發布時間：2020-01-13所屬分類：計算機職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：區塊鏈技術是一門新興的技術，受到各行各業的廣泛關注.各個國家正在積板研究區塊鏈技術可能給金融乃至生活的方方面面帶來的變革.本文先從比特幣區塊鏈的視角出發，通過了解它的運行機制、基本特征、關鍵技術、技術挑戰等，給讀者建立一個對區塊鏈的直
摘要：區塊鏈技術是一門新興的技術，受到各行各業的廣泛關注.各個國家正在積板研究區塊鏈技術可能給金融乃至生活的方方面面帶來的變革.本文先從比特幣區塊鏈的視角出發，通過了解它的運行機制、基本特征、關鍵技術、技術挑戰等，給讀者建立一個對區塊鏈的直觀感受.然后給出區塊鏈的形式化定義，并總結目前區塊鏈在相關密碼技術、安全性分析、共識機制、隱私保護、可擴展性等方面的最新研究進展.密碼技術是保障區塊鏈安全的關鍵技術之一，也是實現區塊鏈具體應用的基本手段.本文同時指出了多種密碼技術如特殊數字簽名、零知識證明、同態密碼、安全多方計算等在區塊鏈系統中的(潛在)應用價值.盡管區塊鏈技術的研究和應用發展迅速并取得很大進展，但區塊鏈所面臨的諸如呑吐量低、延遲高、耗能高等一系列技術瓶領，嚴重影響大規模應用的真正落地，區塊鏈技木的研究和應用還有很長的路要走，需要各方共同努力.
關鍵詞：比特幣;密碼貨幣;區塊鏈;共識協議;可擴展性
1、引言
自2009年比特幣系統W運行以來，涌現出大量競爭性數字貨幣，亦可稱之為民間數字貨幣(以區別于法定數字貨幣的概念這些競爭幣(如LitecoinW、Zcash[3l、MoneroW等)大都采用類似于比特幣的基礎架構，并根據自身需求進行了適當優化.據不完全統計，截止2018年7月25日，民間數字貨幣已達1600多種，總市值約3000億美元、同時，民間數字貨幣的出現推動了各國央行對法定數字貨幣的研宄，如英國的RSCoin'加拿大的Jasper項目M，新加坡的Ubin項目W等.我國央行也早在2014年就成立了法定數字貨幣研究小組，論證法定數字貨幣發行的可行性，發表了多篇相關學術論文并推出了電子票據交易平臺原型系統.區塊鏈技術是比特幣等民間數字貨幣的底層核心技術，融合了P2P網絡、共識機制、密碼等關鍵技術，具有去中心化、不可篡改、匿名性、可追溯性、開放透明等特點，有著非常廣闊的應用前景，受到政府部門、金融機構、科技公司、學術界的廣泛關注.甚至有人認為，區塊鏈技術是繼大型計算機、個人計算機、互聯網、移動互聯網之后的第五次計算變革，是人類信用進化史上繼血親信用、貴金屬信用、央行紙幣信用之后的第四個里程碑[13】.
雖然各個國家對待數字貨幣的態度不盡相同，同一國家對待數字貨幣的前后態度也不盡相同，但是各個國家對待數字貨幣的底層區塊鏈技術的態度卻是高度一致的，先后出臺了一系列鼓勵區塊鏈技術發展和應用的政策.美國、歐盟、日本等發達國家正在積極推動區塊鏈技術理論研宄、標準制定、應用落地等相關工作.國際上同時成立了不少區塊鏈聯盟，如R3聯盟、HyperLedger等，旨在推動區塊鏈技術的理論和應用研究.在我國，區塊鏈技術已經上升到國家科技戰略層面.2016年12月，《國務院關于印發“十三五”國家信息化規劃的通知》中首次提及區塊鏈，明確提出加強區塊鏈等新技術的創新、試驗和應用.目前區塊鏈的應用己延伸到社會管理、物聯網、醫療健康、智能制造等多個領域.
密碼技術是區塊鏈的關鍵技術之一，不僅關系區塊鏈安全和效率，也是實現區塊鏈具體應用的基本手段.區塊鏈技術的發展，將一些密碼技術從幕后推到臺前，進一步促進了密碼理論和應用的研宄.越來越多的密碼學者開始關注并研宄區塊鏈相關密碼技術.一方面，密碼學者從區塊_安全性分析、共識機制、隱私保護等具體應用需求開展特殊數字簽名、零知識證明、同態密碼、安全多方計算等密碼算法和協議的研宄工作;另一方面，密碼學者又利用區塊鏈去中心化、公開透明、不可篡改等特性構造安全多方計算協議、可公開驗證的隨機數種子等.
