重慶天德代賬服務有限公司

2017年5月15日德信鏈區(qū)塊鏈技術注：本文原載于《中國計算機學會通信通訊》第13卷第5期。請注明是否轉載。如果沒有注明，將被視為侵權。作者：于蓮/北京大學、鄧恩艷/北京天德科技股份有限公司

區(qū)塊鏈(BC)是一種分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[1]，也可以理解為多個節(jié)點共同維護的分布式賬本技術(DLT)。其特點是難以篡改、偽造和追蹤。區(qū)塊鏈記錄了交易的所有信息。一旦數(shù)據(jù)進入?yún)^(qū)塊鏈，即使是內部工作人員也無法在區(qū)塊鏈上進行任何更改。這種不可改變的特性不是來自于使用某項操作，而是來自區(qū)塊鏈體制機制本身。這使得區(qū)塊鏈技術的使用比其他安全技術更簡單有效。哪里需要正義、公平、誠信，哪里就能用上區(qū)塊鏈技術。

區(qū)塊鏈將數(shù)據(jù)劃分為不同的區(qū)塊，每個區(qū)塊通過特定的信息鏈接到上一個區(qū)塊的背面，來回連接，呈現(xiàn)出一套完整的數(shù)據(jù)。每個塊的塊頭包含前一個塊哈希值，即通過哈希函數(shù)計算前一個塊的塊頭得到的值；每個塊將通過這樣的哈希值與前一個塊鏈接，形成一個鏈。區(qū)塊鏈的交易信息被隨機哈希成一種稱為Merkle樹的哈希二叉樹形式，其根包含在區(qū)塊鏈的隨機哈希值中[2]。

從技術層面看，區(qū)塊鏈的核心特征包括以下三個方面：

這三個特點是逐步遞進的：

根據(jù)這三個特點，衍生出以下區(qū)塊鏈落地模式。

比特幣代表第一代專區(qū)

區(qū)塊鏈在數(shù)字貨幣中的應用。比特幣是數(shù)字貨幣應用而非平臺，屬于公鏈（全網(wǎng)記賬）。雖然加密了，但賬簿是完全公開的。由于只記錄歷史信息，而不記錄賬戶余額，因此賬簿不完整。賬戶只能使用一次，利用P2P網(wǎng)絡逃避監(jiān)管，速度極慢，可擴展性弱。

以太坊代表了第二代區(qū)塊鏈的數(shù)字貨幣應用和平臺。以太坊創(chuàng)始人Vitalik Buterin發(fā)現(xiàn)比特幣存在很多問題，并做出了三個重要貢獻：

不過，布特林自己現(xiàn)在也承認，所謂的“智能合約”，一開始并不智能，二是不是合約?！爸悄芎霞s”一詞具有誤導性，IBM稱之為“鏈上代碼”（https：//http://m.opentagclosetag.com/）?！版溕洗a”可以把數(shù)字貨幣應用變成一個強大的平臺。

與比特幣相比，以太坊取得了長足的進步，但僅限于首次供幣(ICO)。

北航鏈[4~7]代表底層系統(tǒng)平臺而非第三代區(qū)塊鏈應用，擁有完全國內自主知識產(chǎn)權，是許可鏈（只有許可節(jié)點才能記賬）。

一般來說，區(qū)塊鏈分為公有鏈和許可鏈。

其他不具備上述模式1~3的區(qū)塊鏈相關技術被稱為區(qū)塊鏈的變體，典型有兩種類型。

在分布式環(huán)境下，為了保證數(shù)據(jù)的一致性，需要使用一致性協(xié)議。公有鏈主要使用工作證明(POW)和利害關系證明(POS)機制。許可證鏈主要使用實用的拜占庭通用容錯協(xié)議(PBFT)和并發(fā)拜占庭共識協(xié)議（并發(fā)Byz）

反容錯，CBFT).共識成本較高，共識機制中使用了大量的算力和節(jié)點通信，比如PBFT需要進行三輪廣播投票，每一次通信和交易都需要簽名和取消，80的計算用于簽名和取消。

區(qū)塊鏈雖然被稱為分布式數(shù)據(jù)庫，但其操作與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫有很大不同，包括關系數(shù)據(jù)庫、對象數(shù)據(jù)庫、NoSql數(shù)據(jù)庫和時態(tài)數(shù)據(jù)庫。區(qū)塊鏈通過構建區(qū)塊來維護一致性，而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫通過各種事務來解決一致性問題。

高速區(qū)塊鏈與低速區(qū)塊鏈有很大不同。

例如，在區(qū)塊鏈中，每秒可以有幾萬筆交易，每秒可以建立多個區(qū)塊，每個區(qū)塊也可以有幾萬筆交易，這些交易都可能與某種數(shù)據(jù)有關。比如，在央視微電影平臺項目中，同一條視頻在幾秒鐘內會有上萬人點單，那么同一條視頻在一個街區(qū)可能會有上千個點單。如果使用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，每個隨需應變都是一個寫操作，并且在同一事務中，不允許對同一數(shù)據(jù)進行多個寫操作。但在央視微電影平臺上，必須同時允許對一個區(qū)塊中相同數(shù)據(jù)的數(shù)千次寫入。

