2.2.4 区块链

"区块链"概念于2008年在《比特币:一种点对点电子现金系统》中被首次提出,并在比特币系统的数据加密货币体系中成功应用,已成为政府、组织和学者等重点关注和研究的热点。区块链技术具有去中心化存储、隐私保护、防篡改等特点,提供了开放、分散和容错的事务机制,给金融及其监管机构、科技创新、社会发展等领域带来了深刻的变革。

1.技术基础

区块链概念可以理解为以非对称加密算法为基础,以改进的默克尔树(Merkle Tree)为数据结构,使用共识机制、点对点网络、智能合约等技术结合而成的一种分布式存储数据库技术。 区块链分为公有链(Public Blockchain)、联盟链(Consortium Blockchain)、私有链(Private Blockchain)和混合链(Hybrid Blockchain)四大类。

  • (1)公有链。公有链是网络中任何人都可以随时访问的区块链系统,通常被认为是完全去中心化、匿名性高和数据不可篡改的区块链。
  • (2)联盟链。联盟链为若干企业或机构共同管理的区块链,参与者要事先进行注册认证,因此相对于公有链来说,联盟链的参与节点较少。数据由认证后的参与者共同记录和维护,这类节点拥有读取数据的权限。
  • (3)私有链。私有链是一种由某个组织或某个用户控制的区块链,控制参与节点个数的规则很严格,因此交易速度极快,隐私等级更高,不容易遭受攻击,相比于公有链系统有更高的安全性,但去中心化程度被极大削弱。
  • (4)混合链。混合链是公有链和私有链的混合体,结合了公有链和私有链的特性。混合链允许用户决定区块链的参与成员,以及交易是否可以被公开,因此混合区块链是可定制的,所以它的混合架构通过利用私有区块链的限制访问来确保隐私,同时保持了公共区块链的完整性、透明度和安全性。 一般来说,区块链具有以下特征:
  • ·多中心化。链上数据的验证、核算、存储、维护和传输等过程均依赖分布式系统结构,运用纯数学方法代替中心化组织机构在多个分布式节点之间构建信任关系,从而建立去中心化的、可信的分布式系统。

  • ·多方维护。激励机制可确保分布式系统中的所有节点均可参与数据区块的验证过程,并通过共识机制选择特定节点,将新产生的区块加入到区块链中。

  • ·时序数据。区块链运用带有时间戳信息的链式结构来存储数据信息,为数据信息添加时间维度的属性,从而可实现数据信息的可追溯性。

  • ·智能合约。区块链技术能够为用户提供灵活可变的脚本代码,以支持其创建新型的智能合约。

  • ·不可篡改。在区块链系统中,因为相邻区块间后序区块可对前序区块进行验证,若篡改某一区块的数据信息,则需递归修改该区块及其所有后序区块的数据信息,且须在有限的时间内完成,然而每一次哈希的重新计算代价是巨大的,因此可保障链上数据的不可篡改性。

  • ·开放共识。在区块链网络中,每台物理设备均可作为该网络中的一个节点,任意节点可自由加入且拥有一份完整的数据库拷贝。

  • ·安全可信。数据安全可通过基于非对称加密技术对链上数据进行加密来实现,分布式系统中各节点通过区块链共识算法所形成的算力来抵御外部攻击,保证链上数据不被篡改和伪造,从而具有较高的保密性、可信性和安全性。

