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论链|黄建华教授:区块链技术原理及其应用

2020-05-30| 发布者: 区块链分析师| 查看: 1643

区块链产业社区-【论链】区块链(Blockchain)技术自诞生以来广受关注,其应用也从最初的加密货币逐渐向金融、保险、供应链、物流、医疗、物联网、民生等领域延伸,今天要 与大家探讨的主题是区块链技术及其应用,将 ...

区块链产业社区-【论链】

区块链(Blockchain)技术自诞生以来广受关注,其应用也从最初的加密货币逐渐向金融、保险、供应链、物流、医疗、物联网、民生等领域延伸,今天要 与大家探讨的主题是区块链技术及其应用,将从区块链的由来、区块链技术原理、 区块链的应用和区块链面临的挑战等几个方面与大家分享对区块链的理解,并展望区块链的应用前景。

一、区块链的由来

(1)区块链的定义

首先给区块链下一个简单的定义,区块链是一种去中心化的共享加密链式数 据库(账本)。这句短短的定义里面提到了四个关键字:去中心化、共享、加密和链式数据库,去中心化意味着系统的运 行不依赖于中心服务器,去除了中心化的 授信,决策需要所有节点进行协商以形成 共识;共享表明数据需要分发给所有的节 点,所有的节点都具有相同的区块链;加密意味着使用了加密算法对数据进行签 名和保护;链式数据库表明数据是按照生 成的时间的顺序链接在一起存储的。因此,区块链具有去中心化、数据分布式存 储、安全可靠、不可篡改、很难伪造、可追溯等特点。

(2)区块链的出现

首先了解一下传统的货币支付方式。手里的纸币、黄金等现金,在交易时可以 面对面直接支付给对方,就是通常所说的 一手交货一手交钱。

后来随着信息和网络技术的发展,可以通过银行卡、支付宝等方式转账,这种 方式要求你的钱必须放在银行或支付宝。某些人不愿意让别人了解自己有多少钱,也有人觉得钱放在银行不安全,怕钱被盗刷或被挪用。

很久以来,人们可能都有个想法,手里的现金能否通过网络直接转给对方?而不需通过银行或支付宝。由于数据可以在计算机里反复拷贝,即使你的现金经过加密和签名,也无法防止同一笔现金不会被同时分别转给两个以上的人,这个 问题就是“双花”(Double-spending)。“双花”问题一直困扰着密码学家,长期得不 到解决。2008 年底,一个化名中本聪(Satoshi Nakamoto)的人发表了一篇论文:Bitcoin: APeer-to-Peer Electronic Cash System (比特币:一种点对点的电子现金系统) 比特币(Bitcoin)实现了人们将手里的现金通过网络直接转给对方的梦想。为了实现点对点的直接转账和解决“双花”问题,中本聪设计了区块链系统。

(3)区块链与比特币的关系

有人可能会问,区块链与比特币是啥关系?区块链等于比特币吗?答案是区 块链不等于比特币。

● 比特币是一种 P2P 形式的虚拟加密货币,是通过使用区块链的来创建、分配、交易 和存储的;而法定货币是主权货币,是由 国家中央银行发行的,且币值稳定。

● 区块链是实现比特币的底层技术,这一点 类似于互联网是目前微信、支付宝、Web 浏览等应用的底层网络基础。

● 比特币是区块链的第一个应用,区块链不只是用于加密货币,在很多其他 行业都可以得到广泛应用。

● 可以说没有区块链就没有比特币,但没有比特币照样有区块链。

(4)区块链历史

论链|黄建华教授:区块链技术原理及其应用

区块链


2008 年出现的比特币是一个单纯的电子现金系统。“中本聪”创造了一种可 以较为安全的、不依赖金融机构作为第三方的点对点支付的纯粹电子货币。

比特币网络里只有一种符号——比 特币,用户无法自定义另外的符号(股票、 债务凭证等),比特币只支持简单的脚本语言,难以构建复杂的应用。

2013 年,19 岁的 Vitalik Buterin 提出 以太坊(Ethereum)。以太坊扩展了区块链技术的应用空间,它通过一套图灵完备的 语言来建立应用,这些应用就是智能合约,可以实现复杂的商业逻辑,这是以太 坊的核心。

