2017年5月15日德信鏈區(qū)塊鏈技術(shù)注：本文原載于《中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通信通訊》第13卷第5期。請(qǐng)注明是否轉(zhuǎn)載。如果沒(méi)有注明，將被視為侵權(quán)。作者：于蓮/北京大學(xué)、鄧恩艷/北京天德科技股份有限公司

區(qū)塊鏈(BC)是一種分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[1]，也可以理解為多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)的分布式賬本技術(shù)(DLT)。其特點(diǎn)是難以篡改、偽造和追蹤。區(qū)塊鏈記錄了交易的所有信息。一旦數(shù)據(jù)進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈，即使是內(nèi)部工作人員也無(wú)法在區(qū)塊鏈上進(jìn)行任何更改。這種不可改變的特性不是來(lái)自于使用某項(xiàng)操作，而是來(lái)自區(qū)塊鏈體制機(jī)制本身。這使得區(qū)塊鏈技術(shù)的使用比其他安全技術(shù)更簡(jiǎn)單有效。哪里需要正義、公平、誠(chéng)信，哪里就能用上區(qū)塊鏈技術(shù)。

區(qū)塊鏈將數(shù)據(jù)劃分為不同的區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊通過(guò)特定的信息鏈接到上一個(gè)區(qū)塊的背面，來(lái)回連接，呈現(xiàn)出一套完整的數(shù)據(jù)。每個(gè)塊的塊頭包含前一個(gè)塊哈希值，即通過(guò)哈希函數(shù)計(jì)算前一個(gè)塊的塊頭得到的值；每個(gè)塊將通過(guò)這樣的哈希值與前一個(gè)塊鏈接，形成一個(gè)鏈。區(qū)塊鏈的交易信息被隨機(jī)哈希成一種稱為Merkle樹(shù)的哈希二叉樹(shù)形式，其根包含在區(qū)塊鏈的隨機(jī)哈希值中[2]。

從技術(shù)層面看，區(qū)塊鏈的核心特征包括以下三個(gè)方面：

這三個(gè)特點(diǎn)是逐步遞進(jìn)的：

根據(jù)這三個(gè)特點(diǎn)，衍生出以下區(qū)塊鏈落地模式。

比特幣代表第一代專區(qū)

區(qū)塊鏈在數(shù)字貨幣中的應(yīng)用。比特幣是數(shù)字貨幣應(yīng)用而非平臺(tái)，屬于公鏈（全網(wǎng)記賬）。雖然加密了，但賬簿是完全公開(kāi)的。由于只記錄歷史信息，而不記錄賬戶余額，因此賬簿不完整。賬戶只能使用一次，利用P2P網(wǎng)絡(luò)逃避監(jiān)管，速度極慢，可擴(kuò)展性弱。

以太坊代表了第二代區(qū)塊鏈的數(shù)字貨幣應(yīng)用和平臺(tái)。以太坊創(chuàng)始人Vitalik Buterin發(fā)現(xiàn)比特幣存在很多問(wèn)題，并做出了三個(gè)重要貢獻(xiàn)：

不過(guò)，布特林自己現(xiàn)在也承認(rèn)，所謂的“智能合約”，一開(kāi)始并不智能，二是不是合約?！爸悄芎霞s”一詞具有誤導(dǎo)性，IBM稱之為“鏈上代碼”（https：//http://m.sh-hb.com.cn/）?！版溕洗a”可以把數(shù)字貨幣應(yīng)用變成一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)。

與比特幣相比，以太坊取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但僅限于首次供幣(ICO)。

北航鏈[4~7]代表底層系統(tǒng)平臺(tái)而非第三代區(qū)塊鏈應(yīng)用，擁有完全國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是許可鏈（只有許可節(jié)點(diǎn)才能記賬）。

一般來(lái)說(shuō)，區(qū)塊鏈分為公有鏈和許可鏈。

其他不具備上述模式1~3的區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)被稱為區(qū)塊鏈的變體，典型有兩種類(lèi)型。

在分布式環(huán)境下，為了保證數(shù)據(jù)的一致性，需要使用一致性協(xié)議。公有鏈主要使用工作證明(POW)和利害關(guān)系證明(POS)機(jī)制。許可證鏈主要使用實(shí)用的拜占庭通用容錯(cuò)協(xié)議(PBFT)和并發(fā)拜占庭共識(shí)協(xié)議（并發(fā)Byz）

