大观区块链技术的共识机制及发展

金颖彤*，李晨旭，田妹，齐兵



大观区块链技术的共识机制及发展

金颖彤*，李晨旭，田妹，齐兵

（吉林省长春市吉林大学计算机科学与技术学院，吉林长春，130000）

区块链技术可以用于金融，军事，教育，通信和能源等很多方面。本文首先以比特币为例，阐述了区块链的概念及特点。其次，研究了区块链的工作量证明机制对系统安全性、可信性的贡献，探究了股权证明机制的优点和缺点以及改进的想法。最后通过分析教育、金融、大数据和能源等方面的现状阐述了区块链的发展和应用前景。

区块链；工作量证明；股权证明；安全性；可靠性

引言

区块链是以比特币为代表的去中心化的分布式系统，应用极其广泛，并且在不断拓展[1]。随着数据库从中心化渐渐转换到去中心化，纵向发展提高了CPU、存储器的性能。

近年来，关于区块链的研究数量和学者人数都呈指数级趋势增长[2]。区块链之所以被政府部门、金融机构、资本市场广泛关注，与通过共识机制实现系统去中心化的安全性与可靠性密切相关。目前共识机制有多种，比如工作量证明机制、权益证明机制、授权股份证明机制等。授权股份证明机制应用于点点币(Peercoin)和未来币(NXT)，保证产生区块的难度（挖矿）与网络里所占的股权成比例。

本文第一节阐述了区块链的特点并重点研究去中心化，第二节和第三节分析了工作量证明机制和权益证明机制对于可靠性和安全性的支持，第四节对区块链的未来发展提出了一些设想。

1 区块链的概述与特点

1.1 区块链概述

在中本聪（Satoshi Nakamoto）发表的《比特币：一种点对点式的电子现金系统》[3]完全阐述了比特币的各个方面，提出比特币的核心技术为区块链。

1.2 区块链的特点

区块链发展迅速，是由于它出色的技术特征。

（1）不可篡改：

此技术采用了区块和区块链的结构，区块来存储数据，其“块头”存储前一个块的引用，是最常用的链表结构，而加入链表之后如果想修改，就需计算它和它以后所有的块的哈希值，工作量证明机制使这项工作需要极高的运算力才能算出，因此对于攻击者来说，篡改和删除性价比极低。

（2）匿名性：

节点之间的交易和信息交换都遵循固定的规则，数据交互时不提供对方身份信息，根据区块链中的规则去判断交易者的身份和交易是否成功，安全可靠。

（3）开放性：

除了交易私有信息被加密，其他所有数据对各方公开，信息系统高度透明，也就是说所有人都可以“挖矿”。

（4）集体维护性：

（5）任何一个或者多个块被黑客攻击都不会影响整个系统，只要一个块没有被攻击，系统就可以轻易恢复。

（6）去中心化：

分布式结构结合共识机制，不存在中心化的管理机构，所有节点都来维护整个系统。这些特点使得区块链迅速发展。

2 工作量证明方法的研究

2.1 共识机制的含义与作用

区块链可以认为是一个分布式账本，每个节点都保存这个账本的完整信息，也可以在自己保存的链上添加新的区块，如果多个节点各自记账，会使系统发生混乱，系统无法保证统一合理，因此多个节点产生的块，只有一个才能得到大家的认可。得到认可的节点称为拥有记账权的节点，被认为是合法、有效的块，该块将被链接到之前合法的区块链上，剩余节点产生的区块均作废[4]。

2.2 工作量证明机制(POW)

工作量证明机制(POW)是一种基于分布式网络且适用于去中心化的共识机制。POW保证了各个节点的公平和彼此信任。比特币采用的共识机制是工作量证明，本文以比特币为例，说明POW是如何体现出公平性和可信性的。

2.2.1 POW的公平性

系统大约每10分钟生成一个区块，POW的公平性指的是每个节点能够竞争到这个新生成的区块的记账权的机会是均等的。比特币中采用的工作量证明函数是SHA256，也是安全散列算法，由美国国家安全局提出。[5]该算法具有随机性，能在理论上保证每个节点只要付出足够的计算力就能获得记账权，因而也就保证了工作量证明的公平性。

2.2.2 POW的可信性

比特币采用POW机制来解决这个问题。通常情况下人们认为，少数服从多数，大多数人的选择是对的。证明机制本质上是一CPU一票，链越长代表越多人认可此链，即大家都承认链最长的那条的合法性，由此达成共识。在分布式网络中，由于缺少可信的中心节点，每个节点要让其它节点信任自己，则需要提供一个凭证，而这个凭证就是工作量证明。

3 股权证明机制（POS）

3.1 股权证明机制的含义与应用

股权证明机制是一种算法，通过这种算法，数字货币的区域块网络能够达到分布式的共识。POS算法在选择下一个记账的节点时，看节点的所拥有的财富多少（比如股权），拥有财富多的节点获得下一个区块锻造权的可能性大。产生于2014年的Nxt和黑币（Blackcoin）采用的就是POS共识机制。

