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2022-04-28 09:53:14
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内容摘要：2017年5月15日德信链区块链技术注：本文原载于《中国计算机学会通信通讯》第13卷第5期。请注明是否转载。如果没有注明，将被视为侵权。作者：于莲/北京大学、邓恩艳/北京天德科技...

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2017年5月15日德信链区块链技术注：本文原载于《中国计算机学会通信通讯》第13卷第5期。请注明是否转载。如果没有注明，将被视为侵权。作者：于莲/北京大学、邓恩艳/北京天德科技股份有限公司

区块链(BC)是一种分布式数据库系统[1]，也可以理解为多个节点共同维护的分布式账本技术(DLT)。其特点是难以篡改、伪造和追踪。区块链记录了交易的所有信息。一旦数据进入区块链，即使是内部工作人员也无法在区块链上进行任何更改。这种不可改变的特性不是来自于使用某项操作，而是来自区块链体制机制本身。这使得区块链技术的使用比其他安全技术更简单有效。哪里需要正义、公平、诚信，哪里就能用上区块链技术。

区块链将数据划分为不同的区块，每个区块通过特定的信息链接到上一个区块的背面，来回连接，呈现出一套完整的数据。每个块的块头包含前一个块哈希值，即通过哈希函数计算前一个块的块头得到的值；每个块将通过这样的哈希值与前一个块链接，形成一个链。区块链的交易信息被随机哈希成一种称为Merkle树的哈希二叉树形式，其根包含在区块链的随机哈希值中[2]。

从技术层面看，区块链的核心特征包括以下三个方面：

这三个特点是逐步递进的：

根据这三个特点，衍生出以下区块链落地模式。

比特币代表第一代专区

区块链在数字货币中的应用。比特币是数字货币应用而非平台，属于公链（全网记账）。虽然加密了，但账簿是完全公开的。由于只记录历史信息，而不记录账户余额，因此账簿不完整。账户只能使用一次，利用P2P网络逃避监管，速度极慢，可扩展性弱。

以太坊代表了第二代区块链的数字货币应用和平台。以太坊创始人Vitalik Buterin发现比特币存在很多问题，并做出了三个重要贡献：

不过，布特林自己现在也承认，所谓的“智能合约”，一开始并不智能，二是不是合约。“智能合约”一词具有误导性，IBM称之为“链上代码”（https：//https://www.haoshunjia.com/）。“链上码”可以把数字货币应用变成一个强大的平台。

与比特币相比，以太坊取得了长足的进步，但仅限于首次供币(ICO)。

北航链[4~7]代表底层系统平台而非第三代区块链应用，拥有完全国内自主知识产权，是许可链（只有许可节点才能记账）。

一般来说，区块链分为公有链和许可链。

其他不具备上述模式1~3的区块链相关技术被称为区块链的变体，典型有两种类型。

在分布式环境下，为了保证数据的一致性，需要使用一致性协议。公有链主要使用工作证明(POW)和利害关系证明(POS)机制。许可证链主要使用实用的拜占庭通用容错协议(PBFT)和并发拜占庭共识协议（并发Byz）

反容错，CBFT).共识成本较高，共识机制中使用了大量的算力和节点通信，比如PBFT需要进行三轮广播投票，每一次通信和交易都需要签名和取消，80的计算用于签名和取消。

区块链虽然被称为分布式数据库，但其操作与传统数据库有很大不同，包括关系数据库、对象数据库、NoSql数据库和时态数据库。区块链通过构建区块来维护一致性，而传统数据库通过各种事务来解决一致性问题。

高速区块链与低速区块链有很大不同。

例如，在区块链中，每秒可以有几万笔交易，每秒可以建立多个区块，每个区块也可以有几万笔交易，这些交易都可能与某种数据有关。比如，在央视微电影平台项目中，同一条视频在几秒钟内会有上万人点单，那么同一条视频在一个街区可能会有上千个点单。如果使用传统数据库，每个随需应变都是一个写操作，并且在同一事务中，不允许对同一数据进行多个写操作。但在央视微电影平台上，必须同时允许对一个区块中相同数据的数千次写入。

从第一代比特币到第二代以太坊，它们都面临着严峻的可扩展性问题。虽然有许多解决方案，但每种方案都有缺陷。

基于并发拜占庭共识协议的区块链可扩展性分为三个步骤[1]:

这三种机制既具有原有区块链的本质特征，又具有高速性和可扩展性。

链上的代码最初被称为“智能合约”[10,11]，给人的印象是既智能又合法的合约。但事实上，事实并非如此。智能合约与法律框架的技术不匹配。“智能合约”不是法律界定的有效合同，也没有相关的法律规定和框架来保护参与者。

和链条

链上编码与构建块密切相关，因此其执行模型与构建块过程相互影响，以至于链上编码在理论上是一个难题。问题是，每次构建块时，都需要找到必须启动的链式代码，而在一些链式代码系统中，在构建块之前必须执行那些代码。如果涉及的数据非常多，链上的代码非常复杂，就会造成链上代码与构建块的冲突。虽然链接代码在理论上是一个难题，但在实际系统中仍然是可行的。

账户区块链和交易区块链的设计思路是将交易执行和账本维护分开。账户区块链负责维护账户信息，交易区块链负责交易执行和交易历史维护。

账户区块链存储账户信息。比如，小银行可以维护一个账户区块链，大一点的银行可以维护两个或两个以上账户区块链，防止一个账户区块链过载。账户区块链采用多节点设计，节点间采用拜占庭容错协议保持一致性。这样，内部员工将很难篡改账户信息。账户区块链主要有以下操作：

