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10月24日下午，中共中央政治局就區塊鏈技術發展現狀和趨勢進行第十八次集體學習。
“要把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關鍵核心技術，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展。”
這一次區塊鏈被點名了，這段話也讓區塊鏈成為了街頭巷尾最熱的話題，沒有之一！一夜間，區塊鏈重新回到大眾視野。
今天，我們就來了解一下這個站在風口上的區塊鏈技術。本文內容分六部分介紹區塊鏈：基礎知識、發展歷程、關鍵技術、產業現狀、應用場景、主流平臺。內容較多，可挑選感興趣的小節來看。
01 區塊鏈基礎知識
談到區塊鏈技術，人們往往會先聯想到比特幣，因為區塊鏈技術最初是作為比特幣的底層框架技術出現的。因此，我們在探究區塊鏈技術之前，先來簡單地瞭解一下區塊鏈的起源——比特幣。
一、從比特幣到區塊鏈
2008年11月，一個化名為中本聰的人在一篇“比特幣：一種點對點的電子現金系統”論文中，描述了一種如何建立一套全新的、去中心化的點到點交易系統的方法，並將他在論文中提出的理念付諸實踐，著手開發比特幣的發行、交易和賬戶管理系統。
2009年1月3日，比特幣系統正式開始運行，比特幣的第一個區塊（也稱“創世區塊”）誕生了。不久後的2009年1月12日，中本聰通過比特幣系統發送了10個比特幣給密碼學家哈爾•芬尼（Hal Finney），這是比特幣系統自上線以來完成的第一筆交易。儘管充滿了爭議，但從技術角度來說，比特幣是“數字貨幣”歷史上一次了不起的創新。
與傳統貨幣和在比特幣誕生之前的“數字貨幣”相比，比特幣最大的不同是不依賴於任何中心化機構，而是僅僅依賴於其系統中完全透明的數學原理——加密和共識算法。這就是技術創新所帶來的美好，人們不再需要為了信任某個機構而進行一系列的保護措施。這是比特幣和區塊鏈技術受到如此多關注和追捧的最主要原因。
二、區塊鏈相關概念
區塊鏈技術本質上是一個去中心化的數據庫，它是比特幣的核心技術與基礎架構，是分佈式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的新型應用模式。
區塊鏈以密碼學的方式維護一份不可篡改和不可偽造的分佈式賬本，並通過基於協商一致的規範和協議（共識機制）解決了去中心化的記賬系統的一致性問題，其相關概念主要包括以下三個。
- 交易（Transaction）：區塊鏈上每一次導致區塊狀態變化的操作都稱為交易，每一次交易對應唯一的交易哈希值，一段時間後便會對交易進行打包。
- 區塊（Block）：打包記錄一段時間內發生的交易和狀態結果，是對當前賬本的一次共識。每個區塊以一個相對平穩的時間間隔加入到鏈上，在企業級區塊鏈平臺中，共識時間可以動態設置。
- 鏈（Chain）：區塊按照時間順序串聯起來，通過每個區塊記錄上一個區塊的哈希值關聯，是整個狀態改變的日誌記錄。
圖1.1展示的區塊鏈主要結構可以幫助大家理解這些概念。
圖1.1 區塊鏈主要結構
區塊鏈技術體系不是通過一個權威的中心化機構來保證交易的可信和安全，而是通過加密和分佈式共識機制來解決信任和安全問題，其主要技術創新有以下4點。
1 . 分佈式賬本
交易是由分佈式系統中的多個節點共同記錄的。每一個節點都記錄完整的交易記錄，因此它們都可以參與監督交易合法性並驗證交易的有效性。不同於傳統的中心化技術方案，區塊鏈中沒有任何一個節點有權限單獨記錄交易，從而避免了因單一記賬人或節點被控制而造假的可能性。另一方面，由於全網節點參與記錄，理論上講，除非所有的節點都被破壞，否則交易記錄就不會丟失，從而保證了數據的安全性。
區塊鏈技術很好地集成了當前對稱加密、非對稱加密和哈希算法的許多優點，並使用了數字簽名技術來保證交易的安全性，其中最具代表性的是使用橢圓曲線加密算法生成用戶的公私鑰對和使用橢圓曲線數字簽名算法來保證交易安全。打包在區塊上的交易信息對於參與共識的所有節點是公開的，但是賬戶的身份信息是經過嚴格加密的。
3 . 共識機制
