隨著比特幣的興起，企業(yè)對底層區(qū)塊鏈技術的興趣急劇上升。然而，混亂出現(xiàn)了，因為大部分討論都集中在加密貨幣上，這只是使用區(qū)塊鏈的一種方法。為了確定一種對物聯(lián)網有意義的方法，開發(fā)人員必須首先將區(qū)塊鏈剝離到其基礎并從那里構建。

本質上，區(qū)塊鏈技術為節(jié)點網絡提供了一種機制，可以安全地交換信息（稱為交易）并相互創(chuàng)建一個共享賬本，將這些交易記錄在一個防止更改的記錄中。基本流程很簡單，如下圖1所示。一個節(jié)點安全地通知所有其他交易，他們驗證并添加到他們的待處理交易列表中。在某些時候，“發(fā)布節(jié)點”會創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)塊，其中不包含、部分或所有待處理的交易，并將其呈現(xiàn)給網絡。當節(jié)點就提議的塊是有效的達成共識時，他們會將其添加到共享賬本的副本中，并從待處理列表中刪除相應的交易。

每個新塊都包含與添加到分類帳中的前一個塊的加密鏈接，后者又具有與其前任塊的鏈接，并在一條完整的鏈中繼續(xù)返回第一個（創(chuàng)世）塊。加密鏈接確保鏈中的任何塊都可以在不被發(fā)現(xiàn)的情況下被更改，并且分類帳的許多副本確保沒有可以破壞分類帳的單點故障。區(qū)塊鏈技術中的其他機制確保所有交易都被記錄下來，并且與不正確的賬本副本相關聯(lián)的區(qū)塊會被拒絕，因此賬本的所有功能副本都是相同的。

圖 1區(qū)塊鏈的基本操作很簡單，但在每個階段都有許多可用選項。

雖然區(qū)塊鏈實施的整體操作看起來很簡單，但仍有許多操作問題必須解決。節(jié)點如何加入網絡？交易的內容是什么？它是如何驗證的？哪些節(jié)點可以發(fā)布區(qū)塊？多常？它的內容是什么？節(jié)點如何就區(qū)塊的有效性達成共識？如果有幾個不同的塊同時等待驗證會發(fā)生什么？區(qū)塊鏈開發(fā)人員對這些問題的回答將決定其實施在其預期應用中的運營有效性。有許多選項可用于回答這些問題；比特幣只是為加密貨幣應用程序開發(fā)的一種選項配置，甚至不是唯一的加密貨幣區(qū)塊鏈。

為特定應用程序定義區(qū)塊鏈實現(xiàn)的一個起點是回答節(jié)點如何加入網絡的問題。基本上有兩種類型的區(qū)塊鏈網絡：無許可和許可。無許可區(qū)塊鏈，也稱為公共區(qū)塊鏈，對哪些節(jié)點可以加入網絡沒有任何限制，所有節(jié)點都可以參與驗證和共識工作。這導致高度分散和冗余的配置。比特幣是一個無需許可的區(qū)塊鏈網絡。

許可網絡，也稱為私有區(qū)塊鏈，控制哪些節(jié)點可以加入，以及哪些節(jié)點被授權參與驗證和共識。與公共區(qū)塊鏈相比，它的冗余更少且更集中，但可以提供更高的性能。區(qū)塊鏈的大多數(shù)企業(yè)和物聯(lián)網應用都可能使用許可的網絡結構。

無論區(qū)塊鏈網絡的配置如何，它們的塊都具有相似的結構。在節(jié)點宣布交易之前，它會使用其私鑰對該交易進行加密，以對消息進行數(shù)字“簽名”。它可以將其公鑰與交易一起分發(fā)，以便其他節(jié)點可以驗證交易記錄的準確接收，或者節(jié)點可能已經擁有密鑰的副本，以便它們可以驗證授權消息以及拒絕未經授權的消息。事務本身可以包含幾乎任何類型的數(shù)據(jù)，但通常還指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑春湍繕恕?/p>

一個或多個發(fā)布者節(jié)點會將一組經過驗證的交易組合成一個塊，該塊將被添加到鏈中并將候選塊分發(fā)到網絡。除了交易數(shù)據(jù)之外，該塊還包括一個標頭，該標頭包含來自鏈中前一個塊的標頭的加密散列、時間戳和候選塊數(shù)據(jù)的加密散列。標頭還可以包括稱為隨機數(shù)的唯一標識符以及系統(tǒng)可能需要的其他類型的信息。