期刊推薦：《科技導報》以發表國內外科學技術各學科專業原創性學術論文為主，同時刊登階段性最新科研成果報告，以及國內外重大科技新聞，快速、全方位、高密度、大容量地提供科技信息，力爭辦成一份有影響、有特色、有品位的高層次、高水平、高質量學術雜志。
盡管區塊鏈技術具有廣泛的應用前景，甚至被認為是一種顛覆性技術，但是區塊鏈也面臨一些技術瓶頸，如吞吐量低、延遲高等.這些問題都嚴重影響了大規模區塊鏈應用的真正落地.區塊鏈技術的理論研宄和應用實踐還有很長的路要走.
本文對區塊鏈技術展開調研，總結區塊鏈技術的熱點研宄方向，突出密碼在區塊鏈技術中的重要地位.全文結構如下，第2節介紹區塊鏈相關術語.第3節介紹比特幣區塊鏈的基本特征、關鍵技術以及面臨的技術挑戰.第4節給出區塊鏈的形式化定義.第5節主要介紹區塊鏈技術的研宄和應用進展.第6節給出總結和建議.
2相關術語
為了方便敘述，本節列出一些常見的區塊鏈相關術語.需要說明的是，作為一種新技術，區塊鏈的很多術語在不同的參考資料中略有不同，理解上也可能略有不同.這里我們盡可能給出明確定義，并確保本文其他地方相同術語含義的一致性.
區塊鏈(Blockchain)
狹義地，區塊鏈是一種按照時間順序將數據區塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數據結構，并以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本.廣義地，區塊鏈技術是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據、利用分布式節點共識算法來生成和更新數據、利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構與計算范式
.區塊鏈分類
根據應用場景和參與者的不同，將區塊鏈分成三類：公有鏈、聯盟鏈和私有鏈.
公有鏈(Publicblockchain)：任何節點都可以自由加入和退出區塊鏈系統，都可以發送和確認交易，都可以參與共識過程，沒有中心化的機構.常見系統有比特幣、以太坊等.
私有鏈(Privateblockchain)：只有單一組織擁有寫入權限，可以制定和修改區塊鏈規則，信息一般不公開.私有鏈可用于協調企業內部各部門之間的工作.
聯盟鏈(Consortiumblockchain)：介于公有鏈和私有鏈之間，若干組織構成利益相關的聯盟，約定區塊鏈規則.節點的加入與退出需要聯盟授權，只允許有限的、經過授權的節點參與共識過程.常見系統有Corda、Fabric等.
共識機制(Consensus)共識機制是參與者對某個提案達成一致意見的過程.常用的共識機制主要有工作量證明(proofofwork，PoW)、權益證明(proofofstake，PoS)、實用拜占庭容錯(practicalByzantinefaulttolerance，PBFT)等。
分叉(Fork)
區塊鏈系統升級時可能發生分叉.對于一次升級，升級過的節點稱為新節點，未升級的節點稱為舊節點.根據新舊節點相互兼容性上的區別，可分為軟分叉(softfork)和硬分叉(hardfork).
軟分叉：舊節點可能無法理解新節點產生的部分數據但是仍然會接受，新節點也接受舊節點產生的交易和區塊.硬分叉：舊節點不接受新節點產生的交易和區塊，新節點接受舊節點產生的交易和區塊，會因為新舊節點認可的區塊不同分成兩條鏈.
可擴展性(Scalability)
可擴展性是指隨著節點的增多，交易量的增加，區塊鏈系統處理交易和達成共識的能力.主要涉及吞吐量(單位時間內處理的交易量)和延遲性(交易從提出到記入區塊鏈需要的時間)兩個方面.
交易圖(Transactfongraph)
交易圖是指將地址作為頂點，交易(一個地址發送給另一個地址)作為有向邊，構成的有向圖.可以通過交易圖分析出交易之間的關聯性，甚至恢復出交易者的真實身份.
智能合約(Smartcontract)
智能合約是一種允許在沒有第三方參與的情況下，以代碼方式形成、驗證或執行合同的計算機協議.最早可追溯到1994年NickSzabo給出的定義：一套以數字形式定義的承諾，包括合約參與方可以在上面執行這些承諾的協議.