共識機制是區塊鏈系統中各個節點達成一致的策略和方法。區塊鏈的共識機制替代了傳統應用中保證信任和交易安全的第三方中心機構，能夠降低由於各方不信任而產生的第三方信用成本、時間成本和資本耗用。常用的共識機制主要有PoW、PoS、DPoS、Paxos、PBFT等，共識機制既是數據寫入的方式，也是防止篡改的手段。
4 . 智能合約
智能合約是可以自動化執行預先定義規則的一段計算機程序代碼，它自己就是一個系統參與者。它能夠實現價值的存儲、傳遞、控制和管理，為基於區塊鏈的應用提供了創新性的解決方案。
02 區塊鏈發展歷程
比特幣所實現的基於零信任基礎、真正去中心化的分佈式系統，其實是解決一個30多年前由Leslie Lamport等人提出的拜占庭將軍問題。區塊鏈技術從誕生至今，其發展歷程大致可以分為4個階段：技術起源、區塊鏈1.0、區塊鏈2.0和區塊鏈3.0，如圖1.2所示。
圖1.2 區塊鏈發展歷程
一、技術起源
區塊鏈技術源於中本聰創造的比特幣。
比特幣是中本聰站在巨人的肩膀上，基於前人的各種相關技術和算法，結合自己獨特的創造性思維而設計出來的。下面簡要介紹區塊鏈相關基礎技術的發展歷史。
1982年，Leslie Lamport等人提出拜占庭將軍問題 （ Byzantine Generals Problem ），這是一個非常著名的、分佈式計算領域的問題，旨在設法建立具有容錯性的分佈式系統，即在一個存在故障節點和錯誤信息的分佈式系統中保證正常節點達到共識，保持信息傳遞的一致性。
1985年，Neal Koblitz和Victor Miller兩人提出橢圓曲線密碼學 （Elliptic Curve Cryptography，ECC），第一次將橢圓曲線用於密碼學中，建立公開金鑰加密演算法。相較於之前的RSA演算法，採用ECC的好處在於可用較短的金鑰達到與RSA相同的安全強度。
1990年，David Chaum根據之前提出的密碼學網絡支付系統理念，實現了一個不可追蹤密碼學網絡支付系統，稱為eCash。不過，這是一箇中心化的系統，但區塊鏈技術在隱私安全上借鑑了其很多設計。
1990年，Leslie Lamport針對自己在1982年提出的拜占庭將軍問題，給出了一個解決方案——Paxos算法，Paxos共識算法能在分佈式系統中達成高容錯性的全網一致性。
1991年，Stuart Haber與W. Scott Stornetta提出了時間戳技術來確保電子文件安全，中本聰在比特幣中也採用了這一技術，對賬本中的交易進行追本溯源。
1992年，Scott Vanstone等人基於ECC提出了性能更好的橢圓曲線數字簽名算法（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，ECDSA）。
1997年，Adam Back發明了Hashcash，一種工作量證明算法，此演算法仰賴成本函數的不可逆特性，具有容易被驗證但很難被破解的特性，最早被應用於阻擋垃圾郵件。其算法設計理念被中本聰改進之後，Hashcash成為比特幣區塊鏈節點達成共識的核心技術之一，是比特幣的基石。
1998年，Wei Dai發表了匿名的分佈式電子現金系統B-money，引入了工作量證明機制，強調點對點交易和不可篡改特性。不過在B-money中，並未採用Adam Back提出的Hashcash演算法。Wei Dai的許多設計也被比特幣區塊鏈所採用。
2005年，Hal Finney提出可重複使用的工作量證明機制（Reusable Proofs of Work，RPOW），結合B-money與Adam Back提出的Hashcash演算法來創造密碼學“貨幣”。
2008年，中本聰在一個隱秘的密碼學討論組發表了一篇關於比特幣的論文，發明了比特幣。
從上述技術發展歷史來看，區塊鏈技術並不是一蹴而就的，而是一定背景和技術發展下的必然產物。
二、區塊鏈1.0——“數字貨幣”
在區塊鏈1.0階段，區塊鏈技術的應用範圍主要集中在“數字貨幣”領域。在2009年比特幣上線之後，由於比特幣區塊鏈解決了“雙花問題”和“拜占庭將軍問題”，真正掃清了“數字貨幣”流通的主要障礙，因而獲得了極大的追捧，狗狗幣、萊特幣之類的“山寨”“數字貨幣”也開始大量湧現。這些“數字貨幣”在技術上與比特幣十分類似，其架構一般都可分為三層：區塊鏈層、協議層和貨幣層。區塊鏈層作為這些“數字貨幣”系統的底層技術，是最核心部分，系統的共識過程、消息傳遞等核心功能都是通過區塊鏈達成的。協議層則主要為系統提供一些軟件服務、制定規則，等等。最後的貨幣層則主要是作為價值表示，用來在用戶之間傳遞價值，相當於一種貨幣單位。
