區(qū)塊鏈原理及其應(yīng)用

徐春雨

摘 要：區(qū)塊鏈?zhǔn)悄壳按嬖诘拇蠖鄶?shù)加密貨幣背后的技術(shù)，它提供了一種范式轉(zhuǎn)換技術(shù)，它有可能改變我們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)上記錄和驗(yàn)證事件的方式。通過(guò)提供一個(gè)非中心化的、不可變的、社區(qū)驗(yàn)證的交易記錄，不管這些交易代表什么，區(qū)塊鏈技術(shù)承諾將改變?cè)S多行業(yè)。本文對(duì)這一重要技術(shù)進(jìn)行了研究，并探討了其可能的用例及其對(duì)社會(huì)的影響。本文系統(tǒng)地梳理了區(qū)塊鏈技術(shù)的基本原理、技術(shù)、方法與應(yīng)用。目的是讓讀者熟悉區(qū)塊鏈?zhǔn)澜绲淖钚录夹g(shù)和社會(huì)影響。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈 加密貨幣 比特幣 以太坊

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（c）-0026-02

正如其名稱(chēng)所表述的，區(qū)塊鏈技術(shù)是一個(gè)鏈塊。這些塊中的每一個(gè)都包含一組被加密驗(yàn)證的事務(wù)，這些事務(wù)都是確定的，并且這些塊是通過(guò)一個(gè)鏈連接的，它遵從每個(gè)塊中所包含的事務(wù)的時(shí)間順序，因此也就是區(qū)塊鏈。

區(qū)塊鏈表示一種分布式賬本，它存儲(chǔ)系統(tǒng)中發(fā)生的事件。該分類(lèi)器是不可變的，它的內(nèi)容由系統(tǒng)社區(qū)中的所有節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證。這個(gè)簡(jiǎn)單的想法為各種各樣的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。本文區(qū)塊鏈背后的技術(shù)進(jìn)行了審視，然后對(duì)其使用進(jìn)行了研究。

1 基本原理闡述

1.1 區(qū)塊鏈原理

傳統(tǒng)的因特網(wǎng)應(yīng)用程序大多遵循一種中心化的客戶(hù)機(jī)-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，其中服務(wù)器存儲(chǔ)了所有需要的信息。任何需要存儲(chǔ)在因特網(wǎng)上的信息通常都在一個(gè)中央化的客戶(hù)機(jī)-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)中進(jìn)行，服務(wù)器具有所有信息，并且在安全性和可用性方面為整個(gè)系統(tǒng)提供了一個(gè)單點(diǎn)故障診斷。

如果該服務(wù)器被黑客攻擊或被惡意的代理管理，它所包含的信息是依然可以實(shí)現(xiàn)。同樣的，如果服務(wù)器失敗或被占用維護(hù)，服務(wù)器提供的可用性就會(huì)因受到影響。緩解這一問(wèn)題的方法通常是在服務(wù)器上復(fù)制數(shù)據(jù)，但仍然受到上述問(wèn)題的困擾，因?yàn)檫@些服務(wù)器通常是由同一類(lèi)實(shí)體控制的，因此也受到相同的安全威脅和物理環(huán)境的影響，最嚴(yán)重的話可能導(dǎo)致停機(jī)。

區(qū)塊鏈的動(dòng)機(jī)是為存儲(chǔ)信息提供一種不同的替代方式。通過(guò)將數(shù)據(jù)從一個(gè)集中的系統(tǒng)中釋放出來(lái)，它的安全性變得更加強(qiáng)大，并且不會(huì)在單個(gè)站點(diǎn)的物理故障下被刪除。對(duì)于最初的區(qū)塊鏈，一種為貨幣比特幣提供動(dòng)力的方案，一個(gè)其他的原因是，將系統(tǒng)的參與者從中央銀行這樣的中央集權(quán)的集權(quán)統(tǒng)治下解放出來(lái)，從而為貨幣領(lǐng)域的民主化提供了一些措施。從這個(gè)動(dòng)機(jī)中，我們發(fā)現(xiàn)了大量的區(qū)塊鏈，它們都試圖將人類(lèi)活動(dòng)的特定領(lǐng)域作為目標(biāo)。

1.2 比特幣的原理

2008年，在美國(guó)次貸危機(jī)的時(shí)候，一個(gè)化名中本聰?shù)哪涿髡?，描述了支持?chuàng)建和使用虛擬貨幣的區(qū)塊鏈的實(shí)現(xiàn)方式。這種虛擬貨幣是比特幣。與法定貨幣不同的是，比特幣不是由中央銀行發(fā)行的，而是作為一種對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的獎(jiǎng)勵(lì)而建立的，這是一種對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)的獎(jiǎng)勵(lì)，該網(wǎng)絡(luò)將其置于自身上，將一組已驗(yàn)證的交易添加到現(xiàn)有的比特幣區(qū)塊鏈中。

