1.3 區(qū)塊鏈的基本技術(shù)原理

1.3.1 區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)技術(shù)要素

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種融合了分布式存儲、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、共識機(jī)制、密碼學(xué)等多種技術(shù)的新型分布式數(shù)據(jù)庫?；跁r(shí)間戳的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)、分布式的共識機(jī)制和靈活可編程的智能合約是區(qū)塊鏈技術(shù)最具代表性的創(chuàng)新點(diǎn)。區(qū)塊鏈技術(shù)核心的價(jià)值在于通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了在統(tǒng)一共識的規(guī)則下，跨地域、跨時(shí)空、跨機(jī)構(gòu)的多個(gè)組織或個(gè)人高效的協(xié)作。

日常生活中典型的交易行為需要包含以下3個(gè)基本要素。第一是對所有者的身份證明，通常這些基礎(chǔ)信息會(huì)由權(quán)威、可靠的第三方機(jī)構(gòu)出具相關(guān)文檔證明，如出生證、身份證和駕駛證等；第二是產(chǎn)品的證明，如轎車、手機(jī)等通常通過產(chǎn)品序列號、產(chǎn)品證書等準(zhǔn)確定位某個(gè)產(chǎn)品；第三是所有者和被擁有的產(chǎn)品之間的證明。要證明所有者具有對某些財(cái)產(chǎn)的所有權(quán)，就需要通過在相應(yīng)賬本記賬來登記具體財(cái)產(chǎn)的所有權(quán)。在社會(huì)生活中，有很多相關(guān)的機(jī)構(gòu)通過公開的規(guī)章制度來管理特定類型的財(cái)產(chǎn)所有權(quán)的登記和交易，且管理的財(cái)產(chǎn)價(jià)值越高，政府直接介入的概率就越大，如房產(chǎn)交易所、專利交易所等。賬本可以看成關(guān)聯(lián)財(cái)產(chǎn)所有者和具體財(cái)產(chǎn)的一個(gè)工具。

為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中的交易，賬本需要同時(shí)具有兩個(gè)功能：一是賬本可以證明相應(yīng)資產(chǎn)的所有權(quán)，二是賬本能記錄每一次所有權(quán)的變更。為了保證記賬權(quán)的權(quán)威可靠，中心化的記賬方式覆蓋了社會(huì)生活的方方面面。但中心化的記賬方式對中心本身的能力、相應(yīng)的監(jiān)管法律和參與者對其的信任都有極高的要求。然而，中心化的記賬卻有一些顯而易見的弱點(diǎn)：一旦這個(gè)中心出現(xiàn)問題，如被篡改、被損壞，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)面臨危機(jī)乃至崩潰。一個(gè)典型的例子是21世紀(jì)初的安然事件：這家2000年披露的營業(yè)額高達(dá)1010億美元的美國能源巨頭，由于深陷會(huì)計(jì)假賬丑聞，于2001年破產(chǎn)倒閉。

區(qū)塊鏈試圖通過一組獨(dú)立的賬本而不是一個(gè)中心賬本來記錄所有權(quán)，并使用大多數(shù)賬本認(rèn)可的結(jié)果來證明所有權(quán)。但多中心的點(diǎn)對點(diǎn)分布式記賬方式可以有效解決防篡改和防刪除的問題，也可能帶來新的問題，如全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的信息同步需要一定的時(shí)間，這導(dǎo)致在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上可能出現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)本地賬本不一致的情況。同步信息慢的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)被同步信息快的節(jié)點(diǎn)所利用，導(dǎo)致在同一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，一個(gè)所有權(quán)在同一時(shí)間被多次轉(zhuǎn)移，如“雙花”問題，即一筆資產(chǎn)被重復(fù)花費(fèi)多次。

為有效解決“雙花”問題，區(qū)塊鏈主要采用如下解決方案：第一，區(qū)塊鏈通過記錄完整的交易歷史記錄來識別和描述當(dāng)前所有者，證明其所有權(quán)；第二，通過密碼學(xué)技術(shù)來保護(hù)所有權(quán)，包括識別所有者、認(rèn)證所有者并限制其他人對所有者所有資產(chǎn)的操作；第三，區(qū)塊鏈通過塊鏈?zhǔn)劫~本機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對交易數(shù)據(jù)的安全存儲，使得交易歷史數(shù)據(jù)難以被篡改；第四，通過分布式共識機(jī)制和密碼技術(shù)構(gòu)建在不可信環(huán)境分發(fā)賬本和驗(yàn)證新的交易記錄機(jī)制，從而能夠確定哪些賬本代表了真相。

1.3.2 區(qū)塊鏈的參考架構(gòu)

區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)技術(shù)參考架構(gòu)如圖1-8所示。

（1）數(shù)據(jù)層主要定義了區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并借助密碼學(xué)相關(guān)技術(shù)來確保區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全。區(qū)塊鏈技術(shù)在發(fā)展的過程中，其區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)根據(jù)具體區(qū)塊鏈的功能不同而有所變化，但鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、默克爾樹作為比特幣最初所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一直被之后的區(qū)塊鏈技術(shù)保留。數(shù)據(jù)層包括區(qū)塊結(jié)構(gòu)、非對稱加密、數(shù)字簽名、默克爾樹、哈希加密算法。

