区块链数字货币领域的基本原理、关键技术及应用

进入21世纪以来，随着普适计算技术、网络技术和人工智能技术的不断进步，金融业发展迅速，应用领域也越来越广泛。 但基于金融行业的交易主要依赖第三方机构进行处理，如银行、保险、交易所等平台，需要中心化的受信机构作为担保。 这种以第三方为中介的交易模式虽然在大多数情况下表现良好比特币所使用的主要技术是，但主要存在以下问题： a) 中心化机构内部运作不透明，存在内部人暗中操作的财务风险； b) 集中式机构的建设和维护成本高，需要巨额资金； c) 中心化机构容易成为网络黑客攻击的目标，需要时刻防范黑客可能发起的网络攻击。

为了解决中心化机构存在的上述问题，一位名叫中本聪的研究人员创新性地提出了颠覆中心化架构的区块链技术，并开发了第一个基于区块链的应用——比特币。 区块链和比特币的核心思想体现在文献[1]中。 本文首次对区块链进行了如下定义：通过对包含交易事件的区块进行哈希处理，在区块中加入时间戳特征，广播区块的哈希值，实现交易确认的共识，将不同的区块按时间顺序链接起来根据时间戳对应的哈希值排序，形成一个不断增长的交易记录链[1]。

随着越来越多的科研人员加入到区块链的研究中，区块链的哈希加密、共识机制、智能合约等核心技术得到深入研究。 哈希加密技术保证了区块内交易的安全性和相邻区块之间链接的有效性[2,3]。 共识机制主要解决如何激励分布式个体加入区块链生态，增强交易可靠性的问题[4,5]。 智能合约技术是连接虚拟空间和物理空间的桥梁，使得人们在物理空间中达成的契约可以通过虚拟空间的智能技术实现[6,7]。

作为第一个采用区块链技术并成功运作的数字货币，比特币的市值已经达到数千亿美元。 可扩展性和存储安全性等缺陷也逐渐显现。 为了改善比特币的上述不完善之处，在比特币之后发展起来的基于区块链技术的数字货币，如以太坊、达世币、卡尔达诺（Cardano）和比特股，都在一定程度上对比特币进行了改进和进化，推动了数字货币在世界上的进一步发展。易用性、应用多样化和数字货币的安全存储等方面。

一、区块链基本原理与关键技术

区块链作为去中心化分布式系统的关键技术，无需中心化组织的背书，即可成功实现节点间的可信交易。 这是因为区块链采用了适应 P2P 交易的数据结构[8-10]，使其成功去中心化。 此外，哈希加密技术、共识机制和智能合约技术都是区块链技术快速发展的关键，推动了基于区块链的数字货币基础理论研究和应用的发展。

1.1 区块链基本原理 区块链中区块的基本结构由四部分组成，即区块分隔符、区块大小、区块头和区块体。 图 1 说明了整个块的基本结构。 区块大小决定了区块中可以记录的交易数量； 区块头用于链接其相邻区块； 区块体记录了所有需要验证的交易。

区块头由以下六部分组成，分别是区块版本号、父区块哈希值、默克​​尔树根值、时间戳、目标值和随机数。 区块头通过父区块的哈希值实现相邻区块之间的链接。 区块头结构如图2所示 区块版本号（4Byte） 父区块哈希值（32Byte） Merkle树根值（32Byte） 时间戳（4Byte） 目标值（4Byte） 随机数（4Byte）

区块体由两部分组成，分别是区块的交易记录和每笔交易记录的明细。 该区块的交易记录如图3所示。

货币版本号(4Byte) 发送交易金额(>1Byte) 接收交易金额(>1Byte) 货币发送地址(>40Byte) 货币接收地址(>40Byte) 交易时间戳(4Byte) 图3 交易记录

1.2 区块链关键技术

区块链是未来交易信息存储和查询的重要技术，其关键技术正从理论研究走向具体应用。 目前，区块链的三大关键技术是哈希加密技术、共识机制和智能合约技术。 下面对这三项关键技术进行分析说明。

