浅析区块链技术的研究

吕宪强

摘要：区块链(Blockchain)是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。共识机制是区块链系统中实现不同节点之间建立信任、获取权益的数学算法。区块链是比特币的底层技术，像一个数据库账本，记载所有的交易记录。同时，它也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。区块链作为一种通用技术，可以应用到各行各业加快融合，本文主要对区块链的核心技术进行研究。

关键词：区块链; 共识机制; 比特币

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方式。

一、区块链技术国内外研究现状

（一） 国外发展现状

区块链已经从金融应用全面拓展到各领域。美国国会、美联储、财政部等部门已就区块链技术在供应链管理、政务系统、清结算系统等领域展开探索。2019 年 10 月 8 日，欧盟委员会联合研究中心（Joint Research Centre, JRC）发布报告—《区块链的当下和未来：评估分布式账本技术的多维影响》，深入分析了区块链技术对多个应用领域所带来的机会和挑战。

（二） 国内发展现状

2019 年 10 月 24 日，习近平在中央政治局第十八次集体学习时强调，把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，加快推动区块链技术和产业创新发展，探索“区块链+”金融、能源、政务服务、司法、医疗健康、产品溯源、社区服务、公益、智慧城市、物流等领域的发展，从国家层面推动“区块链+”的运用。

二、区块链的基本原理

文献[1]对区块链技术的基本原理进行了充分的研究，其原理包含如下3个方面：

（一）交易：一次对账本的操作，导致账本状态的一次改变，如添加一条转账记录。

（二）区块：记录一段时间内发生的所有交易和状态结果，是对当前账本状态的一次共识。

（三）链：由区块按照发生顺序串联而成，是整个账本状态变化的日志记录。

三、区块链的结构

文献[2] 对区块链技术结构进行了充分的研究，分成如下六层结构：

（一）数据层：数据层封装了底层数据区块以及相关的数据加密和时间戳等技术。

（二）网络层：网络层包括分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制等。

（三）共识层：共识层主要封装网络节点的各类共识算法；

（四）激励层：激励层将经济因素集成到区块链技术体系中来，主要包括经济激励的发行机制和分配机制等。

（五）合约层：合约层主要封装各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特性的基础

（六）应用层：应用层则封装了区块链的各种应用场景和案例

使用JSP 编程技术, MySQL作为后台数据库，采用数据库连接池的技术，实现数据库访问快速化。为提高网页的访问速度,系统使用了动态生成静态页的技术,信息在写入数据库的同时,使用系统的FSO 组件来生成html 格式的静态页。

四、区块链的核心技术

文献[3] 对区块链核心技术进行充分的研究，其核心技术如下：

（一）分布式账本：交易记账由分布在不同地方的多个节点共同完成，而且每一个节点都记录的是完整的账目。

（二）对称加密和授权技术：存储在区块链上的交易信息是公开的，但是账户身份信息是高度加密的，只有在数据拥有者授权的情况下才能访问到，从而保证了数据的安全和个人的隐私。

（三）共识机制：所有记账节点之间怎么达成共识，去认定一个记录的有效性，这既是认定的手段，也是防止篡改的手段。

（四）智能合约：基于这些可信的不可篡改的数据，可以自动化的执行一些预先定义好的规则和条款。

五、区块链的分类

文献[4] 对区块链分类进行了充分的研究，其分类如下：

（一）公有区块链：世界上任何个体或者团体都可以发送交易，且交易能够获得该区块链的有效确认，任何人都可以参与其共识过程。最早的区块链，也是目前应用最广泛的区块链。

（二）行业区块链：由某个群体内部指定多个预选的节点为记账人，每个块的生成由所有的预选节点共同决定（预选节点参与共识过程），其他接入节点可以参与交易，但不过问记账过程(本质上还是托管记账，只是变成分布式记账，预选节点的多少，如何决定每个块的记账者成为该区块链的主要风险点），其他任何人可以通过该区块链开放的API进行限定查询。

（三）私有区块链：仅仅使用区块链的总账技术进行记账，可以是一个公司，也可以是个人，独享该区块链的写入权限，本链与其他的分布式存储方案没有太大区别。

六、区块链技术存在的主要问题

蔡晓晴等人在该方向进行了一序列的研究工作，文献[5] 指出区块链在技术漏洞、交易吞吐量小、跨链协议、法律法规尚不规范等方面存在问题。区块链在技术漏洞、交易吞吐量小、跨链协议、法律法规尚不规范等方面存在问题。现阶段区块链技术仍处于起步阶段，现有的平台及规范还未形成，为确保区块链在增强数据的机密性、完整性和可用性等方面有着广阔的应用前景，对于区块链的安全性、算法性能和可扩展性的探索还远远不够，需要更多的理论支持，是继续研究的课题，特别是在大数据服务中引入区块链后产生的安全问题有待进一步探索。

结  论

本文主要从浅析区块链的基本原理、基本结构、核心技术及分类，并对区块链技术存在的主要问题进行了基本的研究与分析。区块链技术独有的去中心化、去信任的特性,为构建价值互联平台提供了可能.在比特币白皮书中,区块链的概念十分模糊,而现有的一些介绍区块链的文章中,也多从抽象层次进行介绍,对于更深入的后续研究提供的帮助十分有限.首先将区块链技术从具体应用场景中抽象出来,提取出其五层核心架构,并就其中数据、网络、共识三层基础架构作详细说明.这三层架构包含了区块链系统中的三大核心技术:密码学、共识算法、网络.文中介绍这三种技术的研究现状,能够使读者迅速了解区块链技术的发展状况,并能根据自己的需要进行深入阅读.最后,介绍了区块链技术目前存在的主要问题。

参考文献

[1] 范廷钰，袁科等.大数据安全研究现状及趋势（2010-2019）.软件导刊，2021.005:0243-06。

[2]  Zhili Zhou，Meimin Wang，Jingwang Huang，Blockchain in Big Data Security for Intelligent,Transportation,IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION  SYSTEMS,2021-1558-0016。

[3] 陈性元，高元照，唐慧林等.大数据安全技术研究进展.中国科学.信息科学，2020.50(1):25-66。

[4] Mehmood A, Natgunanathan I, Xiang Y, et al. Protection of big data privacy. IEEE Access, 2016, 4: 1821–1834。

[5] 蔡晓晴，邓尧，张亮等，区块链原理及核心技术.计算机学报，2021-1016-00084.