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【学科前沿】区块链技术简介 sun668.com

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已有 2577 次阅读 2019-11-4 10:55 |个人分类:学科前沿|系统分类:观点评述

 

2008年11 月1日,自称日裔美国人的中本聪(Satoshi Nakamoto)在“metzdowd.com”网站的密码学邮件列表中发表了题为《比特币:一种点对点式的电子现金系统》的论文,描述了一种被他称为“比特币”的电子货币及其算法,向全世界介绍了比特币,一种不受任何特定机构或国家约束的不稳定数字货币。2009年,他发布了首个比特币软件Bitcoin-Qt,并正式启动了比特币金融系统。


随后的几年里,比特币的价值飙升、暴跌,并再次飙升,同时催生了2000多种稳定性和合法性各不相同的新的加密货币。比特币价格的惊人上涨引起了政府监管机构、投机者以及那些希望使用虚拟货币的人的关注。截止到2017年10月13日,比特币市值(比特币数量乘以交易价格)超过高盛和摩根士丹利,突破960亿美元。各国政府在争相控制加密货币的过程中举步维艰。


比特币的横空出世,不仅仅是一种革命性的虚拟货币诞生,还标志着一种获取、监控和交易这种货币的新方法的诞生,这种方法被称为区块链(blockchain)。这是一个由Nakamoto设计的账本系统,用户可以使用它记录和保护金融交易以及时间戳,它不同于以往使用的任何传统会计系统。区块链是一种数字分类账本,不存储在中央计算机上,也不由个体老板所控制,它本质上是一种分布式的数据存储系统,向网络中的所有用户公开。


01

区块链的基本结构


区块链是一个分散的系统,由数据层、网络层、共识层、合约层、服务层和应用层等6层构成。其中数据层和网络层主要负责数据的收集、验证和操作;共识层和合约层包括智能合约、共识协议和激励机制等;服务层和应用层将基于区块链的活动付诸实践(表1)。


表1. 区块链的6个层及其相关的组件或技术


作为一个提升协议,激励机制可以构建为一个单独的激励层,主要用于各种加密货币,旨在促进资源共享,激发群体智能,促进协作交流。在工业实践中,联盟和私有区块链平台被设置为一个特定的组,而不是每个人。因此,激励机制或采矿活动不是强制性的。根据这一体系结构,区块链包括3个核心元素:基于时间戳的链块结构、基于P2P网络的分布式存储机制和基于分散节点的共识机制。


我们以一个基于区块链的云服务拍卖为例,授权买家和卖家提交投标书,并提供有关云需求的信息。这些数据经过核实并记录在公共分类账中,所有交易、索赔和付款都通过公共分类账进行协调和执行(数据层)。参与者在对等模式下联网,无需任何第三方控制(网络层)。基于特定共识算法,参与者通过共享信息和进行交易(共识层)来处理拍卖。构造适当的算法和智能合约,并将其集成到拍卖系统进行拍卖决策(合约层),从而完成拍卖交易。


02

区块链的特点


区块链技术自诞生以来,便以其分散性、无需信任、透明性、可追踪和不可伪造、匿名性以及可靠性等特点受到了业界和学术界的广泛关注,成为近年来的热门话题。利用它,网络上的两个互不信任的人可以成功实现交易,并且每个用户都有一份完整的账本,还可防止篡改交易历史,无需第三方参与。


分散性:区块链由点对点区块组成,每个区块都有记录和存储所有交易的能力。从技术上讲,信息在节点之间自动共享和分发,无需任何第三方干预。在这个分散的系统中,所有的参与者和节点都是活跃的来加入活动和交易的。


无需信任:信任是困扰交易参与者的一个重要因素。区块链采用哈希函数和一致性协议来解决这个问题。参与者不需要考虑区块链系统中的相互信任关系。区块链基于对等网络协议的原理和纯数学方法,采用分散结构或部分中心结构,在网络节点和分布式系统结构之间形成信任关系。区块链将所有交易数据存储在每个区块中,导致交易被取消信任。


透明性:通过区块链,所有参与者在分散结构的节点中共享记录和查询数据。区块链技术确保系统记录和传输数据和信息。每个参与者都可以查询区块链中的记录,使分布式系统中的信息透明、一致。分布式系统的每个交易数据都是开放的、可靠的。同一平台的每个节点都具有访问授权信息的相同权限和义务,并允许同一网络上的其他节点访问此信息。


