區(qū)塊鏈的概念和特征

區(qū)塊鏈（Blockchain）是一系列現(xiàn)有成熟技術(shù)的有機(jī)組合，它對(duì)賬本進(jìn)行分布式的有效記錄，并且提供完善的腳本以支持不同的業(yè)務(wù)邏輯。在典型的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)以區(qū)塊（block）為單位產(chǎn)生和存儲(chǔ)，并按照時(shí)間順序連成鏈?zhǔn)剑╟hain）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。所有節(jié)點(diǎn)共同參與區(qū)塊鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證、存儲(chǔ)和維護(hù)。新區(qū)塊的創(chuàng)建通常需得到全網(wǎng)多數(shù)（數(shù)量取決于不同的共識(shí)機(jī)制）節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)，并向各節(jié)點(diǎn)廣播實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步，之后不能更改或刪除。

從外部來(lái)看，區(qū)塊鏈系統(tǒng)應(yīng)具備如下特征：

· 多方寫(xiě)入，共同維護(hù)

此處的多方僅指記賬參與方，不包含使用區(qū)塊鏈的客戶(hù)端。區(qū)塊鏈的記賬參與方應(yīng)當(dāng)由多個(gè)利益不完全一致的實(shí)體組成，并且在不同的記賬周期內(nèi)，由不同的參與方主導(dǎo)發(fā)起記賬（輪換方式取決于不同的共識(shí)機(jī)制），而其他的參與方將對(duì)主導(dǎo)方發(fā)起的記賬信息進(jìn)行共同驗(yàn)證。

· 公開(kāi)賬本

區(qū)塊鏈系統(tǒng)記錄的賬本應(yīng)處于所有參與者被允許訪問(wèn)的狀態(tài)，為了驗(yàn)證區(qū)塊鏈記錄的信息的有效性，記賬參與者必須有能力訪問(wèn)信息內(nèi)容和賬本歷史。但是公開(kāi)賬本指的是可訪問(wèn)性的公開(kāi)，并不代表信息本身的公開(kāi)，因此，業(yè)界期望將很多隱私保護(hù)方面的技術(shù)，如零知識(shí)證明、同態(tài)加密、門(mén)限加密等，應(yīng)用到區(qū)塊鏈領(lǐng)域，以解決通過(guò)密文操作就能驗(yàn)證信息有效性的問(wèn)題。

· 去中心化

區(qū)塊鏈應(yīng)當(dāng)是不依賴(lài)于單一信任中心的系統(tǒng)，在處理僅涉及鏈內(nèi)封閉系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)時(shí)，區(qū)塊鏈本身能夠創(chuàng)造參與者之間的信任。但是在某些情況下，如身份管理等場(chǎng)景，不可避免的會(huì)引入外部數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)需要可信第三方的信任背書(shū)，此時(shí)對(duì)于不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，其信任應(yīng)來(lái)源于不同的可信第三方，而不是依賴(lài)于單一的信任中心。在這種情況下，區(qū)塊鏈本身不創(chuàng)造信任，而是作為信任的載體。

· 不可篡改

作為區(qū)塊鏈最為顯著的特征，不可篡改性是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的必要條件，而不是充分條件，有很多基于硬件的技術(shù)同樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一次寫(xiě)入，多次讀取且無(wú)法篡改，典型的例子如一次性刻錄光盤(pán)（CD-R）。區(qū)塊鏈的不可篡改基于密碼學(xué)的散列算法，以及多方共同維護(hù)的特性，但同時(shí)由于這個(gè)特性，區(qū)塊鏈的不可篡改并不是嚴(yán)格意義上的，稱(chēng)之為難以篡改更為合適。

區(qū)塊鏈的核心技術(shù)

1. 分布式賬本

分布式賬本技術(shù) DLT （Distributed Ledger Technology）本質(zhì)上是一種可以在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、多個(gè)物理地址或者多個(gè)組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分享、同步和復(fù)制的去中心化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，分布式賬本技術(shù)主要具備兩種不同的特征：

