区块链技术方案浅析

周瑞珍 陈媛 李幼娟

中国人民银行海口中心支行

区块链是一种底层开源技术，具有去中心化、去信任、透明、安全等特点，被视为继互联网之后最有可能引发具颠覆性技术革命和产业变革的技术之一。经过近十年的发展，已经从最初的数字货币领域扩展到社会领域的方方面面，各种各样的区块链技术方案不断涌现。

一、以太坊

以太坊是一个运行智能合约的去中心化平台，用于构建和发布分布式应用。它具备开放通用的特性，且内置有图灵完备虚拟机，可以运用任何货币、协议和区块链。合约执行过程语句占用的CPU和内存消耗Gas，Gas则由以太币兑换而来。以太坊采用公有链，工作量证明(POW)作为共识机制，以太币和比特币一样通过挖矿产生。网络上的每一个节点都可以运行以太坊虚拟机来发布分布式智能合约程序。

以太坊前三个阶段采用的是POW共识机制，为了提高性能、避免挖矿造成的能源浪费，根据规划将于第四个阶段将切换到称为Casper的权益证明（PoS）系统，旨在解决比特币挖矿高能耗等问题。Casper 是一种基于保证金的经济激励共识协议。协议中的节点，作为“锁定保证金的验证人(bonded validators)”，必须先缴纳保证金(这一步叫做锁定保证金，“bonding”)才可以参与出块和共识形成。Casper共识协议通过对这些保证金的直接控制来约束验证人的行为。如果一个验证人作出了让Casper认为“无效”的事情，他的保证金将被罚没，记账和参与共识的权利也会被取消。保证金的引入解决了"nothing at stake"，即经典POS协议中做坏事的代价很低的问题。为了实现平稳过渡，将先使用一个融合POW和POS的Hybrid Casper机制，其原理是利用节点手中的以太币数量，把共识机制分开。持有ETH在1500个以上的，用POS的共识机制挖矿，否则使用POW的共识机制。

二、瑞波币

瑞波币(Ripple)技术是基于区块链技术的跨境支付领域分布式网络。Ripple 系统提供全球统一的网络金融传输协议，支持任何一种货币，用户可以自由使用任何货币完成支付或者兑换。各方参与者拥有相同的一本账本，以 Ripple 作为各种货币兑换的中介桥梁货币，实现实时的点对点跨境支付，无需中心化组织管理，从而加快货币流通的速度，降低了流通的难度，满足跨境电商对支付清算服务的及时性、便捷性需求。Ripple 的主要参与者包括金融机构、流动性提供方(做市商、央行)和运维机构。Ripple Network 负责维护整个交易账簿,接收金融机构发起的交易，获取做市商的报价，并向全网广播。

Ripple平台采用瑞波共识算法，节点分为两类，追踪节点只负责转发交易，验证节点负责验证和生成账簿，每个验证节点都维护一份信任节点列表（特殊节点列表，Unique Node List），只接收列表中节点传递的交易。记账节点基于该列表中其他节点的投票结果验证交易。如果一笔交易获得特殊节点列表中超过 80%的节点认可后，记账节点就将该笔交易记入总账簿。验证交易只需要信任节点列表中的绝大多数节点认可，而非全网共识，因此与联邦民主体制非常相似。与工作量证明机制相比，投票机制更简单，但由于形成了部分的中心化，仍然削弱了系统整体安全性。目前，Ripple 通过监控的方式提高系统的可靠性, 如果特殊节点列表中的验证节点有明显恶意行为，比如对每笔交易都投反对票、持续提交无法通过投票验证的交易等，将有可能被列为安全隐患，甚至从网络中剔除。

三、Hyperledger

超级账本（hyperledger）是Linux基金会于2015年发起的推进区块链数字技术和交易验证的开源项目，是面向企业应用场景的开源分布式账本平台，主要为透明、公开和去中心化的企业级分布式账本技术提供参考，目标是推动区块链和分布式账本的相关协议、规范和标准的发展。

Hyperledger提供多个区块链平台。其中最受关注的是Fabirc，由IBM主力开发，主要用于运行智能合约，用可插拔方式来实现各种商业应用场景。Fabric 区块链采用联盟链结构，可基于Go和Java语言开发智能合约，每秒能够处理超过 1000 笔交易。在权限控制方面，Fabric按照联盟链的思路来设计，对系统中的成员能否发起交易进行了严格的权限控制。系统参与者需要从RA（注册中心）处取得注册许可，然后通过CA（认证中心）颁发的证书来获取交易安全证书。只有被上述注册中心和验证中心签名后的节点才有权力发起交易。

Fabric采用Kalfka共识算法。包括两个应用：Orderer和Peer，其中Orderer负责交易共识并生成区块，Peer节点负责模拟执行交易和记账。共识过程如下：

1.客户端构造交易提案，发送给一个或多个Peer节点。2.Peer节点收到交易提案后，模拟执行交易，将原始交易提案和执行结果打包，进行签名并发回给客户端。3.客户端收到应答，打包组成一个交易并签名，发送给Orderer。4.Orderer对接收到的交易进行共识排序，然后按照区块生成策略，将一批交易打包到一起，生成新的区块，发送给Peer节点。5.Peer节点收到区块后，会对区块中的每笔交易进行校验，检查交易依赖的输入输出是否符合当前区块链的状态，完成后将区块写入账本。

以下对比特币和上述三个区块链解决方案进行比较。

BTC 以太坊 Hyperledger Fabric Ripple区块链技术方案管理机构 所有节点自发运行 以太坊开发者 Linux基金会 Ripple公司授权机制 无授权，公有无授权，可公开，也可私有 有授权，私有 有授权，私有区块链类型 公有链 公有链 联盟链 联盟链采用的共识机制POW POW，Hybrid Casper瑞波共识机制（Ripple Consensus）每秒交易数（TPS） 7 15 PBFT（0.6）Kafka共识算法（1.0）200-2000（0.6）10000（1.0）1500交易确认时间 1小时 15秒 3-6秒；数百毫秒RocksDB/SQLite是否支持智能3-6秒底层数据库 Level DB Level DB Level DB/Couch DB合约不支持智能合约代码（例如，Solidity）不支持智能合约代码（例如，Go、Java）

无需消耗额外电力去中心化程度 完全 完全 部分 部分是否全节点记账能源消耗约为比特币的三分之一无需消耗额外电力每年消耗57.91TWh电力自定义 否开源程度 完全 完全 有开源版本 完全货币 比特币 以太币 无 瑞波币（XRP）建立时间 2009年 2013 年 2015 年 2012年是是