第14章.全面賬房-區(qū)塊鏈技術(shù)

第3章安全第一—信息安全第14章全面賬房—區(qū)塊鏈技術(shù)CONTENTS目錄14.1中心化系統(tǒng)與去中心化系統(tǒng)14.2區(qū)塊鏈技術(shù)14.3區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用中心化系統(tǒng)與去中心化系統(tǒng)14.114.1中心化系統(tǒng)與去中心化銀行轉(zhuǎn)賬中心化賬本400元100元100元-100元+100元銀行轉(zhuǎn)賬A賬戶扣除100元后余額為300元，B賬戶增加100元后余額為200元中心化賬本賬本管理去中心化每個(gè)人都有賬本復(fù)驗(yàn)和記賬能夠抵御一定的故障和安全攻擊去中心化驗(yàn)證余額情況驗(yàn)證通過(guò)，記錄信息轉(zhuǎn)賬流程A要轉(zhuǎn)賬給B100元錢網(wǎng)絡(luò)告知信息沒(méi)有銀行參與去中心化系統(tǒng)每一個(gè)參與者（節(jié)點(diǎn)）都是平等且自由的關(guān)系，沒(méi)有誰(shuí)依賴誰(shuí)任何人都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，任何人也都可以成為一個(gè)中心安全效率一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子貨幣結(jié)算機(jī)制區(qū)塊鏈技術(shù)14.214.2.1區(qū)塊鏈技術(shù)的簡(jiǎn)介和特點(diǎn)區(qū)塊鏈技術(shù)廣義上講，區(qū)塊鏈?zhǔn)抢脡K鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)與驗(yàn)證數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法來(lái)生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學(xué)保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問(wèn)安全、利用自動(dòng)化腳本代碼組成的智能合約來(lái)編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式。區(qū)塊鏈具有去中心化、防篡改、透明公共審計(jì)、分布式信任共識(shí)、自主可編程等特點(diǎn)。現(xiàn)如今區(qū)塊鏈技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于智能交通、智慧醫(yī)療、認(rèn)證取證等領(lǐng)域。區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一種去中心化、可溯源、難以篡改、多方共同維護(hù)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。安全性14.2.2區(qū)塊鏈技術(shù)的原理區(qū)塊鏈技術(shù)的原理應(yīng)用層、合約層、激勵(lì)層、共識(shí)層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)構(gòu)造安全和不可篡改的區(qū)塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的接入和通信共識(shí)層負(fù)責(zé)記賬節(jié)點(diǎn)的選舉和驗(yàn)證，同步數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)的原理激勵(lì)層負(fù)責(zé)激勵(lì)區(qū)塊鏈上的節(jié)點(diǎn)去維護(hù)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的穩(wěn)定合約層開放可編程區(qū)，使得整個(gè)區(qū)塊鏈可以通過(guò)合約代碼部署各種應(yīng)用在區(qū)塊鏈上應(yīng)用層講區(qū)塊鏈上的部署的合約功能做成服務(wù)提供給其它用戶1.數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)層是區(qū)塊鏈的核心部分，按照區(qū)塊的鏈接方式可以分為串行鏈?zhǔn)胶陀邢驘o(wú)環(huán)圖（DirectedAcyclicGraph，DAG）兩種結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)都涉及數(shù)字簽名、哈希函數(shù)、非對(duì)稱加密和Merkle樹。區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中一個(gè)區(qū)塊包括區(qū)塊頭和區(qū)塊體，區(qū)塊頭一般包括版本號(hào)、區(qū)塊高度、哈希根值、父區(qū)塊哈希、時(shí)間戳、隨機(jī)數(shù)、目標(biāo)難度和交易數(shù)量等，區(qū)體塊包括當(dāng)前共識(shí)在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的交易數(shù)量和交易1.數(shù)據(jù)層Merkle樹，又稱為哈希二叉樹，樹的每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)都是一筆交易的哈希值，然后兩兩遞歸計(jì)算哈希值，最終得到一個(gè)哈希根值，又稱為Merkle哈希根值。此外，在沒(méi)有偶數(shù)筆交易的情況下，解決方案是通過(guò)復(fù)制最后一筆交易構(gòu)成偶數(shù)筆交易。