区块链技术

Posted 2021-11-23 GoodTime1110

学习区块链技术的概念、优点、缺点、共识机制、存储模型、技术发展方向，并分析其在农

业领域的应用。

一、概念

区块链技术是一种综合应用了分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的技术组合。

狭义：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而成的一种链式数据结构，并通过密码学手段实现的不可篡改、不可伪造的分布式账本。

广义：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数据访问的安全、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方式。

区块链本身并不是一种新技术，而是一揽子技术得新型组合模型，实现了数据的分布式存储和交易的去中心化。

二、区块链特点

1．去中心化

在区块链系统中，不存在中心化的管理机构。区块链数据的存储、传输、验证等过程均基于分布式的系统结构，整个网络中不存在中心节点。公有链网络中所有参与的节点都具有同等权利与义务。任一节点的损坏都不会影响整个系统的运作。

2. 开放性

除了交易各方的私有信息被加密外，区块链的数据对所有人公开，提供灵活的脚本代码系统，整个系统信息高度透明，并且在系统指定的规则范围内，节点之间无法相互欺骗。

3. 自治性

共识技术，智能合约。

4. 不可篡改性

每个新产生的区块严格按照时间顺序推进。时间具有不可逆性，任何试图篡改区块链数据的行为都很容易被追溯。

5. 匿名性

采用与用户公钥关联的地址作为用户标识，不需要传统的第三方认证中心颁发数字证书，交易不和用户真实身份关联，只是和用户的地址关联。

三、区块链的优点

1. 区块链的核心本质是去中心化、数据不可篡改

在区块链系统中，任意节点之间的权利和义务都是均等的，所有的节点都有能力去用计算能力投票，从而保证了得到承认的结果是过半数节点公认的结果。即使遭受严重的黑客攻击，只要黑客控制的节点数不超过全球节点总数的一半，系统就依然能正常运行，数据也不会被篡改。

2. 区块链最大的颠覆性在于信用的建立

正如数字经济之父Don Tapscott所说 "区块链是一台创造信任的机器"。区块链让人们在互不信任并没有中立中央机构的情况下，能够做到互相协作。假币和金融诈骗在未来都不会再发生。

3. 区块链的集体维护可以降低成本

在中心化网络体系下，系统的维护和经营依赖于数据中心等平台的运维和经营，成本不可省略。区块链的节点是任何人都可以参与的，每一个节点在参与记录的同时也来验证其他节点记录结果的正确性，维护效率提高，成本降低。

4. 信息安全

不论是在公有链上的匿名性还是联盟链上的权限设置，我们的个人信息、交易信息、浏览习惯等这些信息通通都会处在一个安全的范围内，且如果有人访问或是拷贝了我们的信息，都会记录在区块链上且不可篡改，这很大程度上的保证了我们的信息不会被别人所窃取。

四、区块链的缺点

1. 效率问题

    区块链的交易是存在延迟性的，拿比特币举例，当前产生的交易的有效性受网络传输影响，因为要被网络上大多数节点得知这笔交易，还要等到下一个记账周期（比特币控制在10分钟左右），也就是要被大多数节点认可这笔交易。还受一个小概率事件影响，就是当网络上同时有2个或以上节点竞争到记账权力，那么在网络中就会产生2个或以上的区块链分支，这时候到底那个分支记录的数据是有效的，则要再等下一个记账周期，最终由最长的区块链分支来决定。因此区块链的交易数据是有延迟性的。

2. 能耗问题

区块的生成需要矿工进行非常庞大的数学计算，这是非常耗费能源的。国外电力信息网POWER-COMPARE提供的预测数据显示，按照目前比特币挖矿、交易耗电量的增长速度，到2020年比特币耗电量将会与目前全球用电量持平。

3. 博弈问题

区块链的去中心、自治化的特点淡化了国家监管的概念。在监管无法触达的情况下，一些市场的逐利等特性会导致区块链技术应用于非法领域，为黑色产业提供了庇护所。

五、共识机制

1.什么是共识机制

在区块链里大家都认同的一个规则。在区块链系统中，每个节点必须要做的事情就是让自己账本和其他节点的账本保持一致。所有的交易或者其他信息传递需要经过共识机制的确认，确认合法后才能将这个信息保存在链上。这样就保证了大家记账的一致性和准确性。