实际上智能合约的概念早在 1993 年就提出来了,只是一直没有实现和运行的环境。区块链使得智能合约得以真正落地实现。

超级账本(Hyperledger)将区块链技术推向 To B 应用,是基于联盟链的开 源项目。超级账本是由 Linux 基金会在 2015 年 12 月主导发起的项目,成员包括 金融、银行、物联网、供应链、制造和科技行业的领头羊,目标是实现区块链跨行业应用与协作,着重性能、可靠性、商业数据的隐私保护,可以支持金融、商 业、供应链等企业的全球商业交易。

2020年,中国人民银行(PBOC)预计会发行央行数字货币(DCEP), 脸书 (Facebook)会推出与一揽子主权货币挂钩的天秤币(Libra)。DCEP 不完全基 于区块链技术,Libra 则是基于区块链技术。

二、区块链技术原理

(1)区块链的结构

论链|黄建华教授:区块链技术原理及其应用


区块链是一个去中心化的分布式共享账本。区块链英文是Blockchain,拆开就是 Block+Chain,即区块+链,意思通过指针把区块链接在一起而形成一种链式数据结构。在区块链中,一段时间内生 成的交易或数据信息被打包成一个区 块,每个区块由自己的哈希值( Hash)标识,并引用之前块的哈希值,即每个新块 按时间顺序链接到前一个块,这样就在区块间建立了一种由后一块指向前一块的 链式数据结构。

(2)交易(Transactions)

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交易可追溯


比特币交易遵守的规则:

● 每笔交易都有若干交易输入,也就是资金来源,也都有若干笔交易输出, 即资金去向;

● 任何一笔交易的交易输入总量必须 等于交易输出总量。

● 交易可追溯。生成一篇交易需要用 到上一笔交易、转出人的公钥、转出 人的签名、转出金额、收款人的地址,因此所有合法比特币交易都可 追溯到前向一个或多个交易的输出。交易可追溯的原理是实现药品、食品追溯的基础。

(3)密码学(Cryptography)

区块链大量使用加密技术来确保账本的完整性和不可篡改,并保证交易的真实性。区块链使用的主要密码学技术如下:

● 非对称密码算法,主要是椭圆曲线 加密算法 ECC。

● 哈希函数,如 SHA256、SM3,其中 SM3 是中华人民共和国政府采用的 一种哈希函数标准,由国家密码管理局于 2010 年 12 月 17 日发布。

● 数字签名,椭圆曲线数字签名算法ECDSA。

(4)区块链共识算法

区块链没有中心服务器,没有像银行那样的中心化记账机构,如何让去中心 化网络达成共识,确保每一笔交易在所有 记账节点的一致性?

● 必须设计一组规则就如何添加交易 到数据库达成共识,并确保所有节 点的状态是完全一致的。

● 分布式共识算法须解决风险问题并 考虑一些因素,例如,验证消息的真 实性,决策由所有节点集体决定,允许存在少量的恶意节点或节点宕机,但不能破坏整个过程。

针对不同的区块链应用场景,常用的共识算法有:

● 工作量证明(Proof ofWork, PoW),比特币、以太坊采用。

● 权益证明(Proof ofStake, PoS), Peercoin,Nextcoin 采用。

● 授权权益证明(DelegatedProof-Of-Stake,DPOS), Bitshares、EOS 采用。

● 实用拜占庭容错算法(PracticalByzantine Fault Tolerance, PBFT), Hyperledger Fabric 采用。

(5)智能合约(Smart Contracts)

智能合约概念可追溯至 1993 年,密 码学家 Nick Szabo 将智能合约定义为:“一个智能合约是一套以数字形式定义的承诺,包括合约参与方可以在上面执行这 些承诺的协议。”

智能合约是一种在满足特定条件时, 可自动执行的计算机程序。一旦某个事件 触发合约中的条款,则会立即强制执行,完全自动且无法干预。区块链的出现解决了智能合约的实际应用环境问题。

