区块链技术解析与应用

1前言

1 Foreword

区块链的概念从技术维度来讲，是一个去中心化的共享账本或数据库，通过分布在全球的多个节点，存储按照统一共识规则进行修改的多个数据备份，来确保数据的安全与可信。从应用维度来讲，是一种依赖机器与算法的新型信任构建模式、技术体系与基础设施，在这种新型的信任模式下，可以重构以往依赖于人的诸多的社会活动关系。区块链改革的目标是目前体量巨大的互联网经济，使重构互联网新兴生态成为可能。区块链的运行完全基于计算机和算法，不会受到不稳定特征的人的意识、情绪的影响，是一种基于高信任度的技术体系，是一种以技术为支撑的思维模式。区块链是用于智能社会关系构建的技术，提供了一种新型的信任构建模式：不再依赖于人，而是基于计算机和算法来构建信任。因此，在以社会关系构建领域和需要信任的场景，都是区块链可以探索的应用场景。同时，从区块链底层技术看，是一个分布式的共享数据库，数据一旦被记录，就永久存储且不可更改，这使区块链在需要数据共建共享、解决信息孤岛的领域、需要数据证明与历史查询的领域，都可能成为应用场景。目前在全球范围内，区块链技术在信息共享、鉴证证明、数字政务、数字资产、物流链、供应链、支付、代币等领域都具备完整可行的应用解决方案，在我国金融、电力、医疗、物流等领域也都在积极探索区块链在行业内的应用。广播电视业务体量庞大，基于社会活动关系，有巨大的数据安全可信需求，我们不得不深入思考区块链技术在广播电视行业的应用场景。

The concept of block chains, in terms of technological dimensions, is a decentralised shared book or database, stored in multiple data backups adapted to the uniform consensus rules through multiple nodes distributed around the globe. The application dimension is a new model of confidence-building, technological systems and infrastructure that relies on machines and algorithms, and that, under this new model of trust, can rebuild many social activities that previously depend on human beings. The goal of block-chain reform is the current large Internet economy, making it possible to reconstruct the emerging ecological aspects of the Internet. The sector’s functioning is based entirely on computers and algorithms, free from the consciousness and emotional influence of people with unstable characteristics, is a technology based on high confidence, a technology based on technology, a technology based on technology that provides a technology for intelligent social relations, provides a new model of confidence-building: no longer on people, but on computers and algorithms to build confidence.

2区块链体系架构

Structure of the 2-block chain system

区块链技术与传统的IT技术在架构上、体系上、具体特征上的一些不同特点，使区块链具有了传统IT技术不具备的新的应用领域和特性。此前，云计算促成了数据与应用的进一步集中，使互联网的寡头垄断进一步加剧。而区块链则与这个趋势相逆，区块链需要数据与应用的分布式存储与计算，并反对数据由单一主体控制和垄断。

Block chain technology and some of the different structural, systemic, and specific features of traditional IT technology have given the block chain new applications and characteristics that traditional IT technology does not possess. Previously, cloud computing has led to a greater concentration of data and applications, further exacerbating the oligopoly of the Internet.

