高效能區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用探討

祁麟

（中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院 北京市 100007）

作為一種具有分布式特點(diǎn)的新型計(jì)算范式，區(qū)塊鏈技術(shù)擁有去中心化、安全可信度高一級(jí)可編程等特點(diǎn)。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)信息互聯(lián)網(wǎng)向價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型，在未來(lái)金融以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)等多個(gè)領(lǐng)域都可以得到十分廣泛的應(yīng)用。而作為區(qū)塊鏈技術(shù)的創(chuàng)始應(yīng)用，比特幣帶來(lái)了一種去中心化的貨幣體系。但是，關(guān)于比特幣所有的交易記錄必須要公布在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，這也為交易者帶來(lái)了一定的隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)。再有就是，如果賬戶擁有者的私鑰丟失，那么比特幣就無(wú)法進(jìn)行正常消費(fèi)。因此，在比特幣系統(tǒng)當(dāng)中，保證交易隱私性和賬戶安全性具有十分重要的意義。目前我國(guó)區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家處于同等的位置，強(qiáng)大的互聯(lián)網(wǎng)普及程度和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為該技術(shù)創(chuàng)造了良好的發(fā)展空間，推動(dòng)高效能區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用場(chǎng)景的發(fā)展，對(duì)于保障數(shù)據(jù)安全，提升我國(guó)數(shù)字產(chǎn)業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 高效能區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)及概念

1.1 區(qū)塊鏈相關(guān)密碼算法

目前，在區(qū)塊鏈系統(tǒng)當(dāng)中，Hash算法得到了普及應(yīng)用，其算法主要是采取將文本符號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的模式，隨后針對(duì)這些內(nèi)容展開細(xì)致分析和計(jì)算，進(jìn)而得到固定長(zhǎng)度的二進(jìn)制字符串，也稱為哈希值。經(jīng)過(guò)處理后，不同的明文將得到不同的哈希值，因此，該算法也具有一定的不可逆性，所以數(shù)據(jù)安全得到了充分保障。與此同時(shí)，哈希算法最終的計(jì)算結(jié)論值也可以黨組一個(gè)完整的字符串，因?yàn)檎麄€(gè)算法具有隨機(jī)性特點(diǎn)，因此哈希算法最終的結(jié)論有所不同，有可能會(huì)出現(xiàn)不同明文出現(xiàn)在統(tǒng)一輸出當(dāng)中，形成了Hash碰撞現(xiàn)象。在此算法應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)盡可能地避免Hash算法碰撞問(wèn)題，除此之外，Hash算法碰撞性分為強(qiáng) 弱兩種類型。前者主要是指在提前得知現(xiàn)有明文的前提下來(lái)獲取可以發(fā)生碰撞的明文。而后者就是指無(wú)法碰撞的任意兩種明文。要想在密碼學(xué)領(lǐng)域全面提高Hash算法的安全性，必須要具備以下幾方面特點(diǎn)：

（1）保證無(wú)法從輸出散列值逆向推導(dǎo)出原始輸入；

（2）即使再渺小的輸入也會(huì)導(dǎo)致明文發(fā)生明顯變化。

（3）如果發(fā)現(xiàn)兩種碰撞情況，那么就需要消耗掉很多算力。

另外，在Hash算法當(dāng)中常見的算法類型包括MD、SHA以及RIPEMD算法，例如SHA算法是一種十分典型的家族算法，最初為SHA-1，現(xiàn)如今已經(jīng)得到破解，在商用領(lǐng)域當(dāng)中并不適用，從安全性角度來(lái)看，通常會(huì)選擇SHA-256或者能夠輸出更長(zhǎng)的Hash值算法。