共识算法其实就是一个规则，每个节点都要按照这个规则去确认自己的数据，并且我们要从所有的节点中选举出一个最具有代表性的节点，那么如何筛选呢？其实就是设置一组条件，就像我们筛选运动员、尖子生一样，给一组指标让大家来完成，谁完成得更好，谁就有机会被选上。在区块链系统中，存在着多种这样的筛选方案，比如PoW(proof of work工作证明)、PoS(Proof of stake权益证明)、DPoS(Delegate proof of stake委托权益证明)、PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance，实用拜占庭容错算法）等等。区块链系统就是通过这些筛选算法或者共识算法使得网络中各个节点的账本数据达成一致。

2.简化的拜占庭容错算法（SBFT）

在这个算法中，区块验证者是一个知名的机构。例如在整个商业网络中可以是一个监管者。这个区块验证者创造并提出新的区块转账。在SBFT共识中，一定数量的节点一定要接受这个区块，当然这取决于错误节点的数量。在这样的系统中，最少要有2f+1的节点必须要接受商业网络中的新区块，f就是错误节点的数量。

举例来说，我们假设现在系统中有30个参与者，其中包含了5个错误节点。作为需要验证的新区块，11（2×5+1）个节点。这个错误可以是恶意的，也可能是无效的节点。

优点：比工作量证明更快，有更好的扩容性。缺点：有中心化趋势。

3.工作量证明机制(PoW)

比特币挖矿就是pow机制。原理就是计算机通过变量变化，不断的计算产生一串串数字，直到某一串数字满足指定的难度要求，才停止这次计算。这串数字就是新生成区块的hash值。

优点

• 完全去中心化，算法简单，容易实现;
• 节点间无需交换额外的信息即可达成共识;
• 破坏系统需要投入极大的成本。

缺点

• 挖矿造成大量的资源消耗;
• 共识达成的周期较长。

4.权益证明机制(PoS)

也称股权证明机制，它要求各节点证明自己拥有一定数量的代币(也就是所谓的权益)来竞争下一区块的记账权。PoS机制直接与持有的代币数量和持币时间挂钩。这种模式会根据你持有数字货币的量和时间，分配给你相应的利息。简单来说，就是一个根据你持有货币的量和时间，给你发利息的一个制度，在股权证明POS模式下，有一个名词叫币龄，每个币每天产生1币龄，比如你持有100个币，总共持有了30天，那么，此时你的币龄就为3000，这个时候，如果你发现了一个POS区块，你的币龄就会被清空为0。你每被清空365币龄，你将会从区块中获得0.05个币的利息(假定利息可理解为年利率5%)，那么在这个案例中，利息 = 3000 * 5% / 365 = 0.41个币，这下就很有意思了，持币有利息。

优点

• 一定程度上缩短了全网达成共识所需的时间。
• 各节点不需要比拼算力挖矿，不会造成过多的算力浪费。
• 攻击者对货币系统的攻击难度变大。

缺点：更多的安全问题。如果同时在不同的链上工作，也不会有惩罚。这样做，就很难去保证转账的真实性。

5.委托股权证明(DPOS)

DPoS给出一种思路，将成千上万个PoS节点，通过某种机制（例如持有代币的数量）选举出若干（奇数）个节点，在这几个节点之间进行投票选举（在一些实现中甚至会在这些节点间以令牌环的方式进行轮询，进一步减少投票开销）出每次的检查点（出块）节点，而不用在网络中全部节点之间进行选择。

这种机制能够大幅度提升选举效率。在几十个最多上百节点之间进行一致性投票一般来说可以在秒级完成并达到共识，因此DPoS机制可以将检查点（事务确认时间）提升到秒级，通过减少投票节点的数量或采用令牌环机制甚至可以降低到毫秒级。

6.消逝时间证明（PoET）

消逝时间证明是超级账本锯齿湖项目中使用的共识。每个参与者都需要有个等待时间，来确保安全的程序集。获得最短等待时间的参与者会被选为挖出区块，经过等待时间，挖出区块。

优点：挖出区块的人会一直变化，同样的人每次都不会选择下个区块。　　缺点：安全程序集是复杂的技术，相对工作量证明来说，更容易进行欺诈。也有中心化的趋势，因为我们必须使用第三方信任机构来确保这个程序集是真的安全。

7.权威证明（PoA）

适合私有链网络，并且不需要分布式信任体系。原理相对简单：网络中的一些人在满足某些条件之后被认证为验证者，例如身份认证。这些验证者负责维持区块链数据。

优点：非常适合私有链，速度非常快。

缺点：牺牲了信任。

六、架构模型

区块链技术的模型是由自下而上的数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成。

1.数据层

封装了底层数据区块的链式结构，以及相关的非对称公私钥数据加密技术和时间戳等技术，这是整个区块链技术中最底层的数据结构。这些技术是构建全球金融系统的基础，数十年的使用证明了它非常安全的可靠性。而区块链正是巧妙地把这些技术结合在了一起。

