高效能区块链关键技术及应用探讨

祁麟

（中国电子技术标准化研究院 北京市 100007）

作为一种具有分布式特点的新型计算范式，区块链技术拥有去中心化、安全可信度高一级可编程等特点。该技术能够实现信息互联网向价值互联网转型，在未来金融以及知识产权等多个领域都可以得到十分广泛的应用。而作为区块链技术的创始应用，比特币带来了一种去中心化的货币体系。但是，关于比特币所有的交易记录必须要公布在网络环境中，这也为交易者带来了一定的隐私泄露风险。再有就是，如果账户拥有者的私钥丢失，那么比特币就无法进行正常消费。因此，在比特币系统当中，保证交易隐私性和账户安全性具有十分重要的意义。目前我国区块链技术发展和国外发达国家处于同等的位置，强大的互联网普及程度和基础设施建设为该技术创造了良好的发展空间，推动高效能区块链技术及应用场景的发展，对于保障数据安全，提升我国数字产业整体竞争力具有重要的战略意义。

1 高效能区块链关键技术及概念

1.1 区块链相关密码算法

目前，在区块链系统当中，Hash算法得到了普及应用，其算法主要是采取将文本符号转换成二进制的模式，随后针对这些内容展开细致分析和计算，进而得到固定长度的二进制字符串，也称为哈希值。经过处理后，不同的明文将得到不同的哈希值，因此，该算法也具有一定的不可逆性，所以数据安全得到了充分保障。与此同时，哈希算法最终的计算结论值也可以党组一个完整的字符串，因为整个算法具有随机性特点，因此哈希算法最终的结论有所不同，有可能会出现不同明文出现在统一输出当中，形成了Hash碰撞现象。在此算法应用过程中，应当尽可能地避免Hash算法碰撞问题，除此之外，Hash算法碰撞性分为强 弱两种类型。前者主要是指在提前得知现有明文的前提下来获取可以发生碰撞的明文。而后者就是指无法碰撞的任意两种明文。要想在密码学领域全面提高Hash算法的安全性，必须要具备以下几方面特点：

（1）保证无法从输出散列值逆向推导出原始输入；

（2）即使再渺小的输入也会导致明文发生明显变化。

（3）如果发现两种碰撞情况，那么就需要消耗掉很多算力。

另外，在Hash算法当中常见的算法类型包括MD、SHA以及RIPEMD算法，例如SHA算法是一种十分典型的家族算法，最初为SHA-1，现如今已经得到破解，在商用领域当中并不适用，从安全性角度来看，通常会选择SHA-256或者能够输出更长的Hash值算法。

1.2 区块链共识机制

分布式数据库和共识机制算法在区块链中能够确保节点数据的完整性。这也就意味着，算法是发挥出区块链技术的重要基础。经常使用的共识算法主要分成两种：一种是能够处理网络拜占庭错误的算法（BFT）；而另一中就是针对普通节点错误的算法（CFT）。与此同时，可以有效处理网络拜占庭错误算法问题。而PBFT属于少数服从多数的一种投标机制，可以对网路节点数量进行全面掌控，进而确保监督机构能够在分布式网络环境中体现出重要价值。除此之外，常见的PBFT算法在这样的环境中，共识时延一般都会持续2-5秒。另一方面，交易频率在这样的环境下也会随着交易频率的升高而降低共识效率。由于网络节点的不可控性和分布式网络环境缺少监管机构，存在很多安全隐患。

而使用容错方法对网络运行进行严格要求，在绝大部分区块链技术应用中都缺少类似的算法，最为常见的共识算法如表1所示。

表1：常用的共识算法和应用

通常情况下，区块链的主要识别机制就是靠区块链完成去中心化处理，是一种十分关键的技术类型，在实际应用过程中不需要依靠人和可信任的中心化机构与组织，共识机制在制定过程中，大部分用户都会参与其中，有效提高了数据的完整性和一致性，省去了中间的缓解流程，有效提高了数据要素的使用价值。

1.3 区块链扩容计算方法

此算法主要可以使每个区块的容量得到相应的扩大，用来保存更多数据资源。如果单独的区块链处于应用状态，将严重影响区块链数据的占用空间。这样，可以有效地控制分类账数据的增长率。例如，比特币在初始阶段将块数据占用的存储空间设置为1MB，根据单个交易数据占用的存储空间20字节加上块头占用的80字节计算，就可以放置大约5000个左右的交易事物数量，也就是每5000交易就会进行一次打包。而当交易次数频率较高，那么整个交易过程就无法满足具体需求，所以必须要进行科学的扩容处理。