我們進(jìn)一步闡述的話，就是比特幣網(wǎng)絡(luò)是由一組由全球各地的、分布式的計(jì)算機(jī)組成的，它們都在運(yùn)行開(kāi)源軟件。當(dāng)事務(wù)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)都驗(yàn)證其真實(shí)性。系統(tǒng)中的一組計(jì)算機(jī)，被稱(chēng)為“礦工”，把它放在自己的位置上，將經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的事務(wù)塊添加到比特幣區(qū)塊鏈中，實(shí)際上是將事物變成一個(gè)不可變的分布式分類(lèi)賬。作為對(duì)他們工作的獎(jiǎng)勵(lì)，系統(tǒng)創(chuàng)造新的比特幣，并將新創(chuàng)建的比特幣分配給他們。

請(qǐng)注意，系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證跨操作，這被稱(chēng)為社區(qū)驗(yàn)證。社區(qū)驗(yàn)證對(duì)于確保系統(tǒng)中關(guān)于交易的真實(shí)性的共識(shí)是必不可少的。一旦事務(wù)被社區(qū)驗(yàn)證并放置在一個(gè)塊中，這些礦商就爭(zhēng)著將其添加到區(qū)塊鏈。因此，系統(tǒng)中所有的礦商現(xiàn)在都相互競(jìng)爭(zhēng)。成功地完成這一任務(wù)的礦工得到了回報(bào)，因?yàn)樗C明了它做了最多的工作。這被稱(chēng)為工作證明。

與其把所有的數(shù)據(jù)都放在一個(gè)位置上，在安全、隱私和可靠性方面提供一個(gè)單一的故障點(diǎn)，還不如把你的文件存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上。區(qū)塊鏈可以用來(lái)協(xié)商在某些計(jì)算機(jī)上存儲(chǔ)文件的代價(jià)，并且它的回饋將提供安全以便應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)然，數(shù)據(jù)本身會(huì)被加密以確保隱私。

比特幣礦商使用的硬件已經(jīng)隨著系統(tǒng)中采礦節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而不斷發(fā)展，因此，這一問(wèn)題的難度水平也隨之提高了。一開(kāi)始，礦工們可以用他們的CPU來(lái)挖比特幣。但是隨著難度的增加，礦工們將目光轉(zhuǎn)移到GPU上，又隨著復(fù)雜度進(jìn)一步增加，礦工們進(jìn)而轉(zhuǎn)向了定制設(shè)計(jì)的硬件，即ASICs（專(zhuān)用集成電路）。這可以在盡量少消耗電力的情況下來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這一演變過(guò)程中固有的事實(shí)是，比特幣挖掘是一種權(quán)衡。這種權(quán)衡即是在所收到的報(bào)酬和按所需計(jì)算所消耗的功率之間進(jìn)行權(quán)衡。這種對(duì)更快、更高效硬件的需求日益增長(zhǎng)，其后果之一是采礦變得更加集中。這是因?yàn)樗沟V工們能夠集中他們的資源以實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，并聚集在能源成本較低的地區(qū)。

1.3 以太坊

可以看出，比特幣是在區(qū)塊鏈之上建立的數(shù)字貨幣。一位創(chuàng)造者Ethereum發(fā)現(xiàn)了區(qū)塊鏈技術(shù)的更大的潛力。剛才所介紹的區(qū)塊鏈可以處理的事務(wù)有：它可以提供一個(gè)不可變的分布式的分類(lèi)賬交易，它是社區(qū)驗(yàn)證的，并且不依賴(lài)于任何一個(gè)中央集權(quán)。Ethereum的創(chuàng)建者認(rèn)為這可以用于許多其他領(lǐng)域。

他們的主要貢獻(xiàn)是在區(qū)塊鏈上添加了一個(gè)圖靈虛擬機(jī)。這個(gè)準(zhǔn)許區(qū)塊鏈執(zhí)行定制的書(shū)面代碼。這種創(chuàng)新為在區(qū)塊鏈上實(shí)現(xiàn)許多不同的想法打開(kāi)了大門(mén)。比如：一款殺手級(jí)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的是“smart contracts”，軟件負(fù)責(zé)兩個(gè)交易對(duì)手之間進(jìn)行編碼的協(xié)議。例如：如果A和B兩方同意，如果某一事件發(fā)生，A將支付一定金額的B，這將被編碼同時(shí)并放置在區(qū)塊鏈上。

當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，不需要進(jìn)行輸入請(qǐng)求，錢(qián)將會(huì)被自動(dòng)轉(zhuǎn)移。當(dāng)系統(tǒng)本身，也就是代碼片段就會(huì)被驗(yàn)證，系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道該合同的條款，并在觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)執(zhí)行它。就像比特幣一樣，給區(qū)塊鏈添加一個(gè)特殊的合約或交易的礦商，將會(huì)得到以太網(wǎng)的數(shù)字貨幣以太訪。