2.网络层

包括P2P组网机制、数据传播机制和数据验证机制等。P2P组网技术早期应用在BT这类P2P下载软件中，这就意味着区块链具有自动组网功能。

3.共识层

封装了网络节点的各类共识机制算法。共识机制算法是区块链的核心技术，因为这决定了到底是谁来进行记账，而记账决定方式将会影响整个系统的安全性和可靠性。目前已经出现了十余种共识机制算法，其中比较最为知名的有工作量证明机制（PoW，Proof of Work）、权益证明机制（PoS，Proof ofStake）、股份授权证明机制（DPoS，Delegated ProofofStake）等。

数据层、网络层、共识层是构建区块链技术的必要元素，缺少任何一层都将不能称之为真正意义上的区块链技术。

4.激励层

将经济因素集成到区块链技术体系中来，包括经济激励的发行机制和分配机制等，主要出现在公有链当中。在公有链中必须激励遵守规则参与记账的节点，并且惩罚不遵守规则的节点，才能让整个系统朝着良性循环的方向发展。而在私有链当中，则不一定需要进行激励，因为参与记账的节点往往是在链外完成了博弈，通过强制力或自愿来要求参与记账。

5.合约层

封装各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特性的基础。比特币本身就具有简单脚本的编写功能，而以太坊极大地强化了编程语言协议，理论上可以编写实现任何功能的应用。如果把比特币看成是全球账本的话，以太坊可以看作是一台“全球计算机”，任何人都可以上传和执行任意的应用程序，并且程序的有效执行能得到保证。

6.应用层

封装了区块链的各种应用场景和案例，比如搭建在以太坊上的各类区块链应用即部署在应用层，而未来的可编程金融和可编程社会也将会是搭建在应用层。

激励层、合约层和应用层不是每个区块链应用的必要因素，一些区块链应用并不完整的包含后三层结构。

• 技术发展方向

1. 分布式账本

分布式账本指的是交易记账由分布在不同地方的多个节点共同完成，而且每一个节点记录的是完整的账目，因此它们都可以参与监督交易合法性，同时也可以共同为其作证 。跟传统的分布式存储有所不同，区块链的分布式存储的独特性主要体现在两个方面：一是区块链每个节点都按照块链式结构存储完整的数据，传统分布式存储一般是将数据按照一定的规则分成多份进行存储。二是区块链每个节点存储都是独立的、地位等同的，依靠共识机制保证存储的一致性，而传统分布式存储一般是通过中心节点往其他备份节点同步数据。没有任何一个节点可以单独记录账本数据，从而避免了单一记账人被控制或者被贿赂而记假账的可能性。也由记账节点足够多，理论上讲除非所有的节点被破坏，否则账目就不会丢失，从而保证了账目数据的安全性。

1. 非对称加密

存储在区块链上的交易信息是公开的，但是账户身份信息是高度加密的，只有在数据拥有者授权的情况下才能访问到，从而保证了数据的安全和个人的隐私。

1. 共识机制

就是所有记账节点之间怎么达成共识，去认定一个记录的有效性，这既是认定的手段，也是防止篡改的手段。区块链提出了四种不同的共识机制，适用于不同的应用场景，在效率和安全性之间取得平衡 。区块链的共识机制具备“少数服从多数”以及“人人平等”的特点，其中“少数服从多数”并不完全指节点个数，也可以是计算能力、股权数或者其他的计算机可以比较的特征量。“人人平等”是当节点满足条件时，所有节点都有权优先提出共识结果、直接被其他节点认同后并最后有可能成为最终共识结果。以比特币为例，采用的是工作量证明，只有在控制了全网超过51%的记账节点的情况下，才有可能伪造出一条不存在的记录。当加入区块链的节点足够多的时候，这基本上不可能，从而杜绝了造假的可能。

1. 智能合约

基于这些可信的不可篡改的数据，可以自动化的执行一些预先定义好的规则和条款。以保险为例，如果说每个人的信息（包括医疗信息和风险发生的信息）都是真实可信的，那就很容易的在一些标准化的保险产品中，去进行自动化的理赔。在保险公司的日常业务中，虽然交易不像银行和证券行业那样频繁，但是对可信数据的依赖是有增无减。因此，笔者认为利用区块链技术，从数据管理的角度切入，能够有效地帮助保险公司提高风险管理能力。具体来讲主要分投保人风险管理和保险公司的风险监督。

