第七章 区块链

7.1 区块链概述

7.1.1 区块链基本概念和特征

1、区块链的基本概念

从科技层面来看，区块链涉及数学、密码学、互联网和计算机编程等很多科学技术问题。从应用视角来看，简单来说，区块链是一个分布式的共享账本和数据库，具有去中心化、不可算改、全程留痕、可以追溯，集体维护、公开透明等特点。这些特点保证了区块链的“诚实”与“透明”，为区块链创造信任奠定基础。而区块链丰富的应用场景，基本上都基于区块链能够解决信息不对称问题，实现多个主体之间的协作信任与一致行动。

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链（Blockchain）本质上是一个去中心化的数据库，同时作为比特币的底层技术，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一批次比特币网络交易的信息，用于验证其信息的有效性（防伪）和生成下一个区块。

2、区块链的特征

① 去中心化：区块链技术不依赖额外的第三方管理机构或硬件设施，没有中心管制，除了自成一体的区块链本身，通过分布式核算和存储，各个节点实现了信息自我验证、传递和管理。去中心化是区块链最突出最本质的特征。

② 开放性：区块链技术基础是开源的，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开放，任何人都可以通过公开的接口查询区块链数据和开发相关应用，因此整个系统信息高度透明。

③ 独立性：基于协商一致的规范和协议（类似比特币采用的哈希算法等各种数学算法），整个区块链系统不依赖其他第三方，所有节点能够在系统内自动安全地验证、交换数据，不需要任何人为的干预。

④ 安全性：只要不能掌控全部数据节点的51%，就无法肆意操控修改网络数据，这使区块链本身变得相对安全，避免了主观人为的数据变更。

⑤ 匿名性：除非有法律规范要求，单从技术上来讲，各区块节点的身份信息不需要公开或验证，信息传递可以匿名进行。

7.1.2 区块链技术基础、技术特点及价值

1、区块链六层体系结构

类比OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）七层协议的标准，可将区块链系统分为六层，分别是应用层、合约层、激励层、共识层、网络层、数据层。

1） 数据层

数据层封装了区块链的底层数据存储和加密技术，包含了哈希函数和非对称加密的功能。每个节点存储的本地区块链副本可以被看成三个级别的分层数据结构，即交易、区块和链。

2） 网络层

在没有任何身份鉴别方案的情况下，区块链网络被组织为覆盖P2P网络。但是在不同应用场景对于区块链去中心化和开放程度有着不同的要求，据此可以将区块链大致分为公有链、私有链和联盟链三大类。

3） 共识层

共识层主要指的是不同区块链网络中使用的共识算法，比如工作量证明（proof of work，PoW）、权益证明（proof of stake，PoS）、拜占庭容错算法（Byzantine Fault Tolerance，PBT）。目标是使分布式系统中的各个节点高效达成共识。

4） 激励层

激励层涉及到为刺激区块链网络正向平稳运行和发展加入的激励措施。以工作量证明机制为例，节点如果想要赢得算力竞赛，获得记账权，就需要尽可能的提高散列查询率。为了网络的正常运行，此特币的共识协议中，节点一旦挖掘出新区块，系统就会产生相应数额的比特币以激励节点。

5） 合约层与应用层

合约层是区块链技术的可编程实现，通过各类脚本、算法和智能合约，完成对区块链技术的个人独特改造；应用层指的是建立在底层技术上的区块链的不同应用场景和案例实现。

2、区块链的核心技术
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：

① 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。

② 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。也由于记账节点足够多，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。

2） 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，从而保述了数据的安全和个人的隐私。

3） 共识机制

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。

4） 智能合约

智能合约是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。

7.1.3 区块链的发展历程

随着人们对区块链的关注和投入的日益增多，区块链技术的发展大致经历了三个阶段:区块链1.0、区块链2.0、区块链3.0。

1、区块链1.0：比特币和区块链

2008年中本聪匿名发布《比特币：一种点对点式的电子现金系统》一文，让比特币走进了大众视野。而区块链技术正是其核心所在。

因为金钱作为一般等价物，可以说是自人类有交易历史以来最有效的和普遍的互信体系的基础，比特币作为一种巨大的创新，通过区块链的分布式记录存储，建立了真正意义上的数字货币。人们将以比特币为首的数字货币和支付行为组成的区块链技术阶段，称作区块链1.0。

2、区块链2.0：智能合约

以比特币为代表的区块链1.0在设计之初只考虑了作为数字货币的交易属性，区块链技术只需要保证交易双方信任的实现和交易的安全性，没有考虑其他应用功能和要求，因此区块链1.0只能够支撑一些简单的指令集。为了突破比特币的编程限制，维塔利克（Vitalik）在2013年推动了可塑性区块链——以太坊的发展。