2.1P2P+分层网络架构

2.1 P2P+ stratification network architecture

区块链的技术架构，可以简单描述为是P2P+分层网络架构的结合体。区块链的数据是由全网具有对等关系的所有节点共同存储与处理，并且每个节点所存储的数据完全一样，所有节点软件的处理逻辑也一致。区块链中，没有任何一台或一组计算机（只要不超过全网50%的算力）有能力独立控制整个网络的数据处理。P2P架构的一个突出优势在于高安全性。在传统中心模式下通过攻击单一主机，就可以使对应的互联网平台崩溃或停止服务，在区块链架构下就不存在这样的风险。比特币从2008年开始运行以来，至今没有发生重大的网络安全事件，这从侧面验证了区块链技术的高安全性。区块链采用的P2P架构对数据的超高冗余存储，使得在区块链上存储数据变得相当昂贵，因而在区块链上存储的数据一般要求是高价值的数据。对区块链的软件开发而言，其架构是一个分层架构。包括提供底层数据存储的基础层、面向应用定义数据处理核心逻辑的合约层、面向具体应用处理的应用层和解决客户交互与应用呈现的接入层。区块链的分层架构，使区块链的应用开发具有很好的可扩展性、开放性，因而能适应多种应用场景，成为一种新型的软件开发架构。区块链技术为用户、投资人、专业团队构建新型价值共同体的生态体系奠定了基础，将推动传统B2B/B2C/C2C合作模式发生变革。图2所示是区块链的基本分层结构。其中，数据层以高成本的P2P分布式数据库为基础；持久层以公开透明、分布式的数据处理逻辑为特色；业务层以面向“社会关系”应用为主要服务对象；呈现层强调与用户更紧密的联系，不仅是功能的联系，更是价值关系的联系。在区块链的开发架构中，一般将应用中重要的、核心的数据用区块链来存储，关键的、核心的业务逻辑用智能合约来定义；将一般性的业务逻辑通过应用软件来定义，如使用HTTP协议实现WEB页面展现、使用分布式文件系统IPFS进行存储和访问等。完整的区块链技术架构一般定义为六层，包括数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层。数据层解决区块链数据如何存储的问题和数据结构的问题。区块链本身就是该层最典型的特征。网络中发生的交易数据以区块方式封装，并以链式结构链接，形成区块链完整交易数据历史与记录。这些交易数据的集合通过节点软件加载到状态库中形成区块链当前网络的数据状态。区块链、状态库均是数据层的重要内容。网络层是基于P2P网络架构，解决节点间的数据广播、传输与同步问题，确保网络中各节点数据的一致性及高效数据同步。共识层解决区块链网络如何来确保所有数据节点的一致性的，各节点遵循什么样的规范和共同约定，使最终生成的区块数据没有异议。确保网络中大量的节点在同一区块状态下的数据状态是完全一致的。如平常提到的POW挖矿、POS区块封装均在这一层实现。激励层主要对公链而言，由于算力节点是由“矿工”自发提供的，为了确保并鼓励参与算力提供，而设计了激励层。联盟链不需要解决算力节点的激励问题，一般不需要使用这一层。激励层通过在区块链中设计原声代币来激励，代币的市场价值越高，节点参与网络算力提供的积极性就会越高，网络的算力就会越高，目前的比特币、以太坊就是典型的例子。合约层的出现突出了区块链是一个底层技术，而不只是比特币的应用。通过合约层，可以面向不同的应用场景设计图灵完备的各类应用。由于合约层设计的代码均存储在区块链上，相对成本较贵，因此一般将应用的关键逻辑和关键数据通过合约层来定义和存储。应用层即各类应用场景，如资产类应用、商业模式类应用、经济组织类应用、存证类应用、数据共享类应用、物联网类应用、自动合约类应用等等。不同的区块链平台根据应用特性会对层面有所删减，如比特币平台没有使用合约层；以太坊作为区块链2.0的代表应用，完整包含六层架构；对于联盟链则不包括激励层等。通过以上各层的分工协同，实现了以往技术不具备的新型技术特征。包括：去中心化，由于区块链基于P2P网络构建，没有一个节点可以单独控制网络，区块链中没有一个中心节点，因此区块链技术最典型的特征就是去中心化。数据不可篡改，区块链的交易数据是通过哈希值串接起来的，海量数据中任何微小的变化有所改变都无法通过后续的数据验证。因而已存入区块链的数据，具有防篡改特性。开放性，对区块链网络，特别是公链网络，人人都可以参与，且代码开源，数据查询透明，是一个完全开放的网络。自治性，区块链通过共识机制及社区，实现区块链网络的自治、代码的更新及重大决策的变更，不受单一权威机构或资本的控制。隐私性，区块链中的账号创建完全由用户自主进行，账号所对应的私钥究竟为谁控制并不能通过网络追踪和查询。所以我们会看到通过勒索病毒进行明目张胆的比特币勒索行为发生。

