区块链技术研究

（招商局公路网络科技控股股份有限公司战略发展部，北京 100022）

引言

随着密码学、分布式网络、共识算法、点对点网络等技术的飞速发展，区块链诞生条件日趋成熟，比特币的诞生成为区块链的标志性事件，之后以太坊开创性地将智能合约和区块链结合起来，目前区块链技术已经在各行各业展开研究和应用。

一、区块链技术的起源

探寻区块链的机制和发展，比特币永远是无法绕过的话题。区块链技术最早可以追溯到比特币系统中，2008年一个笔名为中本聪的人（或团队）发布了一篇名为《比特币—一种点对点的电子现金系统》的文章，又在2009年公开了其早期的实现代码，比特币就此诞生。

中本聪并没有直接提出区块链这一概念，但其解决交易记录，真实有效并不可篡改的方案可以看作区块链技术的雏形。

区块链技术几乎与比特币是同一时间诞生，当时中本聪分别提到了区块以及链的概念，不过并没有明确提出完整的区块链概念，区块链是在比特币的基础上，被许多研究人员挖掘出的技术。

综合有关区块链技术的研究，我们认为区块链技术是一种由多方集体共同维护，使用密码学保证传输和访问安全，能够实现数据去中心化一致存储、不可篡改、去除第三方信任机构的记账技术[1]。

二、区块链的基本分类

区块链根据网络扩展性、节点的可参与性及其功能价值，可以分为公有链、私有链和联盟链三种模式。

表1 公有链、联盟链及私有链对比分析表

三、区块链的核心技术

1.非对称加密算法

非对称加密算法，就是了使用公钥和私钥在不直接传递解开密码的密钥的情况下，使加密的信息解密，也就是说，加密的方式和解密的过程可以是完全不对称的关系。

2.摘要算法

区块链采用密码学摘要算法技术，保证区块链账本的完整性不被破坏。摘要算法能将二进制数据映射为一串较短的字符串，并具有输入敏感特性，一旦输入的二进制数据，发生微小的篡改，经过摘要运算得到的字符串，将发生非常大的变化。此外，优秀摘要算法还具有冲突避免特性，输入不同的二进制数据，得到的摘要结果字符串是不同的。

3.数字签名

数字签名是在区块链技术中把摘要函数、密钥全部运用到的重要机制。数字签名主要主要有两个作用：第一，发送节点公钥和私钥，因此，确定了消息是由发送节点发送；第二，则是运用摘要函数确保了信息在发送过程中完好无损。

4.时间戳

时间戳主要负责记录每个区块接受信息的时间，确保每条信息的先后顺序，进而保证了每个区块都能做出一致的判断。

5.分布式账本技术

分布式账本技术DLT（Distributed Ledger Technology）本质上是一种可以在多个网络节点、多个物理地址或者多个组织构成的网络中进行数据分享、同步和复制的去中心化数据存储技术[2]。

四、区块链共识算法

1.工作量证明

工作量证明的概念早在1993年就已经被人提出了，工作量证明需要发起人进行一定的运算，1998年，戴伟发布了匿名的分散式电子现金系统（B-Money），引入了工作量证明机制，强调点对点交易和不可更改的特性，之后中本聪将工作量证明应用到比特币上，比特币采用PoW工作量证明来保证分布式网络记账的一致性，这是目前实践看来最为安全的公有链共识算法。

2.权益证明

权益证明最早由在2012年8月发布的PPC（PeerToPeerCoin点点币）系统中首先实现，权益证明是工作量证明的升级共识机制，主要思想是节点记账权的获得难度与节点持有的权益成反比，相对于工作量证明，一定程度减少了数学运算带来的资源消耗，性能也得到了相应的提升，缩短了延迟，但依然是基于哈希运算竞争获取记账权的方式，因此，权益证明也不是完全弥补了工作量证明的不足，它只是在工作量证明的基础之上进行了部分改善。

3.股份授权证明

股份授权证明DPoS是2014年4月由Bitshares 的首席开发者Dan Larimer提出的一种基于代理人机制的PoS算法，股份授权证明比权益证明更加权威，它类似投票机制，由节点选举若干代理人，由代理人验证和记账，是在权益证明的基础上创造出的共识算法。

4.拜占庭容错机制

拜占庭容错机制也是一种采用许可投票、少数服从多数来选举领导者进行记账的共识机制，但该共识机制允许拜占庭容错。

结语

本文从比特币与区块链技术的关联关系出发，描述了实现区块链分布式记账的主要技术原理和框架，从技术原理出发到应用场景落地全方位阐述了区块链的实现方式。