金明杰

（紹興銀行，紹興 312000）

區(qū)塊鏈（blockchain）技術(shù)目前最為火熱的計算機技術(shù)之一，區(qū)塊鏈技術(shù)是相關(guān)成熟技術(shù)的一個結(jié)合，包括密碼學(xué)算法、P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式架構(gòu)、共識機制等方面。區(qū)塊鏈應(yīng)用則橫跨了多類學(xué)科：計算機軟件、計算機網(wǎng)絡(luò)、密碼算法、信息安全、經(jīng)濟學(xué)、博弈學(xué)等。大致介紹下區(qū)塊鏈一些基礎(chǔ)相關(guān)內(nèi)容和一些目前區(qū)塊鏈行業(yè)內(nèi)一些專用術(shù)語。

1 區(qū)塊鏈相關(guān)概念

區(qū)塊鏈技術(shù)組成包括密碼學(xué)算法、共識機制、P2P網(wǎng)絡(luò)、分布式系統(tǒng)、腳本、智能合約等，這幾個模塊之間的關(guān)系如圖1所示：

圖1 區(qū)塊鏈技術(shù)組成

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于比特幣，在比特幣出現(xiàn)后，人們發(fā)現(xiàn)比特幣的底層技術(shù)架構(gòu)，是結(jié)合之前技術(shù)后一種全新的架構(gòu)，在這種架構(gòu)下，通過密碼學(xué)算法保證身份、簽名、交易安全。數(shù)據(jù)通過共識機制寫入，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)不可篡改，透明可追溯。并且結(jié)合P2P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)了一種去中介化的，每個節(jié)點保存一份數(shù)據(jù)，每個節(jié)點參與維護數(shù)據(jù)，且不依賴中心服務(wù)器的達成系統(tǒng)狀態(tài)一致。

2 密碼學(xué)

密碼學(xué)發(fā)展的三個階段：古典密碼學(xué)、現(xiàn)代密碼學(xué)，1976年后，公鑰密碼學(xué)出現(xiàn)，這個也可以稱為非對稱加密，和之前的對稱加密最大的區(qū)別就是，加解密分別使用公鑰（publickey）和私鑰（privatekey），密鑰以一對的方式出現(xiàn)。W.Diきe和M.Hellman發(fā)表的New Direction in Cryptography，提出了非對稱密碼體制的概念。非對稱密碼體制一般依據(jù)兩類類數(shù)學(xué)問題：大整數(shù)分解問題和離散對數(shù)問題。

區(qū)塊鏈中涉及的私鑰、公鑰、錢包、助記詞、hash算法、橢圓加密算法、SHA算法家族等都是以密碼學(xué)算法為基礎(chǔ)。

Merkle tree（梅克爾樹）是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的一種樹結(jié)構(gòu)，可以是二叉樹，也可以是多叉樹，它和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中樹的特點幾乎一致，和普通樹不同的是：merkle tree上的葉節(jié)點存放hash計算后的hash值，非葉節(jié)點是其對應(yīng)的子節(jié)點串聯(lián)的字符串的hash值。假設(shè)hash0是上一層節(jié)點，hash0-0和發(fā)送0-1是下一層節(jié)點，那么hash0=hash0-0+hash0-1。中本聰在比特幣系統(tǒng)中很巧妙地運用了merkle tree樹，包括錢包SPV簡單支付驗證都以merkle tree為基礎(chǔ)。以太坊也使用該模式來做區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的驗證互聯(lián)。Merkle tree以hash算法為基礎(chǔ)，這里引入入一個hash root的概念，在區(qū)塊鏈中有merkle hash root值。這個數(shù)據(jù)值就是拼湊在一起的hash值，通過hash root，我們可以通過事先獲知hash root，然后結(jié)合hash list計算，逐步校驗每一塊的hash值并進行組合，組合值和hash root比較，一致就說明數(shù)據(jù)塊是沒有問題的，這種方式更好的運用在實際的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中。原理如圖2所示：

