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[506] 2017-02-03_浅谈区块链（上）：区块链探究

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-16
2017-02-03_浅谈区块链（上）：区块链探究 浅 谈 区 块 链 （ 上 ） ： 区 块 链 探 究 w 0 l f   A r k T e a m   2 0 1 7 - 0 2 - 0 3 随 着 比 特 币 的 兴 起 ， 区 块 链 正 在 成 为 席 卷 互 联 网 和 传 统 经 济 界 的 一 股 浪 潮 。 全 球 领 先 的 信 息 技 术 研 究 和 顾 问 公 司 G a r t n e r 于 近 日 发 布 了 《 2 0 1 7 十 大 技 术 趋 势 》 报 告 [ 1 ] ， 也 提 及 了 区 块 链 和 分 布 式 记 账 技 术 ， 已 经 成 为 很 多 技 术 性 创 新 科 技 公 司 战 略 布 局 时 的 权 威 参 考 。 一 、 什 么 是 区 块 链 一 、 什 么 是 区 块 链 “ 区 块 链 ” 最 初 是 由 一 位 化 名 中 本 聪 的 人 为 比 特 币 （ 一 种 数 字 货 币 ） 设 计 出 的 一 种 特 殊 的 数 据 库 技 术 [ 2 ] ， 它 基 于 密 码 学 中 的 椭 圆 曲 线 数 字 签 名 算 法 （ E C D S A ） 来 实 现 去 中 心 化 的 P 2 P 系 统 设 计 。 区 块 链 是 一 种 分 布 式 记 账 系 统 ， 每 个 块 链 接 到 前 一 个 块 ， 使 用 加 密 的 信 任 和 保 证 机 制 ， 在 对 等 网 络 进 行 记 录 。 区 块 链 分 布 式 记 账 不 仅 是 被 动 式 数 据 记 录 ， 同 时 能 够 有 选 择 性 地 为 事 件 增 加 动 态 预 置 行 为 ， 在 不 可 信 环 境 中 增 加 信 任 的 机 制 。 同 时 ， 区 块 链 和 分 布 式 账 本 概 念 也 正 在 改 变 其 他 行 业 的 运 营 模 式 ， 从 以 金 融 服 务 行 业 为 主 ， 逐 渐 扩 展 到 了 物 流 、 音 乐 发 行 、 身 份 验 证 、 所 有 权 登 记 和 供 应 链 等 其 他 领 域 。 区 块 链 的 层 叠 结 构 如 下 图 所 示 ：
二 、 区 块 链 技 术 原 理 二 、 区 块 链 技 术 原 理 区 块 链 技 术 主 要 包 括 P 2 P 通 信 技 术 、 密 码 学 原 理 和 数 学 应 用 等 。 区 块 链 通 过 去 中 心 化 和 去 信 任 的 方 式 ， 集 体 维 护 一 个 可 靠 数 据 库 的 技 术 方 案 。 该 技 术 方 案 让 参 与 系 统 中 的 任 意 多 个 节 点 ， 把 一 段 时 间 系 统 内 全 部 信 息 交 流 的 数 据 ， 通 过 密 码 学 算 法 计 算 并 记 录 到 一 个 数 据 块 中 ， 生 成 该 数 据 块 的 指 纹 用 于 链 接 下 个 数 据 块 和 校 验 ， 系 统 所 有 参 与 节 点 共 同 验 证 记 录 是 否 为 真 。 传 统 的 网 络 技 术 中 ， 网 络 的 计 算 能 力 和 宽 带 是 依 赖 、 聚 集 在 较 少 的 几 台 服 务 器 上 ， 即 中 心 化 网 络 。 随 着 P 2 P 技 术 的 发 展 ， 网 络 拓 扑 结 构 发 生 了 改 变 ， 没 有 了 中 心 化 、 权 利 化 的 服 务 器 ， 资 源 信 息 数 据 等 在 每 台 P C 之 间 可 以 共 享 ， 每 一 台 P C 都 是 一 个 节 点 。 区 块 链 的 存 储 是 基 于 P 2 P 协 议 的 分 布 式 网 络 ， 避 免 对 中 心 化 服 务 器 的 依 赖 ， 提 供 一 个 更 为 公 平 的 网 络 运 行 环 境 [ 3 ] 。