反容錯(cuò)，CBFT).共識(shí)成本較高，共識(shí)機(jī)制中使用了大量的算力和節(jié)點(diǎn)通信，比如PBFT需要進(jìn)行三輪廣播投票，每一次通信和交易都需要簽名和取消，80的計(jì)算用于簽名和取消。

區(qū)塊鏈雖然被稱為分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，但其操作與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)有很大不同，包括關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)、NoSql數(shù)據(jù)庫(kù)和時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。區(qū)塊鏈通過(guò)構(gòu)建區(qū)塊來(lái)維護(hù)一致性，而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)各種事務(wù)來(lái)解決一致性問(wèn)題。

高速區(qū)塊鏈與低速區(qū)塊鏈有很大不同。

例如，在區(qū)塊鏈中，每秒可以有幾萬(wàn)筆交易，每秒可以建立多個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊也可以有幾萬(wàn)筆交易，這些交易都可能與某種數(shù)據(jù)有關(guān)。比如，在央視微電影平臺(tái)項(xiàng)目中，同一條視頻在幾秒鐘內(nèi)會(huì)有上萬(wàn)人點(diǎn)單，那么同一條視頻在一個(gè)街區(qū)可能會(huì)有上千個(gè)點(diǎn)單。如果使用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)隨需應(yīng)變都是一個(gè)寫(xiě)操作，并且在同一事務(wù)中，不允許對(duì)同一數(shù)據(jù)進(jìn)行多個(gè)寫(xiě)操作。但在央視微電影平臺(tái)上，必須同時(shí)允許對(duì)一個(gè)區(qū)塊中相同數(shù)據(jù)的數(shù)千次寫(xiě)入。

從第一代比特幣到第二代以太坊，它們都面臨著嚴(yán)峻的可擴(kuò)展性問(wèn)題。雖然有許多解決方案，但每種方案都有缺陷。

基于并發(fā)拜占庭共識(shí)協(xié)議的區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性分為三個(gè)步驟[1]:

這三種機(jī)制既具有原有區(qū)塊鏈的本質(zhì)特征，又具有高速性和可擴(kuò)展性。

鏈上的代碼最初被稱為“智能合約”[10,11]，給人的印象是既智能又合法的合約。但事實(shí)上，事實(shí)并非如此。智能合約與法律框架的技術(shù)不匹配。“智能合約”不是法律界定的有效合同，也沒(méi)有相關(guān)的法律規(guī)定和框架來(lái)保護(hù)參與者。

和鏈條

鏈上編碼與構(gòu)建塊密切相關(guān)，因此其執(zhí)行模型與構(gòu)建塊過(guò)程相互影響，以至于鏈上編碼在理論上是一個(gè)難題。問(wèn)題是，每次構(gòu)建塊時(shí)，都需要找到必須啟動(dòng)的鏈?zhǔn)酱a，而在一些鏈?zhǔn)酱a系統(tǒng)中，在構(gòu)建塊之前必須執(zhí)行那些代碼。如果涉及的數(shù)據(jù)非常多，鏈上的代碼非常復(fù)雜，就會(huì)造成鏈上代碼與構(gòu)建塊的沖突。雖然鏈接代碼在理論上是一個(gè)難題，但在實(shí)際系統(tǒng)中仍然是可行的。

賬戶區(qū)塊鏈和交易區(qū)塊鏈的設(shè)計(jì)思路是將交易執(zhí)行和賬本維護(hù)分開(kāi)。賬戶區(qū)塊鏈負(fù)責(zé)維護(hù)賬戶信息，交易區(qū)塊鏈負(fù)責(zé)交易執(zhí)行和交易歷史維護(hù)。

賬戶區(qū)塊鏈存儲(chǔ)賬戶信息。比如，小銀行可以維護(hù)一個(gè)賬戶區(qū)塊鏈，大一點(diǎn)的銀行可以維護(hù)兩個(gè)或兩個(gè)以上賬戶區(qū)塊鏈，防止一個(gè)賬戶區(qū)塊鏈過(guò)載。賬戶區(qū)塊鏈采用多節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)間采用拜占庭容錯(cuò)協(xié)議保持一致性。這樣，內(nèi)部員工將很難篡改賬戶信息。賬戶區(qū)塊鏈主要有以下操作：

交易區(qū)塊鏈?zhǔn)墙灰缀徒Y(jié)算的通道（或場(chǎng)所），由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。交易區(qū)塊鏈不保存交易雙方的賬戶信息，只在必要時(shí)從賬戶區(qū)塊鏈獲取賬戶信息。當(dāng)交易完成后，交易區(qū)塊鏈刪除賬戶信息，同時(shí)將交易打包成區(qū)塊鏈，添加到分布式賬本中。

