区块链技术综述及铁路应用展望

王成，史天运

（1. 中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081 ；2. 中国铁道科学研究院，北京 100081）

区块链技术综述及铁路应用展望

王成1，2，史天运1

（1. 中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081 ；2. 中国铁道科学研究院，北京 100081）

介绍区块链技术的演进历程，讨论公有链和许可链中代表性平台的技术架构及各自发展趋势，给出公有链在激励机制、效率和安全、隐私保护、交易确定性等方面及许可链在身份认证、系统容量和性能、数据馈送等方面仍存在的问题；总结适合区块链技术的应用具有参与方多、交易复杂、涉及敏感信息传输等特点，在此基础上提出铁路统一身份认证、信用管理、加密数字客票等应用的概念验证模型，以期为未来研究提供参考。

区块链；公有链；许可链；铁路应用；身份认证；信用管理；数字客票

0 引言

近年来，各行业都掀起了研究区块链技术的热潮[1]。密码理论的深层次应用为区块链网络中的交易带来了权威技术保障；嵌入自运行脚本的智能合约使得区块链网络成为一种自动化运行的分布式工作流[2]。但目前区块链技术的发展仍处于起步阶段，存在效率低、资源消耗大等问题，除比特币外，尚缺乏大规模商业化应用，因此深入研究区块链技术原理，探究优化性能、减少资源占用的方法，具有一定的理论价值。

我国是铁路运输大国，铁路客货运输资产众多，近年来各类信息系统的建设也日趋完善，但随着技术的进步，铁路对信息化建设也提出了更加自动化和智能化的要求，如铁路客票系统中采用的旅客证件多达10多种，除二代身份证、学生证等有限几种证件外，大多没有自动化识别证件的设备，人工辨别真伪难度较大，成为实现客票实名制的隐忧；另一方面，铁路客货运输交易过程中因信息不对称产生纠纷仍时有发生，影响铁路品牌形象，如铁路客票系统每年都要升级改造以应对抢票软件和倒票行为的威胁，运营成本高，但据12306客服中心数据统计，每年旅客因售票问题投诉铁路企业的比例占总投诉量的30%～50%。因此，研究利用区块链技术公开透明、全网共识、安全可信等特点，提高铁路自动化、智能化水平，提高交易透明度，从而提升铁路整体社会经济效益，具有重要的现实意义。

1 区块链概述

1.1 区块链技术演进

区块链技术源于Nakamoto S在2008年发表的奠基性论文《比特币：一种点对点电子现金系统》[3]。狭义来讲，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本；广义来讲，区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式[4]。

按照目前区块链技术的发展脉络，区块链技术将会经历以可编程数字加密货币体系为主要特征的区块链1.0模式、以可编程金融系统为主要特征的区块链2.0模式和以可编程社会为主要特征的区块链3.0模式[5]。目前，一般认为区块链技术正处于2.0模式初期。

比特币是区块链1.0模式最早最成功的应用之一，除提供用于数字货币交易的分布式公共账本，还支持有限容量的可编程脚本。区块链2.0模式以提供可编程基础设施为目标，支持在公共账本上保存计算结果，作为可在区块链网络中自动化运行的智能合约（或称链上代码）的引入是一大亮点。智能合约是一段部署在区块链上可自动运行的程序，其涵盖范围包括编程语言、编译器、虚拟机、事件、状态机、容错机制等，以太坊是区块链2.0模式具代表性的应用。