Merkle樹的作用主要有兩個(gè)：一是通過(guò)比較哈希根值對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性校驗(yàn)，只要有一個(gè)數(shù)據(jù)不全或者被修改了，哈希根值對(duì)比驗(yàn)證就不通過(guò)；二是快速定位到不一致的數(shù)據(jù)，從上到下對(duì)比哈希根值，然后定位到數(shù)據(jù)不一致的地方，最后同步即可。當(dāng)需要證明列表中的某筆交易存在時(shí)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要計(jì)算log2N個(gè)32字節(jié)的哈希根值，就可以形成一條從Merkle樹根到特定交易的路徑。1.數(shù)據(jù)層非對(duì)稱加密是區(qū)塊鏈技術(shù)中用于安全性需求和所有權(quán)認(rèn)證時(shí)采用的加密技術(shù)，常見的非對(duì)稱加密算法有RSA、ElGamal、背包算法、Rabin等。在數(shù)字簽名場(chǎng)景中，發(fā)送者先對(duì)消息進(jìn)行哈希摘要計(jì)算，然后用自己的私鑰對(duì)哈希摘要進(jìn)行加密，最后將消息和加密后的信息發(fā)送給B。B先用A的公鑰對(duì)哈希摘要進(jìn)行解密，判斷消息是否是A發(fā)出的，然后對(duì)消息進(jìn)行哈希運(yùn)算，檢驗(yàn)消息在傳輸過(guò)程中是否存在篡改。由于傳統(tǒng)鏈?zhǔn)降膮^(qū)塊結(jié)構(gòu)在規(guī)模性和效率方面存在不足，因此出現(xiàn)了以DAG的形式組織鏈接交易的圖區(qū)塊鏈。圖區(qū)塊鏈取消了區(qū)塊的概念，稱為Tangle。在Tangle中，每個(gè)交易事務(wù)都是分布式賬本中鏈接的單個(gè)節(jié)點(diǎn)。在提交新事務(wù)之前，它必須驗(yàn)證前面兩個(gè)已經(jīng)提交但還未驗(yàn)證的交易事務(wù)。然后通過(guò)運(yùn)行工作量證明（ProofofWork，POW）共識(shí)機(jī)制將新事務(wù)與前兩個(gè)事務(wù)捆綁在一起。之后，可以廣播新事務(wù)到Tangle全網(wǎng)。2.網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層是區(qū)塊鏈平臺(tái)組網(wǎng)和信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，用于同點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PeertoPeer，P2P）協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)和特定的傳輸和驗(yàn)證機(jī)制，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能平等地參與記賬與共識(shí)。P2P協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的，沒(méi)有中心化的服務(wù)器和從其他實(shí)體或認(rèn)證機(jī)構(gòu)（CertificationAuthority，CA）處獲取驗(yàn)證，從而可以有效消除篡改和第三方欺騙的風(fēng)險(xiǎn)。按照接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)支持的功能和對(duì)區(qū)塊數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)程度可分為全節(jié)點(diǎn)和輕量級(jí)節(jié)點(diǎn)。全節(jié)點(diǎn)保存了完整的區(qū)塊數(shù)據(jù)，使得這些節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立驗(yàn)證交易內(nèi)容；而輕量級(jí)節(jié)點(diǎn)只保存了所有的區(qū)塊頭，通過(guò)簡(jiǎn)單支付驗(yàn)證向其他節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)以完成驗(yàn)證。這些節(jié)點(diǎn)都負(fù)責(zé)交易區(qū)塊數(shù)據(jù)的傳輸和驗(yàn)證。P2P協(xié)議在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中被用于交易信息傳輸和區(qū)塊數(shù)據(jù)驗(yàn)證。區(qū)塊鏈1.0和區(qū)塊鏈2.0使用基于傳輸控制協(xié)議（TransmissionControlProtocol，TCP）的P2P協(xié)議，HyperledgerFabric則使用基于HTTP/2的P2P協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層是區(qū)塊鏈平臺(tái)組網(wǎng)和信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，用于同點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PeertoPeer，P2P）協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)和特定的傳輸和驗(yàn)證機(jī)制，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能平等地參與記賬與共識(shí)。