分布式账本技术：原理、应用与前景

# 分布式账本技术：原理、应用与前景 ## 1. 分布式账本技术的发展与特点 分布式账本技术（DLT）源于 20 世纪 90 年代对完全去中心化加密货币的构想。最初的数字货币，如 eCash，仍需中介机构来管理数字资金并防止双重支出。双重支出是指同一数字资产同时用于多个目的的问题。随后的加密货币，如 e - gold，也未能在市场上占据主导地位。直到 2008 年，中本聪发布比特币白皮书，引入了首个完全去中心化的加密货币，比特币成为 DLT 1.0 代，它首次实现了基于自生成硬币的价值交换，无需中介。 随着技术的发展，出现了如以太坊、HyperLedger Fabric 和 ZCash 等先进的区块链实现方案。这些项目带来了诸多改进，例如 HyperLedger Fabric 具有约 3500 tps 的高吞吐量，ZCash 则具备不可识别性和不可追溯性。然而，对 DLT 某一特性的改进往往会以牺牲其他特性为代价。例如，实用拜占庭容错（PBFT）比工作量证明（PoW）能实现更高的吞吐量，但需要较少的节点参与共识机制，这降低了其对单个节点恶意行为的抵抗能力。 ### 1.1 DLT 的类型 DLT 设计类型可分为私有和公共，进而又可分为许可和无许可设计。私有和许可的 DLT 设计承诺高吞吐量，而公共无许可设计则具有更高的匿名性和去中心化程度。 ### 1.2 DLT 的安全特性 比特币和后来的分布式账本，如以太坊，结合了密码学、分布式系统和博弈论的技术。这些 DLT 的节点通过点对点网络相互连接，并通过拜占庭容错的共识机制达成一致状态。一致状态意味着分布式账本的所有节点对存储的复制账本的内容和结构达成一致。拜占庭容错描述了系统即使节点可能（暂时）不可用甚至恶意，仍能达成一致状态的能力。 DLT 设计中使用的基本密码学概念包括哈希函数和公钥密码学。哈希函数用于维护数据完整性，公钥密码学用于证明锁定在交易中的资产的所有权。公钥密码学需要一个公钥和相应的私钥，数据使用公钥加密，相应的私钥用于解密加密数据。此外，数据可以使用私钥进行数字签名，这使得数字资产的所有权可追溯。哈希函数还用于 Merkle 树，以维护存储交易的完整性并快速检查存储数据的正确性。 ### 1.3 常见共识机制 主要使用的三种共识机制为： - **工作量证明（PoW）**：用于比特币协议，是应用于 DLT 的首个共识机制的关键部分。 - **权益证明（PoS）**：更节能，克服了 PoW 的高能耗问题，并考虑了矿工的特定权益。 - **实用拜占庭容错（PBFT）**：常用于许可的 DLT 设计。 ## 2. 智能合约 ### 2.1 智能合约的概念 智能合约是一种将业务逻辑形式化的计算机程序，它允许在无需第三方的情况下安全地发布交易。以租房为例，通常会设立一个存款账户，租户将租金存入该账户，未经房东同意，租户不能取款；同样，未经租户同意，房东也不能取款，只有双方都同意时才能取款，银行通常提供并维护此类账户。而 DLT 现在可以通过智能合约实现此类存款账户甚至更复杂协议的数字化映射，无需银行等第三方。智能合约发布的交易具有可追溯性和不可变性，其目的是降低与合同签订相关的交易成本，并加速智能合约中形式化协议的执行。“智能合约”这一术语由 Nick Szabo 在 1997 年提出。 ### 2.2 比特币中的智能合约 比特币已经提供了在交易发布前确定某些条件的选项，原则上可用于部署智能合约。其脚本语言包含预定义功能，即比特币 OP_CODE，这是一种图灵不完全的脚本语言，可实现简单形式的智能合约，如多签名账户、时间锁和原子跨链交易，无需可信第三方。 ### 2.3 以太坊中的智能合约 以太坊区块链是智能合约应用最广泛的例子。它拥有图灵完备的编程语言（Solidity）和以太坊虚拟机（EVM），EVM 为智能合约的执行提供环境，可执行智能合约中形式化的自定义（复杂）逻辑，实现诸如代币提取等自动化流程。以太坊是首个为智能合约执行提供图灵完备环境的 DLT 设计。 在以太坊上部署智能合约，需使用遵循 ERC - 20 代币标准的代币。智能合约首先被编译为可执行字节码，然后根据 ERC - 20 标准包含在交易