The technical structure of the block chain can be described briefly as a combination of the P2P+ technology architecture. The data of the block chain are stored and processed together by all nodes of the network with reciprocal relationships, and the processing logic of all nodes is identical. There is no single computer or group of computers in the block chain (as long as it does not exceed 50 per cent of the computing power of the whole network) with independent control over data processing of the entire network. A prominent advantage of the P2P structure is that it is high safety. Under the traditional central model, by attacking the single mainframe of the network, data from the node of the node of the node of the node of the node of the node of the node of the node can be stored or treated together with the no such risk. The no significant network security event has occurred under each no single node of the node of the node of the node of the node of the node of the node of the node of the node.

2.2区块链的技术演进

2.2 Technical evolution of the block chain

目前公认的区块链分为1.0和2.0.区块链1.0与区块链2.0的区别简单的讲可以用比特币和以太坊来进行说明，比特币代表区块链1.0技术，以太坊代表2.0技术。比特币仅是一个数字货币应用，而以太坊是一个底层网络架构与运营网络，可以支撑不同的去中心化的区块链应用。对去中心化应用而言，一般不仅仅要求核心数据（如资产数据）是去中心化的，也要求应用存储是去中心化的。对于这种应用开发，通常采用区块链和IPFS结合进行开发。其中，使用区块链来用于高价值数据的存储和逻辑实现，使用IPFS用于大容量数据的存储（如WEB页面、图片、视频等数据）。IPFS作为一个分布式文件存储与传输协议标准，其设计目标是取代HTTP。区块链和IPFS两者结合，就能实现完全的去中心化应用，可以抵抗网络攻击、最大程度的进行数据加密保护。

For decentralized applications, the centralization of core data (e.g., asset data) is generally required not only to be centralized, but also to be decentralised. For such applications, bitcoin represents the block chain 1.0 technique, which is used in conjunction with IPFS. Bitcoin is used as a digital currency application, whereas it is a bottom network structure and operating network that can support different decentralized block chain applications (e.g., data on WEB pages, pictures, videos, etc.). IPFS, as a standard for distributional document storage and transmission agreements, is designed to replace HTTP with a fully centralized application using the block chain and IPFS.

2.3区块链的类型

Type of block chain

根据区块链的共识范围和开放程度的不同，区块链可被划分为公有链、联盟链和私有链三种类型。比特币、以太坊属于典型的公有链应用；联盟链一般要求许可参与，对大众不开放，很多联盟链采用超级账本Fabric技术来构建，一般用于企业间联盟组织的数据共享；私有链一般用于测试和企业内部数据共享，不对外开放。公有链由于参与人员众多，并在很多方面突破了传统思维，因而具有最大的影响并受到最多的关注和研究。

Depending on the consensual scope and openness of the block chain, the block chain can be divided into three types: the public chain, the union chain, and the private chain. Bitcoin, the Etherm, is a typical public chain application; the union chain generally requires permission to participate and is not open to the public, many of which are constructed using super-account Fabric technology, which is generally used for data-sharing in inter-firm union organizations; the private sector chain is generally used for testing and intra-firm data-sharing and is not open to the outside world. The public chain has the greatest impact and receives the most attention and research because of its large number of participants and its many breakthroughs in traditional thinking.

