最早提出的父塊提出的區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈中。

（二）基于此種共識方法的弱認(rèn)證運行形式

區(qū)塊鏈包含3f+1個區(qū)塊鏈副本節(jié)點，對于異步網(wǎng)絡(luò)中的每個區(qū)塊鏈副本節(jié)點，在該區(qū)塊鏈副本節(jié)點對應(yīng)的當(dāng)前時期epoch廣播該區(qū)塊鏈副本節(jié)點對應(yīng)的提議消息，在收集到f+1個區(qū)塊鏈副本節(jié)點根據(jù)提議消息反饋的簽名投票信息后，形成該區(qū)塊鏈副本節(jié)點在所述當(dāng)前時期epoch對應(yīng)的弱證書。

在區(qū)塊鏈包含3f+1個副本節(jié)點環(huán)境下，在接收到2f+1個區(qū)塊鏈副本節(jié)點廣播同一時期epoch的弱證書后，進行區(qū)塊鏈共識，交易記賬完畢并進入下一輪區(qū)塊鏈共識過程。

（三）優(yōu)勢

BFT共識中，在區(qū)塊鏈包含3f+1個副本節(jié)點應(yīng)用環(huán)境下，每次達成共識必須經(jīng)過3f+1個副本節(jié)點共同認(rèn)證、共同響應(yīng)確認(rèn)，存在協(xié)議通信復(fù)雜，共識達成時間長，系統(tǒng)的信息吞吐量不足問題。在新的共識方案下，弱認(rèn)證運行過程中，f+1個區(qū)塊鏈副本節(jié)點響應(yīng)下即可生成弱認(rèn)證證書，接收2f+1個區(qū)塊鏈副本節(jié)點廣播同一時期epoch的證書后即可達成共識，即完成交易記賬并進入下一輪記賬過程，降低協(xié)議通信復(fù)雜度，減少共識達成時間，提升共識系統(tǒng)的信息吞吐量。

二、區(qū)塊鏈地址分類篩查非法交易

（一）基本內(nèi)容

提取區(qū)塊鏈地址集合中各區(qū)塊鏈地址對應(yīng)的交易記錄，并按照交易生成時間對提取的各交易記錄依序編號，數(shù)據(jù)庫中每一交易記錄有唯一的交易編號；該方案用各個區(qū)塊鏈地址參與的交易構(gòu)成不等長的序列作為表示地址的特征，例如地址e參與10筆交易，地址f參與50筆交易，那么地址e的交易序列長度為10、地址f的交易序列長度為50，這些序列可以作為表示區(qū)塊鏈地址的特征。

將區(qū)塊鏈地址集合中每一區(qū)塊鏈地址對應(yīng)的交易記錄的集合作為一條語料；按照各交易編號在所有語料中的出現(xiàn)頻率，對各交易編號排序，得到交易編號詞表；對交易編號詞表中的各交易編號使用獨熱編碼(One-Hot編碼)生成；將交易編號詞表中的各交易編號通過word2vec算法(一種詞向量生成算法)下的CBOW模型向量化，結(jié)合已生成的稀疏矩陣得到對應(yīng)的交易記錄的交易向量。其中，交易編號編碼向量中為1的分量表示對應(yīng)的交易編號在交易編號詞表中的位置；區(qū)塊鏈地址分為待分類和帶有標(biāo)簽兩類。待分類的區(qū)塊鏈地址取對應(yīng)的所有交易向量的平均值，作為地址向量；帶有標(biāo)簽的區(qū)塊鏈地址單獨計算交易向量，生成對應(yīng)標(biāo)簽的地址向量，并通過XGBoost(極端梯度提升)算法生成分類模型(分類器)。

將待分類的區(qū)塊鏈地址的地址向量輸入訓(xùn)練后的分類器，得到待分類的區(qū)塊鏈地址的類別，進而提取出不同類別的交易編號。

（二）應(yīng)用價值與優(yōu)勢

此方案中，區(qū)塊鏈地址分為待分類和帶有標(biāo)簽兩類。帶有標(biāo)簽的地址可以視為是符合交易規(guī)則的合法交易，待分類地址可以視為單位時間段內(nèi)所有社會大眾交易記錄的集合，是待比對的數(shù)據(jù)庫。以帶有標(biāo)簽的區(qū)塊鏈地址生成分類模型作為標(biāo)準(zhǔn)，對待分類地址中與標(biāo)準(zhǔn)偏差較大的交易類別進行篩查與分離，進而區(qū)分出屬于異常交易的地址或是正常交易的地址，供監(jiān)管部門進行調(diào)查。