可追踪和不可伪造:区块链使用时间戳来识别和记录每个交易,从而增强数据的时间维度。这允许节点保持交易的顺序,并使数据可跟踪。时间戳不仅保证了数据的原创性,而且降低了交易跟踪的成本。同时,它加强了对数据或信息的不可逆转的修改。一旦交易被验证并添加到块中,它就不会被篡改。在记录交易之前,系统的大多数节点都需要对交易进行审查。即使攻击者具有强大的计算能力,也很难避开系统并修改记录。只有当攻击者控制所有节点的51%或更多时,才会发生这种情况。此功能确保区块链系统稳定可靠。


匿名性:区块链使用非对称加密技术加密数据。这种非对称加密在区块链中有数据加密和数字签名两种用途。数据加密保证了交易数据的安全性,降低了交易数据丢失或伪造的风险。交易数据通过网络传输,并进行数字签名,以表明签名人的身份以及交易是否已被识别。在区块链系统中,不需要公开与参与者关联的节点的真实身份。但这项功能很有争议,因为它可能会间接地帮助了一些非法活动,例如洗钱。


可靠性:区块链的数据交换完全依赖于自我控制。它依靠每个节点形成一个强大的计算来抵御外部攻击,而无需人工干预。参与者可以在完全匿名的条件下,在不信任的环境下完成交易。它保护了所有相关方的隐私,提高了交易的安全性和可信度。此外,区块链上的每个节点都存储完整的数据。只要网络中不超过51%的节点被黑客占据,系统便是安全可靠的。


03

区块链的应用


区块链内置的信任和归属机制使其成为一种人们希望共享信息的组织网络的方式,这对于跟踪各种与科学相关的系统中的信息是一种潜在的巨大资产,在金融、医疗、物联网、法律、政府、电网、智能交通、商业、云计算、供应链管理等诸多领域实现技术应用。


医疗:隐私权是医疗领域需要解决的最重要问题之一。使用区块链,数字数据库可以在维护隐私的不同用户之间共享。例如,美国国家医疗委员会推出了一个专注于数字认证的区块链;诺基亚试用区块链存储与健康相关的数据等。


金融:比特币等加密货币是区块链技术最流行的应用场景。截至目前,全球数字加密货币市场市值超过2000亿美元,比特币被称为“数字黄金”。在金融市场上,基于区块链的加密货币作为一种新的金融工具和投资方式,引起了众多投机者的关注。在跨境交易中,双方往往信任不足,需要中介担保。区块链能够建立精确、及时、多方面的监管。例如,点对点价值转移、分布式技术和数字资产、通过智能合同建立机制以确保遵守合同、数字身份识别等。


物联网:物联网和区块链技术的集成使系统具有鲁棒性和防篡改性。


法律:在数字版权管理系统中,使用许可方、用户和挖掘来实现区块链。用户可以通过智能合约从区块链数据库访问和播放数字文档。


政府部门:在电子政务中使用区块链技术,可以提高服务质量和数量、透明度和可访问性。区块链对任何在线攻击都是安全的,交易对用户是公开的,一旦交易被添加到区块链中,它就不能被修改或删除,这使得数据交易安全、可靠并对所有人开放。


电网:能源交易、太阳能发电系统、智能计量、微网能源等电网领域的区块链技术,有助于向终端用户提供更好的智能服务。


智能交通:有研究表明,智能交通系统与区块链技术集成, 可以有效地增强了设备安全性和数据隐私性。


商业:例如,一种基于区块链的网络媒体数字版权管理方案,可实现对网络媒体的有效生产管理、版权管理、建构产业、交易管理和用户行为管理等。


云计算:例如,一种基于区块链技术的分布式云架构,为物联网中最具竞争力的计算基础设施提供低成本、安全和按需访问。


供应链管理:例如,京东使用区块链平台跟踪牛肉进口,沃尔玛使用区块链进行货运管理等。区块链技术在构建农产品供应链追溯系统中,通过采集、传递和共享农产品在生产、加工、仓储、配送、销售等环节的真实数据,可以实现整个农产品供应链中可信信息的可追溯性,从而有效保障食品安全。


