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C O M P U T E R
C 区块链关键技术研究
马莹莹，王哲
(郑州工程技术学院河南郑州450044)
【摘要】区块链作为比特币等数字加密货币的核心技术，具有去中心化、不可篡改、可编程等特点。本文在阐述比特 币系统运行机制的基础上，对区块链技术中的区块结构、区块的计算、区块的有效性等基本概念以及对等网络组网方式、基于工作量证明的共识机制等关键技术进行了研究，为区块链技术的下一步研究与应用提供基础。
【关键词】区块链比特币去中心化共识机制
1引言
比特币于2009年正式发布，2012年开始逐渐被公众所接 受，2013年作为比特币底层支撑技术的区块链受到关注。区块 链技术发展至今，其独特的数据安全模型和价值传输机制，被 认为会对整个金融行业产生巨大而深刻的影响。目前，全球主 要银行、证券、股票和大宗商品交易所都投入了区块链研究与 应用的行列，如纳斯达克、澳大利亚证券交易所、芝加哥商品交 易所集团、德国证券交易所、日本交易所集团、加拿大多伦多证 券交易所集团等。
区块链具备去中心化、数据时序性、分布式计算、可编程及 安全可信等特点，这也引起教育、能源、社会管理等领域相关专 业人士的关注。在2016年底发布的《“十三五”国家信息化规 划》中将区块链与大数据、虚拟现实等技术一起定义为战略性 前沿技术。
2比特币系统运行概述
比特币系统于2009年由化名中本聪的学者开发面市。不 同于传统货币系统，比特币系统没有管理机构，而是通过 分散在全球的计算节点以分布式方式并行计算来竞争记账权，从而维持整个交易系统的运行。比特币系统中，交易者的身份 都是经过加密的，且鼓励交易者每次交易使用不同的身份编 码，以保护交易者隐私。比特币系统不记录每个用户的账户余 额，而是在每一笔交易中记录付款的来源，即这笔钱来源于之 前的哪笔交易以及这笔交易所在区块的地址[1]。
在比特币系统中，首先建立一个创世区块。在创世区块中，记录了一批交易，这些交易是由系统分配给最初几位用户少量 比特币而产生的。在比特比系统中，计算节点通常被形象地看 作一组矿工。
为了使系统运行起来，比特币系统设有相应的激励机制。比特币系统通过向记录交易的计算节点发放比特币的方式，激 励计算节点加入，从而为比特币交易系统的运行贡献算力。比特币系统中的计算节点可以自由加入和退出。各节点以对等网 络方式组织，它们分散在全球、地位平等，不存在中心化和层级 结构。
各计算节点对系统中近期未进行记账的交易进行计算，生 成有效区块。此时，计算节点并不能获得报酬，它必须立刻将自 己新生成的有效区块以广播方式向其他计算节点传送。其他计 算节点，收到此区块后，立即停止自身运行的计算，对收到的区 块进行数据验证。如果验证通过，则把此区块链到自己当前所 存储的区块链末尾。
之后，当生成有效区块的计算节点收到其他计算节点送来 的新的有效区块时，如果新有效区块“上一区块地址”为自己之 前生成的有效区块，那么就表示该计算节点之前生成的区块被 其他计算节点接受了。在这之后再生成一些有效区块，通常比 特币系统规定区块链中一个区块后链接达到6个区块，就可以 认为生成该区块的计算节点已经获得了相应的报酬。并且无论 是生成有效区块的节点，还是确认了有效区块的节点，都会将 该有效区块中的交易进行公示。当收款人看到与自己相关的交 易被确认后，就可以认为支付款已到自己的账户，后继就可以 使用这笔钱了。
3区块链中的基本概念
通过对比特币系统的分析可知，区块链是由分布式的各计 算节点通过计算交易记录生成有效区块，然后向其他计算节点 广播此区块，其他计算节点验证收到的区块的有效性进行验 证，验证通过后将其链接到区块链的主链上。接下来，各计算节 点更新交易记录，开始竞争计算新的区块。下面对其中涉及到 的交易记录、区块结构、区块的计算和区块的有效性等基本概 念进行介绍。
3.1交易记录
每一笔交易记录了付款人代号、收款人代号、交易金额和 资金来源等。每笔交易的发起人，除了将本笔交易发送给收款 人，同时还会复制该交易发送给其他计算节点。收到交易的计 算节点首先验证该条交易数据的有效性，通常按照预定义的语 法规范、数据结构、输入输出、数字签名来验证交易记录的有效 性。如果有效，则暂存到自己的存储池中，并向相邻节点转发; 如果数据无效，则立即丢弃该条交易，以防止无效交易在网络 中继续传播。
交易发起者对交易数据进行广播，但不要求保证每一个计 算节点均要收到，只要有足够多的节点做出响应即可放入区块 中进行计算，从而被记入区块链账本中。未成功接受该条交易 的计算节点可以从邻近节点下载该条交易。
