金穎彤*，李晨旭，田妹，齊兵

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大觀區(qū)塊鏈技術(shù)的共識機制及發(fā)展

金穎彤*，李晨旭，田妹，齊兵

（吉林省長春市吉林大學計算機科學與技術(shù)學院，吉林長春，130000）

區(qū)塊鏈技術(shù)可以用于金融，軍事，教育，通信和能源等很多方面。本文首先以比特幣為例，闡述了區(qū)塊鏈的概念及特點。其次，研究了區(qū)塊鏈的工作量證明機制對系統(tǒng)安全性、可信性的貢獻，探究了股權(quán)證明機制的優(yōu)點和缺點以及改進的想法。最后通過分析教育、金融、大數(shù)據(jù)和能源等方面的現(xiàn)狀闡述了區(qū)塊鏈的發(fā)展和應用前景。

區(qū)塊鏈；工作量證明；股權(quán)證明；安全性；可靠性

引言

區(qū)塊鏈是以比特幣為代表的去中心化的分布式系統(tǒng)，應用極其廣泛，并且在不斷拓展[1]。隨著數(shù)據(jù)庫從中心化漸漸轉(zhuǎn)換到去中心化，縱向發(fā)展提高了CPU、存儲器的性能。

近年來，關(guān)于區(qū)塊鏈的研究數(shù)量和學者人數(shù)都呈指數(shù)級趨勢增長[2]。區(qū)塊鏈之所以被政府部門、金融機構(gòu)、資本市場廣泛關(guān)注，與通過共識機制實現(xiàn)系統(tǒng)去中心化的安全性與可靠性密切相關(guān)。目前共識機制有多種，比如工作量證明機制、權(quán)益證明機制、授權(quán)股份證明機制等。授權(quán)股份證明機制應用于點點幣(Peercoin)和未來幣(NXT)，保證產(chǎn)生區(qū)塊的難度（挖礦）與網(wǎng)絡(luò)里所占的股權(quán)成比例。

本文第一節(jié)闡述了區(qū)塊鏈的特點并重點研究去中心化，第二節(jié)和第三節(jié)分析了工作量證明機制和權(quán)益證明機制對于可靠性和安全性的支持，第四節(jié)對區(qū)塊鏈的未來發(fā)展提出了一些設(shè)想。

1 區(qū)塊鏈的概述與特點

1.1 區(qū)塊鏈概述

在中本聰（Satoshi Nakamoto）發(fā)表的《比特幣：一種點對點式的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》[3]完全闡述了比特幣的各個方面，提出比特幣的核心技術(shù)為區(qū)塊鏈。

1.2 區(qū)塊鏈的特點

區(qū)塊鏈發(fā)展迅速，是由于它出色的技術(shù)特征。

（1）不可篡改：

此技術(shù)采用了區(qū)塊和區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)，區(qū)塊來存儲數(shù)據(jù)，其“塊頭”存儲前一個塊的引用，是最常用的鏈表結(jié)構(gòu)，而加入鏈表之后如果想修改，就需計算它和它以后所有的塊的哈希值，工作量證明機制使這項工作需要極高的運算力才能算出，因此對于攻擊者來說，篡改和刪除性價比極低。

（2）匿名性：

節(jié)點之間的交易和信息交換都遵循固定的規(guī)則，數(shù)據(jù)交互時不提供對方身份信息，根據(jù)區(qū)塊鏈中的規(guī)則去判斷交易者的身份和交易是否成功，安全可靠。

（3）開放性：

除了交易私有信息被加密，其他所有數(shù)據(jù)對各方公開，信息系統(tǒng)高度透明，也就是說所有人都可以“挖礦”。

（4）集體維護性：

（5）任何一個或者多個塊被黑客攻擊都不會影響整個系統(tǒng)，只要一個塊沒有被攻擊，系統(tǒng)就可以輕易恢復。

（6）去中心化：

分布式結(jié)構(gòu)結(jié)合共識機制，不存在中心化的管理機構(gòu)，所有節(jié)點都來維護整個系統(tǒng)。這些特點使得區(qū)塊鏈迅速發(fā)展。

2 工作量證明方法的研究

2.1 共識機制的含義與作用

區(qū)塊鏈可以認為是一個分布式賬本，每個節(jié)點都保存這個賬本的完整信息，也可以在自己保存的鏈上添加新的區(qū)塊，如果多個節(jié)點各自記賬，會使系統(tǒng)發(fā)生混亂，系統(tǒng)無法保證統(tǒng)一合理，因此多個節(jié)點產(chǎn)生的塊，只有一個才能得到大家的認可。得到認可的節(jié)點稱為擁有記賬權(quán)的節(jié)點，被認為是合法、有效的塊，該塊將被鏈接到之前合法的區(qū)塊鏈上，剩余節(jié)點產(chǎn)生的區(qū)塊均作廢[4]。