目前，孤立见证和直接扩容在扩容方法中非常常见。在这两种方法中，独立见证人和交易签名之间存在着密切的关联。完整的交易流程少不了交易签名的识别，之后才能够让交易过程变得更加高效。隔离事务是分离事务签名并将其放在事务数据的末尾，即见证字段。随着交易流程的发展，每个节点都将收到该信息。当新用户收到新块时，他们无法验证其中一个交易签名的合法程度，只是过于看中事务数据本身，这样一来并没有具体价值。此外，签名占用50字节的空间。如果这些数据没有存储在相关区块链中，也会获得扩容效应。再利用SHA-256算法计算最终需要交易的数据之后，交易签名环节并不影响交易名称计算过程。另外，直接扩容可以将区块扩容到最大的MB容量，例如：比特币系统就可以采取交叉方式获得一个全新的比特币区块，区块扩容效果也会变得十分明显。目前，高效能区块链技术能够应用在各个行业的信息化系统当中，然而不同的行业领域对数据的生产与使用等方面都提出了非常严格的要求，甚至也要求区块扩容可以满足个性化需求，采用科学高效的扩容方法，用户能够满足自身的实际需求，从而应用到实际生活中。

1.4 侧链技术

在侧链技术应用基础上，两种不相干的区块完成了数据转移过程，实现了两条区块链沟通的目标。而侧链主要就是依靠主链而存在，如果要定义侧链，需要首先确定主链。但是，没有明确规定自己存储的数据是侧链数据还是主链数据，通常需要根据用户的需求完成合理划分。侧链设计的基础功能就是能够完成区块链应用之间的插信息安全传输，一般称为双向链接。例如，比特币系统设计中的支付确认主要是在最短的时间内验证数据信息的安全性和有效性。

SPV机构的主链到侧链的数据交换过程的主要步骤如图1所示。

图1：主侧链交换数据的过程

（1）在比特币系统上用户可以建立起初始交易，并且交易期间所出现的输出也是其他虚拟硬币系统中用户的地址。因为输出不是比特币地址，所以它也是一种具有非常特殊性质的交易。

（2）系统可以主动锁定这一特殊交易过程中涉及的比特币。这些比特币将不会运行，并且在交易未因旷工而被挖掘之前无法使用。

再有就是通常会将交易过程整合到区块当中，一般会持续十几分钟左右，在积攒了足够的工作量证据之后，侧链应用就会承认交易的合法性。最后在莱特币系统当中，在经过一段时间的等待之后，用户就可以拥有足够的证实工作量，这些比特币才可以在莱特币系统中进行灵活流通。

2 高效能区块链的基础结构

2.1 P2P网络结构

现如今，数据传播通常都会选择中心化组网技术，其中主要包括一个中心化节点和其它中心化节点，每个节点都会和中心化节点相连，非中心化节点之间进行消息传播，通常都需要向中心节点进行发包，再经过中心化节点转发到各个不同的节点当中。中心化组网模式主要如图2所示。

图2：中心化组网形态

从图中可以得知，中心化节点可以支撑网络环境中的所有节点信息，像IP地址以及哪两个节点发生过转发等，网络安全性和隐私性都要归纳到中心节点安全性和网络道德问题方面。而对等网络所应用的组网技术对传统中心化通讯方式进行了改革，不仅有效解决了中心节点的信息安全问题，同时也减弱了服务器出现性能网络延迟问题，避免了节点对全网带来的破坏性影响，加强了系统的坚固性，并且用户量的增长也可以有效提高网络整体的传播速度、增加共享资源。P2P可以根据结构关系分成三种不同的形态，分别是全分布式分结构化组网、全分布式结构化拓补以及半分布式拓补。例如：比特币所使用的就是全分布式非结构化组网方式，在每个节点加入之后，随机会挑选现有的节点来完成连接，具体组网形式如图3所示。