3.2 区块结构
图1
区块内部结构
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计算节点会从存储池中取出近期未被计算的交易记录，放 入区块中。一个区块由两部分组成:区块头和区块体。区块头中 包含当前版本号、前一区块地址、当前区块的目标哈希值、一个 随机数幸运值以及时间戳等信息。区块体包含本计算节点此次 取出的交易记录和交易数量。如图1所示。3.3区块的计算
计算节点会将近期未记账的交易，封装到一个区块中，并 对其进行计算，生成一个有效区块。其中计算流程如图2所示。首先，计算节点将各条交易分别进行哈希运算，将不同长 度的原始交易记录转换为固定长度(256b its )的二进制数。比特 币之所以会选择哈希函数是因为哈希函数存在许多适合存储 区块链数据的优点：（1)单向性:经哈希运算，输出值很难反推 输入值。（2)定时性:任意长度的输入，其哈希运算的时间几乎 相同。（3)定长性:任意长度的输入，经哈希运算，都得到相同长 度的输出（4)随机性:输入即使相差一个比特，经哈希运算，其 输出也会明显不同气
接着，计算节点对区块体中的交易记录的哈希值进行分组 哈希，将新生成的哈希值插入到M e r k le 树中，依此递归计算出 这些交易记录的根哈希值，即为区块头的M e r k le 根值。选用
M e r k le 树递归计算，一方面大大提高了区块链的运行效率和可
扩展性，因为这使得区块头不必包含所有交易记录，只需包含
M e r k le 根值即可;另一方面简化了支付验证过程，即在不完整 计算区块中的所有交易记录的情况下，也可以完成交易验证。 当需要校验某笔交易时，可以沿该交易上溯到M e r k le 根值的分 支来快速验证交易的正确性。因此，在由n 个交易组成的区块 中，验证任一交易的算法复杂度为log2n 。
最后，通过求解一个随机数，使得其与区块头中的上一区 块地址和M e r k le 根值的哈希函数值小于或等于某一目标哈希 值，将此随机数计入区块头。至此，一个区块的计算完成。
图2区块的计算流程
3.4区块的有效性
当一个计算节点生成一个有效区块后，会立刻将此区块向 其他所有节点广播。其他节点通过验证该区块中以下三项信息 的有效性，来决定是否接受该区块。
(1)
区块编号的有效性。区块头中“上一区块地址”、“交易 记录的M e r k le 根值”和随机数的哈希函数值应小于或等于设定
的目标哈希值。(2) 区块的前一区块有效。将区块中的“上一区块地址”和 该计算节点目前保存的区块链中的最后一个区块地址进行对
比。如果相同则确认。如果不同，则顺着已有区块链向前依次比 较，直到找到这个地址的区块。如果没有找到指定的“上一区块
地址”对应的区块，则这个计算节点就会将此区块丢掉，不予确 认。
(3)交易清单有效。即要确认本区块中的每笔交易的付款 方是否有足够的余额供支付。由于每笔交易信息里包含支付款 的来源，因此通过确认这笔交易是否存在，以及是否已支付给 他人，如此即可确认本笔交易的有效性。
如果三者同时满足，则将该区块加入到当前区块链主链的 末尾。各计算节点更新区块中的交易记录，开始竞争计算新的 区块。
4区块链中的关键技术
在比特币的运行机制中，各计算节点散布于全球，以分布 式并行方式计算交易记录，并维持同一区块链。下面对区块链 中，计算节点的组网方式、区块的链接方式以及如何保证数据 的一致性和不可篡改性等关键技术进行分析研究。
4.1对等组网方式
在区块链系统中，采用对等网络的组网方式[3]。计算节点分 散于全球、高度自治、可自由决定加入或退出区块链。整个区块 链系统中，不存在特殊节点、中心节点以及层次结构。每个节点 均具有网络路由、区块有效性的验证、传送区块数据、发布新节 点的权利和义务。每个节点分布式地存储并维持着最新的整个 区块链数据，因此即使部分节点故障，只要存在一个节点正常 运行，就可以恢复区块链主链的全部数据，从而不影响后继区 块数据的记录与更新。4.2链接方式
当生成一个有效区块，且被其他矿工确认有效后，就可以 链接到当前区块链的末尾，形成新的区块链主链。但区块链并 不完全以线性方式延长，有时会出现分叉。这是因为区块链系 统中，各计算节点是以分布式并行计算来争取记账权的，所以 可能会出现短时间内有两个计算节点同时生成有效区块。此 时，区块链系统选择将两个有效区块都链接到当前主链的末 尾，这就形成了分叉。针对这种情况，区块链系统规定，当主链 分叉时，计算节点总是选择链接到当前工作量证明最大化的备 选链上，形成更长的新主链。