該技術(shù)使用詞向量技術(shù)處理地址參與的交易構(gòu)成的上述不等長的序列，能夠生成具有相同維度的向量，即不同的區(qū)塊鏈地址的地址向量的維度數(shù)都是相同的，從而得到能夠用于分類器對區(qū)塊鏈地址分類的等長向量，解決了傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)方法都只能處理橫截面數(shù)據(jù)，無法處理與時間相依的面板數(shù)據(jù)，以及由于區(qū)塊鏈公鏈的交易信息中可提取的統(tǒng)計特征太少，導(dǎo)致傳統(tǒng)統(tǒng)計建模通常無法訓(xùn)練出滿意的模型的問題。

三、形式化規(guī)則檢測智能合約漏洞

（一）基本內(nèi)容

解析智能合約的源代碼，提取智能合約包涵的函數(shù)運行邏輯和函數(shù)間調(diào)用關(guān)系；智能合約的源代碼應(yīng)包括多個函數(shù)。

通過虛擬機在另一種環(huán)境下運行函數(shù)和合約的運行規(guī)則，運用包括并不限于將函數(shù)的原有運行邏輯拆分和重組，或新增運行邏輯等方式調(diào)整原函數(shù)的運行邏輯，得到新的函數(shù)運行邏輯，如原命題轉(zhuǎn)換為等價逆否命題；其中，函數(shù)運行規(guī)則包括對虛擬機特征進行形式化處理得到的運行規(guī)則；虛擬機特征為虛擬機運行函數(shù)的過程中影響函數(shù)的運行邏輯的特征；新的函數(shù)運行邏輯與函數(shù)在虛擬機上的實際運行邏輯相匹配。

根據(jù)新的函數(shù)運行邏輯和函數(shù)間調(diào)用關(guān)系進行數(shù)理轉(zhuǎn)化，生成形式化規(guī)則；形式化規(guī)則是基于新的函數(shù)運行邏輯運行函數(shù)時應(yīng)滿足的數(shù)學(xué)運行規(guī)則與邏輯規(guī)則；根據(jù)形式化規(guī)則開展虛擬交易，通過核對目標(biāo)與系統(tǒng)描述一致性開展檢測。理論上，無漏洞的智能合約調(diào)用新的函數(shù)運行邏輯交易結(jié)果應(yīng)與原有邏輯的交易結(jié)果保持一致，即合約在運行過程中總金額不變，單賬戶余額不能為零等。如果出現(xiàn)不一致表示智能合約存在漏洞。

（二）技術(shù)優(yōu)勢

新技術(shù)基于新的函數(shù)運行邏輯和函數(shù)間調(diào)用關(guān)系生成形式化規(guī)則，使用數(shù)學(xué)的公式、定理和系統(tǒng)來驗證一個系統(tǒng)的功能正確性和安全屬性，與傳統(tǒng)檢測方法相比，形式化規(guī)則驗證方法可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)與系統(tǒng)描述的不一致性問題，因此使用形式化驗證方法來驗證智能合約，可以有效的檢驗智能合約的安全性，檢測智能合約是否存在漏洞。

新技術(shù)能夠表征智能合約在實際運行時是否存在漏洞，無論是已知漏洞類型還是未知漏洞類型均可以檢測出，智能合約的漏洞檢測精度較高。

四、新型區(qū)塊鏈技術(shù)在央行和金融科技領(lǐng)域應(yīng)用建議

建議利用新型金融科技的優(yōu)勢，推動支付結(jié)算、貨幣發(fā)行等央行傳統(tǒng)業(yè)務(wù)與科技創(chuàng)新融合發(fā)展。人民銀行應(yīng)緊跟國際發(fā)展步伐，加大力度推動商業(yè)銀行完成具有競爭力的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。人民銀行應(yīng)借助行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，提供政策引導(dǎo)促進金融科技孵化，加快金融行業(yè)科技創(chuàng)新融合發(fā)展和更新速度，全面提升金融服務(wù)水平和質(zhì)量。同時建立金融科技技術(shù)合作平臺，通過合作平臺吸收國內(nèi)外先進技術(shù)，形成合作共建、合作研發(fā)的合作共贏的發(fā)展機制，提升中國銀行業(yè)整體的競爭力。