1.2.1 哈希加密技术 哈希加密技术基于哈希加密算法，是区块链系统安全的重要保障技术之一。 哈希加密技术具有以下四个特点，使其非常适用于区块链领域。 具体描述如下：

a) 难以破解。 将散列信息逆向所需的时间是天文数字，因此破解散列信息几乎是不可能的。

b) 加密或认证很简单。 给定要加密的信息和相应的哈希算法，可以在很短的时间内将信息加密； 或者给定加密信息，很容易验证是否是某条信息的哈希加密结果。

c) 信息敏感性。 即使加密后的信息只是轻微的变化，经过哈希加密运算后得到的值也会发生根本性的变化。

d) 加密结果没有冲突。 不同的加密信息不可能经过哈希算法运算产生相同的哈希值。

此外，利用区块链中的 Merkle 哈希树 [11, 12] 可以验证交易数据是否被篡改或删除。 Merkle哈希树是一种基于哈希运算的树，通常是二叉树，或多叉树。 树上的叶子节点是交易数据的哈希值，非叶子节点是其子节点的哈希值。 块连接在一起以散列值。 Merkle哈希树的根可以用来验证交易数据的完整性和交易数据是否被篡改，验证过程所需的数据传输量和数据计算量很低，通常在订单上的对数。 Merkle哈希树的结构如图4所示。 图4 Merkle哈希树的结构

1.2.2 共识机制

共识机制主要是解决去中心化场景下如何让区块链中的分布式节点相互信任的问题，也是保证区块链系统持续运行的关键。 目前的共识机制主要包括工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）、委托份额共识（DPoS）和拜占庭容错（PBFT）。

PoW 的核心思想是让工作量更大的节点获得更高的收益，即收益与工作量近似成正比[13]。 该机制依赖强大的工作负载来保证区块链的安全。 但是这种机制也有明显的缺陷，即工作量计算导致的大量资源消耗和较长的事务等待时间。 比特币使用 PoW 让所有节点解决复杂但易于验证的数学问题。 通常只有计算能力最高的节点才能解决问题并获得数个比特币的奖励[14]。

PoS就是用“拥有的币龄”来证明节点是否有记账资格。 其目的是在达成共识的同时尽可能减少资源消耗。 该算法让币龄最多的“簿记员”节点负责创建区块并拥有投票权[15]。

与PoW相比，PoS最大的优势在于缩短了达成共识的时间，降低了能耗； 然而，这也使得拥有资源或货币年龄更小的节点几乎不可能获得记账权和投票权[16]。 Cardano 使用 PoS 机制，以太坊计划在未来也这样做。

DPoS是一种股份授权证明机制，类似于公司董事会的投票。 其机制是让每个节点选出一个候选人，让候选人作为记账和投票的代表[17]。 由此可见，DPoS在一定程度上减少了参与记账和验证的节点数量，让每个节点都参与记账和投票。 因此，DPoS 在某种程度上是一种结合了 PoW 和 PoS 优点的机制。 目前，BitShares 等已经采用了这种机制[18]。 PBFT 实现了拜占庭容错的分布式文件系统，可以保证系统的活跃性和安全性，提供高容错性[19]。 一般而言，只要该机制中的故障节点数小于系统总节点数的 1/3，就可以保证系统的安全性和活跃性。 这里的Liveness是指系统中的所有节点在发送消息后都会收到响应； 安全意味着副本被复制以满足线性一致性。 这种机制通常用在私有链上。 除了上述四种主要的共识机制外，国内还提出了两种主要的共识机制，即授权拜占庭容错算法（dBFT）[20]和POOL验证池算法[21]。 dBFT改进了PBFT机制。 其核心思想是根据节点的权益选择区块的记账人，然后记账人之间的记账权通过拜占庭容错算法达成共识。 POOL验证池算法是在Pasox等共识算法的基础上，结合数据验证机制的快速共识算法。

