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二、区块链简述 江苏省区块链产业发展报告

白话区块链 2019-09-04 17:24:12
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江苏省区块链产业发展报告第二部分:区块链简述 :(一)区块链的由(二)分布式账本技术(三)智能合约(四)共识机制(五)安全隐私(六)密码学

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  二、区块链简述

  (一)区块链的由来 人们普遍认为区块链技术起源于比特币。2008 年 11 月 1 日,一位自称中本 聪(Satoshi Nakamoto)的人在网络上发表了比特币白皮书《比特币:一种点对点的 电子现金系统》,阐述了以分布式账本技术、PoW 共识机制、加密技术等为基 础构建的电子现金系统,这标志着比特币的诞生[2]两个月后,2009 年 1 月 3 日,第一个序号为 0 的创世区块诞生,意味着比 特币从白皮书上的理论步入实践。几天后 2009 年 1 月 9 日出现了序号为 1 的区 块,并与序号为 0 的创世区块相连接形成了链,标志着区块链的诞生。区块链是 将若干记录了交易数据的区块进行链接的技术,形成前后相连的链式结构,每一 个区块承接上一个区块的交易数据,从而构建出信息不可篡改的链条。

  比特币是区块链的首个应用,区块链是比特币的底层技术。2015 年《经济 学人》杂志以“区块链,信任的机器”为封面文章,指出比特币背后的技术可以 改变经济如何运作,称“区块链让人们可以在没有一个中心权威机构的情况下, 能够对互相协作彼此建立起信心。简单的说,它是一台创造信任的机器”。此后, 比特币及区块链获得监管者和金融机构越来越多的关注。

  从 2008 年至今,区块链(Blockchain)经历了多个发展阶段,区块链最初以比 特币为代表、以支付为单一目的,在实现可编程属性后,区块链技术极大扩展了 应用范围,支持了更多的复杂经济类型,现在如何让区块链技术赋能实体产业, 已成为越来越多从业者的探索方向。

  究其本质,区块链技术之所以能降低信任成本,从而创造新的价值,与密学、共识机制、智能合约和分布式账本技术有着不可分割的关系。

  (二)分布式账本技术 区块链技术,本质上是一种分布式账本技术(Distributed Ledger Technology), 又不完全等同。分布式账本,简单来说就是指同笔交易在多个账本中独立校验、 记载,并同步维护,不是中心结算形式的账本。

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  图 1 中心式账本和分布式账本

  从技术的包含关系上来看,区块链技术从属于分布式账本技术,就像汽车从 属于交通工具。不过,一些市面可见的文章中,区块链常被直接等同于分布式账 本技术,这并不严谨。

  2016 年 11 月,德勤(Deloitte)联合世界经济论坛 WEF 发布了一份研究报告 《未来的金融基础设施:区块链如何重塑金融服务》(Over the horizon Blockchain and the future of financial infrastructure),报告中写道: distributed ledger technology, also known as blockchain 分布式账本技术,也可以称为区块链技术 这是因为区块链的架构包括很多层次,其最底层就是依靠加密算法和数据存 储结构所构筑的分布式账本。

  在严格意义上,这两者之间是有本质的区别的。2017 年 5 月,在工信部息化和软件服务业司指导下,首个在政府指导下的国内区块链基础标准《区块链 和分布式账本技术参考架构》正式公布,把区块链和分布式账本技术的定义进行 了区分。2015 年,由高盛、摩根大通等金融机构牵头,创建了 R3 联盟。之后,法 国巴黎银行,美国富国银行,加拿大帝国商业银行,我国的招商银行、民生银行 等也加入到了 R3 联盟中。2016 年,R3 联盟推出了一个分布式账本技术与传统 第 4 页 共 86 页金融机构依法合规经营的技术平台 Corda。Corda 借鉴了区块链的部分特性,但 是 Corda 中的每一个节点并不像区块链中的节点那样保存完整的账本信息。

  (三)智能合约 智能合约(Smart Contract)由“智能”和“合约”这两个词组成首先,智能合约,是个合约,与所有合约一样,规定了合约双方的权利义务。

  其次,它是个智能的合约,只要条件达成,它就能根据计算机设定好的软件代码 自动执行合约条款,因此有“code is law”代码即法律这一说法:智能合约用计 算机程序取代了法律记录条款并由程序自动执行。

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  图 2 智能合约

  1997 年,计算机科学家尼克·萨博(Nick Szabo)从自动售货机中获得灵感, 在论文《正规化并安全化公共网络关系》(Formalizing and Securing Relationshipon Public Networks)中首次提出智能合约这一概念。1998 尼克·萨博设计了一种 数字货币 Bit Gold 比特黄金,启发了后来比特币的创造者中本聪。

  2015 年诞生的以太坊(ETH),作为首个图灵完备的、具有智能合约的底层公 链平台,更是被认为是区块链 2.0 的代表。在区块链上部署的智能合约,有内公开透明、不可篡改等特点,可以有效降低双方违约的风险,节省巨大的人力成 本,更加经济高效。

  (四)共识机制 区块链目前分为以下三类:“公有链”(Public blockchain)、“私有链”(Private blockchain)与“联盟链”(Consortium blockchain)。