而 在 密 码 学 、 数 学 方 面 ， 主 要 技 术 在 于 在 区 块 头 中 存 储 了 前 一 区 块 的 哈 希 ， 通 过 这 个 哈 希 将 不 同 区 块 链 链 接 起 来 。 这 个 值 也 确 保 了 每 一 个 新 区 块 是 建 立 在 前 一 个 可 靠 区 块 之 上 。 时 间 戳 记 录 了 区 块 链 接 到 主 链 上 的 时 间 ， 这 是 由 区 块 创 建 者 输 入 的 。 所 有 区 块 是 按 照 时 间 顺 序 依 次 排 列 的 。 随 机 数 是 通 过 共 识 算 法 设 计 的 数 学 问 题 的 解 。 挖 矿 过 程 就 是 在 寻 找 这 个 随 机 数 ， 第 一 个 找 到 随 机 数 的 节 点 成 为 这 个 区 块 的 创 建 者 。 目 标 哈 希 是 对 当 前 区 块 的 哈 希 值 ， 确 保 区 块 内 容 不 被 篡 改 [ 4 ] 。 区 块 链 共 识 机 制 中 使 用 M e r k l e 根 作 为 比 特 币 的 重 要 数 据 结 构 ， 其 作 用 是 快 速 归 纳 和 校 验 区 块 数 据 的 存 在 性 和 完 整 性 。 M e r k l e 根 实 际 是 对 有 所 有 交 易 信 息 进 行 的 h a s h 运 算 ， 通 过 在 区 块 头 中 存 储 h a s h 值 ， 可 以 允 许 节 点 在 不 读 取 区 块 体 信 息 的 前 提 下 完 成 交 易 ， 降 低 区 块 链 验 证 所 需 的 带 宽 和 时 间 ， 使 得 仅 保 存 部 分 相 关 区 块 链 数 据 的 轻 量 级 客 户 端 成 为 可 能 。 区 块 体 中 存 储 了 每 一 笔 交 易 记 录 的 具 体 信 息 ， 包 括 了 生 成 时 间 、 引 用 交 易 的 哈 希 值 、 交 易 记 录 索 引 编 号 、 比 特 币 支 出 地 址 、 支 出 地 址 数 量 等 细 节 。 每 一 比 收 支 交 易 记 录 都 有 一 个 M e r k l e 节 点 值 ， 这 个 h a s h 节 点 值 是 整 个 M e r k l e 树 的 一 部 分 ， 决 定 了
每 一 个 地 址 都 不 能 重 复 交 易 和 被 伪 造 [ 5 ] 。 由 于 每 一 个 区 块 的 块 头 都 包 含 了 前 一 个 区 块 的 交 易 信 息 压 缩 值 ， 这 就 使 得 从 创 世 块 （ 第 一 个 区 块 ） 到 当 前 区 块 连 接 在 一 起 形 成 了 一 条 长 链 。 如 果 不 知 道 前 一 区 块 的 “ 交 易 缩 影 ” 值 ， 就 没 有 办 法 生 成 当 前 区 块 ， 因 此 每 个 区 块 必 定 按 时 间 顺 序 跟 随 在 前 一 个 区 块 之 后 。 这 种 所 有 区 块 包 含 前 一 个 区 块 引 用 的 结 构 让 现 存 的 区 块 集 合 形 成 了 一 条 数 据 长 链 。 “ 区 块 + 链 ” 的 结 构 为 我 们 提 供 了 一 个 数 据 库 的 完 整 历 史 。 从 第 一 个 区 块 开 始 ， 到 最 新 产 生 的 区 块 为 止 ， 区 块 链 上 存 储 了 系 统 全 部 的 历 史 数 据 。 区 块 链 为 我 们 提 供 了 数 据 库 内 每 一 笔 数 据 的 查 找 功 能 。 区 块 链 上 的 每 一 条 交 易 数 据 ， 都 可 以 通 过 “ 区 块 链 ” 的 结 构 追 本 溯 源 ， 一 笔 一 笔 进 行 验 证 。 “ 区 块   +   链   =   时 间 戳 ” ， 这 是 区 块 链 的 最 大 创 新 点 。 区 块 链 数 据 库 让 全 网 的 记 录 者 在 每 一 个 区 块 中 都 盖 上 一 个 时 间 戳 来 记 账 ， 表 示 这 个 信 息 是 该 时 间 写 入 的 ， 由 此 形 成 了 一 个 不 可 篡 改 、 不 可 伪 造 、 可 追 踪 的 数 据 记 录 。 