從第一代比特幣到第二代以太坊，它們都面臨著嚴峻的可擴展性問題。雖然有許多解決方案，但每種方案都有缺陷。

基于并發(fā)拜占庭共識協(xié)議的區(qū)塊鏈可擴展性分為三個步驟[1]:

這三種機制既具有原有區(qū)塊鏈的本質特征，又具有高速性和可擴展性。

鏈上的代碼最初被稱為“智能合約”[10,11]，給人的印象是既智能又合法的合約。但事實上，事實并非如此。智能合約與法律框架的技術不匹配?！爸悄芎霞s”不是法律界定的有效合同，也沒有相關的法律規(guī)定和框架來保護參與者。

和鏈條

鏈上編碼與構建塊密切相關，因此其執(zhí)行模型與構建塊過程相互影響，以至于鏈上編碼在理論上是一個難題。問題是，每次構建塊時，都需要找到必須啟動的鏈式代碼，而在一些鏈式代碼系統(tǒng)中，在構建塊之前必須執(zhí)行那些代碼。如果涉及的數(shù)據(jù)非常多，鏈上的代碼非常復雜，就會造成鏈上代碼與構建塊的沖突。雖然鏈接代碼在理論上是一個難題，但在實際系統(tǒng)中仍然是可行的。

賬戶區(qū)塊鏈和交易區(qū)塊鏈的設計思路是將交易執(zhí)行和賬本維護分開。賬戶區(qū)塊鏈負責維護賬戶信息，交易區(qū)塊鏈負責交易執(zhí)行和交易歷史維護。

賬戶區(qū)塊鏈存儲賬戶信息。比如，小銀行可以維護一個賬戶區(qū)塊鏈，大一點的銀行可以維護兩個或兩個以上賬戶區(qū)塊鏈，防止一個賬戶區(qū)塊鏈過載。賬戶區(qū)塊鏈采用多節(jié)點設計，節(jié)點間采用拜占庭容錯協(xié)議保持一致性。這樣，內部員工將很難篡改賬戶信息。賬戶區(qū)塊鏈主要有以下操作：

交易區(qū)塊鏈是交易和結算的通道（或場所），由多個節(jié)點組成。交易區(qū)塊鏈不保存交易雙方的賬戶信息，只在必要時從賬戶區(qū)塊鏈獲取賬戶信息。當交易完成后，交易區(qū)塊鏈刪除賬戶信息，同時將交易打包成區(qū)塊鏈，添加到分布式賬本中。

交易區(qū)塊鏈可分為內部交易區(qū)塊鏈和跨賬戶區(qū)塊鏈兩大類。

為了保護用戶和銀行的隱私，交易區(qū)塊鏈中存儲的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過加密，以便只有參與銀行或央行才能看到數(shù)據(jù)；而底層客戶端的數(shù)據(jù)，只有相關銀行和監(jiān)管機構才能看到。這種設計需要配置成員網(wǎng)絡權限，限制對區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫的訪問。

熊貓網(wǎng)模型是基于雙鏈技術賬戶區(qū)塊鏈和交易區(qū)塊鏈的新型架構[25]，主要分為兩部分：

熊貓網(wǎng)絡模型可用于大規(guī)模應用，如央行數(shù)字貨幣。

中央銀行有兩個職能：

貨幣發(fā)行由央行決定，熊貓模型可以追蹤貨幣流通，發(fā)現(xiàn)交易中的違法行為，追蹤違法者的賬戶信息。每個金融機構至少有一個賬戶區(qū)塊鏈和一個交易區(qū)塊鏈。交易通過交易區(qū)塊鏈，但賬戶信息存在于賬戶區(qū)塊鏈中。央行可以在每個鏈條上放一個節(jié)點，所有的賬戶和交易信息都會存儲在央行節(jié)點上。拜占庭協(xié)議在節(jié)點之間運行以保持數(shù)據(jù)一致性。央行可以利用鏈式數(shù)據(jù)進行監(jiān)管和大數(shù)據(jù)分析，這是一種新的監(jiān)管技術（RegTech）。

熊貓網(wǎng)絡模型也可用于其他大規(guī)模應用。比如在醫(yī)療方面，每家醫(yī)院都可以有自己的賬號區(qū)塊鏈來保護患者隱私，可以通過交易區(qū)塊鏈與其他醫(yī)院或機構進行醫(yī)療信息交換。醫(yī)院、監(jiān)管單位、保險公司等服務公司都可以在熊貓網(wǎng)上完成整個醫(yī)療供應鏈。

天德科技有限公司于2017年3月24日推出基于大數(shù)據(jù)的BigData based區(qū)塊鏈(B3)基礎平臺。該平臺讓大數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈從概念和研究進入實踐和應用階段。B3架構不同于傳統(tǒng)的“區(qū)塊鏈+大數(shù)據(jù)”架構，它將大數(shù)據(jù)的平臺融入?yún)^(qū)塊鏈，簡化了金融系統(tǒng)的運營和監(jiān)管。