1.2.3 智能合约技术

智能合约技术最早由跨学科学者 Szabo [22] 提出，并给智能合约下了如下定义：以数字形式定义的一组承诺（promi-ses），包括合约参与者可以在其上执行这些承诺。 协议。 在区块链领域，通过智能合约将各种脚本代码封装在区块链系统中。 这些脚本代码规定了合约中交易的执行方式和交易的具体内容。 智能合约使区块链成为比传统货币交易更灵活、更高效的可编程货币。 通常可以在合约中设置合约的执行时间、合约的触发规则等。 数字货币中的以太坊实现了智能合约的功能。

基于区块链的智能合约的构建和执行通常包括以下三个步骤： a) 生成合约。 根据合约参与者的需求，设计实现合约内容的脚本代码。 b) 合同的存储。 实现合约的脚本代码需要存储在区块链的一个区块中。 c) 合同的执行。 合约的脚本代码应该能够在没有人为干预或操作的情况下自动执行。

2. 基于区块链的数字货币的演进

区块链技术发展以来，出现了数以千计基于区块链的数字货币。 这些数字货币都是基于比特币这一区块链最早的应用，针对比特币在功能或性能上不完善的方面进行了一定程度的进化，以满足各种应用场景的需求。

比特币的设计原理如下：一种基于P2P协议和椭圆曲线签名算法（ECDSA）[23]的加密数字货币。 散列值； 每个区块附带的数字货币数量初始为50个，每四年减半，从而保证比特币有一定的上限。

作为一种基于密码学的数字货币，比特币取得了巨大的成功； 但在九年的运行过程中，其不完善之处也逐渐显现出来，主要体现在以下几个方面：

a) 基于比特币的交易很慢。 由于比特币只在10分钟左右产生一个区块，区块大小只有1MB，必须经过连续六个区块的确认才能生效，所以交易时间通常会持续几个小时，远低于目前商业交易的要求。

b) 产生比特币需要大量的能量。 比特币的产生采用基于PoW的共识算法，需要大量的计算，消耗大量的电能。

c) 应用简化。 由于其功能相对单一，通常很难开发除与法定货币或其他数字货币交易或兑换以外的其他方面的应用。

d) 存储安全有待加强。 近年来，比特币交易所和个人比特币多次遭到黑客攻击，导致比特币被盗，用户恐慌，影响了比特币的推广。

e) 缺乏监管而成为洗钱的工具。 由于比特币的私钥只有所有者自己知道，所有者身份是匿名的，很容易被不法分子用作洗钱的工具。

f) 权力下放的弱化。 随着比特币矿场规模的不断扩大，大型矿场的算力远高于小矿场和个人，几个大矿场的算力加起来已经超过了总算力，这使得个人和小团体的算力薄弱。经济实力不得不退出挖矿，这背离了比特币去中心化的初衷。

由于比特币在上述六个方面的不完善，以太坊、Cardano、Dash、BitShares等数字货币系统相继在比特币的基础上发展起来，并在一定程度上演化了比特币的功能。 比特币存在上述几个问题。 下面分别介绍这几类数字货币系统的设计原理，并说明它们与比特币相比在哪些方面有所改进和演进。

2.1 以太坊（Ethereum）

以太坊是一个基于比特币的区块链应用开发平台，可以适应不同的操作系统和开发语言，拥有多种客户端。 以太坊使用Python、C、Java等语言开发区块链应用。 这些应用中使用的高级语言通过各自的编译器转换成图灵完备的脚本语言（以太坊虚拟机，EVM语言）执行[24]。 以太坊和比特币最大的区别之一是它提供了一个强大的智能合约编程环境。 如果说比特币的功能仅限于数字货币本身的使用价值，也就是一般认为的区块链1.0，那么以太坊可以开发出多种多样的应用，满足商业和非商业环境下各种应用的复杂逻辑。 智能合约应用的需求大大丰富了数字货币的应用领域，直接将区块链技术的发展带入了区块链2.0时代。