1.2 區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制

分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和共識(shí)機(jī)制算法在區(qū)塊鏈中能夠確保節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性。這也就意味著，算法是發(fā)揮出區(qū)塊鏈技術(shù)的重要基礎(chǔ)。經(jīng)常使用的共識(shí)算法主要分成兩種：一種是能夠處理網(wǎng)絡(luò)拜占庭錯(cuò)誤的算法（BFT）；而另一中就是針對(duì)普通節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤的算法（CFT）。與此同時(shí)，可以有效處理網(wǎng)絡(luò)拜占庭錯(cuò)誤算法問(wèn)題。而PBFT屬于少數(shù)服從多數(shù)的一種投標(biāo)機(jī)制，可以對(duì)網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行全面掌控，進(jìn)而確保監(jiān)督機(jī)構(gòu)能夠在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中體現(xiàn)出重要價(jià)值。除此之外，常見的PBFT算法在這樣的環(huán)境中，共識(shí)時(shí)延一般都會(huì)持續(xù)2-5秒。另一方面，交易頻率在這樣的環(huán)境下也會(huì)隨著交易頻率的升高而降低共識(shí)效率。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的不可控性和分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境缺少監(jiān)管機(jī)構(gòu)，存在很多安全隱患。

而使用容錯(cuò)方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行進(jìn)行嚴(yán)格要求，在絕大部分區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用中都缺少類似的算法，最為常見的共識(shí)算法如表1所示。

表1：常用的共識(shí)算法和應(yīng)用

通常情況下，區(qū)塊鏈的主要識(shí)別機(jī)制就是靠區(qū)塊鏈完成去中心化處理，是一種十分關(guān)鍵的技術(shù)類型，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不需要依靠人和可信任的中心化機(jī)構(gòu)與組織，共識(shí)機(jī)制在制定過(guò)程中，大部分用戶都會(huì)參與其中，有效提高了數(shù)據(jù)的完整性和一致性，省去了中間的緩解流程，有效提高了數(shù)據(jù)要素的使用價(jià)值。

1.3 區(qū)塊鏈擴(kuò)容計(jì)算方法

此算法主要可以使每個(gè)區(qū)塊的容量得到相應(yīng)的擴(kuò)大，用來(lái)保存更多數(shù)據(jù)資源。如果單獨(dú)的區(qū)塊鏈處于應(yīng)用狀態(tài)，將嚴(yán)重影響區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的占用空間。這樣，可以有效地控制分類賬數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)率。例如，比特幣在初始階段將塊數(shù)據(jù)占用的存儲(chǔ)空間設(shè)置為1MB，根據(jù)單個(gè)交易數(shù)據(jù)占用的存儲(chǔ)空間20字節(jié)加上塊頭占用的80字節(jié)計(jì)算，就可以放置大約5000個(gè)左右的交易事物數(shù)量，也就是每5000交易就會(huì)進(jìn)行一次打包。而當(dāng)交易次數(shù)頻率較高，那么整個(gè)交易過(guò)程就無(wú)法滿足具體需求，所以必須要進(jìn)行科學(xué)的擴(kuò)容處理。

目前，孤立見證和直接擴(kuò)容在擴(kuò)容方法中非常常見。在這兩種方法中，獨(dú)立見證人和交易簽名之間存在著密切的關(guān)聯(lián)。完整的交易流程少不了交易簽名的識(shí)別，之后才能夠讓交易過(guò)程變得更加高效。隔離事務(wù)是分離事務(wù)簽名并將其放在事務(wù)數(shù)據(jù)的末尾，即見證字段。隨著交易流程的發(fā)展，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將收到該信息。當(dāng)新用戶收到新塊時(shí)，他們無(wú)法驗(yàn)證其中一個(gè)交易簽名的合法程度，只是過(guò)于看中事務(wù)數(shù)據(jù)本身，這樣一來(lái)并沒有具體價(jià)值。此外，簽名占用50字節(jié)的空間。如果這些數(shù)據(jù)沒有存儲(chǔ)在相關(guān)區(qū)塊鏈中，也會(huì)獲得擴(kuò)容效應(yīng)。再利用SHA-256算法計(jì)算最終需要交易的數(shù)據(jù)之后，交易簽名環(huán)節(jié)并不影響交易名稱計(jì)算過(guò)程。另外，直接擴(kuò)容可以將區(qū)塊擴(kuò)容到最大的MB容量，例如：比特幣系統(tǒng)就可以采取交叉方式獲得一個(gè)全新的比特幣區(qū)塊，區(qū)塊擴(kuò)容效果也會(huì)變得十分明顯。目前，高效能區(qū)塊鏈技術(shù)能夠應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)的信息化系統(tǒng)當(dāng)中，然而不同的行業(yè)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)的生產(chǎn)與使用等方面都提出了非常嚴(yán)格的要求，甚至也要求區(qū)塊擴(kuò)容可以滿足個(gè)性化需求，采用科學(xué)高效的擴(kuò)容方法，用戶能夠滿足自身的實(shí)際需求，從而應(yīng)用到實(shí)際生活中。