三 、 区 块 链 技 术 优 缺 点 三 、 区 块 链 技 术 优 缺 点 1 . 区 块 链 优 点 区 块 链 优 点 1 ） 分 布 式 高 可 用 ） 分 布 式 高 可 用 区 块 链 采 用 分 布 式 和 去 中 心 化 技 术 ， 不 需 要 有 一 个 类 似 银 行 的 机 构 来 为 双 方 交 易 提 供 信 任 和 担 保 。 从 区 块 链 系 统 的 架 构 看 ， 每 个 系 统 参 与 方 都 是 一 个 异 地 多 活 节 点 ， 远 超 “ 两 地 三 中 心 ” 的 冗 余 度 ， 是 天 生 的 多 活 系 统 。 每 一 个 全 节 点 都 会 维 护 一 个 完 整 的 数 据 副 本 ， 并 且 这 些 数 据 副 本 还 在 不 同 实 体 的 控 制 之 下 ， 数 据 通 过 共 识 算 法 保 持 高 度 一 致 。 2 ） 不 可 篡 改 ） 不 可 篡 改 在 传 统 信 息 系 统 的 安 全 方 案 中 ， 安 全 依 赖 于 层 层 设 防 的 访 问 控 制 。 和 银 行 金 库 类 似 ， 高 价 值 的 数 据 一 直 在 专 用 机 房 、 专 有 网 络 和 全 方 位 的 安 全 软 件 组 成 的 严 密 防 护 之 下 ， 访 问 接 口 则 是 一 个 个 专 用 进 出 通 道 。 任 何 人 都 必 须 通 过 身 份 认 证 、 鉴 权 ， 才 能 由 专 用 通 道 进 入 数 据 库 ， 读 取 或 者 写 入 数 据 ， 并 留 下 历 史 记 录 。 保 护 财 产 安 全 ， 通 常 有 两 种 途 径 ： 藏 起 来 ， 只 有 所 有 者 才 能 拿 到 ， 比 如 黄 金 ； 对 外 宣 布 财 产 的 所 有 权 ， 并 以 法 律 做 背 书 ， 比 如 房 产 。 传 统 安 全 方 案 是 第 一 种 思 路 ， 区 块 链 则 是 第 二 种 。 通 过 区 块 链 技 术 ， 记 录 交 易 的 数 据 库 任 何 人 都 可 以 共 享 。 但 由 于 巧 妙 的 设 计 并 辅 以 密 码 学 和 共 识 算 法 ， 同 时 每 个 新 产 生 的 区 块 严 格 按 照 时 间 线 形 顺 序 推 进 ， 时 间 的 不 可 逆 性 导 致 任 何 试 图 篡 改 区 块 链 数 据 信 息 的 行 为 都 很 容 易 被 追 溯 ， 被 其 他 节 点 排 斥 ， 可 以 限 制 非 法 行 为 。 实 践 证 明 ， 这 样 一 个 数 据 库 可 以 确 保 市 值 达 百 亿 美 元 的 比 特 币 在 全 球 黑 客 的 攻 击 下 ， 运 转 稳 定 。 3 ） 可 编 程 性 ） 可 编 程 性 智 能 合 约 具 有 透 明 可 信 、 自 动 执 行 、 强 制 履 约 的 优 点 ， 由 尼 克 · 萨 博 1 9 9 3 年 提 出 [ 6 ] 。 但 智 能 合 约 始 终 停 留 在 理 念 层 面 ， 长 久 以 来 没 有 支 持 可 信 代 码 运 行 的 环 境 ， 无 法 实 现 自 动 强 制 执 行 。 区 块 链 第 一 次 让 智 能 合 约 的 构 想 成 为 现 实 。 智 能 合 约 一 旦 被 部 署 到 区 块 链 上 ， 程 序 的 代 码 和 数 据 就 是 公 开 透 明 的 ， 无 法 被 篡 改 ， 并 且 一 定 会 按 照 预 先 定 义 的 逻 辑 去 执 行 ， 产 生 预 期 中 的 结 果 。 4 ） 新 型 高 效 协 作 机 制 ） 新 型 高 效 协 作 机 制 对 于 大 规 模 多 边 协 作 ， 在 区 块 链 应 用 之 前 ， 通 常 只 有 两 种 解 决 方 法 ： 其 一 ， 在 多 个 主 体 之 间 向 上 寻 找 共 同 的 “ 上 级 ” 机 构 ， 由 共 同 的 信 任 中 心 对 整 个 组 织 进 行 协 调 。 这 种 方 法 的 局 限 在 于 ， 在 某 些 场 景 中 ， 很 难 找 到 一 个 所 有 市 场 参 与 方 共 同 认 可 的 信 任 中 心 ； 对 于 一 个 中 心 而 言 ， 协 调 事 项 必 然 有 优 先 级 ， 不 一 定 能 够 及 时 、 有 效 地 满 足 所 有 协 作 需 求 。
