发布时间：2020-01-13所属分类：计算机职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：区块链技术是一门新兴的技术，受到各行各业的广泛关注.各个国家正在积板研究区块链技术可能给金融乃至生活的方方面面带来的变革.本文先从比特币区块链的视角出发，通过了解它的运行机制、基本特征、关键技术、技术挑战等，给读者建立一个对区块链的直
摘要：区块链技术是一门新兴的技术，受到各行各业的广泛关注.各个国家正在积板研究区块链技术可能给金融乃至生活的方方面面带来的变革.本文先从比特币区块链的视角出发，通过了解它的运行机制、基本特征、关键技术、技术挑战等，给读者建立一个对区块链的直观感受.然后给出区块链的形式化定义，并总结目前区块链在相关密码技术、安全性分析、共识机制、隐私保护、可扩展性等方面的最新研究进展.密码技术是保障区块链安全的关键技术之一，也是实现区块链具体应用的基本手段.本文同时指出了多种密码技术如特殊数字签名、零知识证明、同态密码、安全多方计算等在区块链系统中的(潜在)应用价值.尽管区块链技术的研究和应用发展迅速并取得很大进展，但区块链所面临的诸如呑吐量低、延迟高、耗能高等一系列技术瓶领，严重影响大规模应用的真正落地，区块链技木的研究和应用还有很长的路要走，需要各方共同努力.
关键词：比特币;密码货币;区块链;共识协议;可扩展性
1、引言
自2009年比特币系统W运行以来，涌现出大量竞争性数字货币，亦可称之为民间数字货币(以区别于法定数字货币的概念这些竞争币(如LitecoinW、Zcash[3l、MoneroW等)大都采用类似于比特币的基础架构，并根据自身需求进行了适当优化.据不完全统计，截止2018年7月25日，民间数字货币已达1600多种，总市值约3000亿美元、同时，民间数字货币的出现推动了各国央行对法定数字货币的研宄，如英国的RSCoin'加拿大的Jasper项目M，新加坡的Ubin项目W等.我国央行也早在2014年就成立了法定数字货币研究小组，论证法定数字货币发行的可行性，发表了多篇相关学术论文并推出了电子票据交易平台原型系统.区块链技术是比特币等民间数字货币的底层核心技术，融合了P2P网络、共识机制、密码等关键技术，具有去中心化、不可篡改、匿名性、可追溯性、开放透明等特点，有着非常广阔的应用前景，受到政府部门、金融机构、科技公司、学术界的广泛关注.甚至有人认为，区块链技术是继大型计算机、个人计算机、互联网、移动互联网之后的第五次计算变革，是人类信用进化史上继血亲信用、贵金属信用、央行纸币信用之后的第四个里程碑[13】.
虽然各个国家对待数字货币的态度不尽相同，同一国家对待数字货币的前后态度也不尽相同，但是各个国家对待数字货币的底层区块链技术的态度却是高度一致的，先后出台了一系列鼓励区块链技术发展和应用的政策.美国、欧盟、日本等发达国家正在积极推动区块链技术理论研宄、标准制定、应用落地等相关工作.国际上同时成立了不少区块链联盟，如R3联盟、HyperLedger等，旨在推动区块链技术的理论和应用研究.在我国，区块链技术已经上升到国家科技战略层面.2016年12月，《国务院关于印发“十三五”国家信息化规划的通知》中首次提及区块链，明确提出加强区块链等新技术的创新、试验和应用.目前区块链的应用己延伸到社会管理、物联网、医疗健康、智能制造等多个领域.
密码技术是区块链的关键技术之一，不仅关系区块链安全和效率，也是实现区块链具体应用的基本手段.区块链技术的发展，将一些密码技术从幕后推到台前，进一步促进了密码理论和应用的研宄.越来越多的密码学者开始关注并研宄区块链相关密码技术.一方面，密码学者从区块_安全性分析、共识机制、隐私保护等具体应用需求开展特殊数字签名、零知识证明、同态密码、安全多方计算等密码算法和协议的研宄工作;另一方面，密码学者又利用区块链去中心化、公开透明、不可篡改等特性构造安全多方计算协议、可公开验证的随机数种子等.