· 傳統(tǒng)分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)執(zhí)行受某一中心節(jié)點(diǎn)或權(quán)威機(jī)構(gòu)控制的數(shù)據(jù)管理機(jī)制，分布式賬本往往基于一定的共識(shí)規(guī)則，采用多方?jīng)Q策、共同維護(hù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、復(fù)制等操作。面對(duì)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的爆炸性增長(zhǎng)，當(dāng)前由單一中心組織構(gòu)建數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的方式正受到更多的挑戰(zhàn)，服務(wù)方不得不持續(xù)追加投資構(gòu)建大型數(shù)據(jù)中心，不僅帶來(lái)了計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等各種龐大資源池效率的問(wèn)題，不斷推升的系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜度也帶來(lái)了愈加嚴(yán)峻的可靠性問(wèn)題。然而，分布式賬本技術(shù)去中心化的數(shù)據(jù)維護(hù)策略恰恰可以有效減少系統(tǒng)臃腫的負(fù)擔(dān)。在某些應(yīng)用場(chǎng)景，甚至可以有效利用互聯(lián)網(wǎng)中大量零散節(jié)點(diǎn)所沉淀的龐大資源池。

· 傳統(tǒng)分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)將系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)分解成若干片段，然后在分布式系統(tǒng)中進(jìn)行存儲(chǔ)，而分布式賬本中任何一方的節(jié)點(diǎn)都各自擁有獨(dú)立的、完整的一份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，各節(jié)點(diǎn)之間彼此互不干涉、權(quán)限等同，通過(guò)相互之間的周期性或事件驅(qū)動(dòng)的共識(shí)達(dá)成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最終一致性。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，傳統(tǒng)業(yè)務(wù)體系中的高度中心化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)可信、網(wǎng)絡(luò)安全方面的短板已經(jīng)日益受到人們的關(guān)注。普通用戶(hù)無(wú)法確定自己的數(shù)據(jù)是否被服務(wù)商竊取或篡改，在受到黑客攻擊或產(chǎn)生安全泄露時(shí)更加顯得無(wú)能為力，為了應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，人們不斷增加額外的管理機(jī)制或技術(shù)，這種情況進(jìn)一步推高了傳統(tǒng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的維護(hù)成本、降低了商業(yè)行為的運(yùn)行效率。分布式賬本技術(shù)可以在根本上大幅改善這一現(xiàn)象，由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)均各自維護(hù)了一套完整的數(shù)據(jù)副本，任意單一節(jié)點(diǎn)或少數(shù)集群對(duì)數(shù)據(jù)的修改，均無(wú)法對(duì)全局大多數(shù)副本造成影響。換句話(huà)說(shuō)，無(wú)論是服務(wù)提供商在無(wú)授權(quán)情況下的蓄意修改，還是網(wǎng)絡(luò)黑客的惡意攻擊，均需要同時(shí)影響到分布式賬本集群中的大部分節(jié)點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)已有數(shù)據(jù)的篡改，否則系統(tǒng)中的剩余節(jié)點(diǎn)將很快發(fā)現(xiàn)并追溯到系統(tǒng)中的惡意行為，這顯然大大提升了業(yè)務(wù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可信度和安全保證。

這兩種特有的系統(tǒng)特征，使得分布式賬本技術(shù)成為一種非常底層的、對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)具有強(qiáng)大顛覆性的革命性創(chuàng)新。

2. 共識(shí)機(jī)制

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)歷史可追溯、不可篡改，解決多方互信問(wèn)題的分布式（去中心化）系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)必然面臨著一致性問(wèn)題，而解決一致性問(wèn)題的過(guò)程我們稱(chēng)之為共識(shí)。

分布式系統(tǒng)的共識(shí)達(dá)成需要依賴(lài)可靠的共識(shí)算法，共識(shí)算法通常解決的是分布式系統(tǒng)中由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起提案，以及其他節(jié)點(diǎn)如何就這個(gè)提案達(dá)成一致的問(wèn)題。我們根據(jù)傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)與區(qū)塊鏈系統(tǒng)間的區(qū)別，將共識(shí)算法分為可信節(jié)點(diǎn)間的共識(shí)算法與不可信節(jié)點(diǎn)間的共識(shí)算法。前者已經(jīng)被深入研究，并且在現(xiàn)在流行的分布式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，其中 Paxos 和 Raft及其相應(yīng)變種算法最為著名。對(duì)于后者，雖然也早被研究，但直到近年區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展如火如荼，相關(guān)共識(shí)算法才得到大量應(yīng)用。而根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，后者又分為以 PoW（Proofof Work）和 PoS（Proof of Stake）等算法為代表的適用于公鏈的共識(shí)算法和以PBFT（ Practical Byzantine Fault Tolerance）及其變種算法為代表的適用于聯(lián)盟鏈或私有鏈的共識(shí)算法。