其 二 ， 通 过 共 同 组 建 一 个 第 三 方 机 构 ， 即 所 有 参 与 方 通 过 让 渡 部 分 权 利 ， 共 同 组 建 一 个 第 三 方 机 构 来 完 成 协 作 。 这 种 方 法 的 局 限 在 于 ， 第 三 方 机 构 往 往 都 具 有 独 立 性 ， 若 制 度 不 能 满 足 其 营 利 和 管 理 需 要 ， 第 三 方 机 构 往 往 能 够 成 为 各 参 与 方 的 实 际 权 力 中 心 ； 在 第 三 方 机 构 成 立 之 后 ， 如 何 吸 纳 新 的 成 员 ， 如 何 随 着 情 况 发 展 变 化 调 整 各 参 与 方 的 角 色 和 权 力 ， 这 些 都 依 赖 于 大 量 的 谈 判 和 交 易 。 2 . 区 块 链 缺 点 区 块 链 缺 点 1 ） 不 可 撤 销 ） 不 可 撤 销 不 可 撤 销 既 是 优 点 也 是 缺 点 ， 在 区 块 链 里 没 有 撤 销 机 制 ， 对 区 块 链 的 数 据 变 动 几 乎 无 能 为 力 。 如 果 转 账 地 址 填 错 ， 会 直 接 造 成 永 久 损 失 且 无 法 撤 销 ； 如 果 丢 失 密 钥 也 一 样 会 造 成 永 久 损 失 无 法 挽 回 。 2 ） 隐 私 问 题 ） 隐 私 问 题 区 块 链 是 分 布 式 的 ， 每 个 人 手 上 都 有 一 份 完 整 的 数 据 拷 贝 。 由 于 区 块 链 计 算 余 额 、 验 证 交 易 有 效 性 等 等 都 需 要 追 溯 每 一 笔 账 ， 因 此 交 易 数 据 都 是 公 开 透 明 的 ， 如 果 知 道 某 个 人 的 账 户 ， 就 能 知 道 他 的 所 有 财 富 和 每 一 笔 交 易 。 传 统 上 数 据 是 保 存 在 中 心 服 务 器 上 的 ， 由 系 统 运 营 方 负 责 保 护 数 据 隐 私 。 但 在 公 有 链 中 ， 没 有 中 心 化 的 运 营 方 ， 每 一 个 参 与 者 都 能 够 获 得 完 整 的 数 据 备 份 ， 这 也 意 味 着 公 有 链 的 数 据 库 是 透 明 的 。 3 ） 数 据 膨 胀 问 题 ） 数 据 膨 胀 问 题 就 像 前 面 说 的 ， 每 个 人 都 有 一 份 完 整 账 本 ， 并 且 有 时 需 要 追 溯 每 一 笔 记 录 ， 因 此 随 着 时 间 推 进 ， 交 易 数 据 超 大 的 时 候 ， 就 会 有 性 能 问 题 ， 如 第 一 次 使 用 需 要 下 载 历 史 上 所 有 交 易 记 录 才 能 正 常 工 作 ， 每 次 交 易 为 了 验 证 你 确 实 拥 有 足 够 的 钱 而 需 要 追 溯 历 史 每 一 笔 交 易 来 计 算 余 额 。 虽 然 可 以 通 过 一 些 技 术 手 段 （ 如 索 引 ） 来 缓 解 性 能 问 题 ， 但 问 题 还 是 明 显 存 在 的 。 4 ） 交 易 延 迟 ） 交 易 延 迟 区 块 链 的 交 易 是 存 在 延 迟 性 的 ， 拿 比 特 币 举 例 ， 当 前 产 生 的 交 易 的 有 效 性 受 网 络 传 输 影 响 ， 因 为 要 被 网 络 上 大 多 数 节 点 得 知 这 笔 交 易 ， 还 要 等 到 下 一 个 记 账 周 期 （ 比 特 币 控 制 在 1 0 分 钟 左 右 ） ， 也 就 是 要 被 大 多 数 节 点 认 可 这 笔 交 易 。 还 受 一 个 小 概 率 事 件 影 响 ， 就 是 当 网 络 上 同 时 有 2 个 或 以 上 节 点 竞 争 到 记 账 权 力 ， 那 么 在 网 络 中 就 会 产 生 2 个 或 以 上 的 区 块 链 分 支 ， 这 时 候 到 底 那 个 分 支 记 录 的 数 据 是 有 效 的 ， 则 要 再 等 下 一 个 记 账 周 期 ， 最 终 由 最 长 的 区 块 链 分 支 来 决 定 。 