与比特币相比，以太坊的进化主要体现在以下几点：

a) 多样化的应用开发。 智能合约使以太坊上的众多应用成为可能，极大地扩展了数字货币的应用领域和范围。

b) 交易速度的加快。 以太坊的区块生成只需要十几秒，比比特币-oin快了一个数量级，所以它的交易速度比比特币还快。

c) 权力下放程度提高。 以太坊采用SHA3哈希算法，可以防止使用ASIC挖矿，让超级矿机更难出现，从而让更多的“矿工”加入以太坊挖矿，增强以太坊的去中心化程度。

2.2 卡尔达诺

Cardano是数字货币行业中率先对数字货币进行学术研究，然后根据已发表的研究成果实现加密数字货币的，即Cardano数字货币体系。 由此可见，卡尔达诺的性质和功能都经过了严格的数学证明和学术同行的评审，保证了其在理论上的安全和正确性。 Cardano采用的共识机制是PoS。 该机制的具体实现协议称为衔尾蛇（Ouroboros）[25]，该协议采用严密的数学证明，确保其安全性在理论上得到保障。

Cardano 采用分层架构实现，主要功能层 [26] 如下： a) 清算层。 Cardano的代币在这一层流通，是Cardano整个生态系统的基础，用于记录Cardano币的交易量、交易时间等信息。 b) 计算层。 该层提供智能合约、消息认证、消息通信等功能，方便应用开发者在该层开发满足各种需求的应用。 据仙机网报道，Cardono的一大创新是计划使用形式化方法完成受控计算，从而在用户隐私和监管需求之间取得平衡，进而尝试降低使用Cardano的金融风险。 此外，Cardano 计划使用不同于 TCP/IP 的递归网络架构（recursive internetwork architecture，RINA）[27]，使节点间的信息交互类似于进程间的交互，从而加快提高节点间信息传递的效率。

与比特币相比，卡尔达诺的进化功能主要体现在以下几点： a) 交易速度的提升。 Cardano功能的分层实现和RINA架构的采用，大大提高了Cardano的交易速度。 b) Cardano采用PoS共识机制，大大降低了能耗。 c) 使数字货币的监管成为可能。 Cardono在形式化推理设计中考虑了数字货币的金融监管。 d) 多样化的应用开发。 智能合约功能丰富了基于 Cardano 的应用程序的开发。 e) 增强数字货币的存储安全性。 Cardano的形式化实现方式有利于设计匹配的存储方案。

2.3 破折号（破折号）

达世币是比特币的超集，具有比特币的主要特征。 比如它也需要进行挖矿才能产生Dash，但是Dash中出块的速度大约是每2.5分钟出一个块，挖出块的矿工奖励5个Dash。 Dash 对比特币的最大扩展是增加了主节点网络 [28]。 如果达世币中的一个节点拥有1000个达世币进行资格认证，则可以作为主节点。 主节点网络基于比特币底层区块链网络，由专用服务器组成。 主节点网络中的主节点总数目前超过 4,000 个。 第七期 谢开斌：基于区块链的数字货币演进·1937·

达世币将挖矿产生的达世币按45%、45%、10%的比例分配给“矿工”、确认交易的主节点和达世币社区。 由于主节点网络的存在，达世币中的交易可以在几秒内完成，即即时支付； 并且由于主节点网络的信用背书，可以大大增强交易的安全性。 Dash中的社区为解决区块扩容、生态链发展等问题提供了渠道。 在挖矿算法方面，达世币采用X11算法，采用11轮SHA3算法进行哈希运算，每轮的计算结果作为下一轮的输入，直到11轮运算完成。 这样做的目的是为了延迟特定算法的矿机的产生，让更多的人可以使用普通电脑参与达世币挖矿。

与比特币相比，达世币的进化功能主要体现在以下几点： a) 商业级交易速度。 主节点网络使交易能够满足大多数业务需求。 b) 高度分散化。 X11算法保证了更多的“矿工”可以参与达世币的挖矿； 而Dash中的社区也提升了Dash的去中心化程度。 c) 达世币中的社区机制在一定程度上对达世币的交易起到了监管作用。