交易區(qū)塊鏈可分為內(nèi)部交易區(qū)塊鏈和跨賬戶區(qū)塊鏈兩大類(lèi)。

為了保護(hù)用戶和銀行的隱私，交易區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)加密，以便只有參與銀行或央行才能看到數(shù)據(jù)；而底層客戶端的數(shù)據(jù)，只有相關(guān)銀行和監(jiān)管機(jī)構(gòu)才能看到。這種設(shè)計(jì)需要配置成員網(wǎng)絡(luò)權(quán)限，限制對(duì)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。

熊貓網(wǎng)模型是基于雙鏈技術(shù)賬戶區(qū)塊鏈和交易區(qū)塊鏈的新型架構(gòu)[25]，主要分為兩部分：

熊貓網(wǎng)絡(luò)模型可用于大規(guī)模應(yīng)用，如央行數(shù)字貨幣。

中央銀行有兩個(gè)職能：

貨幣發(fā)行由央行決定，熊貓模型可以追蹤貨幣流通，發(fā)現(xiàn)交易中的違法行為，追蹤違法者的賬戶信息。每個(gè)金融機(jī)構(gòu)至少有一個(gè)賬戶區(qū)塊鏈和一個(gè)交易區(qū)塊鏈。交易通過(guò)交易區(qū)塊鏈，但賬戶信息存在于賬戶區(qū)塊鏈中。央行可以在每個(gè)鏈條上放一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所有的賬戶和交易信息都會(huì)存儲(chǔ)在央行節(jié)點(diǎn)上。拜占庭協(xié)議在節(jié)點(diǎn)之間運(yùn)行以保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性。央行可以利用鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)管和大數(shù)據(jù)分析，這是一種新的監(jiān)管技術(shù)（RegTech）。

熊貓網(wǎng)絡(luò)模型也可用于其他大規(guī)模應(yīng)用。比如在醫(yī)療方面，每家醫(yī)院都可以有自己的賬號(hào)區(qū)塊鏈來(lái)保護(hù)患者隱私，可以通過(guò)交易區(qū)塊鏈與其他醫(yī)院或機(jī)構(gòu)進(jìn)行醫(yī)療信息交換。醫(yī)院、監(jiān)管單位、保險(xiǎn)公司等服務(wù)公司都可以在熊貓網(wǎng)上完成整個(gè)醫(yī)療供應(yīng)鏈。

天德科技有限公司于2017年3月24日推出基于大數(shù)據(jù)的BigData based區(qū)塊鏈(B3)基礎(chǔ)平臺(tái)。該平臺(tái)讓大數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈從概念和研究進(jìn)入實(shí)踐和應(yīng)用階段。B3架構(gòu)不同于傳統(tǒng)的“區(qū)塊鏈+大數(shù)據(jù)”架構(gòu)，它將大數(shù)據(jù)的平臺(tái)融入?yún)^(qū)塊鏈，簡(jiǎn)化了金融系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)和監(jiān)管。

傳統(tǒng)上，區(qū)塊鏈被認(rèn)為是一個(gè)速度慢、計(jì)算量大的系統(tǒng)。B3采用賬戶區(qū)塊鏈/交易區(qū)塊鏈雙鏈架構(gòu)、并發(fā)拜占庭共識(shí)協(xié)議和大數(shù)據(jù)技術(shù)，大大提升了平臺(tái)的運(yùn)行速度和可擴(kuò)展性。B3將大數(shù)據(jù)平臺(tái)全面融入?yún)^(qū)塊鏈架構(gòu)。數(shù)據(jù)一旦放入?yún)^(qū)塊鏈，就可以在區(qū)塊鏈上立即做數(shù)據(jù)分析，而不需要把數(shù)據(jù)送出區(qū)塊鏈。用于分析的數(shù)據(jù)100來(lái)自區(qū)塊鏈，鏈下沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的正確性得到保證，實(shí)時(shí)監(jiān)管成為可能。

具備大數(shù)據(jù)分析能力的B3區(qū)塊鏈底層平臺(tái)，可存儲(chǔ)所有交易主體的所有歷史交易信息和盈余

金額信息。監(jiān)管機(jī)構(gòu)只要在B3部署一個(gè)節(jié)點(diǎn)，就可以擁有所有交易信息。從B3的鏈?zhǔn)酱髷?shù)據(jù)分析中可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合規(guī)的交易行為。