在區塊鏈1.0階段，基於區塊鏈技術構建了很多去中心化數字支付系統，很好地解決了貨幣和支付手段的去中心化問題，對傳統的金融體系有著一定的衝擊。
三、區塊鏈2.0——智能合約
在比特幣和其他山寨幣的資源消耗嚴重、無法處理複雜邏輯等弊端逐漸暴露後，業界逐漸將關注點轉移到了比特幣的底層支撐技術區塊鏈上，產生了運行在區塊鏈上的模塊化、可重用、自動執行腳本，即智能合約。這大大拓展了區塊鏈的應用範圍，區塊鏈由此進入2.0階段。業界慢慢地認識到區塊鏈技術潛藏的巨大價值。區塊鏈技術開始脫離“數字貨幣”領域的創新，其應用範圍延伸到金融交易、證券清算結算、身份認證等商業領域。湧現了很多新的應用場景，如金融交易、智能資產、檔案登記、司法認證，等等。
以太坊是這一階段的代表性平臺，它是一個區塊鏈基礎開發平臺，提供了圖靈完備的智能合約系統。通過以太坊，用戶可以自己編寫智能合約，構建去中心化的DAPP。基於以太坊智能合約圖靈完備的性質，開發者可以編程任何去中心化應用，例如投票、域名、金融交易、眾籌、知識產權、智能財產，等等。目前在以太坊平臺運行著很多去中心化應用，按照其白皮書說明，它們可以分為三種應用。第一種是金融應用，包括“數字貨幣”、金融衍生品、對沖合約、儲蓄錢包、遺囑這些涉及金融交易和價值傳遞的應用。第二種是半金融應用，它們涉及金錢的參與，但有很大一部分是非金錢的方面。第三種則是非金融應用，如在線投票和去中心化自治組織這類不涉及金錢的應用。
在區塊鏈2.0階段，以智能合約為主導，越來越多的金融機構、初創公司和研究團體加入了區塊鏈技術的探索隊列，推動了區塊鏈技術的迅猛發展。
四、區塊鏈3.0——超越貨幣、經濟和市場
隨著區塊鏈技術的不斷髮展，區塊鏈技術的低成本信用創造、分佈式結構和公開透明等特性的價值逐漸受到全社會的關注，在物聯網、醫療、供應鏈管理、社會公益等各行各業中不斷有新應用出現。區塊鏈技術的發展進入到了區塊鏈3.0階段。在這一階段，區塊鏈的潛在作用並不僅僅體現在貨幣、經濟和市場方面，更延伸到了政治、人道主義、社交和科學領域，區塊鏈技術方面的能力已經可以讓特殊的團體來處理現實中的問題。而隨著區塊鏈的繼續發展，我們可以大膽構想，區塊鏈技術或許將廣泛而深刻地改變人們的生活方式，並重構整個社會，重鑄信用價值。或許將來當區塊鏈技術發展到一定程度時，整個社會中的每一個人都可作為一個節點，連接到一個全球性的去中心化網絡中，整個社會進入區塊鏈時代，然後通過區塊鏈技術來分配社會資源，或許區塊鏈將成為一個促進社會經濟發展的理想框架。
03 區塊鏈關鍵技術
通過對區塊鏈基礎知識和發展歷程的介紹，相信讀者已經對區塊鏈有了一個較為直觀的認識，下面我們將更進一步，深入介紹區塊鏈的系統架構和關鍵技術。
一、基礎模型
圖1.3所示是區塊鏈的基本架構，該圖的繪製參考了《區塊鏈技術發展現狀與展望》和工信部《中國區塊鏈技術和應用發展白皮書(2016)》中的區塊鏈架構圖。
圖1.3 區塊鏈基本架構
區塊鏈基本架構可以分為數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層：
- 數據層封裝了區塊鏈的鏈式結構、區塊數據以及非對稱加密等區塊鏈核心技術；
- 網絡層提供點對點的數據通信傳播以及驗證機制；
- 共識層主要是網絡節點間達成共識的各種共識算法；
- 激勵層將經濟因素引入到區塊鏈技術體系之中，主要包括經濟因素的發行機制和分配機制；
- 合約層展示了區塊鏈系統的可編程性，封裝了各類腳本、智能合約和算法；
- 應用層則封裝了區塊鏈技術的應用場景和案例。
在該架構中，基於時間戳的鏈式結構、分佈式節點間的共識機制和可編程的智能合約是區塊鏈技術最具代表性的創新點。一般可以在合約層編寫智能合約或者進行腳本編程，來構建基於區塊鏈的去中心化應用。下面將對本架構中每一層所涉及的技術展開具體介紹。
二、數據層
數據層是區塊鏈的核心部分，區塊鏈本質上是一種數據庫技術和分佈式共享賬本，是由包含交易信息的區塊從後向前有序連接起來的一種數據結構。該層涉及的技術主要包括：區塊結構、Merkle樹、非對稱加密、時間戳、數字簽名和哈希函數。時間戳和哈希函數相對比較簡單，這裡重點介紹一下區塊結構、Merkle樹、非對稱加密和數字簽名。
1 . 區塊結構