工作量證明 POW 算法是比特幣系統(tǒng)采用算法，該算法于 1998 年由 W. Dai 在 B-money的設(shè)計(jì)中提出。以太坊系統(tǒng)當(dāng)前同樣采用 PoW 算法進(jìn)行共識(shí)，但由于以太坊系統(tǒng)出塊更快（約 15 秒），更容易產(chǎn)生區(qū)塊，為了避免大量節(jié)點(diǎn)白白陪跑，以太坊提出了叔（Uncle）塊獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。PoS（Proof of Stake）算法最早由 Sunny King 在 2012 年 8 月發(fā)布的 PPC（PeerToPeerCoin 點(diǎn)點(diǎn)幣）系統(tǒng)中首先實(shí)現(xiàn)，而以太坊系統(tǒng)也一直對(duì) PoS 抱有好感，計(jì)劃后續(xù)以 PoS 代替 PoW 作為其共識(shí)機(jī)制。PoS 及其變種算法可以解決 PoW 算法一直被詬病的浪費(fèi)算力問(wèn)題，但其本身尚未經(jīng)過(guò)足夠驗(yàn)證。PBFT 算法最早由 Miguel Castro（卡斯特羅）和Barbara Liskov（利斯科夫）在 1999 年的 OSDI99 會(huì)議上提出，該算法相較原始拜占庭容錯(cuò)算法具有更高的運(yùn)行效率。假設(shè)系統(tǒng)中共有 N 個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么 PBFT 算法可以容忍系統(tǒng)中存在F 個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)，并且 3F+1 不大于 N。PBFT 共識(shí)算法雖然隨著系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)增多而可以容忍更多的拜占庭節(jié)點(diǎn)，但其共識(shí)效率卻是以極快的速率下降，這也是我們能看到的應(yīng)用 PBFT做共識(shí)算法的系統(tǒng)中很少有超過(guò) 100 個(gè)節(jié)點(diǎn)的原因。

無(wú)論是 PoW 算法還是 PoS 算法，其核心思想都是通過(guò)經(jīng)濟(jì)激勵(lì)來(lái)鼓勵(lì)節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)和付出，通過(guò)經(jīng)濟(jì)懲罰來(lái)阻止節(jié)點(diǎn)作惡。公鏈系統(tǒng)為了鼓勵(lì)更多節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)，通常會(huì)發(fā)放代幣（token）給對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行有貢獻(xiàn)的節(jié)點(diǎn)。而聯(lián)盟鏈或者私鏈與公鏈的不同之處在于，聯(lián)盟鏈或者私鏈的參與節(jié)點(diǎn)通常希望從鏈上獲得可信數(shù)據(jù)，這相對(duì)于通過(guò)記賬來(lái)獲取激勵(lì)而言有意義得多，所以他們更有義務(wù)和責(zé)任去維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并且通常參與節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，PBFT 及其變種算法恰好適用于聯(lián)盟鏈或者私鏈的應(yīng)用場(chǎng)景。

3. 智能合約

· 什么是智能合約？

智能合約（Smart contract ）是一種旨在以信息化方式傳播、驗(yàn)證或執(zhí)行合同的計(jì)算機(jī)協(xié)議。智能合約允許在沒(méi)有第三方的情況下進(jìn)行可信交易。這些交易可追蹤且不可逆轉(zhuǎn)。其目的是提供優(yōu)于傳統(tǒng)合同方法的安全，并減少與合同相關(guān)的其他交易成本。