1.4 側(cè)鏈技術(shù)

在側(cè)鏈技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上，兩種不相干的區(qū)塊完成了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了兩條區(qū)塊鏈溝通的目標(biāo)。而側(cè)鏈主要就是依靠主鏈而存在，如果要定義側(cè)鏈，需要首先確定主鏈。但是，沒有明確規(guī)定自己存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是側(cè)鏈數(shù)據(jù)還是主鏈數(shù)據(jù)，通常需要根據(jù)用戶的需求完成合理劃分。側(cè)鏈設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)功能就是能夠完成區(qū)塊鏈應(yīng)用之間的插信息安全傳輸，一般稱為雙向鏈接。例如，比特幣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的支付確認(rèn)主要是在最短的時(shí)間內(nèi)驗(yàn)證數(shù)據(jù)信息的安全性和有效性。

SPV機(jī)構(gòu)的主鏈到側(cè)鏈的數(shù)據(jù)交換過(guò)程的主要步驟如圖1所示。

圖1：主側(cè)鏈交換數(shù)據(jù)的過(guò)程

（1）在比特幣系統(tǒng)上用戶可以建立起初始交易，并且交易期間所出現(xiàn)的輸出也是其他虛擬硬幣系統(tǒng)中用戶的地址。因?yàn)檩敵霾皇潜忍貛诺刂罚运彩且环N具有非常特殊性質(zhì)的交易。

（2）系統(tǒng)可以主動(dòng)鎖定這一特殊交易過(guò)程中涉及的比特幣。這些比特幣將不會(huì)運(yùn)行，并且在交易未因曠工而被挖掘之前無(wú)法使用。

再有就是通常會(huì)將交易過(guò)程整合到區(qū)塊當(dāng)中，一般會(huì)持續(xù)十幾分鐘左右，在積攢了足夠的工作量證據(jù)之后，側(cè)鏈應(yīng)用就會(huì)承認(rèn)交易的合法性。最后在萊特幣系統(tǒng)當(dāng)中，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的等待之后，用戶就可以擁有足夠的證實(shí)工作量，這些比特幣才可以在萊特幣系統(tǒng)中進(jìn)行靈活流通。

2 高效能區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

2.1 P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)如今，數(shù)據(jù)傳播通常都會(huì)選擇中心化組網(wǎng)技術(shù)，其中主要包括一個(gè)中心化節(jié)點(diǎn)和其它中心化節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)和中心化節(jié)點(diǎn)相連，非中心化節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行消息傳播，通常都需要向中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)包，再經(jīng)過(guò)中心化節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)當(dāng)中。中心化組網(wǎng)模式主要如圖2所示。

圖2：中心化組網(wǎng)形態(tài)