圖2

3 共識機制

共識機制在分布式系統(tǒng)中是無解的，為什么說是無解，眾多的節(jié)點之間通信，必然存在網(wǎng)絡(luò)自身不可靠的原因、主機故障原因、惡意操控等原因，故是無法保證實現(xiàn)完全的共識，F(xiàn)ischer，Lynch和Patterson三位在1985年就提出了一個FLP不可能原理：在網(wǎng)絡(luò)可靠的前提下，任意節(jié)點失效，一個或者多個的最小化異步模型系統(tǒng)中，不可能存在一個解決一致性問題的確定性算法。這三位的論文后來獲得了Dijkstra獎。這一理論已被可靠的論證過。

FLP說明在異步分布式系統(tǒng)中完全一致性是不可能的，但這是一個科學(xué)理論，應(yīng)用到現(xiàn)實工程中，犧牲一些代價把不可能變成可能，這就是科學(xué)和工程的最大區(qū)別，在計算機工程領(lǐng)域中2000年Eric Brewer在ACM研討會提出猜想，CAP猜想，CAP拆解后就是一致性（Consistency）所有節(jié)點上的數(shù)據(jù)時刻保持同步、可用性（Availablity）每個請求都能接受到一個響應(yīng)不論響應(yīng)成功或失敗、分區(qū)容忍性（Partition）系統(tǒng)內(nèi)部有消息失效的情況下仍能提供持續(xù)服務(wù)。

實際運用在工程環(huán)境下，適當(dāng)取舍這三者，一致性、可用性和分區(qū)容錯性三者無法在分布式系統(tǒng)中被同時滿足，并且最多只能滿足其中兩個。

那么在區(qū)塊鏈中常見的共識機制有pow、pos、dpos、pbft等，這里簡單介紹下最為常見的POW機制。

POW（Proof of Work）工作量證明機制。我們最直觀的理解就是，一份證明，這個證明確認(rèn)你做了一定的工作量，類似于現(xiàn)代生活中一些檢測考試，通過檢測考試你就取得了一份證明，只不過這個證明是一個工作量的證明。

首先工作量證明需要客戶端做一個有難度的工作且得出一個結(jié)果，這個結(jié)果公布后，驗證的一方需要很快能進行驗證。這是不對等的。比如我們在一個字符串后加一個隨機數(shù)（nonce），對這個字符串進行SHA256計算，然后得到的結(jié)果用16進制來表示，我們要求這個計算后的16進制表示的初始幾位為：0000，那么才能算通過了驗證。這種規(guī)則就需要計算機去不斷的嘗試，當(dāng)然你可以記得其中一些，但是這個概率畢竟是很小的。正常情況下需要不斷的輸出計算嘗試，直到出現(xiàn)正確的要求結(jié)果。

4 P2P網(wǎng)絡(luò)

P2P（peer to peer）：這個peer中文翻譯就是對等、對等者、伙伴、對端的意思。所以P2P網(wǎng)絡(luò)一般叫做對等網(wǎng)絡(luò)，其確切定義：網(wǎng)絡(luò)中每個參與節(jié)點共享節(jié)點所擁有的一部分計算能力、存儲能力、網(wǎng)絡(luò)連接能力，這些能力或者稱為共享資源通過網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)和內(nèi)容，可被對等節(jié)點直接訪問，訪問過程中不需要再經(jīng)過中間實體，所以每個節(jié)點既是資源和服務(wù)的使用者、又是整個資源和服務(wù)的提供者。P2P網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點都是出于一個對等的地位，沒有主、從的區(qū)分。整個網(wǎng)絡(luò)中不存在中心節(jié)點，每個節(jié)點都可對任意對等節(jié)點做出響應(yīng)，提供資源，包括計算資源、存儲資源等。

P2P的理念，“我為人人、人人為我”讓所有加入互聯(lián)網(wǎng)的人，直接通過互聯(lián)網(wǎng)交互，不需要一個中間商，這樣溝通，共享，交互更加自由和方便，最終把互聯(lián)網(wǎng)的權(quán)利交換給用戶，而不是一些集中網(wǎng)絡(luò)中心。