智能合約概念可追溯到 20 世紀(jì) 90 年代，由計(jì)算機(jī)科學(xué)家、法學(xué)家及密碼學(xué)家尼克·薩博（Nick Szabo）首次提出。他對(duì)智能合約的定義如下：“一個(gè)智能合約是一套以數(shù)字形式定義的承諾，包括合約參與方可以在上面執(zhí)行這些承諾的協(xié)議?！?尼克·薩博等研究學(xué)者，希望能夠借助密碼學(xué)及其他數(shù)字安全機(jī)制，將傳統(tǒng)的合約條款的制定與履行方式，置于計(jì)算機(jī)技術(shù)之下，降低相關(guān)成本。然而，由于當(dāng)時(shí)許多技術(shù)尚未成熟，缺乏能夠支持可編程合約的數(shù)字化系統(tǒng)和技術(shù)，尼克 薩博關(guān)于智能合約的工作理論遲遲沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)與成熟，智能合約作為區(qū)塊鏈及未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)合約的重要研究方向，得以快速發(fā)展。基于區(qū)塊鏈的智能合約包括事件處理和保存的機(jī)制，以及一個(gè)完備的狀態(tài)機(jī)，用于接受和處理各種智能合約，數(shù)據(jù)的狀態(tài)處理在合約中完成。事件信息傳入智能合約后，觸發(fā)智能合約進(jìn)行狀態(tài)機(jī)判斷。如果自動(dòng)狀態(tài)機(jī)中某個(gè)或某幾個(gè)動(dòng)作的觸發(fā)條件滿(mǎn)足，則由狀態(tài)機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)信息選擇合約動(dòng)作的自動(dòng)執(zhí)行。因此，智能合約作為一種計(jì)算機(jī)技術(shù)，不僅能夠有效地對(duì)信息進(jìn)行處理，而且能夠保證合約雙方在不必引入第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)的條件下，強(qiáng)制履行合約，避免了違約行為的出現(xiàn)。

· 智能合約的優(yōu)點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)

隨著智能合約在區(qū)塊鏈技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)已被越來(lái)越多的研究人員與技術(shù)人員認(rèn)可。總體來(lái)講，智能合約具備以下優(yōu)點(diǎn)：

a. 合約制定的高時(shí)效性：智能合約在制定中，不必依賴(lài)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)或中心化代理機(jī)構(gòu)的參與，只需合約各方通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)手段，將共同約定條款轉(zhuǎn)化為自動(dòng)化、數(shù)字化的約定協(xié)議，大大減少了協(xié)議制定的中間環(huán)節(jié)，提高了協(xié)議制定的響應(yīng)效率。

b. 合約維護(hù)的低成本性：智能合約在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中以計(jì)算機(jī)程序?yàn)檩d體，一旦部署成功后，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按照合約中的約定監(jiān)督、執(zhí)行，一旦發(fā)生毀約可按照事前約定由程序強(qiáng)制執(zhí)行。因此，極大降低了人為監(jiān)督與執(zhí)行的成本。

c. 合約執(zhí)行的高準(zhǔn)確性：智能合約的執(zhí)行過(guò)程中，由于減少了人為參與的行為，因此利益各方均無(wú)法干預(yù)合約的具體執(zhí)行，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠確保合約正確執(zhí)行，有效提高了合約的執(zhí)行準(zhǔn)確性。

雖然智能合約較傳統(tǒng)合約具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)智能合約的深入研究與應(yīng)用仍在不斷探索中，我們不能忽略這種新興技術(shù)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

2017 年，多重簽名的以太坊錢(qián)包 Parity 宣布了一個(gè)重大漏洞，這個(gè)關(guān)鍵漏洞會(huì)使多重簽名的智能合約無(wú)法使用，該漏洞導(dǎo)致了價(jià)值超過(guò) 1.5 億美元的以太坊資金被凍結(jié)。無(wú)獨(dú)有偶，2018 年 2 月，新加坡國(guó)立大學(xué)、新加坡耶魯大學(xué)學(xué)院和倫敦大學(xué)學(xué)院的一組研究人員發(fā)布了一份報(bào)告聲稱(chēng)，他們運(yùn)用分析工具 Maian，分析基于以太坊的近 100 萬(wàn)個(gè)智能合約，發(fā)現(xiàn)有 34，200 個(gè)合約含有安全漏洞，予黑客可趁之機(jī)，可竊取以太幣或是凍結(jié)資產(chǎn)、刪除合約。

安全風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生值得我們反思，但不管怎樣，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，區(qū)塊鏈技術(shù)及智能合約將成為未來(lái) IT 技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，目前的風(fēng)險(xiǎn)是新技術(shù)成熟所必然經(jīng)歷的過(guò)程。