三、区块链的应用

(1) 数字货币

数字货币目前没有标准定义,从广义上讲,数字货币可指任何基于电子形式 的货币,也可以指以加密技术为基础的密码货币。区块链最早的应用就是密码货币,例如,比特币(Bitcoin)、以太币(ETH)。

2020 年 Facebook 将推出天秤币(Libra)。与以前的密码货币相比, Libra 有两个不同,它是全球大型网络巨头 Facebook 发起的加密货币,拥有 24 亿社交网络用户基础;Libra 与一篮 子货币的存款或政府债券挂钩,而比特 币等加密货币等没有任何资产支撑。

2020 年,中国人民银行(CBDC)也将推出央行数字货币 DCEP(Digital Currency Electronic Payment),DCEP 是主权货币,与人民币是 1:1 关系,主要用 于替代人民币现金,DCEP 支持离线支付,不需要账户就能实现价值转移。

(2) 跨境支付

传统跨境支付以银行为主要渠道,交易需经过多个中间机构,清算和对账周期长, 成本高。基于区块链的跨境支付减少了中间 机构的参与,简化了交易流程。采用广播的方式发布交易数据,改变了传统交易信息 “串行”的逐级处理方式,提升了效率。去中心化的分布式账本具有信息不可篡改、匿名 性等特点, 加强了跨境支付的安全性和透明 性。

(3) 供应链金融

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区块链


供 应 链 金 融 (Supply Chain Financing) 是围绕核心企业,对供应链上下游企业提供的综合性金融服务,目的 是解决中小企业融资难题,降低融资成 本,减少供应链风险。传统供应链金融由 于参与机构较多,且各自为政,存在信息 相互割裂、无法共享等问题,还存在核心企业信用不能有效传递、中小企业难以自证还款能力、履约风险无法有效控制等痛点。

区块链技术可以把供应链生态的所有参与方组成一个信息共享的区块链生 态,打通供应链生态中的信息流、商流、物流和资金流,实现信息共享,能将核心企业的信用(票据、应付款项确权、授信额度)转化为数字权证进行有效流转, 并能使核心企业信用沿供应链条有效传导给一级、二级、三级等供应商。通过智 能合约的自动执行不仅可以防范履约风险,而且可以实现对上下游企业资金的拆分和流转,极大地提高资金的周转效率。

(4) 区块链存证

电子数据存证就是把合同、知识产权(如文章、音视频文件、图片、绘画作 品)等数字化,经过加密、签名、确权后保存在第三方数据保全机构的服务器中,目的是为防止侵权事件的发生而保存证据。传统的存证系统电子证据容易被篡改, 在出示证据时需要将电子证据转化为可识别书证,司法认定成本较高,增加了法 院对电子证据的真实性、关联性、合法性进行认定的难度。

区块链电子存证方案是联合公证处、 版权保护中心、法院、仲裁机构、司法鉴 定中心、电子数据保全中心和 CA 机构, 共同组建区块链存证联盟,合同、知识产 权等信息经确权后存储到区块链上,并实 时同步到证处、版权保护中心、法院、仲裁机构、司法鉴定中心等机构的区块链节 点上,数据的共享存储在传统存证方案基础上进一步加强了证据的不可篡改性, 保证了存证数据的真实性和司法效力,为后续的证据核实、纠纷解决、裁决送达提供了可信、可追溯、可证明的技术保障。当遇到合同、版权纠纷时,法院、仲 裁机构等可以直接调取区块链上的存证数据进行取证,实现在线司法自动验证, 有效提高诉讼效率。

(5) 物联网

论链|黄建华教授:区块链技术原理及其应用

区块链


物联网(IoT)安全面临的挑战首先来自当前物联网生态基于中心化的模 型,所有设备都通过云服务器进行识别、验证、授权和连接,给中心服务器带来 巨大的性能和吞吐量压力,并且存在单 点故障隐患;其次是高级复杂的安全方 法不适用于物联网中的资源受限设备;最后是在提供不同类型的数据服务时如何保护用户隐私。