（2）網(wǎng)絡(luò)層主要定義了區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)方式、信息在節(jié)點(diǎn)間的傳播方式和信息的驗(yàn)證過程。每個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)都與多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)建立連接，當(dāng)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生交易、區(qū)塊等數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)將其傳播至鄰居節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)在收到新的交易、區(qū)塊等數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)信息驗(yàn)證后繼續(xù)向鄰居節(jié)點(diǎn)傳播，直到數(shù)據(jù)擴(kuò)散至全網(wǎng)所有區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)層包括P2P網(wǎng)絡(luò)、安全傳輸、訪問控制。

（3）共識層建立在網(wǎng)絡(luò)層之上，主要定義了存在惡意參與方的環(huán)境下分布式節(jié)點(diǎn)如何對區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)達(dá)成一致。當(dāng)交易、區(qū)塊等數(shù)據(jù)成功通過網(wǎng)絡(luò)層到達(dá)全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)后，分布式節(jié)點(diǎn)通過共識機(jī)制對本地組建的區(qū)塊鏈一致性達(dá)成共識。

（4）激勵(lì)層主要是為了鼓勵(lì)多方競爭性誠實(shí)記賬而引入經(jīng)濟(jì)機(jī)制與博弈機(jī)制的一個(gè)層次。其存在的必要性取決于建立在區(qū)塊鏈技術(shù)上的具體應(yīng)用需求。目前激勵(lì)層在公有鏈的應(yīng)用中使用較為廣泛，而在聯(lián)盟鏈的應(yīng)用中較少使用。

（5）合約層建立在激勵(lì)層之上，主要是區(qū)塊鏈上運(yùn)行程序的執(zhí)行環(huán)境、腳本代碼與智能合約。腳本代碼與智能合約是部署在分布式區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)上的一段程序，其執(zhí)行過程中需要讀取區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)并將執(zhí)行結(jié)果寫入?yún)^(qū)塊鏈中，是區(qū)塊鏈可編程特性的基礎(chǔ)。其中，腳本代碼與智能合約分別是區(qū)塊鏈1.0時(shí)代與2.0時(shí)代的鏈上代碼。

（6）應(yīng)用層則是建立在合約層的基礎(chǔ)上的，采用服務(wù)端技術(shù)、前端技術(shù)等對智能合約實(shí)行封裝，為用戶提供各種分散化的應(yīng)用服務(wù)。

1.3.3 “寫入”區(qū)塊鏈的主要流程

區(qū)塊鏈中最小的事務(wù)單位是交易，而區(qū)塊鏈賬本的寫入操作主要指的是將交易廣播給鏈內(nèi)所有參與共識的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證交易的真實(shí)性并寫入?yún)^(qū)塊的過程。不同區(qū)塊鏈平臺的賬本寫入邏輯可能會(huì)因其共識機(jī)制、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的不同而有所差異。但總體來說寫入?yún)^(qū)塊鏈的主要流程都包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟，如圖1-9所示。

（1）客戶端發(fā)起交易提案：從客戶端發(fā)起一筆交易。

（2）交易廣播至全網(wǎng)：將交易廣播至全網(wǎng)所有參與共識的節(jié)點(diǎn)。

（3）節(jié)點(diǎn)背書與驗(yàn)證：收到交易的節(jié)點(diǎn)將在本地模擬執(zhí)行交易驗(yàn)證，如驗(yàn)證交易的合法性。

（4）廣播至其他節(jié)點(diǎn)：當(dāng)節(jié)點(diǎn)本地驗(yàn)證通過時(shí)，會(huì)將本交易（連同其他若干筆交易）打包進(jìn)區(qū)塊，寫入本地區(qū)塊鏈賬本中并同步給其他節(jié)點(diǎn)。

（5）賬本同步：其他節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)新區(qū)塊時(shí)將逐步檢查此區(qū)塊中的交易，若無誤則將此新區(qū)塊同步寫入本地區(qū)塊鏈中。

（6）交易確認(rèn)：記賬節(jié)點(diǎn)對交易達(dá)成一致后，交易在全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)得到確認(rèn)，則成功寫入?yún)^(qū)塊鏈。

1.3.4 區(qū)塊鏈與數(shù)據(jù)庫技術(shù)的區(qū)別

區(qū)塊鏈從本質(zhì)上來說是一種分布式數(shù)據(jù)庫，但是區(qū)塊鏈與數(shù)據(jù)庫在架構(gòu)、存儲形式、事務(wù)單元、操作模式、記錄時(shí)效、一致性、可擴(kuò)展性、安全性等屬性上表現(xiàn)還是有所不同的。區(qū)塊鏈與數(shù)據(jù)庫的區(qū)別如表1-1所示。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由于有權(quán)威的中心機(jī)構(gòu)的信任背書，在數(shù)據(jù)可信的基礎(chǔ)上會(huì)更強(qiáng)調(diào)如何提高效率與數(shù)據(jù)庫承載的性能，適用場景比較廣泛。而區(qū)塊鏈技術(shù)使用的是多中心化架構(gòu)，分布式的特點(diǎn)使得區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)可信性不是由單一機(jī)構(gòu)決定，而是由多方共同決策。相對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫而言，區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)處理的效率較低，但更注重安全的考量，在需要多方參與協(xié)作或有數(shù)據(jù)共享的需求時(shí)較為適用。