  第 5 页 共 86 页公有链指交易信息向大众公开,所有人均可参与竞争记账权,不需要经过许 可的区块链。

  私有链指在某些应用场景下,数据信息不对外公开,其读写权限通常集中在 一个组织中,只有被许可的人才可以参与记账成为节点并且查看数据的私有区块 链,私有链一般适用于特定机构的内部数据管理与审计联盟链是指有若干个机构共同参与管理的区块链,每个机构管理一个或多个 节点,其数据只允许系统内的机构进行读写和发送。联盟链是一种公司与公司、 组织与组织之间达成联盟的模式。

  公有链和联盟链通常采用 BFT 共识机制,私有链则采用 CFT 共识机制。

  共识机制是区块链的灵魂。区块链就像一台计算机,需要通过共识机制来调计算机的各个零部件共同协作完成对数据信息的校验并记录。共识机制需要保 证即便这台计算机中部分零件出现故障,也依然能够成功记录信息、正常运转。

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  图 3 共识机制

  共识机制(Consensus)可以分为两大类:用于解决可信任环境下 CFT 共识算 法和用于解决非可信环境下的 BFT 共识算法。

  图灵奖得主莱斯利·兰伯特(Leslie Lamport)和 Robert Shostak、Marshall Pease 提出了分布式系统中的拜占庭将军问题: 拜占庭帝国地域辽阔,为了防御目的,每个军队都分隔很远,将军与将军之 间只能靠信差传消息。拜占庭帝国想要进攻一个强大的敌人,为此派出了 10 支 军队去包围这个敌人。每个将军单独进攻毫无胜算,至少 6 个将军一起进攻才能 第 6 页 共 86 页取胜。问题是,他们不确定其中是否有叛徒。在这种状态下,这些将军们能否找 到一种共识协议来让他们能够远程协商,对进攻战略达成一致从而赢取战争? 针对该问题提出的解决办法统称为拜占庭容错机制 BFT(Byzantine Fault Tolerance),指的是一大类解决非可信环境下的共识机制,如 PBFT,PoW,Po等。BFT 共识机制常用于公有链和联盟链。

  CFT 共识算法考虑的问题相对简单一些,它只保证分布式系统中有的计算机 发生故障,但不存在叛徒节点时,整个分布式系统的可靠性。目前流行的 CFT 共识算法主要有 Paxos 算法及其衍生的 Raft 共识算法,常用于私有链(五)安全隐私 传统的隐私模型通过限制公众访问交易双方和可信第三方的信息来达成一 定程度的隐私保护。区块链技术的第一个应用——比特币,由于需要将所有记的交易信息公开,没有采用传统的隐私模型,而是通过公钥加密技术,切断身份 信息和交易信息的关联达到保护隐私的目的。

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  图 4 传统隐私模型

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  图 5 新隐私模型

  新隐私模型中,公众可以看到具体的交易内容,如发送方在某个时间向接收 方转了一定数额的资金,但是,没有任何信息关联到一个确定的人。在信息披露 程度上,这跟股市交易平台发布信息的隐私水平类似,即只有时间和各个交易的金 额被公布,却没有人知道交易双方的具体身份。去中心化的比特币系统通过公钥 第 7 页 共 86 页加密技术使得一方面交易的发生对公众是透明可见的,另一方面,交易的关联者 能保有自身的隐私,身份信息不会被泄露。

  (六)密码学 密码学(Cryptography)是由两个词组成,Crypto 和 Graphy。Crypto 原意是隐 藏,后来引申出了加密这个含义,Graphy 是写的意思,Cryptography 字面意思就 是把书写的内容隐藏起来,即密码学。人类在交流信息的过程中对隐私的渴望是 一种内在需求,只有被授权的人才能看到提取相关信息,于是密码学技术被引入 了信息安全领域。在密码学的保护下,我们可以掌控个人数据,做到数据和隐私 均由自己做主。

  公钥加密技术,也叫非对称加密技术,是比特币实现新隐私模型的关键。非 对称加密有一对密钥,分别是私钥和公钥,由椭圆曲线加密算法 ECC(ElliptiCurve Cryptography)生成并一一对应。

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  图 6 椭圆曲线

  椭圆曲线在密码学中的使用是在 1985 年由 Neal Koblitz 和 Victor Miller 分别 独立提出的,其方程如下: ,其中 a、b 为系数。

  由椭圆曲线算法生成的私钥需要保密,而公钥可以向外公开。从私钥可以推 导出公钥,但推导过程不可逆。椭圆曲线加密算法被公认为在给定密钥长度下最 安全的加密算法。比特币中的公私钥生成以及签名算法 ECDSA 均基于椭圆曲线 加密算法。

  哈希函数 H(m)=n 是一种数学计算机程序,可以对任意大小的输入数据进行 计算并输出固定长度的哈希值。哈希函数具有压缩性、易计算性、单向性和高灵 敏性四大特性。

  1.压缩性:可以对任意输入的明文 m,通过哈希函数得出位数固定的输出值 n,这个输出值就叫做哈希值2.易计算性:对于任意的输入的明文,计算哈希值是一件较为简单的事情; 3.单向性/不可逆性:只能通过输入的明文 m,计算出输出的哈希值 n,不能 从哈希值反推输入的明文,输入值明文和输出值哈希值之间没有规律可循; 4.输入明文的任何改变都会造成输出哈希值的变化。

  在密码学中,哈希函数主要是用于消息摘要和签名,对整个消息的完整性行校验。

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