P2P協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的，沒(méi)有中心化的服務(wù)器和從其他實(shí)體或認(rèn)證機(jī)構(gòu)（CertificationAuthority，CA）處獲取驗(yàn)證，從而可以有效消除篡改和第三方欺騙的風(fēng)險(xiǎn)。按照接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)支持的功能和對(duì)區(qū)塊數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)程度可分為全節(jié)點(diǎn)和輕量級(jí)節(jié)點(diǎn)。全節(jié)點(diǎn)保存了完整的區(qū)塊數(shù)據(jù)，使得這些節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立驗(yàn)證交易內(nèi)容；而輕量級(jí)節(jié)點(diǎn)只保存了所有的區(qū)塊頭，通過(guò)簡(jiǎn)單支付驗(yàn)證向其他節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)以完成驗(yàn)證。這些節(jié)點(diǎn)都負(fù)責(zé)交易區(qū)塊數(shù)據(jù)的傳輸和驗(yàn)證。P2P協(xié)議在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中被用于交易信息傳輸和區(qū)塊數(shù)據(jù)驗(yàn)證。區(qū)塊鏈1.0和區(qū)塊鏈2.0使用基于傳輸控制協(xié)議（TransmissionControlProtocol，TCP）的P2P協(xié)議，HyperledgerFabric則使用基于HTTP/2的P2P協(xié)議3.共識(shí)層共識(shí)問(wèn)題，在計(jì)算機(jī)科學(xué)中主要聚焦于分布式一致性問(wèn)題，即如何保證分布式系統(tǒng)集群中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)完全相同，并且就某個(gè)提議能達(dá)到最終一致的狀態(tài)。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)下共識(shí)問(wèn)題更加復(fù)雜，因?yàn)榇嬖谥_放、缺乏信任的環(huán)境且存在一定數(shù)量的拜占庭惡意節(jié)點(diǎn)。而且，即使所有參與者都是誠(chéng)實(shí)的，而且所驗(yàn)證和傳輸?shù)慕灰锥际钦_的，也可能因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延遲和錯(cuò)誤導(dǎo)致無(wú)法達(dá)成一致狀態(tài)。因此，一個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)下的共識(shí)算法除需要考慮傳統(tǒng)一致性算法外，還需要考慮拜占庭惡意節(jié)點(diǎn)、共識(shí)效率、去中心化程度、擴(kuò)展性和網(wǎng)絡(luò)故障等因素，區(qū)塊鏈系統(tǒng)下的共識(shí)一直是一個(gè)值得深入研討的課題。共識(shí)過(guò)程的核心包括選擇記賬節(jié)點(diǎn)和共識(shí)兩個(gè)子過(guò)程。共識(shí)機(jī)制流程主要包括以下4步：（1）選主；（2）造塊；（3）驗(yàn)證；（4）上鏈。4．激勵(lì)層激勵(lì)層是將經(jīng)濟(jì)因素引入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)，其存在有利于節(jié)點(diǎn)在最大化自身利益的前提下積極參與網(wǎng)絡(luò)共識(shí)，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)和區(qū)塊，從而維護(hù)一個(gè)安全穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計(jì)合理的激勵(lì)機(jī)制時(shí)，要將節(jié)點(diǎn)最大化自身收益的個(gè)體行為與區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性和有效性相結(jié)合，從而使得大規(guī)模的節(jié)點(diǎn)對(duì)區(qū)塊鏈歷史形成穩(wěn)定的共識(shí)。一般而言，激勵(lì)機(jī)制包括發(fā)行機(jī)制和分配機(jī)制。下面以區(qū)塊鏈1.0為例，分別進(jìn)行介紹。發(fā)行機(jī)制：區(qū)塊鏈1.0發(fā)行的數(shù)量隨時(shí)間推移呈階梯形下降，從創(chuàng)世區(qū)塊開始每個(gè)區(qū)塊將發(fā)行50個(gè)區(qū)塊鏈1.0給產(chǎn)塊的人，以后每隔4年發(fā)行數(shù)量減半（約21萬(wàn)個(gè)區(qū)塊），一直到區(qū)塊鏈1.0中區(qū)塊數(shù)量維持在2100萬(wàn)左右時(shí)不再發(fā)行。另外一部分是手續(xù)費(fèi)，目前默認(rèn)的手續(xù)費(fèi)是區(qū)塊鏈1.0的萬(wàn)分之一，交易手續(xù)費(fèi)用和區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)的費(fèi)用都被封裝在交易中，新區(qū)塊驗(yàn)證通過(guò)，記賬節(jié)點(diǎn)將獲得獎(jiǎng)勵(lì)。5．