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尽管区块链技术具有广泛的应用前景，甚至被认为是一种颠覆性技术，但是区块链也面临一些技术瓶颈，如吞吐量低、延迟高等.这些问题都严重影响了大规模区块链应用的真正落地.区块链技术的理论研宄和应用实践还有很长的路要走.
本文对区块链技术展开调研，总结区块链技术的热点研宄方向，突出密码在区块链技术中的重要地位.全文结构如下，第2节介绍区块链相关术语.第3节介绍比特币区块链的基本特征、关键技术以及面临的技术挑战.第4节给出区块链的形式化定义.第5节主要介绍区块链技术的研宄和应用进展.第6节给出总结和建议.
2相关术语
为了方便叙述，本节列出一些常见的区块链相关术语.需要说明的是，作为一种新技术，区块链的很多术语在不同的参考资料中略有不同，理解上也可能略有不同.这里我们尽可能给出明确定义，并确保本文其他地方相同术语含义的一致性.
区块链(Blockchain)
狭义地，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本.广义地，区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式
.区块链分类
根据应用场景和参与者的不同，将区块链分成三类：公有链、联盟链和私有链.
公有链(Publicblockchain)：任何节点都可以自由加入和退出区块链系统，都可以发送和确认交易，都可以参与共识过程，没有中心化的机构.常见系统有比特币、以太坊等.
私有链(Privateblockchain)：只有单一组织拥有写入权限，可以制定和修改区块链规则，信息一般不公开.私有链可用于协调企业内部各部门之间的工作.
联盟链(Consortiumblockchain)：介于公有链和私有链之间，若干组织构成利益相关的联盟，约定区块链规则.节点的加入与退出需要联盟授权，只允许有限的、经过授权的节点参与共识过程.常见系统有Corda、Fabric等.
共识机制(Consensus)共识机制是参与者对某个提案达成一致意见的过程.常用的共识机制主要有工作量证明(proofofwork，PoW)、权益证明(proofofstake，PoS)、实用拜占庭容错(practicalByzantinefaulttolerance，PBFT)等。
分叉(Fork)
区块链系统升级时可能发生分叉.对于一次升级，升级过的节点称为新节点，未升级的节点称为旧节点.根据新旧节点相互兼容性上的区别，可分为软分叉(softfork)和硬分叉(hardfork).
软分叉：旧节点可能无法理解新节点产生的部分数据但是仍然会接受，新节点也接受旧节点产生的交易和区块.硬分叉：旧节点不接受新节点产生的交易和区块，新节点接受旧节点产生的交易和区块，会因为新旧节点认可的区块不同分成两条链.
可扩展性(Scalability)
可扩展性是指随着节点的增多，交易量的增加，区块链系统处理交易和达成共识的能力.主要涉及吞吐量(单位时间内处理的交易量)和延迟性(交易从提出到记入区块链需要的时间)两个方面.
交易图(Transactfongraph)
交易图是指将地址作为顶点，交易(一个地址发送给另一个地址)作为有向边，构成的有向图.可以通过交易图分析出交易之间的关联性，甚至恢复出交易者的真实身份.
智能合约(Smartcontract)
智能合约是一种允许在没有第三方参与的情况下，以代码方式形成、验证或执行合同的计算机协议.最早可追溯到1994年NickSzabo给出的定义：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.
3比特币区块链
区块链技术是中本聪设计比特币系统首次提出和使用的，同时比特币也是区块链第一个成熟的应用，因此为了本文更好地介绍区块链，本节先介绍比特币区块链让读者对区块链先有一个直观的了解
比特币系统主要活跃两大类角色，用户和矿工：用户使用比特币进行交易，矿工竞争挖矿，争夺记账权，产生区块链.比特币区块链的具体结构见图1.具体地，每个区块是由区块头和区块体两部分组成，其中区块头主要包含前一个区块的区块头哈希值、随机数(IV)等，区块体则是一些具体交易的集合挖矿就是寻找随机数IV使得其区块头哈希值小于某个预先给定的值(目标哈希值)?当目标哈希值很小时，挖矿是一件非常困难的事，需要搜索大量的随机数IV，目前比特币网络每产生一个区块大约需要进行超过27Q次的哈希运算.竞争记账是指先找到合法区块的矿工，通过P2P网络广播给其他矿工，并得到其他矿工的认可，该矿工就拥有这个区块的记账权，也会得到由此产生的收益(比特币)比特币系统通过调整目标哈希值，控制全网大约每10分钟产生一个区块.