八、在农业领域的应用。

1.农产品质量安全溯源：实现从田间到舌尖的全过程监督

随着现代生活水平提高，人们越来越重视食品质量安全，餐桌上的蔬菜鱼肉的安全无一不成为人们关注的焦点。从田间到舌尖，农产品经历了种植、加工、运输和销售等多项环节，食品安全问题频频出现，人们对农产品的质量安全问题产生信任危机。

农产品质量安全溯源被认为是区块链非常有价值和优先发展的应用领域之一。应用区块链可全程记录农产品的生产、运输、加工和储藏等过程，可确保数据的真实性、难以篡改性、不可伪造性、真实透明性，从而增加消费者的信任度，拓展市场空间。

而区块链具有分布式存储、不可篡改、可追溯等特点。以农作物为例，通过将种植过程、加工过程、存储过程、运输过程及销售过程中的相关数据上链存储，就能实现农产品从种植到消费的全链条的透明化监管，并且相关数据一旦上链，就难以进行篡改，这进一步保证相关数据的真实性和安全性。消费者通过扫描条形码、二维码等身份标识就可以立即查询到农产品的原产地、施肥用药情况、化学成分等核心信息，从而建立对农产品的信任。

同时，在基于区块链的溯源系统中，监管部门作为节点参与其中，由于各个链条的数据被相关责任主体进行数字签名并附上了时间戳，农产品一旦出现了质量问题，监管部门就可以将责任及时追溯到相关主体。

此外，区块链通过共识机制和智能合约，构建了统一的规则体系，打破了各经济主体间的体系壁垒，使各经济主体得以较低的成本实现数据的互联互通，大大加快全国统一的农产品质量安全溯源系统的构建。基于区块链技术的农产品追溯系统，所有的数据一旦记录到区块链账本上将不能被改动，依靠不对称加密和数学算法的先进科技从根本上消除了人为因素，使得信息更加透明。

2.农产品供应链管理：实现从农户到消费者的供需透明化

农产品供应链包括了农产品的产前、产中和产后三个阶段，涵盖农产品生产、加工、运输和销售等多项环节。在农产品供应链中，参与主体包括农业生产者、农资企业、分销商、零售商、监管机构和消费者等，这些参与主体以生产者和消费者的不同角色参与产前、产中和产后三个阶段。

在区块链技术下，农产品供应链将各参与主体彼此间产生的商流、信息流、物流和资金流进行整合，建立从农产品生产商、分销商、零售商到消费者的全链式网络。

3. 农业物联网

目前基于各类传感器和智能装备连接的物联网发展迅猛，大量的物联网设备标识不统一、网络协议复杂、数据格式多样、中心化管理等问题限制了物联网系统的高效应用，同时设备监管和数据安全问题也一直困扰着物联网的发展。随着物联网设备的快速增加，基于中心化的维护与管理成本将难以估量。区块链将成为万物互联智能设备的总账本，除了真实记录物联网采集的数据外，也可真实记录设备的身份标识、停转工况、设备迁移、设备维护等数据，为智能设备的互联互通、自我管理提供安全可靠的保障。 物联网和区块链的结合将使这些设备实现自我管理和维护，这就省去了以云端控制为中心的高昂的维护费用，降低互联网设备的后期维护成本，有助于提升农业物联网的智能化和规模化水平。

4. 农业大数据

首先，区块链系统本身是一个数据系统，而且还是一个分布式数据系统，虽然大数据系统不一定是区块链系统，但随着区块链容量的扩大，必然与大数据有某些天然的属性关联。农业大数据的数据获取、安全管理、数据权的维护、数据的真实性和有效性、难以篡改、去中心化等要求对于现在的传统数据库来讲，是一个新的挑战。农业大数据具有来源复杂多样、结构复杂、数据周期长等特点，实现大数据的区块链化是未来智慧农业发展的基础性工作。

　　传统数据库的三大成就，关系模型、事务处理、查询优化，数据库技术在不停发展。未来随着农业大数据采集体系的建立，如何以规模化的方式来解决数据的真实性和有效性，将是全社会面临的难题。 以区块链为代表的技术，对数据真实有效不可伪造、无法篡改的这些要求，相对于现在的数据库来讲，是一个新的起点。

