1362 工程科学学报，第41卷，第11期 区块链(blockchain)的概念首次出现在2008 与区块链技术的相关综述性文献[9]相比，本 年中本聪(Satoshi Nakamoto)发表的《Bitcoin:A 文更加侧重于从技术细节来阐释区块链特征、当 peer-to-peer electronic cash system》u.该文提出以 前进展和未来趋势.例如，文献[9]侧重于从数 区块链技术为基础的比特币(Bitcoin)系统构架， 据、记账、协议、经济、技术等多角度介绍区块链 该构架记录着所有元数据和加密交易信息，从而 概念和性质，并详细介绍了区块链的优势，如去中 建立了一个采用点对点(P2P)技术的分布式电子 心化、去信任化、可追溯性、集体维护性、安全 现金系统四，使得在线支付的双方不用通过第三方 性、开放性、匿名性等；文献[10]和[11]更加侧重 金融机构而直接进行交易.随着比特币网络多年 于区块链面临的安全挑战和问题，如51%攻击、 来的稳定运行与发展，比特币在全球流行起来.同 分叉问题、扩展性问题、交易延时问题、现有政策 时，比特币的底层技术逐渐引起了产业界的广泛 问题、成本问题等；文献[5]和[12]则侧重于区块 关注)，并被命名为“区块链”技术，使之与比特币 链的应用，如区块链在金融领域、通信领域、医疗 技术区分开，这也是区块链技术发展的第二阶段 领域、政府管理领域的应用等 近几年，随着对区块链技术的不断探索和演 1 区块链基础架构 化，出现了一些新的技术改进.其中，针对原有交 易脚本不足以处理复杂事务的问题，一种被称为 区块链具有的去中心化、不可篡改性、数据透 “智能合约”的新型区块链构架被提出，也被称为 明性、交易可溯源性以及匿名性等特性保证了交 第三代区块链技术目前，区块链作为颠覆性的 易活动可以在任何时间和任何地点进行，突破了 创新技术，已渗透到金融、资产、版权、法律 传统贸易在时空上的限制，同时也为交易双方创 和医疗等各种领域中，成为新的业务增长动力 造了更多的交易机会] 本文首先从区块链的设计和需求出发，阐明 区块链的这些特性源于它的基础架构，区块 了区块链技术中的基本概念与特征及其基础架 链基础架构模型如图1所示.一般来说区块链系 构；其次，以比特币为例详细介绍了区块链中各种 统分为五个部分，分别是数据层、网络层、共识 机制，包括：区块结构与防篡改机制、交易结构与 层、激励层以及合约层 脚本语言、交易人员身份鉴别机制、以及网络高 数据层是区块链通过使用各种密码学技术， 效交易传播机制等；而且，按照证明类、拜占庭 例如非对称加密、默克尔树(Merkle tree)以及哈希 类、传统共识类、及混合共识类等类型，详细描述 函数等创建的数据存储格式，用以保证区块链数 了当前几种主流的区块链共识算法：此外，对智能 据稳定性和可靠性 合约的概念、组织结构及模块关系、以及执行方 网络层将区块链底层的P2P网络组织起来， 式与过程进行了讨论：最后，对区块链面临的主要 并且快速让交易在网络中扩散，以确保能够及时 安全挑战进行了总结，从而达到系统地把握区块 的验证交易的正确性 链技术发展和趋势的目的 共识层主要实现了整个网络中的高度分散的 合约层 脚本代码 算法机制 智能合约 激励层 资源挖矿 挖矿奖励 交易费用 共识层 工作量证明(PoW) 权益证明(PoS) 其他共识算法 网络层 P2P网络 多播 接人管理 数据区块 链式结构 时间戳 数据层 哈希函数 Merkle树 非对称加密 图1区块链基础架构 Fig.I Architecture of a blockchain区块链（ blockchain）的概念首次出现在 2008 年中本聪 （ Satoshi Nakamoto）发表的《Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system》[1] . 该文提出以 区块链技术为基础的比特币（Bitcoin）系统构架， 该构架记录着所有元数据和加密交易信息，从而 建立了一个采用点对点（P2P）技术的分布式电子 现金系统[2] ，使得在线支付的双方不用通过第三方 金融机构而直接进行交易. 随着比特币网络多年 来的稳定运行与发展，比特币在全球流行起来. 同 时，比特币的底层技术逐渐引起了产业界的广泛 关注[3] ，并被命名为“区块链”技术，使之与比特币 技术区分开，这也是区块链技术发展的第二阶段. 近几年，随着对区块链技术的不断探索和演 化，出现了一些新的技术改进. 其中，针对原有交 易脚本不足以处理复杂事务的问题，一种被称为 “智能合约”的新型区块链构架被提出，也被称为 第三代区块链技术[4] . 目前，区块链作为颠覆性的 创新技术，已渗透到金融、资产[5]、版权[6]、法律[7] 和医疗[8] 等各种领域中，成为新的业务增长动力. 本文首先从区块链的设计和需求出发，阐明 了区块链技术中的基本概念与特征及其基础架 构；其次，以比特币为例详细介绍了区块链中各种 机制，包括：区块结构与防篡改机制、交易结构与 脚本语言、交易人员身份鉴别机制、以及网络高 效交易传播机制等；而且，按照证明类、拜占庭 类、传统共识类、及混合共识类等类型，详细描述 了当前几种主流的区块链共识算法；此外，对智能 合约的概念、组织结构及模块关系、以及执行方 式与过程进行了讨论；最后，对区块链面临的主要 安全挑战进行了总结，从而达到系统地把握区块 链技术发展和趋势的目的. 与区块链技术的相关综述性文献 [9] 相比，本 文更加侧重于从技术细节来阐释区块链特征、当 前进展和未来趋势. 例如，文献 [9] 侧重于从数 据、记账、协议、经济、技术等多角度介绍区块链 概念和性质，并详细介绍了区块链的优势，如去中 心化、去信任化、可追溯性、集体维护性、安全 性、开放性、匿名性等；文献 [10] 和 [11] 更加侧重 于区块链面临的安全挑战和问题，如 51% 攻击、 分叉问题、扩展性问题、交易延时问题、现有政策 问题、成本问题等；文献 [5] 和 [12] 则侧重于区块 链的应用，如区块链在金融领域、通信领域、医疗 领域、政府管理领域的应用等. 1    区块链基础架构 区块链具有的去中心化、不可篡改性、数据透 明性、交易可溯源性以及匿名性等特性保证了交 易活动可以在任何时间和任何地点进行，突破了 传统贸易在时空上的限制，同时也为交易双方创 造了更多的交易机会[13] . 区块链的这些特性源于它的基础架构，区块 链基础架构模型如图 1 所示. 一般来说区块链系 统分为五个部分，分别是数据层、网络层、共识 层、激励层以及合约层. 数据层是区块链通过使用各种密码学技术， 例如非对称加密、默克尔树（Merkle tree）以及哈希 函数等创建的数据存储格式，用以保证区块链数 据稳定性和可靠性. 网络层将区块链底层的 P2P 网络组织起来， 并且快速让交易在网络中扩散，以确保能够及时 的验证交易的正确性. 共识层主要实现了整个网络中的高度分散的 合约层 脚本代码 算法机制 智能合约 激励层 资源挖矿 挖矿奖励 交易费用 共识层 网络层 P2P网络 多播 接入管理 哈希函数 链式结构 时间戳 数据层 数据区块 Merkle树 非对称加密 工作量证明（PoW） 权益证明（PoS） 其他共识算法 图 1    区块链基础架构 Fig.1    Architecture of a blockchain · 1362 · 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期