04

基于区块链的安全


假设网络中的攻击者打算掠夺加密货币或双倍使用加密图形硬币,则攻击者生成的块必须写入长期区块链分类账中。但是,网络中其他已验证的节点将不接受攻击者创建的块。如果攻击者无法比其他已验证节点更快地生成或挖掘块,则攻击者的块将被放弃。当攻击者拥有超过50%的总计算能力时,攻击者可以很容易地将创建的块合并到一个长期的区块链中,并威胁区块链系统。然而,从技术角度来看,攻击者很难获得超过50%的计算能力。


区块链技术可以集成以下关键技术:P2P网络、分布式账本、非对称加密和智能合约。这些技术使区块链技术成为安全、可靠、开放、公平、高效、智能的新一代信息处理技术。与传统的客户/服务器模式信息系统相比,区块链采用了分散、容错、隐私保护、负载均衡的P2P网络结构。区块链是一种分布式账本技术,与传统的分布式技术有着不同的存储方式和数据结构。这样,区块链技术实现了数据的出处追踪,从而保证了数据的真实性和安全性。


非对称加密是保证区块链安全的基本技术。非对称加密由两个密钥组成:公钥和私钥。非对称加密在区块链中有两种用途:数据加密和数字签名。通过对区块链技术的深入研究和对区块链应用的需求,非对称密码不仅用于交易签名和验证,还用于对区块链中记录的数据进行加密。多重签名技术是一个有用的工具。区块链的一个重要机制是记录在区块中的数据需要其他节点验证。但是,由于有些信息是不应该公开的,我们可以利用盲签名技术来实现这一要求,从而达到隐私和安全的目的。


从安全角度看,智能合约的特征与区块链数据的特征相同:分布式、认证、一致性和非篡改。而且,智能合约也被用作技术手段的安全保障。在智能合约中,明确了参与者的权利和义务、合约执行的触发条件以及相应的结果。智能合约一旦加入区块链,就可以客观准确地执行,不会产生任何影响。


05

区块链面临的挑战


自比特币诞生以来,区块链仅发展了10年左右。目前还存在许多技术难题,如共识机制、存储和数据管理、链结构,以及监管和治理等。怀疑论者强调,即使是合适的项目也可能需要调整他们的方法;比特币的区块链版本是一个站不住脚的模式。它的一致性算法过于繁琐和能源密集,添加交易的速度相对较慢,而且它需要大量的数据存储,因为每个用户都必须保留整个分类账的副本。公开可用的区块链也存在隐私问题。因此,在某些情况下,区块链可能需要调整,以适应加密货币以外网络的安全、能源和用户需求。


首先,区块链不是一种或多种技术的简单组合,而是多种技术的集成。这些技术被构造成新的结构,以创建记录、存储和表达数据的新方法。从技术角度看,区块链系统在共识机制、可扩展性和容量、链结构等方面都有待完善。 在实际交易中,区块链共识协议消耗大量的计算资源和能量,导致系统吞吐量低、系统延迟长等。区块链要求系统中的每个节点维护数据备份,这对于不断增长的海量数据存储来说也是不现实的。此外,区块链平台的单链设计将系统的整体处理能力限制在单个计算节点上。


其次,尽管区块链在许多方面改变了社会,但它也对法律和法律体系提出了挑战。特别是在其发展初期,由于区块链技术的独特性和法律监管的滞后性,引发了一系列法律问题。许多国家正在积极部署区块链技术,并正在改进监管措施,例如权力下放和法律应用及管辖权问题、匿名化和互联网实名制问题、可靠性和删除权问题以及透明度和个人数据隐私问题。


第三,澳门赌场快乐十分计划群大全:区块链技术也对政府的常规职能、管理机制、法律法规提出了许多挑战。区块链是一个没有第三方干预的分散系统。政府是一个有管理和控制权的中央集权机构。如何激发区块链在政府整体管理下的更大作用,是一个亟待解决的敏感问题。


区块链远非完美。除了能源和计算需求,隐私可能是实施区块链网络的关键挑战。例如,一个伪装成病人的黑客可能仍然能够访问电子健康记录或解密公共网络上的身份,或者获取个人的私钥并控制其数据。用当今最好的加密算法加密但从未更新过的区块链可能仍然容易受到未来黑客的攻击。


参考文献

1. http://www.721.so633.com/10.1073/pnas.1722031115
2. http://www.ib773.com/136/10.1073/pnas.1914849116

作者,贺飞,北京大学



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