5. 农业金融

目前金融领域是区块链应用最活跃和比较成功的领域，但农业金融具有一定的特殊性，还需要不断探索，例如，如何认知有效抵押物、建立契约机制。在这方面农业领域相对薄弱，总体上担保贷款比较难。区块链技术可以保证信息更透明、篡改难度更高，增加了诚信，降低了成本。另外，应用去中心化功能申请贷款时，将不再依赖银行、诚信公司等中介机构提供信用证明，贷款机构通过调取区块链的相应数据信息即可开展业务，能大大提高工作效率。

当新型农业经营主体申请贷款时，需要提供相应的信用信息，这就需要依靠银行、保险或征信机构所记录的相应信息数据。但其中存在着信息不完整、数据不准确、使用成本高等问题。而区块链的用处在于依靠程序算法自动记录海量信息，并存储在区块链网络的每一台电脑上，信息透明、篡改难度高、使用成本低。因此，申请贷款时不再依赖银行、征信公司等中介机构提供信用证明，贷款机构通过调取区块链的相应信息数据即可。

6.农业保险

我国是农业灾害多发的国家，农业灾害包括生物灾害（病虫害）和非生物灾害（主要是气象灾害），这些灾害每年都在发生，并造成很大的经济损失。保护农业经营者的利益，加强农业保险服务势在必行。但目前农业保险存在着对灾害监测不准、灾情数据掌握不全甚至不真、灾损评估方法缺失等问题。如何确保数据真实可靠、可追溯、难以篡改，实现农业保险定损、认证、理赔的客观公正，是很大的挑战。将区块链与农业保险结合之后，农业保险不仅在可靠性上有很大的提升，而且会极大地简化交易流程。另外，将智能合约技术应用到农业保险领域，会使农业保险赔付处理更加智能化，赔付效率大大提高。

在农业领域，智能合约具有独特的实现方式，可以帮助农民对作物进行保险并向保险公司提出索赔要求。在过去，无论是对种植者还是对他们提供保险的公司，这都是一个痛苦而缓慢且繁重的过程。

通过建立量身定制的智能区块链合同，可以通过改变符合特定条件的天气条件来触发损害索赔，从而简化了农民和保险公司的流程。

　　另外，因为智能合约是区块链的一个重要概念，所以将智能合约概念用到农业保险领域，会让农业保险赔付更加智能化。以前如果发生大的农业自然灾害，相应的理赔周期会比较长。将智能合约用到区块链之后，一旦检测到农业灾害，就会自动启动赔付流程，这样赔付效率更高。

7.精准扶贫

“精准扶贫、精准脱贫”是我国政府提出的一项重大战略举措。区块链以其共识、去信任、防篡改、共监管、可追溯等机制，可以有效提高复杂环境下的信息高效管理，提高精准扶贫工作的“靶向性”，加强对资金流向、扶贫对象、获得效果等的有效监管，从管理理念和技术上为“精准定位和扶贫”提供坚实信息支撑。

8.物流与付款

有了智能合约，农民将摆脱多个中介机构的限制。当农民知道产品将以良好的状态投放到最终用户时，他们将会更加轻松。

更重要的是，智能合约能消除不必要的延迟，并确保农民因为提供他们的产品而按时获得收入。更好的是，该解决方案可以配置为在全年中向农民付款，而不是按季节付款。

9.交易

农业中的区块链具有独特的定位，不仅可以简化交易流程，而且还可以为小规模农民和农作物种植者（尤其是贫困地区的农民）提供公平的竞争环境。据估计，全世界每年浪费掉价值 9400 亿美元的食物。造成这种情况的部分原因是，欠发达国家的农民和种植者并不总是能够进入广阔的市场，这使他们无法出售所生产的所有粮食。通过为小企业提供访问的基于区块链的专有平台，可以买卖农产品和在市场参与者之间建立信任的途径。区块链带来的另一个好处是，农业生产者能够更有效和高效地制定价格，这样可以管理其输出以匹配需求的产品。　

10.土地登记

基于区块链的实现能够提供土地记录的不可损坏的账本。有其对于农村贫困人口来说，如果这可以链接到数字身份，那么即使在面对自然灾害时土地记录的安全保存也不再是问题。

联合国开发计划（UNDP）在印度与合作伙伴一起致力于让土地登记更加可靠。从比较高的层面来说，该项目可以捕捉并永久记录土地的每一次交易。这意味着你可以实现接近实时的溯源能力以及资产的透明度。瑞典政府的土地持有人认证项目，Lantmäteriet，是基于区块链的土地登记和交易示范平台。他们详细该平台为数字溯源提供了安全可靠的手段，能够为政府解决数百万美元的开支。