图1表示当前网络有l个区块，所有的矿工都在寻找第*+1个合法区块(每个矿工工作的区块是不同的).如果某个矿工率先找到第*+1个合法区块，将其广播出去，并得到全网节点的认可，那么就意味着该矿工获得第z+1个区块的记账权，而其他矿工的工作无效，紧接着所有矿工转到争夺第》+2个区块记账权的竞赛当中如此这样，每一个区块都包含上一个区块头的哈希值2，所有的区块构成一条区块链(又称全网总账本).
3.1基本特征
通过以上介绍，梳理总结比特币区块链的基本特征如下：
去中心化：任何节点的地位都是均等的，任何节点都可以自由退出或加入比特币系统，所有节点参与数据的验证、存储、传输和更新，不存在中心化的节点或管理机构.
不可篡改：一旦数据被记录到区块链中，并经过多次确认之后，所存储的数据就会永久存储起来，除非能够同时控制全网总算力的51%以上.此外，比特币采用分布式存储技术，每个节点都独立保存完整的区块链，任何节点修改自己的区块链数据都是无效的，因此区块链存储的数据稳定性和可靠性极高?
匿名性：比特币系统通过比特币地址(假名)进行交易.比特币地址无法和用户真实身份对应起来，比特币地址对应的私钥是比特币所有权的唯一凭证.因此比特币使用假名实现一定的匿名性。
可追溯性：区块链记录了所有历史数据，每一笔比特币都可以追溯其来源.
开放透明：系统和区块链数据对所有节点开放，任何人都可以通过公开的接口查询区块链数据和开发相关应用.
3.2关键技术
比特币系统并不复杂，但是涉及到了P2P网络、共识机制、密码等多个关键技术，比特币区块链的基本特征都是由这些技术保证的.
P2P网络
比特币采用P2P网络架构.整个系统没有中心化的硬件或者管理机构，任意节点之间的权利和义务都是均等的，每个节点通过多播实现节点识别和数据传播等功能.当发生交易或找到合法区块时，可以通过P2P网络发送给每一个节点.全网总账本是由全节点集体维护的，每个全节点都能获得一份完整数据库的拷贝，单个节点篡改账本是不可能的，从而保证了比特币系统的安全性。
共识机制
比特币系统是通过矿工竞争记账，来维护全网总账本，从而获得一定数量的比特币奖励.为此，矿工争相解决一种基于哈希函数的困难问题，即寻找随机数IV，使得区块头的哈希值小于某个目标哈希值.这个问题难于计算却易于验证，并且当矿工提供这样的随机数IV，任何人都确信该矿工为了得到IV已经付出足够多的计算工作.这个过程就称为基于P〇W的共识机制.之所以选择哈希函数设计困难问题，还因为容易调整挖矿难度.
密码技术
比特币系统的安全性不是基于可信第三方和任何物理实体，而是密码学原理.事实上，比特币使用的密码学技术都是相当成熟的，具体算法采用的也是国际通用的标准算法，如哈希函数SHA256是SHA-2算法簇中的一类[16]，数字签名ECDSAM使用的椭圆曲线是secP256kl
哈希函数在比特币区块链中主要用于区块的产生和共识过程.这里主要介绍区块的产生.图2是比特币区块的结构示意图.哈希函数用于计算区块头的哈希值，还用于生成Merkle树.所谓Merkle树，就是通过二叉树的形式将交易集合打包成一个哈希值(Merkle根)，其作用是快速归纳和校验区块数据的存在性和完整性.
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