· 智能合約的應(yīng)用

目前，智能合約作為區(qū)塊鏈的一項(xiàng)核心技術(shù)，已經(jīng)在以太坊、Hyperledger Fabric 等影響力較強(qiáng)的區(qū)塊鏈項(xiàng)目中，得到廣泛應(yīng)用。

a. 以太坊的智能合約應(yīng)用：以太坊的一個(gè)智能合約就是一段可以被以太坊虛擬機(jī)執(zhí)行的代碼。以太坊支持強(qiáng)大的圖靈完備的腳本語(yǔ)言，允許開(kāi)發(fā)者在上面開(kāi)發(fā)任意應(yīng)用，這些合約通?？梢杂筛呒?jí)語(yǔ)言（例如：Solidity、Serpent、LLL 等）編寫(xiě)，并通過(guò)編譯器轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼（byte code） 存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上。智能合約一旦部署就無(wú)法被修改。用戶(hù)通過(guò)合約完成賬戶(hù)的交易，實(shí)現(xiàn)對(duì)賬戶(hù)的貨幣及狀態(tài)進(jìn)行管理與操作。

b. Hyperledger Fabric 的智能合約應(yīng)用：在 Hyperledger Fabric 項(xiàng)目中，智能合約的概念及應(yīng)用被更廣泛的延伸。作為無(wú)狀態(tài)的、事件驅(qū)動(dòng)的、支持圖靈完備的自動(dòng)執(zhí)行代碼，智能合約在 Fabric 中部署在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，直接與賬本進(jìn)行交互，處于十分核心的位置。和以太坊相比，F(xiàn)abric 智能合約和底層賬本是分開(kāi)的，升級(jí)智能合約時(shí)并不需要遷移賬本數(shù)據(jù)到新智能合約當(dāng)中，真正實(shí)現(xiàn)了邏輯與數(shù)據(jù)的分離。Fabric的智能合約稱(chēng)為鏈碼（chaincode），分為系統(tǒng)鏈碼和用戶(hù)鏈碼。系統(tǒng)鏈碼用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層面的功能，負(fù)責(zé) Fabric 節(jié)點(diǎn)自身的處理邏輯，包括系統(tǒng)配置、背書(shū)、校驗(yàn)等工作。用戶(hù)鏈碼實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的應(yīng)用功能，提供了基于區(qū)塊鏈分布式賬本的狀態(tài)處理邏輯，由應(yīng)用開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)，對(duì)上層業(yè)務(wù)進(jìn)行支持。用戶(hù)鏈碼運(yùn)行在隔離的鏈碼容器中。

4. 密碼學(xué)

信息安全及密碼學(xué)技術(shù)，是整個(gè)信息技術(shù)的基石。在區(qū)塊鏈中，也大量使用了現(xiàn)代信息安全和密碼學(xué)的技術(shù)成果，主要包括：哈希算法、對(duì)稱(chēng)加密、非對(duì)稱(chēng)加密、數(shù)字簽名、數(shù)字證書(shū)、同態(tài)加密、零知識(shí)證明等。本章從安全的完整性、機(jī)密性、身份認(rèn)證等維度，簡(jiǎn)要介紹區(qū)塊鏈中安全及密碼學(xué)技術(shù)的應(yīng)用。

· 完整性（防篡改）

區(qū)塊鏈采用密碼學(xué)哈希算法技術(shù)，保證區(qū)塊鏈賬本的完整性不被破壞。哈希（散列）算法能將二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射為一串較短的字符串，并具有輸入敏感特性，一旦輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，發(fā)生微小的篡改，經(jīng)過(guò)哈希運(yùn)算得到的字符串，將發(fā)生非常大的變化。此外，優(yōu)秀哈希算法還具有沖突避免特性，輸入不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，得到的哈希結(jié)果字符串是不同的。

區(qū)塊鏈利用哈希算法的輸入敏感和沖突避免特性，在每個(gè)區(qū)塊內(nèi)，生成包含上一個(gè)區(qū)塊的哈希值，并在區(qū)塊內(nèi)生成驗(yàn)證過(guò)的交易的 Merkle 根哈希值。一旦整個(gè)區(qū)塊鏈某些區(qū)塊被篡改，都無(wú)法得到與篡改前相同的哈希值，從而保證區(qū)塊鏈被篡改時(shí)，能夠被迅速識(shí)別，最終保證區(qū)塊鏈的完整性（防篡改）。

· 機(jī)密性

加解密技術(shù)從技術(shù)構(gòu)成上，分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是對(duì)稱(chēng)加密，一類(lèi)是非對(duì)稱(chēng)加密。對(duì)稱(chēng)加密的加解密密鑰相同；而非對(duì)稱(chēng)加密的加解密密鑰不同，一個(gè)被稱(chēng)為公鑰，一個(gè)被稱(chēng)為私鑰。公鑰加密的數(shù)據(jù)，只有對(duì)應(yīng)的私鑰可以解開(kāi)，反之亦然。