3.2 股权证明机制的特点

一些学者争论说，对于分布式的共识协议来说，POS并不是一个理想的选择。POS存在一个“nothing at stake”问题，即那些没有股份的生成区块的节点可以在多条链中进行投票而不会有什么损失（POW机制下，一CPU一票，不存在一票多投的现象）。由于一个节点为多个链服务对自身造成的损失很小，因而每个节点都有可能利用这一漏洞来尝试进行双重支付。

3.3 针对股权证明机制的缺点的改进

（1）以太坊建议采用Slasher协议来解决“nothing at stake”问题。Slasher协议允许用户去惩罚欺骗者，即那些工作在多个链上的节点。但是这个协议从未被采用。以太坊的开发者们认为，POS还是很有意义的。虽然他们设计了一个名为Ethash的POS算法，并把这个算法运用到数字货币Ethereum Classic中，但是他们打算用一个名为“CASPER”的POS协议来代替这个算法。

（2）点点币（Peercoin）采用集中广播检查站的方式。重组的区块链都没有最后知道的检查站所在的链长。开发者控制着区块链。

（3）Nxt的协议只允许重组链最后的720个区块，但是这也带来了另外一个问题，那就是一个用户也有可能支持一个拥有721个区块的支链，而这个支链可能并不是最长的。

4 区块链技术的应用前景

4.1 金融方面的展望

将区块链技术运用到金融经济方面，实现了金融经济的民主性，并且可以实现传统金融经济模式的性质需求。由当下各种应用区块链技术的虚拟数字货币的运行可知，密码学与数学结合而得的加密算法，保证了传统模式所需的机密性，甚至实现了匿名性，进一步保护人们的隐私，这是在传统模式下无法做到的。通过合理运用与拓展区块链的分布式结构与共识机制，保证了交易一致性与合理性。

4.2 大数据方面的展望

如今互联网几乎遍布全球。人们每天面对海量数据，而它的价值却在于如何挖掘、利用。将区块链技术与大数据结合，实现对大数据加工处理，展现并利用数据价值。

区块链的分布式结构保证了数据的大量存储。去中心化机制保证了数据流通，使得每个节点都有加工数据的机会。区块链记录数据的发放、更改、复制、下载等。区块链的可追溯性，确保了数据的最初所有权。共识机制除保证去中心化外，还具有激励效果，根据数据的被有效利用率，对数据发布者进行相应的奖励，在这样的激励机制下，保证数据挖掘的正向循环。

4.3 教育方面的展望

区块链作为一种分布式数据库，应用在教育教学方面可以存储大量科学知识，成为共享知识库。相比于之前将资源存储于服务器的平台，该数据库的优势在于可广泛扩展的分布式结构更有利于存储无穷的知识资源。学生的学习经历记录在区块链上，作为求职面试的凭证，从而杜绝造假现象。

目前，随着全球化的影响日益扩大和互联网的快速发展，出国留学以及在线学习屡见不鲜。出国留学涉及到国外的学校对学生在国内取得的学位和通过的考试是否认可，在线学习则涉及到在线所获得的学位是否被用人单位承认。由于不同国家，不同用人单位对某些证书的认可程度并不相同，这就造成标准不统一，给学生和求职者带来巨大困扰和不便。可以尝试利用blockchain技术，来解决这些问题。

4.4 能源方面的展望

由于区块链具有安全，去中心化的特点，一些能源方面的应用，例如电网，当其中心化模式受到很大威胁时，也可以采用区块链技术来抵御这种威胁。但是目前区块链在能源方面的应用还处于初级阶段，需要日后发展。

[1] 袁勇, 王飞跃. 区块链发展技术现状与展望[J]. 自动化学报. 2016, (04).

[2] 郭珊珊. 供应链的可信溯源查询在区块链上的实现[D]. 大连海事大学, 2017.

[3] 张偲. 区块链技术原理、应用及建议[J]. 软件, 2016, 37(11): 51-54.

[4] 韩璇, 刘亚敏. 区块链技术中的共识机制研究[J]. 信息网络安全, 2017, (9): 147-152.

[5] 杨兴寿. 电子商务环境下的信用和信任机制研究[D]. 博士学位论文, 2016.

Consensus Mechanism and Development of Blockchain Technology

JIN Yingtong*, LI Chenxu, TIAN Mei, QI Bing

(College of computer science and technology, Jilin University, Jilin Changchun, 130000, China)

Blockchain technology can be used in many aspects such as finance, military, education, communications and energy. This article first uses Bitcoin as an example to illustrate the concept and characteristics of blockchain. Secondly, it studies the contribution of the proof-of-work mechanism of the blockchain to the security and trustworthiness of the system, and explores the advantages and disadvantages of the proof-of-equity system and the idea of improvement. Finally, through the analysis of education, finance, big data and energy status, the development of the blockchain and its application prospects are described.

Blockchain; Proof of work; Proof of equity; Safety; Reliability

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.006

TP309

A

1672-9129(2018)01-0013-02

金颖彤, 李晨旭, 田妹, 等. 大观区块链技术的共识机制及发展[J]. 数码设计, 2018, 7(1): 13-14.

JIN Yingtong, LI Chenxu, TIAN Mei, et al. Consensus Mechanism and Development of Blockchain Technology[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 13-14.

2017-10-25；

2017-12-07。

金颖彤（1997-），女，朝鲜族，吉林长春人，本科，学生，研究方向：计算机。E-mail:2209282216@qq.com