区块链技术是解决物联网安全、隐私和可靠性问题的关键环节,区块链的去中心化、不可篡改、自主和无信任功能可以使物联网无需依赖中心化的模型,可以在物联网网络中的设备之间启用安全消息传递,跟踪数十亿的连接设备的历史 纪录,实现智能设备的自主运行,而无需集中授权。

四、区块链面临的挑战

区块链技术原来是为加密货币而设计的,要把区块链技术应用到其他领域, 目前还面临不少技术挑战亟待解决和突破,主要体现在以下几个方面:

(1) 性能问题

公有链有成千上万节点通过 Internet 发送交易和同步区块数据,时间和计算上花费太大。很多区块链共识算法吞吐 量低、交易确认时延长、网络扩展性差、 算力和能源消耗较大,需要进行改进才 能满足大规模商业应用的高吞吐量和低 时延的要求。例如,物联网节点数量巨大,节点算力、存储、带宽等资源有限, 且实时性要求高,需要设计新的共识算法才能满足物联网环境的应用需求。

(2) 存储问题

虽然区块链是分布式存储,但每个节点存储的都是同样的账本数据,增加节 点并不能扩展区块链的存储容量。目前正在尝试状态分片方案来扩展区块链的存储效率,但要彻底解决区块链的存储问题,关键技术上还需进一步突破。

(3) 安全问题

隐私保护是区块链最主要的安全问题之一。区块链帐本对所有参与方都是公 开的,虽然区块链是基于数学派生的假 名进行交易验证,但存在通过关联分析获得用户真实身份的潜在风险。对于数 据所有者来说,敏感信息(例如个人医疗 数据、基因数据)的泄露可能会使其遭受 潜在的歧视和伤害。虽然数据匿名、数据 安全技术以及相关保护性法规能为数据提供基础性的安全保护,但是多种因素的存在,例如数据不可避免的共享以及大 量的访问量等等,都对数据隐私保护形成挑战。

智能合约也可能存在漏洞。2016 年6 月 17 日,当时区块链业界最大的众筹项 目 TheDAO被黑客攻击,黑客利用 The DAO 智能合约的漏洞成功盗走300 多万个以太币,造成重大损失。智能合约实际上是计算机程序代码,如何对智能合约 代码的安全性进行有效验证,还有待深入研究解决。

(4) 区块链的不可能三角问题

论链|黄建华教授:区块链技术原理及其应用

区块链


区块链目前存在着著名的不可能三角的 技术瓶颈问题,导致区块链难以各个突破趋势展其潜能。所谓的区块链不可能三角,就是指 区块链的可扩展性( Scability)、 安 全 性 (Security)、去中心化(Decentralization)这三 项要求不可兼得,至多只能三者取其二。如何 突破不可能三角的限制,兼顾区块链的可扩展性、安全性和去中心化,是目前业界关注的热点问题。

五、总结

区块链是一项颠覆性的技术,将会影响未来的经济、社会治理机制,重塑社 会的生产和生活方式,因此,构建区块链产业生态,加快区块链和人工智能、大数据、物联网等前沿信息技术的深度融合,可以使区块链技术在建设网络强国、 发展数字经济、促进经济社会发展等方面发挥更大的作用。同时,要应对区块链 应用面临的挑战,关键是要加强人才队伍建设,培育一批领军人物和高水平创新团队,并推动区块链关键技术的协同攻关。

作者简介:黄建华副教授,博士毕业于华东理工大学控制理论与控制工程专业,华东理工大学人工智能与智能制造交叉研究院区块链实验室主任,上海教科网IPv6实验室(华理分中心)主任,中国电子学会区块链分会委员,中国计算机学会区块链专委会通信委员,上海高教学会校园网专委会秘书长,多个SCI期刊审稿人。主要研究方向为网络与信息安全技术、区块链技术、物联网技术、数据挖掘技术,参与过多个区块链与大数据标准的制定与审核,在国内外期刊和学术会议上发表学术论文70多篇。

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