以太坊的底層技術(shù)與比特幣所使用的技術(shù)是一樣的，除了使用SHA 256算法作為工作證明之外，以太坊還使用了一種更昂貴的內(nèi)存哈希函數(shù)，稱(chēng)為Ethash。當(dāng)然，Ethereum還包括了一個(gè)完整的虛擬機(jī)，允許用戶(hù)在區(qū)塊鏈上執(zhí)行代碼。以太坊設(shè)計(jì)者選擇一種昂貴的內(nèi)存哈希嗎目的是想要降低硬件設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)ASICs的能力。通過(guò)這樣做，他們認(rèn)為可以防止挖掘過(guò)程在一些定制的數(shù)據(jù)中心中集中起來(lái)，這些數(shù)據(jù)中心使用的是硬件，而不是將其交給那些在CPU和GPU上運(yùn)行算法的用戶(hù)。

1.4 其他數(shù)字貨幣

比特幣的成功和Ethereum的繼續(xù)發(fā)揚(yáng)，已經(jīng)引起了建立在區(qū)塊鏈上的大量數(shù)字貨幣的發(fā)展。這些貨幣被稱(chēng)為“altcoin”，簡(jiǎn)稱(chēng)“altcoin”，是比特幣的替代品。這些技術(shù)的變化通常會(huì)改變驗(yàn)證工作的算法，使之更加集中，或者以其他方式調(diào)整底層技術(shù)，例如：加速事務(wù)處理的時(shí)間。其他數(shù)字貨幣的一些例子包括Lite-coin、Dogecoin、Peercoin、Feathercoin、Zetacoin、novacoin。這些貨幣與以太坊和比特幣的差別不大，因此，在本文不對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。

1.5 區(qū)塊鏈的其他應(yīng)用

所以說(shuō)區(qū)塊鏈有可能成為一種變化的技術(shù)，它將影響到不同的行業(yè)，如金融和云計(jì)算。通過(guò)對(duì)一個(gè)社區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，不可變的，分布式的交易分類(lèi)賬，它允許大量的使用案例，這將有益于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)。

加密貨幣，一種區(qū)塊鏈應(yīng)用的例子，提供機(jī)會(huì)創(chuàng)造一種新的貨幣，它不是由中央集權(quán)控制的，而且是有限的。因此，當(dāng)央行印更多的錢(qián)以鼓勵(lì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)時(shí)，減少貨幣供應(yīng)會(huì)導(dǎo)致通貨膨脹壓力，這是2008—2009年金融危機(jī)期間開(kāi)始的量化寬松政策。

在那些被通貨膨脹和貨幣貶值所折磨的國(guó)家，加密貨幣提供了一個(gè)安全的避風(fēng)港，并儲(chǔ)存了可以用來(lái)對(duì)沖這些風(fēng)險(xiǎn)的價(jià)值。同時(shí)為金融創(chuàng)新也提供了一種潛力，可以通過(guò)提供不那么昂貴的籌資方式來(lái)為新公司籌集資金，從而為經(jīng)濟(jì)提供額外的動(dòng)力。

區(qū)塊鏈還可以用來(lái)存儲(chǔ)用戶(hù)身份、身份和文件。所有這些都在一個(gè)分布式的、非集中式的環(huán)境中。此外，在一些區(qū)塊鏈上的圖靈機(jī)完全虛擬機(jī)的內(nèi)化使他們能夠?qū)崿F(xiàn)智能合同，這一發(fā)展對(duì)于金融市場(chǎng)和商業(yè)組織來(lái)說(shuō)已經(jīng)有了深遠(yuǎn)的影響。

2 結(jié)語(yǔ)

區(qū)塊鏈技術(shù)逐漸成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的熱點(diǎn)研究課題。區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化信用、不可篡改和可編程等特點(diǎn)，使其在數(shù)字加密貨幣、金融和社會(huì)系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。然而，與蓬勃發(fā)展的區(qū)塊鏈商業(yè)應(yīng)用相比，區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)理論和技術(shù)研究仍處于起步階段，許多更為本質(zhì)性的、對(duì)區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要的科學(xué)問(wèn)題函待研究跟進(jìn)。

簡(jiǎn)而言之，區(qū)塊鏈就像機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)一樣，是一種范式轉(zhuǎn)換技術(shù)，它將對(duì)我們未來(lái)幾年的生活方式產(chǎn)生重大影響。這篇論文提供了該領(lǐng)域的簡(jiǎn)要概述以及其應(yīng)用。希望鼓勵(lì)讀者深入研究圍繞這一主題的技術(shù)文獻(xiàn)，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為這是一個(gè)熱門(mén)的研究領(lǐng)域。

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