圖 2每個塊的頭部都包含前一個塊頭部的加密哈希，因此創(chuàng)建了一個無法在沒有檢測到的情況下更改的鏈。（來源：NIST）

在候選塊被添加到鏈中之前，網絡中的其他節(jié)點必須同意它是有效的，即達成共識。根據(jù)網絡配置，節(jié)點可能并非全部參與此共識工作。例如，在為物聯(lián)網設計的區(qū)塊鏈中，可能有僅交易節(jié)點不維護鏈的副本，甚至不維護其他節(jié)點的交易；他們只是將他們的數(shù)據(jù)發(fā)布到網絡上。可能存在僅保留標頭副本的輕量級節(jié)點。只有完整節(jié)點，即驗證和保留交易的節(jié)點，才會保留區(qū)塊鏈的完整副本。然而，全節(jié)點可能是也可能不是發(fā)布節(jié)點，并且可能參與也可能不參與共識工作。網絡的配置，尤其是私有區(qū)塊鏈網絡的配置，決定了哪些節(jié)點承擔哪些角色。

節(jié)點驗證候選塊的方法——共識機制——是區(qū)塊鏈設計者擁有相當大的自由度的領域之一，但它也可能涉及相當大的復雜性。分布式賬本的一個基本問題是，在實踐中，網絡中的一些節(jié)點將是不可信的，并且會故意或意外地生成可能污染賬本的不良信息。這在比特幣等無許可網絡中是一個特殊的風險；壞人進入網絡沒有任何障礙，并且有足夠的動力去“煮書”。但即使在許可網絡中，也存在一個或多個節(jié)點不可信的風險。

幸運的是，當一些參與者試圖插入錯誤信息時，試圖就區(qū)塊的有效性達成共識是信息論中一個經過充分研究的情況，稱為拜占庭將軍問題。這項研究產生了許多共識機制，但在大多數(shù)區(qū)塊鏈實現(xiàn)中使用了四種主要類型：工作證明 (PoW)、權益證明 (PoS)、委托權益證明 (DPoS) 和實用拜占庭容錯 (PoW)。 PBFT) 算法。每種方法在抵抗惡意行為的能力、發(fā)布者和全節(jié)點的計算效率、通信帶寬要求等方面都有其優(yōu)點和缺點，但第一個和第四個特別值得注意。

PoW 是比特幣中使用的共識機制。本質上，它需要一個發(fā)布節(jié)點在創(chuàng)建候選塊之前解決一個密碼難題。難題是確定要包含在塊頭中的隨機數(shù)，以便該頭的哈希滿足特定條件，例如至少有這么多前導零。解決這個難題是一項計算密集型工作（工作），涉及使用隨機生成的 nonce 值進行多次試驗，直到獲得滿意的結果。一旦一個正在處理拼圖的節(jié)點找到了它的“黃金隨機數(shù)”，它就可以發(fā)布它的候選塊。然后，其他節(jié)點可以通過對塊數(shù)據(jù)進行自己的哈希來驗證標頭的元素，從而輕松驗證結果，然后使用候選隨機數(shù)對重建的塊頭進行哈希處理，以驗證是否滿足條件。由大多數(shù)完整節(jié)點驗證的第一個候選塊獲勝，節(jié)點將該塊添加到區(qū)塊鏈中。

PoW 作為一種安全的共識機制發(fā)揮作用，因為不良行為者首先以一種與有效塊數(shù)據(jù)生成相同數(shù)據(jù)散列（散列“沖突”）的方式更改塊數(shù)據(jù)然后生成黃金的可能性非常小在任何其他節(jié)點可以生成有效塊之前，為其損壞的塊提供隨機數(shù)。然而，生成黃金隨機數(shù)的計算量非常大，以至于比特幣為潛在的發(fā)布節(jié)點提供了激勵，以確保他們做出嘗試。這樣的發(fā)布節(jié)點（稱為比特幣“礦工”）將在創(chuàng)建一個贏得網絡同意添加到鏈中的區(qū)塊時收到付款（以新鑄造的比特幣）。

然而，PoW 共識機制浪費了大量的處理能力來防止不良行為者污染區(qū)塊鏈。雖然在公共區(qū)塊鏈中有數(shù)百萬美元需要保護時，這可能是可以接受的費用，但對于物聯(lián)網可能使用的私有區(qū)塊鏈類型來說，它很少具有成本效益。一種適用于私有區(qū)塊鏈更受控環(huán)境的計算效率更高的方法是PBFT 算法，其變體用于通過 Linux 基金會作為開源代碼提供的Hyperledger Fabric 。

在 PBFT 算法中，網絡的發(fā)布節(jié)點形成一個有序的序列，其中一個節(jié)點暫時充當主導節(jié)點，這一時期稱為“視圖”。在其看來，領先節(jié)點發(fā)布其候選塊以及包含其標識和區(qū)塊鏈狀態(tài)的“預準備”消息。然后，其余節(jié)點必須通過將塊的標頭和數(shù)據(jù)哈希以及區(qū)塊鏈狀態(tài)與其內部生成的副本進行比較來驗證該塊。然后節(jié)點在“準備”消息中向所有其他節(jié)點廣播他們對該塊的接受或拒絕投票。