1.2 区块链分类

根据区块链网络中心化程度的不同，分化出3种不同应用场景下的区块链：

（1）全网公开，无用户授权机制的区块链，称为公有链；

（2）允许授权的节点加入网络，可根据权限查看信息，往往被用于机构间的区块链，称为联盟链或行业链；

（3）所有网络中的节点都掌握在一家机构手中，称为私有链。

联盟链和私有链也统称为许可链，公有链称为非许可链。在此分别就2种系统类型的研究现状进行详细讨论。

2 公有区块链系统

公有链中，任何节点无须任何许可便可随时加入或脱离网络。从最早的比特币系统入手介绍公有链系统的发展现状。

2.1 点对点电子现金系统：比特币

与传统分布式系统的C/S、B/S或三层架构不同，比特币系统基于P2P网络，所有节点对等，且都运行同样的节点程序，其技术架构[6]见图1。

图1 比特币技术架构

节点程序总体上分为两部分：一部分是前台程序，包括钱包或图形化界面；另一部分是后台程序，包括挖矿、区块链管理、脚本引擎及网络管理等。

区块链管理：涉及初始区块链下载、连接区块、断开区块、校验区块和保存区块，以及发现最长链条的顶区块。

内存池管理：即交易池管理。节点将通过验证的交易放在一个交易池中，并准备好将其放入下一步挖到的区块中。

邻接点管理：当一个新比特币节点初始启动时，它需要发现网络中的其他节点，并与至少一个节点连接。

共识管理：比特币中的共识管理包括挖矿、区块验证和交易验证规则。目前比特币采用PoW共识机制，依赖机器进行哈希运算来获取记账权，同时每次达成共识需要全网共同参与运算，允许全网50%节点出错[7]。

密码模块：比特币采用RIMEMD和SHA-256算法及Base-58编码生成比特币地址。

签名模块：比特币采用椭圆曲线secp256k1及数字签名算法ECDSA来实现数字签名并生成公钥。

脚本引擎：比特币的脚本语言是一种基于堆栈的编程脚本，共有256个指令，是非图灵完备的运算平台，没有能力计算任意带复杂功能的任务。

2.2 智能合约和去中心化应用平台：以太坊

比特币的区块链架构对虚拟货币以外的应用场景支持非常有局限性，随着区块链技术从比特币中独立出来，其作为可编程的分布式信用基础设施的发展理念被逐渐确立，并过渡到区块链2.0模式，以支持智能合约、去中心化应用为特征。以太坊是区块链2.0模式典型代表，其技术架构[8]见图2。

与比特币相比，以太坊在整体设计上主要有以下不同：

（1）账户：比特币没有账户概念，用户余额是从各自在区块链上所有未花费交易输出（Unspent Transaction Output，UTXO）[9]计算得来。以太坊则设计了两种用户，一种是外部账户，一种是合约账户。根据状态机模型[10]，以太坊可视为一个通用的管理对象状态转移的去中心化平台，账户就是有状态的对象。外部用户的状态就是余额，合约账户的状态包括余额、代码执行情况、合约的存储等。

（2）区块链设计：以太坊的区块链不仅保存交易清单，还保存最新状态，单纯的Merkle树已无法满足这些要求，因此以太坊采用Merkle Patricia树实现对交易和状态的校验和查询。

（3）共识机制：以太坊目前版本采用基于Ethash算法的PoW共识机制，相对于比特币仅依靠CPU计算难度问题，以太坊的Ethash加入内存难度，并引入有向无环图（Directed Acyclic Graph，DAG），避免了矿池算力集中的问题。同时，以太坊采用GHOST（Greedy Heaviest Observed SubTree）协议同时给产生“叔区块”的矿工和将“叔区块”包含进主链的矿工奖励，不仅增强了安全性，还进一步避免了算力集中问题。以太坊下一版本将采用PoS共识机制。

图2 以太坊技术架构

（4）图灵完备的计算环境：通过以太坊虚拟机（EVM）提供图灵完备的计算环境，用于支持除虚拟货币外更广泛的应用场景。但图灵完备同时意味着对无限循环、递归调用等语句的潜在支持，这也带来了停机问题（不存在一个通用的图灵机来判定任何输入的图灵机是否最终能停机），以太坊通过引入燃料（Gas）作为强制交易费，不提供燃料的交易不会被执行，也不会被包含进区块，燃料不足的计算将被终止，这样，通过经济的方式来保障平台的安全。

（5）P2P网络：以太坊网络节点采用ÐΞVp2p（以太坊P2P网络平台）线上协议通信，节点间采用RLPx编码及认证的通信传输协议来传输消息，采用RLPx的发现协议实现邻接点的发现，采用RLP实现二进制数据任意嵌套数组编码。DAPP间的通信采用Whisper协议，该协议主要针对多播和广播场景进行优化。而Swarm是一个P2P文件存储和传输协议，专门针对静态网页内容的托管设计，其上的每块内容将被存储在P2P网络并通过其哈希值寻址，相对IPFS，Swarm主要特征是沿用了以太坊的激励机制[11]。