以太坊的最大亮点在于智能合约的出现，所谓智能合约实际上是一组决定区块链如何传递信息的可编程规则或程序指令，很多场景可以采用智能合约的形式来运转，无需第三方进行担保和信任。智能合约可以高效率地存储和传输价值将区块链技术的发展从数字货币中解放出来。大幅降低管理、保护、解析和存储信息的成本。

3、区块链3.0

区块链3.0是价值互联网的内核。区块链能够对于每一个互联网中代表价值的信息和字节进行产权确认、计量和存储，从而实现资产在区块链上可被追踪、控制和交易。

价值互联网的核心是由区块链构造一个全球性的分布式记账系统，它不仅仅能够记录金融业的交易，而是几乎可以记录任何有价值的能以代码形式进行表达的事物：对共享汽车的使用权、信号灯的状态、出生和死亡证明、结婚证、教育程度、财务账目、医疗过程、保险理赔、投票、能源。

因此，随着区块链技术的发展，其应用能够拓展到任何有需求的领域，进而到整个社会。

7.2 典型区块链技术介绍

7.2.1 以太坊技术框架

以太坊（Ethereum）是一个开源的有智能合约功能的公共区块链平台，通过其专用加密货币以太币（Ether，简称“ETH”）提供去中心化的以太虚拟机（Ethereum Virtual Machine）来处理点对点合约。

以太坊的概念首次在2013至2014年间由程序员Vitalik Buterin受比特币启发后提出，大意为“下一代加密货币与去中心化应用平台”，在2014年通过ICO众筹开始得以发展。

以太坊基础架构：与比特币相同，以太坊也是基于分布式网络的去中心化账本，在此基础上，以太坊还增强了脚本的功能，可实现图灵完备的智能合约。以太坊的基础框架分为六层，自下而上为：数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层。

7.2.2 超级账本Fabric技术框架

1、超级账本Fabric的基本特点
1） 开放性

超级账本是linux基金会2015年底成立的。自成立后吸引了大批企业，包括IBM、accenture、intel、cisco、HITACHI等大企业的加入。现在的Fabric源代码主要由IBM和Digital Asset这两家公司提供。是IBM开源的blockchain项目。

2） 开源

开源是特色。Fabric的源代码的开源的，托管在github上，链接见https://github.com/hyperledger/fabric.git。所有开发者或企业机构都可以自由地下载，进行研究，在此基础上结合业务场景，在不同的商业场景上应用落地。

3） SDK支持多语言，减低门槛

目前Fabric SDK支持go、java、js，python四种主希吾言，大多数开发者可以快速的上手，降低了开发的门槛和成本。此外，还有一个Hyper ledger Composer工具，可以快速地搭建环境。

4） 可插拔，可扩展

Fabric中的CA、数据库、共识算法都是可插拔的。而且，Fabric中的链码是通过docker实现的。

5） 基于联盟链的前提，兼顾数据共享和隐私保护

Fabric最多的特点是引入了链码和通道的概念，在Fabric中,通过channel，也即通道隔离数据，只有在这个通道的节点才能共享账本，二访问不了其他账本，通过建立不同的通道，可实现按需共享的目的。更符合现实生活的商业场景。

2、超级账本的技术架构

超级账本技术架构主要分为三部分：会员制、区块链、链上代码。

会员制服务负责管理的是网络上的身份识别、隐私与机密。区块性服务负资管理分布式账本。链上代码负责提供安全又轻便的沙盒装载路径，供验证节点执行链上的代码。整个环境是一个安全又封闭的容器，超级账本链上代码的主要是基于Docker进行管理与执行。

7.3 区块链主要应用领域

7.3.1 区块链的主要应用领域

1、数字货币

目前区块链技术最广泛、最成功的运用是以比特币为代表的数字货币。近年来数字货币发展很快，由于去中心化信用和频繁交易的特点，使得其具有较高交易流通价值，并能够通过开发对冲性质的金属衍生品作为准超主权货币，保持相对稳定的价格。

自从有了比特币之后，已经陆续出现了数百种的数字货币，围绕着数字货币生成、存储、交易形成了较为庞大的产业链生态。以比特币为例，参与机构主要可分为基础设施、交易平台、ICO融资服务、区块链综合服务等四类。