傳統(tǒng)上，區(qū)塊鏈被認為是一個速度慢、計算量大的系統(tǒng)。B3采用賬戶區(qū)塊鏈/交易區(qū)塊鏈雙鏈架構、并發(fā)拜占庭共識協(xié)議和大數(shù)據(jù)技術，大大提升了平臺的運行速度和可擴展性。B3將大數(shù)據(jù)平臺全面融入?yún)^(qū)塊鏈架構。數(shù)據(jù)一旦放入?yún)^(qū)塊鏈，就可以在區(qū)塊鏈上立即做數(shù)據(jù)分析，而不需要把數(shù)據(jù)送出區(qū)塊鏈。用于分析的數(shù)據(jù)100來自區(qū)塊鏈，鏈下沒有數(shù)據(jù)傳輸和存儲，數(shù)據(jù)的正確性得到保證，實時監(jiān)管成為可能。

具備大數(shù)據(jù)分析能力的B3區(qū)塊鏈底層平臺，可存儲所有交易主體的所有歷史交易信息和盈余

金額信息。監(jiān)管機構只要在B3部署一個節(jié)點，就可以擁有所有交易信息。從B3的鏈式大數(shù)據(jù)分析中可以及時發(fā)現(xiàn)不合規(guī)的交易行為。

B3的出現(xiàn)是區(qū)塊鏈底層技術發(fā)展的里程碑。區(qū)塊鏈系統(tǒng)能夠處理海量數(shù)據(jù)，標志著區(qū)塊鏈正逐步從邊緣化應用進入企業(yè)核心業(yè)務。

當無數(shù)區(qū)塊鏈，包括公共鏈和聯(lián)盟鏈出現(xiàn)時，鏈上交互就成了問題。一般情況下，一個鏈條上的資產(chǎn)很難轉移到另一個鏈條上。區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)技術正被用來解決這一問題。

以太坊創(chuàng)始人之一加文·伍德提出的Polkadot區(qū)塊鏈網(wǎng)絡、Tendermint區(qū)塊鏈創(chuàng)始人提出的宇宙互聯(lián)網(wǎng)(http://m.opentagclosetag.com/)、區(qū)塊網(wǎng)(http://m.opentagclosetag.com/)，這些都屬于“異構網(wǎng)絡”，說明區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)上的區(qū)塊鏈是不同類型的，比如比特幣鏈、以太坊鏈、天德鏈或者其他。

由于它是一個異構網(wǎng)絡，每個鏈與其他鏈之間的通信需要特殊的接口。異構網(wǎng)絡采用多鏈來解決可擴展性問題，但由于需要多鏈和鏈間接口，成本較高。

亞洲出現(xiàn)的兩個區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)概念是“同質網(wǎng)絡”。由于參與鏈具有相同的屬性，所以鏈之間的接口是一致的，不需要特殊的接口。

區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)可以像傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)一樣遍布全球，用戶可以通過手機或個人電腦接入，讓各行各業(yè)都可以利用區(qū)塊鏈進行公證、交易、清算、結算、版權保護和維權。未來，把所有機構放在一個大鏈條上的情況將不常見

一起，但是有很多鏈條，互相連接，互相循環(huán)，解決可擴展性的問題。而異構和同質的區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)將同時存在。

我們設計了開放區(qū)塊鏈連接器(OBCC)，為用戶提供便捷高效使用區(qū)塊鏈的功能，包括在區(qū)塊鏈中存儲用戶數(shù)據(jù)，查詢用戶所需信息等。

OBCC提供了一個工具包，用戶可以導入到自己的軟件項目中，在編程開發(fā)時像調用本地函數(shù)或方法一樣使用區(qū)塊鏈的功能接口。當用戶程序需要調用區(qū)塊鏈的功能時，OBCC客戶端代理將請求廣播給各區(qū)塊鏈許可節(jié)點的OBCC服務器代理，后者負責調用區(qū)塊鏈相關功能進行處理，最終存儲在區(qū)塊鏈中或查詢信息返回。

為區(qū)塊鏈開發(fā)標準接口有以下好處：

OBCC已支持開發(fā)多個區(qū)塊鏈應用系統(tǒng)，包括央視微電影管理平臺、高校學籍檔案管理系統(tǒng)、金融跨國支付系統(tǒng)、銀行信用卡消費管理系統(tǒng)、游戲積分跟蹤管理系統(tǒng)等?；诟咚賲^(qū)塊鏈應用接口(JBCC)的區(qū)塊鏈應用系統(tǒng)開發(fā)具有開發(fā)周期短、可擴展性高、運行速度快等特點。

目前鏈上的代碼基本是固定的合同模板。智能合約未來誰來，檢查、測試、認證、修改，雙方如何認可，都是需要探索的問題。此外，隨著區(qū)塊鏈技術的成熟，未來區(qū)塊鏈可應用于各行各業(yè)，包括食品、金融服務、能源、制藥、航空航天、IT等行業(yè)和領域。未來還需進一步研究區(qū)塊鏈技術完備的標準和完善的監(jiān)管機制。