交易区块链是交易和结算的通道（或场所），由多个节点组成。交易区块链不保存交易双方的账户信息，只在必要时从账户区块链获取账户信息。当交易完成后，交易区块链删除账户信息，同时将交易打包成区块链，添加到分布式账本中。

交易区块链可分为内部交易区块链和跨账户区块链两大类。

为了保护用户和银行的隐私，交易区块链中存储的数据必须经过加密，以便只有参与银行或央行才能看到数据；而底层客户端的数据，只有相关银行和监管机构才能看到。这种设计需要配置成员网络权限，限制对区块链数据库的访问。

熊猫网模型是基于双链技术账户区块链和交易区块链的新型架构[25]，主要分为两部分：

熊猫网络模型可用于大规模应用，如央行数字货币。

中央银行有两个职能：

货币发行由央行决定，熊猫模型可以追踪货币流通，发现交易中的违法行为，追踪违法者的账户信息。每个金融机构至少有一个账户区块链和一个交易区块链。交易通过交易区块链，但账户信息存在于账户区块链中。央行可以在每个链条上放一个节点，所有的账户和交易信息都会存储在央行节点上。拜占庭协议在节点之间运行以保持数据一致性。央行可以利用链式数据进行监管和大数据分析，这是一种新的监管技术（RegTech）。

熊猫网络模型也可用于其他大规模应用。比如在医疗方面，每家医院都可以有自己的账号区块链来保护患者隐私，可以通过交易区块链与其他医院或机构进行医疗信息交换。医院、监管单位、保险公司等服务公司都可以在熊猫网上完成整个医疗供应链。

天德科技有限公司于2017年3月24日推出基于大数据的BigData based区块链(B3)基础平台。该平台让大数据区块链从概念和研究进入实践和应用阶段。B3架构不同于传统的“区块链+大数据”架构，它将大数据的平台融入区块链，简化了金融系统的运营和监管。

传统上，区块链被认为是一个速度慢、计算量大的系统。B3采用账户区块链/交易区块链双链架构、并发拜占庭共识协议和大数据技术，大大提升了平台的运行速度和可扩展性。B3将大数据平台全面融入区块链架构。数据一旦放入区块链，就可以在区块链上立即做数据分析，而不需要把数据送出区块链。用于分析的数据100来自区块链，链下没有数据传输和存储，数据的正确性得到保证，实时监管成为可能。

具备大数据分析能力的B3区块链底层平台，可存储所有交易主体的所有历史交易信息和盈余

金额信息。监管机构只要在B3部署一个节点，就可以拥有所有交易信息。从B3的链式大数据分析中可以及时发现不合规的交易行为。

B3的出现是区块链底层技术发展的里程碑。区块链系统能够处理海量数据，标志着区块链正逐步从边缘化应用进入企业核心业务。

当无数区块链，包括公共链和联盟链出现时，链上交互就成了问题。一般情况下，一个链条上的资产很难转移到另一个链条上。区块链互联网技术正被用来解决这一问题。

以太坊创始人之一加文·伍德提出的Polkadot区块链网络、Tendermint区块链创始人提出的宇宙互联网(https://www.haoshunjia.com/)、区块网(https://www.haoshunjia.com/)，这些都属于“异构网络”，说明区块链互联网上的区块链是不同类型的，比如比特币链、以太坊链、天德链或者其他。

由于它是一个异构网络，每个链与其他链之间的通信需要特殊的接口。异构网络采用多链来解决可扩展性问题，但由于需要多链和链间接口，成本较高。

亚洲出现的两个区块链互联网概念是“同质网络”。由于参与链具有相同的属性，所以链之间的接口是一致的，不需要特殊的接口。

区块链互联网可以像传统互联网一样遍布全球，用户可以通过手机或个人电脑接入，让各行各业都可以利用区块链进行公证、交易、清算、结算、版权保护和维权。未来，把所有机构放在一个大链条上的情况将不常见

一起，但是有很多链条，互相连接，互相循环，解决可扩展性的问题。而异构和同质的区块链互联网将同时存在。

我们设计了开放区块链连接器(OBCC)，为用户提供便捷高效使用区块链的功能，包括在区块链中存储用户数据，查询用户所需信息等。

OBCC提供了一个工具包，用户可以导入到自己的软件项目中，在编程开发时像调用本地函数或方法一样使用区块链的功能接口。当用户程序需要调用区块链的功能时，OBCC客户端代理将请求广播给各区块链许可节点的OBCC服务器代理，后者负责调用区块链相关功能进行处理，最终存储在区块链中或查询信息返回。

为区块链开发标准接口有以下好处：

OBCC已支持开发多个区块链应用系统，包括央视微电影管理平台、高校学籍档案管理系统、金融跨国支付系统、银行信用卡消费管理系统、游戏积分跟踪管理系统等。基于高速区块链应用接口(JBCC)的区块链应用系统开发具有开发周期短、可扩展性高、运行速度快等特点。

目前链上的代码基本是固定的合同模板。智能合约未来谁来，检查、测试、认证、修改，双方如何认可，都是需要探索的问题。此外，随着区块链技术的成熟，未来区块链可应用于各行各业，包括食品、金融服务、能源、制药、航空航天、IT等行业和领域。未来还需进一步研究区块链技术完备的标准和完善的监管机制。