文 献 综 述

一、背景

区块链(Blockchain)是一种由节点参与的分布式数据库。区块链的核心优势是高度透明、去核心、集体维护、去信任、不可更改和伪造，这使得节点在无需信任的分布式系统中能够进行去中心化的点对点交易，从而解决了交易场景中普遍存在的高成本、低效率和数据存储不安全等问题。随着互联网经济的发展和比特币的兴起，区块链技术的研究和发展也呈现了井喷式增长。这种区别于传统的数据记录方式，有望改变人类社会的活动形态,并实现向价值互联网的转变。在现货交易中，电子仓单交易场景涉及：生产厂商、仓库、参检单位、交易平台、物流、金融机构，需要各方共同参与。同时，也存在着仓单信用不足和商品溯源困难两大行业痛点。所以为了能够有效解决这些问题，引入了区块链技术。

二、国内外研究状况

目前，以比特币为核心的区块链技术应用发展迅速。2009年，中本聪发布了比特币软件，他形容到”这是一种真正的能够在线付款尔不用经过金融机构点对点的电子货币。”2013至2014年间Vitalik Buterin提出了以太坊的概念，意为”下一代加密货币与去中心化应用平台”，并在在2014年通过网络群众募资得以开始发展。2016年，IBM牵头成立了hyperledger项目，目前有150 成员，发展迅速。在国内，区块链技术首次被列入《国家信息化规划》。《规划》中提到，”十三五”时期，全球信息化发展面临的环境、条件和内涵正发生深刻变化。同时，全球信息化进入全面渗透、跨界融合、加速创新、引领发展的新阶段。

三、关键技术

一般说来, 区块链系统由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成。 其中, 数据层封装了底层数据区块以及相关的数据加密和时间戳等技术; 网络层则包括分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制等; 共识层主要封装网络节点的各类共识算法; 激励层将经济因素集成到区块链技术体系中来, 主要包括经济激励的发行机制和分配机制等; 合约层主要封装各类脚本、算法和智能合约, 是区块链可编程特性的基础; 应用层则封装了区块链的各种应用场景和案例。 该模型中, 基于时间戳的链式区块结构、分布式节点的共识机制、基于共识算力的经济激励和灵活可编程的智能合约是区块链技术最具代表性的创新点。

数据层：封装了底层数据区块以及相关的数据加密和时间戳等技术。狭义的区块链即是去中心化系统各节点共享的数据账本。每个分布式节点都可以通过特定的哈希算法和Merkle 树数据结构, 将一段时间内接收到的交易数据和代码封装到一个带有时间戳的数据区块中, 并链接到当前最长的主区块链上, 形成最新的区块。 该过程涉及区块、链式结构、哈希算法、Merkle树和时间戳等技术要素。数据区块:每个数据区块一般包含区块头(Header) 和区块体(Body) 两部分。 区块头封装了当前版本号(Version)、前一区块地址(Prev-block)、当前区块的目标哈希值(Bits)、当前区块PoW 共识过程的解随机数(Nonce)、Merkle根(Merkle-root) 以及时间戳(Timestamp) 等信息。比特币网络可以动态调整PoW 共识过程的难度值, 最先找到正确的解随机数Nonce 并经过全体矿工验证的矿工将会获得当前区块的记账权。 区块体则包括当前区块的交易数量以及经过验证的、区块创建过程中生成的所有交易记录。这些记录通过Merkle 树的哈希过程生成唯一的Merkle 根并记入区块头。

网络层：封装了区块链系统的组网方式、消息传播协议和数据验证机制等要素。结合实际应用需求,通过设计特定的传播协议和数据验证机制, 可使得区块链系统中每一个节点都能参与区块数据的校验和记账过程, 仅当区块数据通过全网大部分节点验证后, 才能记入区块链。组网方式: 区块链系统的节点一般具有分布式、自治性、开放可自由进出等特性, 因而一般采用对等式网络(Peer-to-peer network, P2P 网络) 来组织散布全球的参与数据验证和记账的节点。 P2P 网络中的每个节点均地位对等且以扁平式拓扑结构相互连通和交互, 不存在任何中心化的特殊节点和层级结构, 每个节点均会承担网络路由、验证区块数据、传播区块数据、发现新节点等功能。 按照节点存储数据量的不同, 可以分为全节点和轻量级节点。 前者保存有从创世区块到当前最新区块为止的完整区块链数据, 并通过实时参与区块数据的校验和记账来动态更新主链。 全节点的优势在于不依赖任何其他节点而能够独立地实现任意区块数据的校验、查询和更新, 劣势则是维护全节点的空间成本较高; 以比特币为例, 截止到2016 年2 月, 创世区块至当前区块的数据量已经超过60 GB。

共识层：主要封装网络节点的各类共识算法。如何在分布式系统中高效地达成共识是分布式计算领域的重要研究问题。正如社会系统中民主和集中的对立关系相似, 决策权越分散的系统达成共识的效率越低、但系统稳定性和满意度越高; 而决策权越集中的系统更易达成共识, 但同时更易出现专制和独裁。 区块链技术的核心优势之一就是能够在决策权高度分散的去中心化系统中使得各节点高效地针对区块数据的有效性达成共识。早期的比特币区块链采用高度依赖节点算力的工作量证明(Proof of work, PoW) 机制来保证比特币网络分布式记账的一致性。 随着区块链技术的发展和各种竞争币的相继涌现, 研究者提出多种不依赖算力而能够达成共识的机制, 例如点点币首创的权益证明(Proof of stake, PoS) 共识和比特股首创的授权股份证明机制(Delegated proof of stake,DPOS) 共识机制等。 区块链共识层即封装了这些共识机制。