2.4区块链的关键问题

2.4 Key issues in the block chain

目前而言，区块链技术仍然处于起步阶段，并非非常完善，仍存在如下方面的问题。（1）安全性问题RSA面临量子计算威胁、账户被盗、P2P日食攻击等。（2）高并发问题每秒并发数受限问题，如比特币TPS仅2~3个/秒，以太坊主网络仅10~15个/秒。（3）共识创新问题各类共识机制有相应的优缺点，如POW费时费电、POS需要多元化。（4）中心化问题交易所是区块链技术中非常核心的领域，也是安全风险最集中的领域。（5）普及化问题区块链技术机制复杂、概念难以理解、操作困难、移动化支持不足。

At present, block chain technology is still in its infancy and is not very well developed. (1) The security problem RSA faces a threat of quantum computing, account theft, P2P daily feeding attacks, etc. (2) The high-synchronous problem is a problem of limited number per second, as in the case of Bitcoin TPS, only 2 to 3 seconds per second, and in the case of the Teeth master network, only 10 to 15 seconds. (3) The consensus mechanisms for consensus innovation have corresponding advantages and disadvantages, such as Pow time and electricity, and the need for POS to diversify. (4) The central issue exchange is a very central area of block chain technology and one where security risks are most concentrated. (5) The technical mechanism for universalization of the block chain is complex, difficult to understand, operational difficulties, and insufficient mobile support.

3结束语

3 Concluding remarks

区块链是一种新型的软件开发架构、该架构的特征是P2P网络架构+分层软件架构。分层架构包括基础层、合约层、应用层、接入层；完整的区块链技术架构包括数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层。区块链的网络类型包括公有链、联盟链和私有链三种，其中公有链受到最多关注并具有最广泛的影响力，具有以往IT技术所不具备的新兴技术特征，但区块链技术目前仍处于发展的初期，还面临诸多的技术挑战。综上，从区块链的应用上来看，区块链技术本身已解决了数据共享和高可信等诸多问题，适用于广播电视领域多种业务的架构转型，同时解决目前存在的数据可靠问题。针对广播电视行业的行政业务性质，可考虑采用联盟链的方式解决用户激励等问题。针对区块链应用面临的问题，需要在深入考察广播电视应用的前提下，设计适用于广播电视领域业务的完整解决方案。针对区块链应用面临的安全问题，需要在落实国家和行业网络安全管理办法、等级保护制度的基础上，结合安全播出的实际需要，制定适用的安全防护策略协同解决。

Block chains are a new type of software development architecture, characterized by a P2P network architecture plus a layered software architecture. The layered architecture includes the base layer, contract layer, application layer, access layer. The complete block chain technical architecture includes the data layer, network layer, consensus layer, incentive layer, contract layer, application layer. The network type of the block chain includes the three types of public chain, coalition chain and private chain, with the public chain receiving the most attention and the broadest influence, with new and emerging technological features not previously available in IT, but the block chain technology is still at an early stage of development and faces a number of technical challenges. In general, the block chain technology itself addresses a number of issues, such as data sharing and high credibility in the application of the block chain, and the transformation of multiple operations in the area of radio and television, while at the same time addressing the existing data reliability problems. With regard to the administrative operational nature of the radio and television industry, the issue of user incentives can be considered in a way that addresses the problems of the use of the block chain, requiring the design of complete solutions applicable to broadcasting and television operations.

参考文献：

References:

[1]长铗,韩锋.区块链：从数字货币到信用社会[M].北京:中信出版社，2016.

[1] Long-term, Han Fung. Block chains: from digital money to credit society [M]. Beijing: China News Press, 2016.

[2]杨保华.区块链原理、设计与应用[M].北京:机械工业出版社，2017.

[2] Yang Bohua. Principles, Design and Application of Block Chains [M]. Beijing: Mechanical Industries Press, 2017.

[3]张元林,陈序,赵熙.区块链+开启智能新时代[M].北京:人民邮电出版社,2018.

[3] Jang Yuan Lin, Chen Seng, Zhao Xi, chain of blocks and the opening of a new age of intelligence [M]. Beijing: People's Post and Telecommunications Press, 2018.

作者:李杨 单位:国家广播电视总局监管中心

Author: Li Yang Unit: Control Centre of the General Directorate of National Radio and Television