區(qū)塊鏈尤其是聯(lián)盟鏈，在全網(wǎng)傳輸過(guò)程中，都需要 TLS（Transport Layer Security）加密通信技術(shù)，來(lái)保證傳輸數(shù)據(jù)的安全性。而 TLS 加密通信，正是非對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)和對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)的完美組合：通信雙方利用非對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)，協(xié)商生成對(duì)稱(chēng)密鑰，再由生成的對(duì)稱(chēng)密鑰作為工作密鑰，完成數(shù)據(jù)的加解密，從而同時(shí)利用了非對(duì)稱(chēng)加密不需要雙方共享密鑰、對(duì)稱(chēng)加密運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。

· 身份認(rèn)證

單純的 TLS 加密通信，僅能保證數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的機(jī)密性和完整性，但無(wú)法保障通信對(duì)端可信（中間人攻擊）。因此，需要引入數(shù)字證書(shū)機(jī)制，驗(yàn)證通信對(duì)端身份，進(jìn)而保證對(duì)端公鑰的正確性。數(shù)字證書(shū)一般由權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行簽發(fā)。通信的一側(cè)持有權(quán)威機(jī)構(gòu)根CA（Certification Authority）的公鑰，用來(lái)驗(yàn)證通信對(duì)端證書(shū)是否被自己信任（即證書(shū)是否由自己頒發(fā)），并根據(jù)證書(shū)內(nèi)容確認(rèn)對(duì)端身份。在確認(rèn)對(duì)端身份的情況下，取出對(duì)端證書(shū)中的公鑰，完成非對(duì)稱(chēng)加密過(guò)程。

此外，區(qū)塊鏈中還應(yīng)用了現(xiàn)代密碼學(xué)最新的研究成果，包括同態(tài)加密、零知識(shí)證明等，在區(qū)塊鏈分布式賬本公開(kāi)的情況下，最大限度地提供隱私保護(hù)能力。這方面的技術(shù)，還在不斷發(fā)展完善中。

區(qū)塊鏈安全是一個(gè)系統(tǒng)工程，系統(tǒng)配置及用戶(hù)權(quán)限、組件安全性、用戶(hù)界面、網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)和防攻擊能力等，都會(huì)影響最終區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性和可靠性。區(qū)塊鏈系統(tǒng)在實(shí)際構(gòu)建過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)在滿(mǎn)足用戶(hù)要求的前提下，在安全性、系統(tǒng)構(gòu)建成本以及易用性等維度，取得一個(gè)合理的平衡。

華為在區(qū)塊鏈發(fā)展中進(jìn)行的技術(shù)創(chuàng)新

1. 共識(shí)算法創(chuàng)新

共識(shí)效率是整個(gè)區(qū)塊鏈對(duì)外提供服務(wù)的核心能力，實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法 PBFT 解決了原始拜占庭容錯(cuò)算法效率不高的問(wèn)題，將算法復(fù)雜度由指數(shù)級(jí)降低到多項(xiàng)式級(jí)，使得拜占庭容錯(cuò)算法在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中變得可行，PBFT 完成 3f+1 個(gè)節(jié)點(diǎn)集群內(nèi) f 個(gè)節(jié)點(diǎn)拜占庭容錯(cuò)，即任一節(jié)點(diǎn)收到 2f+1 條消息后可以得到正確的結(jié)論（至多有 f 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送惡意錯(cuò)誤信息），是聯(lián)盟鏈中常用共識(shí)算法。

盡管得到廣泛應(yīng)用，PBFT 仍然存在一些缺限。PBFT 算法為了克服 Primary Node 采用了復(fù)雜的全量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信來(lái)監(jiān)聽(tīng)各類(lèi)異常行為，通信復(fù)雜度達(dá)到 O（n^2）的同時(shí)額外增加了大量簽名校驗(yàn)，由此帶來(lái)繁重的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，降低了共識(shí)效率、節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展性。此外，一旦發(fā)生主節(jié)點(diǎn)選舉，在選主期間 PBFT 將無(wú)法正常共識(shí)，若新當(dāng)選的 Primary 節(jié)點(diǎn)作弊或者故障，可能會(huì)造成連續(xù)選主，在此期間，整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)對(duì)外服務(wù)能力將會(huì)大幅降低甚至無(wú)法提供對(duì)外服務(wù)。