2、金融应用

区块链在金融领域有着天生的优势，在互联网上来说，这是区块链的基因决定的。主观来看，金融机构在区块链应用的探索上意愿最强，需要新的技术来提高运营效率，降低成本来应对整个全球经济当前现状。客观来看，金融行业市场空间巨大，些许的进步就能带来巨大收益。金融行业是对安全性、稳定性要求极高的行业，如果区块链在金融领域应用得以验证，那么将会产生巨大的示范效应，迅速在其他行业推广。在金融领域，除去数字货币应用，区块链也逐渐在跨境支付、供应链金融、保险、数字票据、资产证券化、银行征信等领域开始了应用：

① 保险业务。

② 资产证券化。

③ 数字票据。

④ 跨境支付。

⑤ 征信管理。

⑥ 供应链金融。

3、区块链+行业应用：

随着区块链技术在金融领域应用的不断验证，其技术优势在其他行业领域也逐渐体现出价值。目前，医疗健康、IP版权、教育、文化娱乐、通信、慈善公益、社会管理、共享经济、物联网等领域都在逐渐落地区块链应用项目，“区块链+”正在成为现实。

① 区块链+医疗

医疗领域，区块链能利用自己的匿名性、去中心化等特征保护病人隐私。电子健康病例（EHR）、DNA钱包、药品防伪等都是区块链技术可能的应用领域。IBM在去年的报告中预测，全球56%的医疗机构在2020年前将投资区块链技术。

② 区块链+物联网

物联网是一个非常宽泛的概念，如果将通信、能源管理、供应链管理、共享经济等涵盖在内，区块链技术的物联网应用将成为一个非常重要的应用领域。

③ 区块链+IP版权&文化娱乐

互联网发展的越来越好，数字音乐、数字图书、数字视频、数字游戏等逐渐成为了主流。知识经济的兴起使得知识产权成为市场竞争的核心要素。但当下的互联网生态里知识产权侵权现象严重，数字资产的版权保护成为了行业痛点。区块链去中介化、共识机制、不可篡改的特点，利用区块链技术，能将文化娱乐价值链的各个环节进行有效整合、加速流通，缩短价值创造周期；同时，可实现数字内容的价值转移，并保证转移过程的可信、可审计和透明，有效预防盗版等行为。

④ 区块链+公共服务&教育

在公共服务、教育、慈善公益等领域，档案管理、身份（资质）认证、公众信任等问题都是客观存在的，传统方式是依靠具备公信力的第三方作信用背书，但造假、缺失等问题依然存在。区块链技术能够保证所有数据的完整性、永久性和不可更改性，因而可以有效解决这些行业在存证、追踪、关联、回溯等方面的难点和痛点。

7.3.2 区块链发展趋势

区块链将给人类社会带来多大的技术影响，目前还是一个未知数。但是产学研界普遍认为目前我们还仅仅只是看到了区块链潜在价值的冰山一角。区块链技术不仅仅会改变技术、重塑产业，还会撼动人类社会既有秩序、传统规则和价值体系。随着区块链技术的逐步成熟，可以预见，区块链将虽现以下发展趋势。

1、区块链成为全球技术发展的前沿阵地，开辟国际竞争新赛道

区块链将成为进一步提速数字经济发展的新型美键基础设施，引领全球新一轮技术变革和产业变革，成为技术创新和模式创新的“策源地”。世界主要发达国家将进一步对区块链技术的关注度、密集出食相关政策规划，加大产业扶持引导，提升本国区块链技术和产业的竞争力。

2、数字货币泡沫逐步冷却

随着区块链技术概念的传播普及，越来越多的人将认识到比特币并不等同于区块链，各种空气币将逐步被淘汰，区块链技术创新将回归到更加理性的轨道。去中心化、多方协同、防篡改等技术特征将受到相关行业领域的高度重视，部分创新能力较强的行业结合行业特征改造后的区块链应用将不断涌现。

3、区块链技术体系逐渐清晰，跨领域集成创新程度进一步加大

随着应用场景的不断拓展，区块链技术本身也将不断演进变化，在共识机制、分布式账本、智能合约等关键核心技术的基础之上，区块链技术将加快与云计算大数据、人工智能等前沿技术的深度融合与集成创新。区块链技术将进一步加快物流、信息流、资金流融合，切实发挥出推进实体经济转型升级和创新发展的巨大作用。

4、区块链将是一种改变生产关系的基础设施，基于价值的可编程社会将成为现实

区块链将推动人类社会建立基于加密算法而无须人工干预的新型信任机制越来越多的经济社会事务和中介机构将会被程序代码和算法所替代。人们将更愿意以共同参与、公平可见、基于技术的机制来构建信任、传递价值、开展合作，人与人之间、产业上下游之间将形成更加平等的生产合作关系，共建、共享、共治的平台经济将更好地解决多元主体之间的共赢合作和利益分成等问题。