B3的出現(xiàn)是區(qū)塊鏈底層技術(shù)發(fā)展的里程碑。區(qū)塊鏈系統(tǒng)能夠處理海量數(shù)據(jù)，標(biāo)志著區(qū)塊鏈正逐步從邊緣化應(yīng)用進(jìn)入企業(yè)核心業(yè)務(wù)。

當(dāng)無(wú)數(shù)區(qū)塊鏈，包括公共鏈和聯(lián)盟鏈出現(xiàn)時(shí)，鏈上交互就成了問(wèn)題。一般情況下，一個(gè)鏈條上的資產(chǎn)很難轉(zhuǎn)移到另一個(gè)鏈條上。區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正被用來(lái)解決這一問(wèn)題。

以太坊創(chuàng)始人之一加文·伍德提出的Polkadot區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)、Tendermint區(qū)塊鏈創(chuàng)始人提出的宇宙互聯(lián)網(wǎng)(http://m.sh-hb.com.cn/)、區(qū)塊網(wǎng)(http://m.sh-hb.com.cn/)，這些都屬于“異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”，說(shuō)明區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)上的區(qū)塊鏈?zhǔn)遣煌?lèi)型的，比如比特幣鏈、以太坊鏈、天德鏈或者其他。

由于它是一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)鏈與其他鏈之間的通信需要特殊的接口。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)采用多鏈來(lái)解決可擴(kuò)展性問(wèn)題，但由于需要多鏈和鏈間接口，成本較高。

亞洲出現(xiàn)的兩個(gè)區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)概念是“同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)”。由于參與鏈具有相同的屬性，所以鏈之間的接口是一致的，不需要特殊的接口。

區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)可以像傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)一樣遍布全球，用戶可以通過(guò)手機(jī)或個(gè)人電腦接入，讓各行各業(yè)都可以利用區(qū)塊鏈進(jìn)行公證、交易、清算、結(jié)算、版權(quán)保護(hù)和維權(quán)。未來(lái)，把所有機(jī)構(gòu)放在一個(gè)大鏈條上的情況將不常見(jiàn)

一起，但是有很多鏈條，互相連接，互相循環(huán)，解決可擴(kuò)展性的問(wèn)題。而異構(gòu)和同質(zhì)的區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)將同時(shí)存在。

我們?cè)O(shè)計(jì)了開(kāi)放區(qū)塊鏈連接器(OBCC)，為用戶提供便捷高效使用區(qū)塊鏈的功能，包括在區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，查詢用戶所需信息等。

OBCC提供了一個(gè)工具包，用戶可以導(dǎo)入到自己的軟件項(xiàng)目中，在編程開(kāi)發(fā)時(shí)像調(diào)用本地函數(shù)或方法一樣使用區(qū)塊鏈的功能接口。當(dāng)用戶程序需要調(diào)用區(qū)塊鏈的功能時(shí)，OBCC客戶端代理將請(qǐng)求廣播給各區(qū)塊鏈許可節(jié)點(diǎn)的OBCC服務(wù)器代理，后者負(fù)責(zé)調(diào)用區(qū)塊鏈相關(guān)功能進(jìn)行處理，最終存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中或查詢信息返回。

為區(qū)塊鏈開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)接口有以下好處：

OBCC已支持開(kāi)發(fā)多個(gè)區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)，包括央視微電影管理平臺(tái)、高校學(xué)籍檔案管理系統(tǒng)、金融跨國(guó)支付系統(tǒng)、銀行信用卡消費(fèi)管理系統(tǒng)、游戲積分跟蹤管理系統(tǒng)等?；诟咚賲^(qū)塊鏈應(yīng)用接口(JBCC)的區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有開(kāi)發(fā)周期短、可擴(kuò)展性高、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。

目前鏈上的代碼基本是固定的合同模板。智能合約未來(lái)誰(shuí)來(lái)，檢查、測(cè)試、認(rèn)證、修改，雙方如何認(rèn)可，都是需要探索的問(wèn)題。此外，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的成熟，未來(lái)區(qū)塊鏈可應(yīng)用于各行各業(yè)，包括食品、金融服務(wù)、能源、制藥、航空航天、IT等行業(yè)和領(lǐng)域。未來(lái)還需進(jìn)一步研究區(qū)塊鏈技術(shù)完備的標(biāo)準(zhǔn)和完善的監(jiān)管機(jī)制。