图3：全分布式非结构化组网形态

2.2 智能合约

智能合约指的就是利用数字形式定义出来的承诺，可以在预定条件实现之后，按照后期预置的步骤进行执行，一直到合约双方达成一致为止。智能合约这概念最早在上个世纪就是年代提出，然而在当时出现了信任问题，无法假设出一个可以信任的第三方。一直到区块链技术出现之后，这一问题才有所突破，并且以太坊的出现也真正让智能合约实现了高度实用化。

为了对智能合约有所了解，一般都会提出一个简单的投票智能合约流程。在合约当中规定，取得授权的用户可以通过一人一票机制来完成投票。具体流程如图4所示。

图4：投票合约工作流程

3 高效能区块链的应用场景案例

3.1 精准扶贫领域

在我国现代化社会建设发展过程中，扶贫工作依然是重点内容。而在实际工作环节中，经常会发生识别对象不精准和动态信息掌握不完善的情况，未能引导扶贫对象全面了解扶持政策，不具备全程监管技术，在资金应用期间出现了套取以及挪用等相关问题。为了对这些问题进行有效处理，利用区块链技术就能够大幅提升扶贫精准性，改善扶贫效果。主要体现在以下几方面：

（1）精准识别扶贫对象。通过高效能的区块链技术，配合指纹、语音以及面部识别等功能，将扶贫对象与相关干部的指纹进行确认，从而能够在区块链上生成独一无二的数字身份，让扶贫工作能够精准实施。并且记录在其中的数据也可以跟踪扶贫工作的开展情况，为政府、医院以及学校等单位的扶贫困难户身份调查工作提供有利帮助。

（2）实现扶贫对象精准退出。在区块链技术可追溯性的特点，可以准确记录帮扶心动的实际开展情况。

（3）精细化管理扶贫资金。将智能合约技术应用在区块链系统当中，能够建立起可靠的信任机制，在加密算法的帮助下来提高信息的保密性，让数据能够对授权客户进行开放共享。

（4）在隐私保护环节，能够对医疗数据进行加密处理，将其妥善存放在不同的区块当中，这样就可以防止丢失和篡改的问题。

3.2 农产品溯源领域

现如今，一旦农产品质量出现问题，那么就必须要追溯完整的生产销售链条，整个过程会浪费大量的资源投入，并且消费者会对优质产地的产品抱有怀疑态度。而在农产品生产管控环节中，通过高效能的区块链技术可以减少假冒伪劣问题发生，促进农村信息化能够更好的发展，具体优势有以下几点：

（1）实现了物流全程跟踪，与农产品相关的物流信息和物流进取数据都会和区块链平台相对接，将全程数据上传储存，避免信息资源发生丢失和误报情况。

（2）能够使仓储信息实现同步，有效验证货品存储情况和发货情况，在其中还可以接受广大群众的意见。

（3）有效规避了人才操作存在的风险，通过高效能的区块链技术可以对农产品进行智能化管理，再加上物联网技术，能够将采集的信息上传到区块链当中，避免出现人为欺骗或者错误行为。

3.3 跨境汇款

从目前跨境汇款实际情况来看，一般都会在用户转账到对方接收到汇款之间出现很多中间行，比如汇款人所属银行支行与该银行的总行等等，不仅汇款流程非常复杂，同时每个汇款缓解都不容马虎，到账时间通常需要1-2天左右，时效性不佳。但利用高效能区块链技术进行汇款，就可以让双方拥有信息验证渠道，汇款也可以实现有据可循，整个流程实现了点对点的直接价值传输。在区块链技术基础上能够实现以下几点内容：

（1）跨境汇款能够像境内汇款一样快捷。

（2）实现24小时实时智能端汇款。

（3）不需要较高的手续费用，也不需要经过中间银行。

（4）安全性较高，汇款过程有据可循。

（5）具有较强的公开透明性，各方汇款轻易不会被篡改，有利于监管工作的实施。

4 结束语

现如今，区块链技术以其可溯源、透明化以及无特权节点等优势，对传统技术进行了改革创新。但随着我国区块链关键技术的发展，发展过程中会不间断的遭受到一定的攻击和入侵风险，对区块链本身和存储数据都会带来很大的安全隐患。因此，只有将区块链关键技术与云存储和智能技术等新兴技术结合在一起，才能创造更多的应用创景。未来高效能区块链技术将会在疫苗分配和追踪、数字货币等方面开启更安全高效的应用探索。