2.2 工作量證明機制(POW)

工作量證明機制(POW)是一種基于分布式網(wǎng)絡(luò)且適用于去中心化的共識機制。POW保證了各個節(jié)點的公平和彼此信任。比特幣采用的共識機制是工作量證明，本文以比特幣為例，說明POW是如何體現(xiàn)出公平性和可信性的。

2.2.1 POW的公平性

系統(tǒng)大約每10分鐘生成一個區(qū)塊，POW的公平性指的是每個節(jié)點能夠競爭到這個新生成的區(qū)塊的記賬權(quán)的機會是均等的。比特幣中采用的工作量證明函數(shù)是SHA256，也是安全散列算法，由美國國家安全局提出。[5]該算法具有隨機性，能在理論上保證每個節(jié)點只要付出足夠的計算力就能獲得記賬權(quán)，因而也就保證了工作量證明的公平性。

2.2.2 POW的可信性

比特幣采用POW機制來解決這個問題。通常情況下人們認為，少數(shù)服從多數(shù)，大多數(shù)人的選擇是對的。證明機制本質(zhì)上是一CPU一票，鏈越長代表越多人認可此鏈，即大家都承認鏈最長的那條的合法性，由此達成共識。在分布式網(wǎng)絡(luò)中，由于缺少可信的中心節(jié)點，每個節(jié)點要讓其它節(jié)點信任自己，則需要提供一個憑證，而這個憑證就是工作量證明。

3 股權(quán)證明機制（POS）

3.1 股權(quán)證明機制的含義與應用

股權(quán)證明機制是一種算法，通過這種算法，數(shù)字貨幣的區(qū)域塊網(wǎng)絡(luò)能夠達到分布式的共識。POS算法在選擇下一個記賬的節(jié)點時，看節(jié)點的所擁有的財富多少（比如股權(quán)），擁有財富多的節(jié)點獲得下一個區(qū)塊鍛造權(quán)的可能性大。產(chǎn)生于2014年的Nxt和黑幣（Blackcoin）采用的就是POS共識機制。

3.2 股權(quán)證明機制的特點

一些學者爭論說，對于分布式的共識協(xié)議來說，POS并不是一個理想的選擇。POS存在一個“nothing at stake”問題，即那些沒有股份的生成區(qū)塊的節(jié)點可以在多條鏈中進行投票而不會有什么損失（POW機制下，一CPU一票，不存在一票多投的現(xiàn)象）。由于一個節(jié)點為多個鏈服務對自身造成的損失很小，因而每個節(jié)點都有可能利用這一漏洞來嘗試進行雙重支付。

3.3 針對股權(quán)證明機制的缺點的改進

（1）以太坊建議采用Slasher協(xié)議來解決“nothing at stake”問題。Slasher協(xié)議允許用戶去懲罰欺騙者，即那些工作在多個鏈上的節(jié)點。但是這個協(xié)議從未被采用。以太坊的開發(fā)者們認為，POS還是很有意義的。雖然他們設(shè)計了一個名為Ethash的POS算法，并把這個算法運用到數(shù)字貨幣Ethereum Classic中，但是他們打算用一個名為“CASPER”的POS協(xié)議來代替這個算法。

（2）點點幣（Peercoin）采用集中廣播檢查站的方式。重組的區(qū)塊鏈都沒有最后知道的檢查站所在的鏈長。開發(fā)者控制著區(qū)塊鏈。

（3）Nxt的協(xié)議只允許重組鏈最后的720個區(qū)塊，但是這也帶來了另外一個問題，那就是一個用戶也有可能支持一個擁有721個區(qū)塊的支鏈，而這個支鏈可能并不是最長的。

4 區(qū)塊鏈技術(shù)的應用前景

4.1 金融方面的展望

將區(qū)塊鏈技術(shù)運用到金融經(jīng)濟方面，實現(xiàn)了金融經(jīng)濟的民主性，并且可以實現(xiàn)傳統(tǒng)金融經(jīng)濟模式的性質(zhì)需求。由當下各種應用區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬數(shù)字貨幣的運行可知，密碼學與數(shù)學結(jié)合而得的加密算法，保證了傳統(tǒng)模式所需的機密性，甚至實現(xiàn)了匿名性，進一步保護人們的隱私，這是在傳統(tǒng)模式下無法做到的。通過合理運用與拓展區(qū)塊鏈的分布式結(jié)構(gòu)與共識機制，保證了交易一致性與合理性。