5 智能合約

智能合約是一種計算機協(xié)議，最早在1995年由計算機學(xué)者尼克·薩博（nick szabo）提出，當(dāng)時的理念是：智能合約是一套以數(shù)字形式定義的承諾（promises），包括合約參與方在內(nèi)都可以在上面執(zhí)行承諾的協(xié)議。這一套理論的目標(biāo)是為了能夠讓智能合約滿足普通合約的約束條件，最小化惡意或者意外發(fā)生的可能性，同時減小對信任中介的需求，這樣一來也就能降低造成合約欺詐的損失和仲裁執(zhí)行的成本以及其他一系列交易成本。Nick szabo希望借助計算機和密碼學(xué)的約束，改進傳統(tǒng)合同的制定和履行，將所有合約條款和約定執(zhí)行置于計算機協(xié)議的掌控之下，但是在區(qū)塊鏈技術(shù)未出現(xiàn)之前，這一套理論僅僅是理論，很少有真正在實踐中嘗試。區(qū)塊鏈技術(shù)其中一個目的是為了建立一個去信任化系統(tǒng)，信任在互聯(lián)網(wǎng)中是什么概念，信任就是點對點的鏈接，這個鏈接存在于數(shù)字空間中（計算機底層不就是01010101），這個空間是分布式的，沒有所謂的中心化，信任關(guān)系通過算法轉(zhuǎn)變成為代碼，代碼轉(zhuǎn)換為程序，程序驅(qū)動執(zhí)行每一步?；ハ嚅g的信任就是事先約定協(xié)議通過計算機和算法來實現(xiàn)控制。智能合約的信任在區(qū)塊鏈環(huán)境中剛好能完美實現(xiàn)。

6 比特幣-區(qū)塊鏈的第一個應(yīng)用

比特幣是在2008年由署名Satoshi Nakamoto（中本聰或者中本哲也）發(fā)明的，他出版了一篇題為“Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System”的論文。

Nakamoto結(jié)合了諸如b-money和HashCash等先前的發(fā)明，創(chuàng)建了一個完全去中心化的電子現(xiàn)金系統(tǒng)，它不依賴中央機構(gòu)進行貨幣發(fā)行或結(jié)算和驗證交易。使用分布式系統(tǒng)架構(gòu)加工作量證明機制（POW）每平均10分鐘通過工作量證明機制來計算隨機數(shù)，競爭生成區(qū)塊，交易數(shù)據(jù)打包區(qū)塊中。實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)達成關(guān)于交易狀態(tài)的共識。解決了雙花問題，和傳統(tǒng)解決雙花問題需要中心化系統(tǒng)機構(gòu)來解決解決不同，實現(xiàn)一種分布式的賬本模式，bitcoin系統(tǒng)也被稱為全網(wǎng)分布式數(shù)據(jù)庫或者分布式統(tǒng)一賬本。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都可選擇保存一份全網(wǎng)數(shù)據(jù)副本。

2009年區(qū)塊鏈比特幣網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)，創(chuàng)世區(qū)塊中的coinbase寫下：“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks”，中本聰和比特幣的奇跡開始于2009-01-03。

⊙ 比特幣區(qū)塊相關(guān)信息查詢：https：//blockexplorer.com/

⊙ 比特幣單位數(shù)量：最小單位為“聰”，1聰=0.00000001比特幣，1Satoshi=0.00000001比特幣，bitcoin發(fā)行總量為2100萬個。