4.3基于工作量证明的共识机制
在完全去中心化的区块链系统中，如何保证各节点维持区 块链数据的一致性和不可篡改性，是一个关键问题。比特币系 统中的区块链技术，采用了基于工作量证明的共识机制，通过 在区块计算中加入算力竞争，从而使分布式的节点可以高效地 达成共识。具体做法是在区块计算的最后一步，要求解一个随
机数，使区块的哈希函数值小于或等于某一目标哈希值，从而 大幅提高计算难度。通常目标哈希值由多个前导零的数串构 成。设定的前导零越多，目标哈希值设定的越小，找到符合条件 的随机数的难度就越大。比特币系统通过调整目标哈希值，通 常将区块的生成时间控制在10分钟左右。
各计算节点通过算力竞争记账权，那么任何企图推翻之前 已被记账的区块的攻击，都必须重新计算该区块以及其后的所
有区块的哈希难题，并且计算速度能够超过目前主链。然而，部
署如此精湛的算力，不如做“良民”老实“挖矿”以获得比特币报
酬。因为攻击成本已远超其收益。5结束语
（下转第45页）
管理者，对生产状态进行检测，包括实时监控、历史数据查询汇 总和分析、危险情况的发展趋势分析等等，一般采用比较直观 的图表显式地展示出来;预报功能是发出警报，包括通过短信 息、电话、电子邮件等方式将报警信息传递出去。
3安监领域的应用
无线传感设备由于布局比较灵活，所以可以很方便地配置 在应急救援活动中，传感器向服务器发送检测数据，服务 器端根据传感器发来的现场准确数据，为现场提供警示或者为 现场救援活动提供准确的帮助，最大程度降低救援人员的风 险。例如，传感器可以应用于井下、煤矿、管道等监控环境中，由于井下工作的环境非常复杂、安全性存在各种隐患，所以必须 对井下人员的工作面进行控制，实现良好的人员定位，有了无 线传感器网络以后就可以达到这个目的，将工作面相关区域的 各种温度、湿度等参数发送给服务器，保障工作面的工作人员 人生安全，一旦出现风险可以及时通知他们撤离。
在井下工作中，瓦斯气体易燃易爆，需要对其浓度要进行 重点监测，在这样的环境中，使用人来做监测，风险大、难免出 现遗漏，而且有些工作环境而不适合人长时间工作，这时，如果 用无线传感器的话，它们在恶劣的环境中长时间的工作，可以 保证对井下不间断的监测，及时将相关数据发送给服务器，及 时提供相关信息给工作面的人员，保证瓦斯浓度得到监视和控 制，最大程度上避免事故的发生。
在抚顺耐火砖厂的工程项目中，成功地将传感网络应用于 安全监控领域。厂区的供电、空调、消防等设备需要为网络提供 一个正常的运行环境，需要监控视频、红外、温度湿度、烟感、易燃易爆气体等。如果发生故障，将影响整个系统的运行，造成设 备的损坏，以至于引发安全事故，导致人员伤亡，因此，无线安 监设备必不可少，通过报警器、语音报警提示、短信息等方式可 及时为厂区安全性提供有力的保障。
4结语
本文探讨了传感网络在安全生产领域的应用，目前，传感 网络也越来越受到企业重视，安全生产关系到企业的发展，关 系到企业员工的生命安全，关系到社会民生，因此，必须严防死 守，防患于未然。
传感网络的出现，弥补了人力监控的不足，可以大幅度提 高企业安全生产监督和管理的能力和水平，促进生产，减少事 故的发生。
参考文献：
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[6] 张平安.基于无线传感器网络的新型智能煤矿安全监控系统的设计.科研.2016.10
作者简介：
申鸿烨（1973-)，男，河北省内丘县人，硕士，副教授，研究方向：远程教育、云计算、大数据。
(上接第105页）
随着比特币、以太币等数字货币的兴起，区块链作为它们 共同的技术基础，已成为学术界和产业界高度关注的焦点。区块链技术所具备的去中心化、不可篡改性、用户身份隐私性等 特点，可使其在数据存储、金融交易[4]、资产管理、选举投票等领 域有较好的应用前景。(4):481-494
[3]朱岩，甘国华,邓迪等.区块链关键技术中的安全性研究[].信息安全 研究，2016,2(12): 1090-1097
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参考文献：
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[2] 袁勇,王飞跃.区块链技术发展现状与展望[].自动化学报,2016,42
作者简介：
马莹莹（1988—)，女（汉），河南漯河人，助教，硕士，主要研究方向 为云计算、大数据、区块链；王哲（1986-)，女，汉族，河南南阳人，助教，硕士，主要研究方向为自动化，仿真与虚拟制造。下载本文