從圖中可以得知，中心化節(jié)點(diǎn)可以支撐網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的所有節(jié)點(diǎn)信息，像IP地址以及哪兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)等，網(wǎng)絡(luò)安全性和隱私性都要?dú)w納到中心節(jié)點(diǎn)安全性和網(wǎng)絡(luò)道德問(wèn)題方面。而對(duì)等網(wǎng)絡(luò)所應(yīng)用的組網(wǎng)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)中心化通訊方式進(jìn)行了改革，不僅有效解決了中心節(jié)點(diǎn)的信息安全問(wèn)題，同時(shí)也減弱了服務(wù)器出現(xiàn)性能網(wǎng)絡(luò)延遲問(wèn)題，避免了節(jié)點(diǎn)對(duì)全網(wǎng)帶來(lái)的破壞性影響，加強(qiáng)了系統(tǒng)的堅(jiān)固性，并且用戶量的增長(zhǎng)也可以有效提高網(wǎng)絡(luò)整體的傳播速度、增加共享資源。P2P可以根據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系分成三種不同的形態(tài)，分別是全分布式分結(jié)構(gòu)化組網(wǎng)、全分布式結(jié)構(gòu)化拓補(bǔ)以及半分布式拓補(bǔ)。例如：比特幣所使用的就是全分布式非結(jié)構(gòu)化組網(wǎng)方式，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)加入之后，隨機(jī)會(huì)挑選現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)來(lái)完成連接，具體組網(wǎng)形式如圖3所示。

圖3：全分布式非結(jié)構(gòu)化組網(wǎng)形態(tài)

2.2 智能合約

智能合約指的就是利用數(shù)字形式定義出來(lái)的承諾，可以在預(yù)定條件實(shí)現(xiàn)之后，按照后期預(yù)置的步驟進(jìn)行執(zhí)行，一直到合約雙方達(dá)成一致為止。智能合約這概念最早在上個(gè)世紀(jì)就是年代提出，然而在當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了信任問(wèn)題，無(wú)法假設(shè)出一個(gè)可以信任的第三方。一直到區(qū)塊鏈技術(shù)出現(xiàn)之后，這一問(wèn)題才有所突破，并且以太坊的出現(xiàn)也真正讓智能合約實(shí)現(xiàn)了高度實(shí)用化。

為了對(duì)智能合約有所了解，一般都會(huì)提出一個(gè)簡(jiǎn)單的投票智能合約流程。在合約當(dāng)中規(guī)定，取得授權(quán)的用戶可以通過(guò)一人一票機(jī)制來(lái)完成投票。具體流程如圖4所示。

圖4：投票合約工作流程

3 高效能區(qū)塊鏈的應(yīng)用場(chǎng)景案例

3.1 精準(zhǔn)扶貧領(lǐng)域

在我國(guó)現(xiàn)代化社會(huì)建設(shè)發(fā)展過(guò)程中，扶貧工作依然是重點(diǎn)內(nèi)容。而在實(shí)際工作環(huán)節(jié)中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生識(shí)別對(duì)象不精準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)信息掌握不完善的情況，未能引導(dǎo)扶貧對(duì)象全面了解扶持政策，不具備全程監(jiān)管技術(shù)，在資金應(yīng)用期間出現(xiàn)了套取以及挪用等相關(guān)問(wèn)題。為了對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行有效處理，利用區(qū)塊鏈技術(shù)就能夠大幅提升扶貧精準(zhǔn)性，改善扶貧效果。主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）精準(zhǔn)識(shí)別扶貧對(duì)象。通過(guò)高效能的區(qū)塊鏈技術(shù)，配合指紋、語(yǔ)音以及面部識(shí)別等功能，將扶貧對(duì)象與相關(guān)干部的指紋進(jìn)行確認(rèn)，從而能夠在區(qū)塊鏈上生成獨(dú)一無(wú)二的數(shù)字身份，讓扶貧工作能夠精準(zhǔn)實(shí)施。并且記錄在其中的數(shù)據(jù)也可以跟蹤扶貧工作的開展情況，為政府、醫(yī)院以及學(xué)校等單位的扶貧困難戶身份調(diào)查工作提供有利幫助。

（2）實(shí)現(xiàn)扶貧對(duì)象精準(zhǔn)退出。在區(qū)塊鏈技術(shù)可追溯性的特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確記錄幫扶心動(dòng)的實(shí)際開展情況。