當超過三分之二的節(jié)點報告接受時，每個節(jié)點都會發(fā)布一條“提交”消息，確認投票成功以及節(jié)點將區(qū)塊添加到其區(qū)塊鏈的意圖。當超過三分之二的其他節(jié)點同意提交時，所有節(jié)點都可以繼續(xù)并將候選塊附加到他們的區(qū)塊鏈中。一旦成功附加了一個塊，視圖就會發(fā)生變化，并且前導節(jié)點的角色將移動到序列中的下一個節(jié)點?；蛘?，如果在設定的時間范圍內沒有達成共識，節(jié)點會丟棄候選塊，視圖會發(fā)生變化，并且序列中的下一個節(jié)點將成為領先節(jié)點，再次嘗試就區(qū)塊達成共識。

圖3PBFT共識算法的消息序列和流量

使用 PBFT 算法，網絡可以快速識別和隔離行為不端的節(jié)點，即使領導節(jié)點是不良行為者。如果一個節(jié)點過于頻繁地拒絕有效塊或在它是領先節(jié)點時未能達成共識，其他節(jié)點可以學會將其視為錯誤或惡意而忽略它。在許可網絡中，系統(tǒng)甚至可以包括一個監(jiān)督算法，可以從網絡中永久刪除行為不端的節(jié)點。

該算法涉及的計算量要少得多，并且比 PoW 方法執(zhí)行得快得多，因為沒有要解決的難題，只需驗證哈希即可。此外，一次只有一個節(jié)點被授權發(fā)布候選塊，因此當不同節(jié)點采用不同（但有效）的候選塊時，不會出現(xiàn)意外的“分叉”鏈。由于挖礦競爭，如果兩個成功的候選者同時出現(xiàn)，比特幣中可能會出現(xiàn)這種分叉，因此比特幣必須使用額外的算法來修剪分叉。

PBFT 的主要缺點是與共識相關的消息流量。因為每個完整節(jié)點都必須將其預提交和提交消息發(fā)送到所有其他節(jié)點，所以消息數(shù)量呈指數(shù)增長。然而，對于物聯(lián)網實施，這可能不是一個重大限制。

考慮一個系統(tǒng)，其中幾個組織（一個財團）相互建立一個許可的區(qū)塊鏈網絡，用于跟蹤需要冷藏儲存和運輸?shù)囊赘浳锏奶幚?，從源頭通過倉庫到最終客戶。每個處理程序（來源、運輸提供商、倉庫、分銷商、零售商等）都為區(qū)塊鏈維護一個發(fā)布節(jié)點。最終客戶也可能有一個鏈接到網絡的非發(fā)布節(jié)點，用于跟蹤他們特定購買的區(qū)塊鏈。

物聯(lián)網傳感器監(jiān)控貨物，定期將其位置和溫度信息發(fā)送到每個利益相關者的節(jié)點，以創(chuàng)建和維護跟蹤貨物的區(qū)塊鏈。發(fā)布節(jié)點參與 PBFT 共識機制，形成區(qū)塊鏈，記錄商品從源頭到客戶的移動和溫度歷史。結果是一個區(qū)塊鏈，如果出現(xiàn)問題或需要證明，它可以為所有各方提供一致且不可變的記錄。

這樣的網絡將不需要大量的發(fā)布節(jié)點——只有那些相互有合同承諾的利益相關者才需要共識投票來維護交易的相互分類賬?？赡苓€有其他利益相關者希望維護一個副本，從而連接到網絡，但他們的流量僅隨著添加節(jié)點的數(shù)量線性擴展。因此，使用 PBFT 共識的經過仔細考慮且結構良好的私有區(qū)塊鏈可以避免帶寬問題。

當然，訣竅是選擇網絡結構、共識機制、通信方案、塊和標頭定義以及其他此類細節(jié)，以使區(qū)塊鏈的操作適合應用程序的需求。有許多可能的實現(xiàn)方式，其中一些可從區(qū)塊鏈即服務 (BaaS) 提供商處獲得，例如亞馬遜、IBM、微軟等。還有一些開源軟件，例如 Hyperledger 項目，可供那些尋求開發(fā)自定義區(qū)塊鏈實施的人使用。

在最抽象的情況下，區(qū)塊鏈技術允許創(chuàng)建和維護分布式、防篡改的數(shù)字交易記錄。該記錄可供相關方檢查，但不可更改。盡管交易是可見的，但根據(jù)區(qū)塊鏈的配置，參與交易的各方可能是匿名的或可識別的。正確配置和應用的區(qū)塊鏈可以幫助提高物聯(lián)網交互的信任度和效率。

審核編輯：湯梓紅