4.2 大數(shù)據(jù)方面的展望

如今互聯(lián)網(wǎng)幾乎遍布全球。人們每天面對海量數(shù)據(jù)，而它的價值卻在于如何挖掘、利用。將區(qū)塊鏈技術(shù)與大數(shù)據(jù)結(jié)合，實現(xiàn)對大數(shù)據(jù)加工處理，展現(xiàn)并利用數(shù)據(jù)價值。

區(qū)塊鏈的分布式結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的大量存儲。去中心化機制保證了數(shù)據(jù)流通，使得每個節(jié)點都有加工數(shù)據(jù)的機會。區(qū)塊鏈記錄數(shù)據(jù)的發(fā)放、更改、復制、下載等。區(qū)塊鏈的可追溯性，確保了數(shù)據(jù)的最初所有權(quán)。共識機制除保證去中心化外，還具有激勵效果，根據(jù)數(shù)據(jù)的被有效利用率，對數(shù)據(jù)發(fā)布者進行相應的獎勵，在這樣的激勵機制下，保證數(shù)據(jù)挖掘的正向循環(huán)。

4.3 教育方面的展望

區(qū)塊鏈作為一種分布式數(shù)據(jù)庫，應用在教育教學方面可以存儲大量科學知識，成為共享知識庫。相比于之前將資源存儲于服務器的平臺，該數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢在于可廣泛擴展的分布式結(jié)構(gòu)更有利于存儲無窮的知識資源。學生的學習經(jīng)歷記錄在區(qū)塊鏈上，作為求職面試的憑證，從而杜絕造假現(xiàn)象。

目前，隨著全球化的影響日益擴大和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，出國留學以及在線學習屢見不鮮。出國留學涉及到國外的學校對學生在國內(nèi)取得的學位和通過的考試是否認可，在線學習則涉及到在線所獲得的學位是否被用人單位承認。由于不同國家，不同用人單位對某些證書的認可程度并不相同，這就造成標準不統(tǒng)一，給學生和求職者帶來巨大困擾和不便。可以嘗試利用blockchain技術(shù)，來解決這些問題。

4.4 能源方面的展望

由于區(qū)塊鏈具有安全，去中心化的特點，一些能源方面的應用，例如電網(wǎng)，當其中心化模式受到很大威脅時，也可以采用區(qū)塊鏈技術(shù)來抵御這種威脅。但是目前區(qū)塊鏈在能源方面的應用還處于初級階段，需要日后發(fā)展。

[1] 袁勇, 王飛躍. 區(qū)塊鏈發(fā)展技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]. 自動化學報. 2016, (04).

[2] 郭珊珊. 供應鏈的可信溯源查詢在區(qū)塊鏈上的實現(xiàn)[D]. 大連海事大學, 2017.

[3] 張偲. 區(qū)塊鏈技術(shù)原理、應用及建議[J]. 軟件, 2016, 37(11): 51-54.

[4] 韓璇, 劉亞敏. 區(qū)塊鏈技術(shù)中的共識機制研究[J]. 信息網(wǎng)絡(luò)安全, 2017, (9): 147-152.

[5] 楊興壽. 電子商務環(huán)境下的信用和信任機制研究[D]. 博士學位論文, 2016.

Consensus Mechanism and Development of Blockchain Technology

JIN Yingtong*, LI Chenxu, TIAN Mei, QI Bing

(College of computer science and technology, Jilin University, Jilin Changchun, 130000, China)

Blockchain technology can be used in many aspects such as finance, military, education, communications and energy. This article first uses Bitcoin as an example to illustrate the concept and characteristics of blockchain. Secondly, it studies the contribution of the proof-of-work mechanism of the blockchain to the security and trustworthiness of the system, and explores the advantages and disadvantages of the proof-of-equity system and the idea of improvement. Finally, through the analysis of education, finance, big data and energy status, the development of the blockchain and its application prospects are described.

Blockchain; Proof of work; Proof of equity; Safety; Reliability

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.006

TP309

A

1672-9129(2018)01-0013-02

金穎彤, 李晨旭, 田妹, 等. 大觀區(qū)塊鏈技術(shù)的共識機制及發(fā)展[J]. 數(shù)碼設(shè)計, 2018, 7(1): 13-14.

JIN Yingtong, LI Chenxu, TIAN Mei, et al. Consensus Mechanism and Development of Blockchain Technology[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 13-14.

2017-10-25；

2017-12-07。

金穎彤（1997-），女，朝鮮族，吉林長春人，本科，學生，研究方向：計算機。E-mail:2209282216@qq.com