2.3 公有链系统存在的问题

（1）激励问题：为促使全节点提供资源，自发维护整个网络，公有链系统需设计激励机制，以保证公有链系统持续健康运行。但比特币的激励机制存在一种“验证者困境”，即没有获得记账权的节点付出算力验证交易而没有任何回报。

（2）效率和安全问题：比特币目前平均每10 m in产生1个区块，且其PoW机制很难缩短区块时间，PoS相对而言可缩短区块时间，但更易产生分叉，所以交易需要等更多确认才被认为安全，Gervais A等[7]的试验得出：在假设各有30%算力的前提下，以太坊需要37个区块的确认才能达到比特币6个区块确认的安全水平。一般认为，比特币中的区块经过6个确认后才是足够安全的，这大概需要1 h，对于大多数企业应用需求来说根本无法满足。

（3）公有链面临的安全风险：包括来自外部实体的攻击（拒绝服务攻击DDoS等）、来自内部参与者的攻击（冒名攻击Sybil Attack、共谋攻击Collusion Attack等）及组件的失效、算力攻击等。

（4）隐私问题：目前公有链上传输和存储的数据都是公开可见的，仅通过“伪匿名”的方式对交易双方进行一定隐私保护。对于某些涉及大量商业机密和利益的业务场景来说，数据的暴露不符合业务规则和监管要求。

（5）最终确定性（Finality）问题：交易的最终确定性指特定的某笔交易是否会最终被包含进区块链中。PoW等公有链共识算法无法提供最终确定性[10，12]，只能保证一定概率的近似，如在比特币中，一笔交易在经过2 h后可达到的最终确定性为99.999 9%[13]，这对现有工商业应用和法律环境来说可用性较差。

3 许可区块链系统

由于公有链系统存在效率和交易最终确定性的不足，不能满足大多数商业应用的需求，许可链的概念逐渐从公有链系统中脱颖而出，如Ripple[14]、Corda[12]、Fabric[15-16]等平台。以Fabric为例进行介绍。

3.1 通用许可链模型：Fabric

Fabric是Linux基金会发起的超级账本（Hyperledger）项下的孵化项目，采用模块化架构，提供可切换和可扩展的组件，包括共识算法、加密安全、智能合约和身份鉴权等服务，力图解决公有链中吞吐量低、无隐私性、无最终确定性及共识算法低效等问题，采用用例驱动的设计原则，便于开发商业应用，其逻辑架构见图3。

图3 Fabric项目逻辑架构

节点类型：Fabric节点按照状态机模型[10]设计，包括身份服务节点、验证节点、非验证节点和应用节点。身份服务节点负责发放和管理用户及组织的身份；验证节点负责创建和校验交易，并维护智能合约的状态；非验证节点负责接收客户端的请求，组装交易，并发往验证节点处理；应用节点提供客户端（流量器或移动设备）后台服务，收到交易请求后发往验证节点处理（或经由非验证节点）。

身份服务：是许可链区别于公有链的典型特征，参与者和对象在Fabric中都有明确的身份信息，且参与的组织、验证者和交易者都有确定的权限级别。

策略服务：Fabric通过独立的策略服务提供系统的配置和管理，包括访问控制、授权管理、成员加入和退出策略、共识策略等。

区块链服务：包括P2P协议组件、分布式账本组件、共识管理器组件和账本存储组件。分布式账本组件维护区块链数据，使各节点状态机维持相同的状态；共识管理器支持共识模块的切换，实现不同应用场景的适应性；账本存储组件提供链外数据的持久化能力，并在链上保存文件的哈希值，保证链外数据的完整性。

智能合约服务：Fabric的智能合约是一种分布式交易程序，在验证节点上运行，执行特定的业务规则，更新账本状态，分为公开、保密、授权访问3种类型。

交易流程：Fabric的交易分为部署智能合约和执行智能合约。智能合约部署过程由应用节点通过API提交应用代码到验证节点开始，验证节点确认代码有效后，将该代码同步分发到其他验证节点。

3.2 许可链系统存在的问题

（1）身份认证：许可链需要提供身份和访问管理（Identity Access Management，IAM）功能。许可链身份识别过程由两部分构成：一是身份验证，一般需要一个外部机构来检查参与方的身份信息，如银行账户或护照；二是将身份信息与其后续进行的行动关联到一起。身份识别和验证是企业了解客户（Know Your Custom，KYC）、避免卷入非法交易、更好服务客户的基础。