2.4 比特股（BitShares） 比特股是一个基于区块链技术的金融交易综合服务平台，其目标是构建一个去中心化的自由市场金融生态系统。 任何个人或机构都可以在比特股平台上进行转账交易、发起众筹等，也可以建立基于比特股的虚拟货币交易所，甚至可以在比特股平台上实现符合规定的黑白名单等功能。 比特股设计了一种可以自由交易的新型数字资产——比特股市场锚定资产[29]。 这些资产可以兑换成美元、欧元或黄金。 例如，比特股数字锚定资产BITUSD可以兑换等量的美元。 比特股市场锚定资产通常使用比特股数字锚定资产价值的两倍作为抵押品，通过智能合约自动执行清算保证交易所的执行，从而规避交易所交易的违约风险，确保比特股市场锚定固定资产价值的稳定让比特股生态形成良性循环。 此外，比特股采用DPoS机制，让拥有比特股的节点进行投票，得票数最高的101个节点有权记录交易。

与比特币相比，比特股的进化功能主要体现在以下几点： a) 商业级的交易和传输速度。 比特股采用DPoS机制，使得交易确认时间可以在3秒内完成，交易速度可以达到每秒10万笔交易，完全满足正常情况下商业交易的要求。 b) 低能耗的 DPoS 机制保证比特股中的节点达成共识。 c) 适用于多种应用领域。 比特股市场锚定资产可以保证比特股价格在一定时间内保持稳定，适用于多个领域。 综上所述，以太坊、Cardono、达世币、比特股在交易速度、能耗、应用多样化、存储安全、监管、去中心化程度等方面的演进对比如表1所示。

3. 数字货币未来研究趋势

区块链对传统中心化技术的颠覆性创新，为金融、食品安全、物种保护、物联网等众多行业提供了可替代的去中心化应用模式。 根据区块链本身的特点和区块链目前的应用现状，预计未来区块链研究的主要方向如下所列的研究内容： a) 基于区块链的数字货币发行研究。 数字货币目前在发行、流通、监管、监管等方面还不成熟[30, 31]，缺乏有效的发行方案。 仙机网编辑认为，未来对数字货币的研究将涉及以下几个方面：降低传统纸币发行流通的高成本，提高经济交易活动的便利性和透明度，减少金钱等违法犯罪行为洗钱和逃税，并加强中央银行对货币供应和货币流通的控制。 b) 基于区块链的交易跟踪研究。 目前的研究主要考虑如何进行基于区块链的数字资产交易[32, 33]比特币所使用的主要技术是，对基于区块链的交易溯源的研究较少。 未来的研究方向应该是设计交易规则和监管框架，以保证交易的效率和跟踪的及时性。 c) 对区块链海量数据的分析研究。 目前很少有研究涉及对区块链中海量数据的分析[34, 35]。 但是，记录在区块链中的数据是物理世界中产生的真实数据。 这些数据对于分析用户画像和用户行为具有很大的商业价值。 因此，未来的研究将采用机器学习[36]或深度学习[37]等智能算法分析区块链中的用户数据，提取有价值的商业信息。

4。结论

本文介绍了区块链技术的基本原理，分析了基于区块链的比特币的本质，以及在比特币的基础上发展起来的Ethereum、Cardano、Dash、BitShares等的功能演进。 基于当前区块链技术的主要应用现状，分析了数字货币研究面临的挑战和未来可能的研究趋势。 区块链技术提出至今不到十年，仍处于非常早期的发展阶段，相关标准还不成熟。 尽管如此，许多国家都将区块链视为一项重大战略研究技术，因为区块链将对一个国家的金融主权、社会信用、跨境交易等领域产生重要而深远的影响。 因此，积极参与各领域区块链相关技术标准的制定，深入研究区块链在各领域技术创新的价值，将提升国家未来在科技、经济等诸多领域的话语权和领导力。