⊙ 數(shù)字貨幣：完全虛擬，沒有實體，一串字符串表示。

⊙ 比特幣：bitcoin也可理解為是一種協(xié)議，對P2P網(wǎng)絡(luò)和分布式計算存儲一種共識協(xié)議。

7 區(qū)塊鏈定義

區(qū)塊鏈定義：網(wǎng)絡(luò)中一種分布式架構(gòu)系統(tǒng)，通過密碼學(xué)、共識算法、P2P對等網(wǎng)絡(luò)交互，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中去信任化的方式全節(jié)點集體維護一致可靠分布式賬本技術(shù)架構(gòu)。換種通俗的說法，區(qū)塊鏈就是網(wǎng)絡(luò)中各個參與者，都有一份相同可靠的數(shù)據(jù)副本，數(shù)據(jù)的寫入需要網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點達成一種共識，和之前傳統(tǒng)化中心機構(gòu)來記錄數(shù)據(jù)不同，它不依賴中心來記錄數(shù)據(jù)。從區(qū)塊鏈定義來理解，區(qū)塊鏈保證了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的可靠，不依賴中心認(rèn)證保證了信任的傳遞，這是目前對區(qū)塊鏈技術(shù)價值普遍的認(rèn)為。根據(jù)這些特性設(shè)想了眾多應(yīng)用場景：金融支付清算、數(shù)字身份、物聯(lián)網(wǎng)、供應(yīng)鏈、藝術(shù)版權(quán)等。

有三個誤區(qū)需要明確：一是區(qū)塊鏈不是比特幣，區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛诺讓蛹夹g(shù)架構(gòu)，比特幣是區(qū)塊鏈的一個應(yīng)用。兩者不是同一個概念。二是區(qū)塊鏈降低成本，區(qū)塊鏈無中心機構(gòu)認(rèn)證，簡化交易環(huán)節(jié)，可節(jié)省第三方中介認(rèn)證的成本，但這不代表區(qū)塊鏈技術(shù)是一種廉價的技術(shù)，在區(qū)塊中寫入保存數(shù)據(jù)需要成本，再者區(qū)塊鏈技術(shù)整個開發(fā)設(shè)計過程不是之前山寨幣那種模式，也是需要大量的成本的投入。三是區(qū)塊鏈技術(shù)目前還在發(fā)展階段，很多人都理解在技術(shù)發(fā)展前期，項目大多還是實驗性質(zhì)，不盲目因為區(qū)塊鏈而去搭建區(qū)塊鏈。在實驗室中跑通了一段代碼，不代表實際應(yīng)用中可以真正應(yīng)用，明知有缺陷的上線是對系統(tǒng)本身的不負責(zé)任。

8 區(qū)塊鏈展望

從區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展來看，首先是被普遍認(rèn)為加密數(shù)字貨幣應(yīng)用的區(qū)塊鏈1.0，到現(xiàn)在結(jié)合智能合約的區(qū)塊鏈2.0，甚至現(xiàn)在提及的區(qū)塊鏈3.0（個人認(rèn)為概念還是模糊的、沒有明確的定義和劃分）。區(qū)塊鏈隨著技術(shù)的發(fā)展不單單是加密數(shù)字貨幣，越來越多的現(xiàn)實生活應(yīng)用場景結(jié)合智能合約可以很好的切合到現(xiàn)實中來，目前是一種理念和傳統(tǒng)架構(gòu)的顛覆需要經(jīng)過一個長期的過程，區(qū)塊鏈去中介的特性肯定對傳統(tǒng)中介機構(gòu)會有一定的沖擊，現(xiàn)在隨著區(qū)塊鏈技術(shù)被越來越重視，各類傳統(tǒng)行業(yè)巨頭也都逐漸進入這個圈子來推廣和鉆研應(yīng)用落地。相信隨著側(cè)鏈、跨鏈、閃電網(wǎng)絡(luò)、隔離見證等各類區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，區(qū)塊鏈能實現(xiàn)的應(yīng)用會越來越廣，會出現(xiàn)一個革命性區(qū)塊鏈應(yīng)用來帶動理念的轉(zhuǎn)變，直至大規(guī)模應(yīng)用實現(xiàn)。

從區(qū)塊鏈應(yīng)用場景來看，公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈。那么公有鏈現(xiàn)在眾多，聯(lián)盟鏈最為知名的超級賬本項目，國內(nèi)也有專業(yè)做聯(lián)盟鏈服務(wù)平臺的眾多公司，普遍認(rèn)為聯(lián)盟鏈在機構(gòu)和企業(yè)巨頭的推動下會最先實現(xiàn)落地，而公有鏈則影響范圍更大。隨著技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合應(yīng)用場景，區(qū)塊鏈技術(shù)必然會有良好的發(fā)展。