（2）可扩展性、吞吐量和交易延迟：对于满足数字货币应用的公有链，扩展性的问题没有那么严峻，但对于企业级应用的许可链，对高扩展性、高吞吐量和低延迟都有很强烈的需求。

（3）数据馈送机制：面向工商业企业应用的许可链比公有链对现实世界中可信数据的交互需求更加强烈。通过引入外部可信数据，引导智能合约的执行，是目前的一个研究热点，通常称为数据馈送（Data Feed）机制。

4 铁路区块链应用展望

区块链系统具有分布式高冗余存储、时序数据且不可篡改和伪造、去中心化信用、自动执行的智能合约等特点，基于区块链的应用系统应有以下特征：

（1）多方参与。在多方参与体系中，区块链的去中心化特质可发挥极大应用潜力，体现出区块链技术的必要性，典型应用为支付体系、数字货币体系等。

（2）复杂交易。在复杂交易条件下，区块链的自动化、不可篡改特质带来的错误率降低会产生价值，如用于证券交易清算中。

（3）敏感信息传输。在需要传输敏感信息时，区块链在传输上保密性和灵活性并重的特质具有独特优势，如在健康保险领域的应用，保险公司用于钻石追踪实现反欺诈。

（4）大量高频交易。量大且高频的交易通常出现在碎片化、场景化的业务模式中，对响应速度和误差率要求高，区块链的即时计费、对账、数据交易可突显价值。

4.1 铁路客运链设计

铁路客运设施包括站段、铁路局、中国铁路总公司（简称总公司）三级架构，客票计算资源分布在各铁路局和总公司级关键节点，具有典型的分布式特征，参考上述区块链典型架构可设计一种许可链：铁路客运链，主要元素如下：

（1）计算节点：包括总公司、客运服务提供单位、技术服务单位等，在建链之初根据单位属性配置在系统中，后续可根据实际业务调整，计算节点主要完成资产发布、资产评估再发布、交易验证、更新区块等。

（2）交易节点：包括各客运车站、代售点、旅客的轻客户端等，交易节点主要发起交易、交易验证等，旅客的轻客户端可以只存储跟自身有关的交易，同时保存个人身份信息。

（3）可编程资产：主要为铁路客票，进一步也可包含高铁快运等。

（4）链上代码：由客票交易组成，可涵盖当前的售、退、改、补等业务。

（5）成员管理：实现旅客统一身份认证和检验、计算节点和交易节点的配置管理。

4.2 统一身份认证

中心化的身份认证系统通过第三方收集并控制大量的身份信息，既存在监管和安全隐患，还有以下隐私数据泄露风险：

（1）无法保证数据权利归属；

（2）缺乏数据透明性和可审计性；

（3）缺乏数据访问的细粒度控制。

通过将用户身份信息的摘要保存到区块链上，可实现用户身份的本地存储、链上校验，而不需要出示原始身份信息，为用户隐私提供更好的保护。Faísca J G等[17]提出一种基于WebID、JWT（JSON Web Tokens）和区块链的身份认证方案，实现基于NameCoin区块链的去中心化身份管理，其中，区块链用来实现注册用户的WebID和域名。Zyskind G等[18]利用区块链作为自动化访问控制管理器，确保用户拥有并控制自己的隐私数据，用户数据本地保存，加密数据链下存储器保存，摘要数据链上保存。外部服务需要访问用户数据时只能得到数据摘要信息，实现一事一授权。

基于铁路客运链的成员管理模块完成身份管理功能。旅客购票前，将实体身份证件信息的数据指纹保存在身份链上，链上的身份指纹只能由持有私钥的旅客本人修改，实体身份信息只保存在旅客本地轻客户端。旅客身份信息可包括身份证图像、姓名、出生日期、地址、生物特征、社交账号、社保信息、医疗健康信息等。利用零知识证明[19]技术，当需要验证旅客身份时，旅客只需将验证项的数据指纹信息、链上公钥地址通过二维码形式展示给验证者，验证者寻址后与链上指纹信息对比即可得知正确性。