華為區(qū)塊鏈采用一種高效、支持拜占庭容錯(cuò)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的共識(shí)算法，有效改進(jìn)了 PBFT 算法的上述缺陷。通過(guò)改進(jìn)共識(shí)流程，保障了節(jié)點(diǎn)故障和切主期間區(qū)塊鏈系統(tǒng)對(duì)外服務(wù)的穩(wěn)定性。同時(shí)通過(guò)減少不必要的簽名驗(yàn)證、簡(jiǎn)化共識(shí)流程，將通信復(fù)雜度從 O（n^2）減少到 O（n），有效提升了共識(shí)效率和擴(kuò)展性。

2. 安全隱私保護(hù)

華為區(qū)塊鏈安全隱私從以下方面提供更強(qiáng)保障：

· 國(guó)密算法

國(guó)密算法是國(guó)家密碼局制定標(biāo)準(zhǔn)的一系列算法，隨著金融安全上升到國(guó)家安全高度，國(guó)密算法的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，2017 年 11 月 SM2/9 正式進(jìn)入 ISO/IEC 標(biāo)準(zhǔn)。華為區(qū)塊鏈支持國(guó)密 SM2/3/4，提供多種加密算法給用戶(hù)選擇，同時(shí)滿(mǎn)足合規(guī)要求。

· 同態(tài)加密用戶(hù)交易隱私保護(hù)

區(qū)塊鏈可以防篡改，去中心化，在非信任的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，但是用戶(hù)的賬本對(duì)參與組織是透明的，任何組織都可以訪問(wèn)到相同的數(shù)據(jù)，如果將用戶(hù)的隱私的數(shù)據(jù)放到鏈上將會(huì)放大用戶(hù)隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前在比特幣等公有鏈系統(tǒng)中，所有的交易信息都是公開(kāi)的（包括交易金額）。但是，在金融業(yè)的交易中，金融交易信息是敏感數(shù)據(jù)，非業(yè)務(wù)相關(guān)方不能查看，但同時(shí)要滿(mǎn)足監(jiān)管機(jī)構(gòu)的監(jiān)管要求，而大部分的區(qū)塊鏈并沒(méi)有滿(mǎn)足隱私性要求。

華為區(qū)塊鏈交易解決方案中：（1）提供同態(tài)加密庫(kù)，對(duì)用戶(hù)的交易數(shù)據(jù)用其公鑰進(jìn)行加密保護(hù)，交易的時(shí)候都是密文運(yùn)算，最終賬本中加密保存，即使節(jié)點(diǎn)被攻破，獲取到賬本記錄也無(wú)法解密；（2）提供范圍證明校驗(yàn)，背書(shū)節(jié)點(diǎn)能夠?qū)γ芪倪M(jìn)行背書(shū)，無(wú)需解密就能校驗(yàn)交易的正確性，從而識(shí)別出惡意交易風(fēng)險(xiǎn)，保證了智能合約的正確執(zhí)行。華為開(kāi)發(fā)出適用于 Hyperledger Fabric 平臺(tái)的保密交易系統(tǒng)，通過(guò)改良的算法，比起使用傳統(tǒng)的加法同態(tài)加密與基于環(huán)簽名的范圍零知識(shí)證明，性能大幅提升。

· 零知識(shí)證明

零知識(shí)證明能夠在不向驗(yàn)證者提供任何有用的信息情況下，使驗(yàn)證者來(lái)相信該結(jié)論是正確的，證明過(guò)程中不用向驗(yàn)證者泄露被證明的消息。華為區(qū)塊鏈將會(huì)提供零知識(shí)證明能力，對(duì)用戶(hù)的隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，減少用戶(hù)隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)。

· 智能合約安全

當(dāng)智能合約運(yùn)行錯(cuò)誤或者編程錯(cuò)誤時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致“DAO”的事件，從而讓用戶(hù)遭受巨大損失，華為區(qū)塊鏈可提供智能合約檢測(cè)工具，防止惡意的企圖通過(guò)智能合約漏洞入侵用戶(hù)數(shù)據(jù)的行為，同時(shí)將提供安全容器，持續(xù)監(jiān)控容器的運(yùn)行狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)漏洞，進(jìn)行有效的隔離，嚴(yán)格對(duì)容器的訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行控制，從而保證合約安全運(yùn)行。