3比特幣區塊鏈
區塊鏈技術是中本聰設計比特幣系統首次提出和使用的，同時比特幣也是區塊鏈第一個成熟的應用，因此為了本文更好地介紹區塊鏈，本節先介紹比特幣區塊鏈讓讀者對區塊鏈先有一個直觀的了解
比特幣系統主要活躍兩大類角色，用戶和礦工：用戶使用比特幣進行交易，礦工競爭挖礦，爭奪記賬權，產生區塊鏈.比特幣區塊鏈的具體結構見圖1.具體地，每個區塊是由區塊頭和區塊體兩部分組成，其中區塊頭主要包含前一個區塊的區塊頭哈希值、隨機數(IV)等，區塊體則是一些具體交易的集合挖礦就是尋找隨機數IV使得其區塊頭哈希值小于某個預先給定的值(目標哈希值)?當目標哈希值很小時，挖礦是一件非常困難的事，需要搜索大量的隨機數IV，目前比特幣網絡每產生一個區塊大約需要進行超過27Q次的哈希運算.競爭記賬是指先找到合法區塊的礦工，通過P2P網絡廣播給其他礦工，并得到其他礦工的認可，該礦工就擁有這個區塊的記賬權，也會得到由此產生的收益(比特幣)比特幣系統通過調整目標哈希值，控制全網大約每10分鐘產生一個區塊.
圖1表示當前網絡有l個區塊，所有的礦工都在尋找第*+1個合法區塊(每個礦工工作的區塊是不同的).如果某個礦工率先找到第*+1個合法區塊，將其廣播出去，并得到全網節點的認可，那么就意味著該礦工獲得第z+1個區塊的記賬權，而其他礦工的工作無效，緊接著所有礦工轉到爭奪第》+2個區塊記賬權的競賽當中如此這樣，每一個區塊都包含上一個區塊頭的哈希值2，所有的區塊構成一條區塊鏈(又稱全網總賬本).
3.1基本特征
通過以上介紹，梳理總結比特幣區塊鏈的基本特征如下：
去中心化：任何節點的地位都是均等的，任何節點都可以自由退出或加入比特幣系統，所有節點參與數據的驗證、存儲、傳輸和更新，不存在中心化的節點或管理機構.
不可篡改：一旦數據被記錄到區塊鏈中，并經過多次確認之后，所存儲的數據就會永久存儲起來，除非能夠同時控制全網總算力的51%以上.此外，比特幣采用分布式存儲技術，每個節點都獨立保存完整的區塊鏈，任何節點修改自己的區塊鏈數據都是無效的，因此區塊鏈存儲的數據穩定性和可靠性極高?
匿名性：比特幣系統通過比特幣地址(假名)進行交易.比特幣地址無法和用戶真實身份對應起來，比特幣地址對應的私鑰是比特幣所有權的唯一憑證.因此比特幣使用假名實現一定的匿名性。
可追溯性：區塊鏈記錄了所有歷史數據，每一筆比特幣都可以追溯其來源.
開放透明：系統和區塊鏈數據對所有節點開放，任何人都可以通過公開的接口查詢區塊鏈數據和開發相關應用.
3.2關鍵技術
比特幣系統并不復雜，但是涉及到了P2P網絡、共識機制、密碼等多個關鍵技術，比特幣區塊鏈的基本特征都是由這些技術保證的.
P2P網絡
比特幣采用P2P網絡架構.整個系統沒有中心化的硬件或者管理機構，任意節點之間的權利和義務都是均等的，每個節點通過多播實現節點識別和數據傳播等功能.當發生交易或找到合法區塊時，可以通過P2P網絡發送給每一個節點.全網總賬本是由全節點集體維護的，每個全節點都能獲得一份完整數據庫的拷貝，單個節點篡改賬本是不可能的，從而保證了比特幣系統的安全性。
共識機制
比特幣系統是通過礦工競爭記賬，來維護全網總賬本，從而獲得一定數量的比特幣獎勵.為此，礦工爭相解決一種基于哈希函數的困難問題，即尋找隨機數IV，使得區塊頭的哈希值小于某個目標哈希值.這個問題難于計算卻易于驗證，并且當礦工提供這樣的隨機數IV，任何人都確信該礦工為了得到IV已經付出足夠多的計算工作.這個過程就稱為基于P〇W的共識機制.之所以選擇哈希函數設計困難問題，還因為容易調整挖礦難度.
密碼技術
比特幣系統的安全性不是基于可信第三方和任何物理實體，而是密碼學原理.事實上，比特幣使用的密碼學技術都是相當成熟的，具體算法采用的也是國際通用的標準算法，如哈希函數SHA256是SHA-2算法簇中的一類[16]，數字簽名ECDSAM使用的橢圓曲線是secP256kl
哈希函數在比特幣區塊鏈中主要用于區塊的產生和共識過程.這里主要介紹區塊的產生.圖2是比特幣區塊的結構示意圖.哈希函數用于計算區塊頭的哈希值，還用于生成Merkle樹.所謂Merkle樹，就是通過二叉樹的形式將交易集合打包成一個哈希值(Merkle根)，其作用是快速歸納和校驗區塊數據的存在性和完整性.
SCISSCIAHCI