合約層合約層封裝了各類腳本、算法和智能合約。智能合約是一種完全無(wú)須中介、可自我驗(yàn)證的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化交易協(xié)議，作為區(qū)塊鏈技術(shù)的關(guān)鍵特性之一，是運(yùn)行在區(qū)塊鏈上的模塊化、可重用、自動(dòng)執(zhí)行的腳本，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、價(jià)值轉(zhuǎn)移、資產(chǎn)管理等一系列功能。智能合約最早于1995年提出，起初通過(guò)數(shù)字的形式為用戶定義合同承諾，并將其部署到傳統(tǒng)的物理實(shí)體中以構(gòu)建數(shù)字資產(chǎn)。作為智能合約雛形的區(qū)塊鏈1.0腳本，僅僅是內(nèi)嵌在其交易上的一組類型單一的指令。區(qū)塊鏈2.0提供了腳本語(yǔ)言Solidity與智能合約的運(yùn)行環(huán)境，即以太坊虛擬機(jī)（EthereumVirualMachine，EVM），方便用戶編寫和運(yùn)行智能合約腳本，任何人都能上傳和執(zhí)行任意的應(yīng)用程序，并能有效執(zhí)行。在HyperledgerFabric中的智能合約被稱為鏈碼（Chaincode），并且支持Go、Python和Java等主流編程語(yǔ)言編寫智能合約。區(qū)塊鏈技術(shù)與智能合約結(jié)合，依靠合約規(guī)則實(shí)現(xiàn)了不信任雙方之間的公平交換，避免協(xié)議被惡意中斷，也避免了計(jì)劃外的監(jiān)控和跟蹤，豐富了區(qū)塊鏈內(nèi)的交易與外界狀態(tài)的交互。6．應(yīng)用層區(qū)塊鏈技術(shù)最早應(yīng)用于數(shù)字金融領(lǐng)域，作為一種具有去中心化、防止篡改、公開透明和支持自主可編程特性的去中心化新技術(shù)，其生命力在于作為一種管控平臺(tái)或者安全底座，為其他行業(yè)提供一個(gè)安全可信的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境或者存儲(chǔ)環(huán)境。現(xiàn)如今區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)在其他行業(yè)有了應(yīng)用，除了可編程金融，還有供應(yīng)鏈溯源、醫(yī)療行業(yè)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。14.2.3區(qū)塊鏈技術(shù)的分類區(qū)塊鏈技術(shù)的分類1.0金融區(qū)塊鏈2.0融合智能合約3.0對(duì)共識(shí)效率和區(qū)塊結(jié)構(gòu)的完善豐富、以圖區(qū)塊鏈為代表4.0HashNet公有鏈聯(lián)盟鏈私有鏈區(qū)塊鏈1.0-金融區(qū)塊鏈2.0-超級(jí)賬本區(qū)塊鏈3.0-以圖區(qū)塊鏈為代表區(qū)塊鏈4.0-以HashNet為代表區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用14.3區(qū)塊鏈技術(shù)區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)可以為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)傳輸高成本、隱私保護(hù)、設(shè)備間的數(shù)據(jù)共享安全無(wú)保障等問(wèn)題提供解決方案區(qū)塊鏈+大數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈賬本不可篡改的存儲(chǔ)機(jī)制、共識(shí)算法和密碼學(xué)算法可以為大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算和數(shù)據(jù)資產(chǎn)化提供可信安全的流通共享通道去中心化、公開透明、防篡改、自動(dòng)腳本可編程和匿名化區(qū)塊鏈+數(shù)字金融銀行互聯(lián)金融綜合服務(wù)政府?dāng)?shù)據(jù)不能充分共享，使政府辦事效率無(wú)法提升，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)信息共享的數(shù)據(jù)存在信息更新不及時(shí)和數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊等問(wèn)題銀企信息不對(duì)稱造成銀行成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，銀行積極性不高。信息的不對(duì)等、不透明增加協(xié)同難度，降低效率企業(yè)信用體系平臺(tái)尚未建立存在的問(wèn)題區(qū)塊鏈銀行政金融服務(wù)平臺(tái)有助于利用區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)流轉(zhuǎn)和交易，解決數(shù)據(jù)“存、管、用”難題可靠可信安全合規(guī)降低成本區(qū)塊鏈+政務(wù)電子證明材料平臺(tái)材料的開具、傳遞均為紙質(zhì)載體，部門間信息流轉(zhuǎn)效率低下紙質(zhì)材料易篡改，真?zhèn)屋^難驗(yàn)證，而且比較容易丟失各部門自發(fā)建立的電子證照標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，難以互認(rèn)存在的問(wèn)題電子材料證明平臺(tái)通過(guò)線上開具材料、二維碼展示證明，免去了紙質(zhì)傳遞