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【科技】一文看懂区块链

  区块链(blockchain)作为比特币的底层技术近年来受关注程度日渐增加,其去中心化的分布式数据库存储结构有着广阔的应用场景。

  越来越多的人渴望了解区块链的本质,这里我们通过一些简单的介绍,让大家更直观的了解到区块链究竟是什么?

  狭义上讲,区块链是一种按照时间顺序将数据区块以链条的方式组合成特定数据结构,并以密码学的方式保证其不可篡改、不可伪造的去中心化共享总账(Decentralized Shared Ledger),能够安全存储简单的、有先后关系、 能在系统内验证的数据。[1]

  广义上讲,区块链技术是利用加密链式区块结构来验证和存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用自动化脚本代码(智能合约)来编程和操作数据的一种全新的去中心化基础架构和分布式计算范式。[2]

  区块链是一种分布式数据存储结构,没有中心节点,所有节点都保存全部的相同的区块信息,完全实现去中心化。对于特殊的应用场景,能适当地采用弱中心化的管理节点,即中心节点不影响整个区块链结构的运行,比如弱中心化的监督管理机制;若从安全角度来说,弱中心化结构中的中心节点要满足对于区块链的安全不构成威胁,对用户隐私不构成威胁等。

  一方面,区块链中存储的交易信息每一条都有相对应的Hash值,由每一条记录的Hash值作为叶子节点生成二叉Merkle树,Merkle树的根节点(Hash值)保存在本区块的块头部分,区块头部除了当前区块的Merkle树的根节点,还要保存时间戳以及前一个区块的标识符(Hash指针)形成一条链式结构。

  因此,要想篡改区块链中的一条记录,不仅要修改本区块的Hash值,还要修改后续所有区块的Hash值,或者生成一条新的区块链结构,使得新的链比原来的链更长。实际上,这是很难实现的。一般,一个区块后面有6个新的区块生成时,即可认为该区块不可篡改,可以将该区块加入到区块链的结构中了。

  区块链保存的交易数据中不仅含有Hash值,还有交易双方的签名以及验证方的签名。签名具有不可伪造性,因此具有不可伪造性。

  可验证性指的是数据来源的可验证。每一笔交易中数据的产生和输入、输出都是可以验证的。目前,为了能够更好的保证用户的隐私,很多交易在数据可验证的情况下,尽可能地切断用户实际身份的可追溯性。

  区块链中的匿名性其实就是一种伪匿名性。区块链中使用假名技术来切断账号和实际身份的联系。比如,对用户公钥进行一系列的Hash运算,得到的固定长度的Hash值作为对应的电子账号。

  实际上,随着使用次数的增加,通过数据分析可以分析出账号的很多交易行为,比如经常和那些账号做交易,交易金额多少等,还可以和现实中的实际身份相联系。

  区块链技术脱胎于比特币,区块(Block)和链(Chain)作为比特币系统的核心技术被提出来,至今可分为3个阶段[3]:

  最具有代表意义的就是比特币了,其以区块链作为底层技术,是区块链最初始的应用。

  代表产品有2014年7月的Ethereum(以太坊),其将智能合约理念推进到了极致,还有2015年3月的Factom(公正通)以及国内的太一系统等。

  DAO、DAC指区块链自治组织、区块链自治公司。这一阶段是区块链技术大范围的应用于我们正常的生活和生产的每个方面,区块链被人们广泛接受,比如区块链应用于能源互联网的能源区块链,区块链应用于医疗事业的医疗区块链等。

  我们整理了区块链层次结构的三种分法,第一种是比特币系统将区块链分成6层结构:数据层、网络层、共识层、合约层、激励层、应用层。其架构图如下:

  第三种是北航链将区块链分成6层:存储层、基础区块链层、缓存层、API层、链上代码层、应用层。其架构图如下:

  区块链中的数据结构根据不同的应用会不一样,但大多数都是由区块头(块头)和区块体(块身)组成。

  区块体保存的是若干条记录以及由每条记录的Hash值构成的二叉Merkle树。区块头一般来说包括版本号、前一区块的Hash值(Hash指针)、随机数、目标Hash(本区块的Hash值)、Merkle根,有时还会有用于PoW的计算困难门限值Difficulty等。

  根据不同的应用,块头和块身的数据项也会有所不同。依据需求,可以建立单链结果,还可以建立双链结构。下面是一个单链结构的简单的区块数据结构图:

  区块链由于其结构特点有着广阔的应用前景。最早,区块链作为比特币的核心技术被提出来。随着区块链的发展,尤其是与智能合约的结合,区块链技术的应用早已不再仅仅局限于数字货币等金融领域。

  区块链除了应用于金融领域(如Bitcoin, Monero, Zcash)外,还能应用于能源互联网(能源区块链)、医疗事业(医疗区块链)、学术界学术记录、供应链管理、共享自行车、云存储等。

  东方驿站于2019年4月,联合行业头部企业发起了中国首个“区块链+IOT”挂车联盟链,利用区块链、大数据等技术有效的保证物联网设备采集数据的真实性,将原有各个企业割裂的数据来进行共享,完善整个挂车生命周期管理的数据链条。

  挂车、集装箱等甩挂运输装备从生产、运营、维保、年审等整个生命周期中产生的一系列历史记录,包括制造商如车辆识别号、牌号、车辆制造日期等数据,可对车辆信息进行基础识别;保险公司则需挂车的维修、保养数据来评估车辆残值、做出再流通定价;运输公司则有获取大量司机驾驶数据的需求;维修公司则需要获取车辆运行里程、配件有效期等已维修数据;租赁运营公司获取车辆使用数据、维保数据、驾驶行为等信息进行挂车的定价及挂车运营。

  了保证挂车从生产出厂、流通、维保到整个生命使用周期中的所有数据的不可篡改性,东方驿站结合挂车运营的需求和区块链的不可篡改的特性,推出挂车全生命周期全流程的区块链应用联盟链——“挂链”。

  通过智能合约实现数据上链,“挂链”中的各个节点能够得到挂车整个生命周期中的数据,同时各个节点的数据传输及使用获取相互之间不会因某个节点不工作而断点,确保链上数据真实性、不可篡改性。

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