4.3 信用管理系统

随着铁路自助服务的普及，出现了“买短坐长”“买两端坐全程”及网络黄牛利用虚假信息注册倒票、冒用他人信息囤票占票、车上“碰瓷”等现象。由于全社会的征信体系尚未建立，对这些不诚信行为的处罚往往具有局部性，不能起到很好的威慑作用。Dennis R等[20]利用电子商务环境中交易评价数据，提出基于区块链技术的新一代信用管理系统，试图解决传统信用管理系统中的人证合一难以实现、信用难以量化、评价精度难以提高等问题。

参考以上，可建立一套半封闭半开放的社会信用管理许可链系统，由社会服务提供机构（公安、工商、银行、铁路、民航等）组成授权写入节点，商业组织和个人客户等社会信用单位组成只读节点，社会信用单位的信用事件由社会服务机构评价、写入区块链，并全网广播、社会共享，共同鼓励诚信行为、惩戒不诚信行为。如铁路运输企业在旅客购票、验票、检票、乘车、投诉等作业过程中对旅客全程评价，将失信旅客名单公布到区块链上，同时也从链上获取全社会信用单位信用评分，对信用评级高的个体给予购票优惠，对较差的个体可采取限制消费、加强安全监控等措施。形成全社会信用体系，加大个体的不诚信成本，加快信用社会和诚信社会的建设。

4.4 加密数字客票

与传统客票和电子客票不同，加密数字客票是以区块链为技术基础，具有电子客票的基本属性和特点，并运用区块链技术特点进行创新的一种客票形式。数字客票可加快推进铁路客票系统由集中式向去中心或多中心化发展，客票信息的分布式存储有助于提升客票信息的安全性和可容错性；其时间戳可实现数据信息的不可篡改、不可伪造和可追溯性；其非对称加密技术可将售票过程中的摩擦降到最低，在实现数据透明、保障实名制的前提下保护旅客隐私；其智能合约的应用，将提高客票交易、查验、检票作业的自动化和智能化水平。

加密数字客票的主要作业过程设想如下：

（1）发布过程：列车开行计划的编制、运行图调整等工作仍按照既有方式在链下完成；列车开行计划确定后，将生成待发布的铁路客票资产；发布过程也是资产定价过程，由计算节点完成。

（2）交易过程：数字客票发布后即可进行交易，交易过程以智能合约打包进区块，供计算节点和交易节点确认；获得某张客票意味着持有该车票的私钥。

（3）检验过程：包括对车票和持有者身份的双重检验。同样利用零知识验证工具，为车票和旅客身份的信息项开发验证接口，可实现车票和旅客身份的快速检验。

5 结束语

纵观区块链的发展历程，其已从最早的“为币而生”逐渐发展成为贯穿信用、银行、保险、交通等各行各业的“革命者”，但仅憧憬其光明前景并无法解决其发展过程中仍面临的诸多问题。公有链系统的安全、隐私保护、算力集中、资源浪费，许可链系统的身份认证、扩展性、系统容量和性能、数据馈送机制等都仍需进一步开拓研究。

展望铁路应用领域，统一身份认证、信用管理系统、加密数字客票将有可能率先突破，实现区块链技术的应用落地。但目前这些应用系统仍处于概念验证阶段，距工程化实践还有较大差距，通过其设计思路、业务流程等的分析研究，以期为未来研究提供有益的启发与借鉴。

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Technical Review o f Block Chain and Prospects o f Its Application on Railway

WANG Cheng1，2，SHI Tianyun1
(1. Institute of Computing Technologies，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

the paper introduces the evolvement of block chain technology, discusses the technical frames and their respective development tendencies of representative platforms in the public chain and permission chain,raises questions on the public chain in terms of incentive mechanism, efficiency and safety, privacy protection and transaction determinacy, etc., as well as on the permission chain in terms of identity authentication, system capacity and performance and data feeding, etc.; besides, the paper summarizes the application features of the block chain, e.g. multiple participants, complex transaction, involving sensitive information transmission, and on this basis, the paper puts forward a model of proof of concept including railway unified identity authentication,credit management and encrypted digital, etc., to provide references for the study in the years to come.

block chain；public chain；permission chain；railway application；identity authentication；credit management；digital ticket

TP399

A

1001-683X（2017）09-0091-08

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.091

王成（1980—），男，副研究员，博士研究生。

史天运（1967—），男，研究员。E-mail：tyshi@rails.cn

责任编辑 高红义

2017-05-31