（3）精細(xì)化管理扶貧資金。將智能合約技術(shù)應(yīng)用在區(qū)塊鏈系統(tǒng)當(dāng)中，能夠建立起可靠的信任機(jī)制，在加密算法的幫助下來(lái)提高信息的保密性，讓數(shù)據(jù)能夠?qū)κ跈?quán)客戶進(jìn)行開放共享。

（4）在隱私保護(hù)環(huán)節(jié)，能夠?qū)︶t(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，將其妥善存放在不同的區(qū)塊當(dāng)中，這樣就可以防止丟失和篡改的問(wèn)題。

3.2 農(nóng)產(chǎn)品溯源領(lǐng)域

現(xiàn)如今，一旦農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，那么就必須要追溯完整的生產(chǎn)銷售鏈條，整個(gè)過(guò)程會(huì)浪費(fèi)大量的資源投入，并且消費(fèi)者會(huì)對(duì)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)地的產(chǎn)品抱有懷疑態(tài)度。而在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)管控環(huán)節(jié)中，通過(guò)高效能的區(qū)塊鏈技術(shù)可以減少假冒偽劣問(wèn)題發(fā)生，促進(jìn)農(nóng)村信息化能夠更好的發(fā)展，具體優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)了物流全程跟蹤，與農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)的物流信息和物流進(jìn)取數(shù)據(jù)都會(huì)和區(qū)塊鏈平臺(tái)相對(duì)接，將全程數(shù)據(jù)上傳儲(chǔ)存，避免信息資源發(fā)生丟失和誤報(bào)情況。

（2）能夠使倉(cāng)儲(chǔ)信息實(shí)現(xiàn)同步，有效驗(yàn)證貨品存儲(chǔ)情況和發(fā)貨情況，在其中還可以接受廣大群眾的意見。

（3）有效規(guī)避了人才操作存在的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)高效能的區(qū)塊鏈技術(shù)可以對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行智能化管理，再加上物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)⒉杉男畔⑸蟼鞯絽^(qū)塊鏈當(dāng)中，避免出現(xiàn)人為欺騙或者錯(cuò)誤行為。

3.3 跨境匯款

從目前跨境匯款實(shí)際情況來(lái)看，一般都會(huì)在用戶轉(zhuǎn)賬到對(duì)方接收到匯款之間出現(xiàn)很多中間行，比如匯款人所屬銀行支行與該銀行的總行等等，不僅匯款流程非常復(fù)雜，同時(shí)每個(gè)匯款緩解都不容馬虎，到賬時(shí)間通常需要1-2天左右，時(shí)效性不佳。但利用高效能區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行匯款，就可以讓雙方擁有信息驗(yàn)證渠道，匯款也可以實(shí)現(xiàn)有據(jù)可循，整個(gè)流程實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接價(jià)值傳輸。在區(qū)塊鏈技術(shù)基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

（1）跨境匯款能夠像境內(nèi)匯款一樣快捷。

（2）實(shí)現(xiàn)24小時(shí)實(shí)時(shí)智能端匯款。

（3）不需要較高的手續(xù)費(fèi)用，也不需要經(jīng)過(guò)中間銀行。

（4）安全性較高，匯款過(guò)程有據(jù)可循。

（5）具有較強(qiáng)的公開透明性，各方匯款輕易不會(huì)被篡改，有利于監(jiān)管工作的實(shí)施。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)如今，區(qū)塊鏈技術(shù)以其可溯源、透明化以及無(wú)特權(quán)節(jié)點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)，對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了改革創(chuàng)新。但隨著我國(guó)區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展過(guò)程中會(huì)不間斷的遭受到一定的攻擊和入侵風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)區(qū)塊鏈本身和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)都會(huì)帶來(lái)很大的安全隱患。因此，只有將區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)與云存儲(chǔ)和智能技術(shù)等新興技術(shù)結(jié)合在一起，才能創(chuàng)造更多的應(yīng)用創(chuàng)景。未來(lái)高效能區(qū)塊鏈技術(shù)將會(huì)在疫苗分配和追蹤、數(shù)字貨幣等方面開啟更安全高效的應(yīng)用探索。