因 此 区 块 链 的 交 易 数 据 是 有 延 迟 性 的 。 5 ） 升 级 修 复 机 制 有 待 探 索 ） 升 级 修 复 机 制 有 待 探 索 与 中 心 化 系 统 的 升 级 方 式 不 同 ， 在 公 有 链 中 ， 因 为 节 点 数 量 庞 大 ， 参 与 者 身 份 匿 名 ， 不 可 能 关 闭 系 统 集 中 进 行 升 级 。 在 具 体 实 践 中 ， 公 有 链 社 区 摸 索 出 了 “ 硬 分 叉 ” 和 “ 软 分 叉 ” 等 升 级 机 制 ， 但 遗 留 问 题 有 待 观 察 。 此 外 ， 由 于 公 有 链 不 能 “ 关 停 ” ， 其 错 误 修 复 也 异 常 棘 手 ， 一 旦 出 现 问 题 ， 尤 其 是 安 全 漏 洞 ， 将 非 常 致 命 。 通 过 放 松 去 中 心 化 这 个 限 制 条 件 ， 很 多 问 题 能 找 到 解 决 的 方 案 。 比 如 , 在 联 盟 链 这 样 的 多 中 心 系 统 中 ， 通 过 关 闭 系 统 来 修 复 区 块 链 底 层 缺 陷 、 回 滚 数 据 等 ， 必 要 时 都 是 可 用 的 手 段 ， 这 些 手 段 有 助 于 控 制 风 险 、 纠 正 错 误 。 而 对 于 常 规 代 码 升 级 ， 可 以 通 过 分 离 代 码 和 数 据 ， 结 合 多 层 次 的 智 能 合 约 ， 实 现 可 控 的 智 能 合 约 更 新 。 结 束 语 结 束 语 区 块 链 在 学 术 界 和 工 业 界 逐 渐 被 重 视 ， 并 尝 试 产 生 各 种 去 中 心 化 应 用 。 区 块 链 有 自 身 的 独 特 优 势 ， 区 块 链 技 术 解 决 了 建 立 共 识 的 难 题 ， 在 依 靠 信 任 关 系 建 立 起 来 的 中 心 化 系 统 下 ， 区 块 链 技 术 能 够 提 高 信 任 关 系 中 的 可 追 溯 性 。 同 时 ， 区 块 链 技 术 发 展 还 不 够 完 善 ， 大 家 正 在 努 力 克 服 区 块 链 自 身 的 不 足 ， 试 图 在 更 多 领 域 中 得 到 广 泛 应 用 。 参 考 文 献 参 考 文 献 [ 1 ]   田 倩 飞 .   G a r t n e r 提 出 2 0 1 7 年 与 2 0 1 8 年 十 大 物 联 网 技 术 [ J ] .   科 研 信 息 化 技 术 与 应 用 ,   2 0 1 6 ,   7 ( 2 ) . [ 2 ]   B L O C K C H A I N [ J ] .   I t n o w ,   2 0 1 6 . [ 3 ]   赵 宝 艳 .   P 2 P 技 术 [ J ] .   电 信 工 程 技 术 与 标 准 化 ,   2 0 0 7 ,   2 0 ( 4 ) : 7 7 - 7 9 . [ 4 ]   魏 尚 北 ,   牛 超 .   密 码 学 的 区 块 链 技 术 在 电 子 货 币 交 易 中 的 应 用 研 究 [ J ] .   科 技 创 新 与 生 产 力 ,   2 0 1 6 ( 9 ) : 9 5 - 9 6 . [ 5 ]   吴 思 进 ,   王 志 文 .   区 块 链 的 数 据 对 比 及 共 识 方 法 :   C N 1 0 5 7 1 9 1 8 5 A [ P ] .   2 0 1 6 . [ 6 ]   王 春 宇 ,   张 守 坤 .   智 能 合 约 与 金 融 合 约 [ J ] .   商 ,   2 0 1 6 ( 6 ) : 1 9 8 - 1 9 8 . 更 多 精 彩 内 容 ， 请 关 注 ： 1 .   A r k T e a m 官 方 微 信 官 方 微 信 — 公 众 账 号 名 称 ： A r k T e a m
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