· 共識(shí)安全

華為區(qū)塊鏈將提供基于硬件的共識(shí)算法，使用形式化驗(yàn)證保證共識(shí)機(jī)制的安全，同時(shí)可以提高共識(shí)效率，增加網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

· 賬本安全

每個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地賬本可能會(huì)被篡改，如果出現(xiàn)大部分節(jié)點(diǎn)的本地賬本都被修改，就可能造成 51%的攻擊。 華為區(qū)塊鏈將提供基于硬件的保護(hù)機(jī)制，對(duì)本地賬本的機(jī)密性和完整性保護(hù)，防止賬本被篡改。

· 通信端到端安全

通用 TLS 通信只能保護(hù)應(yīng)用與應(yīng)用之間的安全，如果啟動(dòng) TLS 之前，就已經(jīng)被攻擊，TLS 的保護(hù)就失效。華為區(qū)塊鏈將提供基于硬件的解決方案，端到端的保證區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)間的通信安全。

3. 離鏈通道

單位時(shí)間內(nèi)交易處理能力仍是區(qū)塊鏈大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸之一。受限于區(qū)塊鏈的分布式架構(gòu)特性，節(jié)點(diǎn)間不均等的計(jì)算能力，不同的網(wǎng)絡(luò)狀況等因素，全網(wǎng)共識(shí)往往無(wú)法快速達(dá)成，從而導(dǎo)致交易速度難以提升。現(xiàn)階段比特幣網(wǎng)絡(luò)每秒僅能處理約 7 筆交易，支持智能合約的以太坊交易處理速度約為每秒 15 筆。相比之下，中心化服務(wù)器支持的 VISA 系統(tǒng)峰值吞吐率可達(dá) 56，000 筆，支付寶在 2017 年雙十一期間則達(dá)每秒 256，000 筆峰值吞吐率。交易擁堵，交易費(fèi)攀升已極大限制區(qū)塊鏈的規(guī)模性應(yīng)用。

區(qū)塊鏈社區(qū)對(duì)交易擴(kuò)容方案的爭(zhēng)論與嘗試由來(lái)已久，現(xiàn)有的主要方案包括區(qū)塊擴(kuò)容，共識(shí)算法改良，安全硬件（TEE）輔助，隔離見(jiàn)證，閃電網(wǎng)絡(luò)，交易/狀態(tài)分片，多層子鏈等。但無(wú)論哪種方案都難以同時(shí)兼顧去中心化， 可擴(kuò)展性，安全性三個(gè)關(guān)鍵需求。值得注意的是區(qū)塊鏈具有應(yīng)用強(qiáng)相關(guān)性，在特定應(yīng)用場(chǎng)景仍可找到各要素間的平衡點(diǎn)以滿(mǎn)足總體業(yè)務(wù)需求。

在大規(guī)模 DAPP（Decentralized APP）應(yīng)用中，往往小額支付占據(jù)了大部分交易請(qǐng)求，而小額交易并無(wú)必要在主鏈及時(shí)獲得確認(rèn)，例如共享經(jīng)濟(jì)中廣泛存在的小額支付場(chǎng)景。如果將海量小額交易在鏈下通道處理，交易過(guò)程中不與主鏈交互，而在交易通道關(guān)閉或交易方退出時(shí)才請(qǐng)求主鏈記錄交易最終狀態(tài)，這將極大緩解主鏈的處理壓力，這也是離鏈微支付通道的設(shè)計(jì)思想。 典型應(yīng)用包括比特幣框架下的閃電網(wǎng)絡(luò)（Lightning Network）和以太坊智能合約框架下的雷電網(wǎng)絡(luò)（Raiden Network）。 離鏈通道涉及到“鏈上鎖定-鏈下執(zhí)行”等一系列操作，其中交易雙方的狀態(tài)變化（資金分配比例）與交易執(zhí)行過(guò)程由鏈上合約監(jiān)督執(zhí)行。

華為開(kāi)發(fā)出適用于 Hyperledger Fabric 平臺(tái)的離鏈通道交易系統(tǒng)， 通過(guò)交易方高效安全的握手協(xié)議，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)間單通道 2，000+ TPS 的交易性能。隨著離鏈交易通道數(shù)的增加，可進(jìn)一步提升系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)交易處理能力。