    2.关键技术

    从区块链的技术体系视角看,区块链基于底层的数据基础处理、管理和存储技术,以区块数据的管理、链式结构的数据、数字签名、哈希函数、默克尔树、非对称加密等,通过基于P2P网络的对称式网络,组织节点参与数据的传播和验证,每个节点均会承担网络路由、验证区块数据、传播区块数据、记录交易数据、发现新节点等功能,包含传播机制和验证机制。为保障区块链应用层的安全,通过激励层的发行机制和分配机制,在整个分布式网络的节点以最高效率的方式达成共识。 1)分布式账本 分布式账本是区块链技术的核心之一。分布式账本的核心思想是:交易记账由分布在不同地方的多个节点共同完成,而且每一个节点保存一个唯一、真实账本的副本,它们都可以参与监督交易的合法性,同时也可以共同为其作证;账本里的任何改动都会在所有的副本中被反映出来,反应时间会在几分钟甚至是几秒内,而且由于记账节点足够多,理论上除非所有的节点被破坏,整个分布式账本系统是非常稳健的,从而保证了账目数据的安全性。 分布式账本技术能够保障资产的安全性和准确性,具有广泛的应用场景,特别在公共服务领域,能够重新定义政府与公民在数据分享、透明度和信任意义上的关系,目前已经广泛应用到金融交易、政府征税、土地所有权登记、护照管理、社会福利等领域。 2)加密算法 区块数据的加密是区块链研究和关注的重点,其主要作用是保证区块数据在网络传输、存储和修改过程中的安全。区块链系统中的加密算法一般分为散列(哈希)算法和非对称加密算法。 散列算法也叫数据摘要或者哈希算法,其原理是将一段信息转换成一个固定长度并具备以下特点的字符串:如果某两段信息是相同的,那么字符也是相同的;即使两段信息十分相似,但只要是不同的,那么字符串将会十分杂乱、随机并且两个字符串之间完全没有关联。典型的散列算法有MD5、SHA和SM3,目前区块链主要使用SHA256算法。 非对称加密算法是由对应的一对唯一性密钥(即公开密钥和私有密钥)组成的加密方法。任何获悉用户公钥的人都可用用户的公钥对信息进行加密,与用户实现安全信息交互。由于公钥与私钥之间存在的依存关系,只有用户本身才能解密该信息,任何未受授权用户甚至信息的发送者都无法将此信息解密。常用的非对称加密算法包括RSA、E1Gamal、D-H、ECC(椭圆曲线加密算法)等。 3)共识机制 在区块链的典型应用-数字货币中,面临着一系列相关的安全和管理问题,例如:如何防止诈骗?区块数据传输到各个分布式节点的先后次序如何控制?如何应对传输过程中数据的丢失问题?节点如何处理错误或伪造的信息?如何保障节点之间信息更新和同步的一致性?这些问题就是所谓的区块链共识问题。 区块链共识问题需要通过区块链的共识机制来解决。在互联网世界中,共识主要是计算机和软件程序协作一致的基本保障,是分布式系统节点或程序运行的基本依据。共识算法能保证分布式的计算机或软件程序协作一致,对外系统的输入输出做出正确的响应。区块链的共识机制的思想是:在没有中心点总体协调情况下,当某个记账节点提议区块数据增加或减少,并把该提议广播给所有的参与节点,所有节点要根据一定的规则和机制,对这一提议是否能够达成一致进行计算和处理。 目前,常用的共识机制主要有PoW、PoS、DPoS、Paxos、PBFT等。根据区块链不同应用场景中各种共识机制的特性,共识机制的分析可基于以下几个维度:

  • · 合规监管。合规监管指是否支持超级权限节点对全网节点和数据进行监管。
  • · 性能效率。性能效率指交易达成共识被确认的效率。
  • · 资源消耗。资源消耗指共识过程中耗费的CPU、网络输入输出、存储等资源。
  • · 容错性。容错性指防攻击、防欺诈的能力。

    3.应用和发展

    从区块链技术研究层面看:①在共识机制方面,如何解决公有链、私有链、联盟链的权限控制、共识效率、约束、容错率等方面的问题,寻求针对典型场景的、具有普适性的、更优的共识算法及决策将是研究的重点。②在安全算法方面,目前采用的算法大多数是传统的安全类算法,存在潜在的"后门"风险,算法的强度也需要不断升级;另外,管理安全、隐私保护、监管缺乏以及新技术(如量子计算)所带来的安全问题需要认真对待。③在区块链治理领域,如何结合现有信息技术治理体系的研究,从区块链的战略、组织、架构以及区块链应用体系的各个方面,研究区块链实施过程中的环境与文化、技术与工具、流程与活动等问题,进而实现区块链的价值,开展相关区块链的审计,是区块链治理领域需要核心关注的问题。④在技术日益成熟的情况下,研究区块链的标准化,也是需要重点考虑的内容。 从区块链技术应用层面看,区块链在发展过程中,必然会面临各种制约其发展的问题和障碍,特别是在安全、效率、资源和博弈方面有待深入的研究和讨论,未来的区块链应用和发展将聚焦以下3个方面。
  • (1)区块链将成为互联网的基础协议之一。本质上,互联网同区块链一样,也是个去中心化的网络,并没有一个"互联网的中心"存在。不同的是,互联网是一个高效的信息传输网络,并不关心信息的所有权,没有内生的、对有价值信息的保护机制;区块链作为一种可以传输所有权的协议,将会基于现有的互联网协议架构,构建出新的基础协议层。从这个角度看,区块链(协议)会和传输控制协议/因特网互联协议(TCP/IP)一样,成为未来互联网的基础协议,构建出一个高效的、去中心化的价值存储和转移网络。
  • (2)区块链架构的不同分层将承载不同的功能。类似TCP/IP协议栈的分层结构,人们在统一的传输层协议之上,发展出了各种各样的应用层协议,最终构建出了今天丰富多彩的互联网。未来区块链结构也将在一个统一的、去中心化的底层协议基础上,发展出各种各样应用层协议。
  • (3)区块链的应用和发展将呈螺旋式上升趋势。如同互联网的发展一样,在发展过程中会经历过热甚至泡沫阶段,并以颠覆式的技术改变和融合传统产业。区块链作为数字化浪潮下一个阶段的核心技术,其周期将比大多数人预想得要长,而最终影响的范围和深度也会远远超出大多数人的想象,最终将会构建出多样化生态的价值互联网,从而深刻改变未来商业社会的结构和每个人的生活。

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