每個區塊一般都由區塊頭和區塊體兩部分組成。如圖1.4所示，區塊頭部分包含了父區塊哈希值、時間戳、Merkle根等信息，而區塊體部分則包含著此區塊中所有的交易信息。除此之外，每一個區塊還對應著兩個值來識別區塊：區塊頭哈希值和區塊高度。
圖1.4 區塊結構
一個區塊都會有一個區塊頭哈希值，這是一個通過SHA256算法對區塊頭進行二次哈希計算而得到的32字節的數字指紋。
例如，比特幣的第一個區塊的頭哈希值為000000000019d6689c085 ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f。區塊頭哈希值可以唯一標識一個區塊鏈上的區塊，並且任何節點通過對區塊頭進行簡單的哈希計算都可以得到該區塊頭的哈希值。區塊頭哈希也包含在區塊的整體數據結構中，但是區塊頭的數據和區塊體的數據並不一定一起存儲，為了檢索效率起見，在實現中可以將二者分開存儲。
除了通過頭哈希值來識別區塊，還可以通過區塊高度來對區塊進行識別。例如高度為0和前面000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f所索引的區塊都是第一個區塊。但是與頭哈希值不同的是，區塊高度並不能唯一地標識一個區塊。由於區塊鏈存在著分叉情況，所以可能存在2個或以上區塊的區塊高度是一樣的。
談完了頭哈希值和區塊高度，下面介紹區塊頭的構造。以比特幣為例，區塊頭是80字節，其詳細結構如表1.1所示。
區塊頭由三組元數據組成，一組是引用父區塊的哈希值數據，用於同前一區塊進行相連。第二組即難度值、時間戳和隨機數，這些都與挖礦競爭相關。第三組是Merkle根，是區塊體中Merkle樹的根節點。
2 . Merkle樹
前面介紹了區塊頭哈希值、區塊高度和區塊頭的結構，接著來看看區塊體。區塊體存儲著交易信息，在區塊中它們是以一棵Merkle樹的數據結構進行存儲的，而Merkle樹是一種用來有效地總結區塊中所有交易的數據結構。Merkle樹是一棵哈希二叉樹，樹的每個葉子節點都是一筆交易的哈希值。同樣以比特幣為例，在比特幣網絡中，Merkle樹被用來歸納一個區塊中的所有交易，同時生成整個交易集合的數字指紋即Merkle樹根，且提供了一種校驗區塊是否存在某交易的高效途徑。生成一棵Merkle樹需要遞歸地對每兩個哈希節點進行哈希得到一個新的哈希值，並將新的哈希值存入Merkle樹中，直到兩兩結合最終只有一個哈希值時，這個哈希值就是這一區塊所有交易的Merkle根，存儲到上面介紹的區塊頭結構中。
下面通過一個實例來對Merkle樹進行進一步的介紹。圖1.5是一棵只有4筆交易的Merkle樹，即交易A、B、C和D。
圖1.5 Merkle樹
第一步，需要使用兩次SHA256算法對每筆交易數據進行哈希運算，得到每筆交易的哈希值，這裡可以得到HA、HB、HC、HD這4個哈希值，也就是這棵Merkle樹的葉子節點。例如，
HA = SHA256（SHA256（交易A））
第二步，對兩個葉子節點HA、HB的哈希值同樣使用兩次SHA256進行組合哈希運算，將會得到一個新的哈希值HAB，對HC、HD進行同樣的操作將獲得另一個哈希值HCD。例如，
HAB = SHA256（SHA256（HA＋HB））
第三步，對現有的兩個哈希值HAB、HCD進行第二步中的組合運算，最後將得到一個新的哈希值HABCD，此時我們已經沒有了其他同高度節點，所以最後的HABCD就是這一棵Merkle樹的Merkle根。之後將這個節點的32字節哈希值寫入到區塊頭部Merkle根字段中。Merkle樹的整個形成過程結束。
HABCD = SHA256（SHA256（HAB＋HCD））
因為Merkle樹是一棵二叉樹，所以它需要偶數個葉子節點，也就是偶數筆交易。但是在很多情況下，某個區塊的交易數目會出現奇數筆。對於這種情況，Merkle樹的解決方案是將最後一筆交易進行一次複製，以此構造成偶數個葉子節點，這種偶數個葉子節點的二叉樹也稱為平衡樹。
圖1.6展示的是一棵更大的Merkle樹，由16個交易構成。通過圖示，可以發現，不管一個區塊中有一筆交易還是十萬筆交易，最終都能歸納成一個32字節的哈希值作為Merkle樹的根節點。
圖1.6 多節點的Merkle樹
當需要證明交易列表中的某筆交易存在時，一個節點只需計算log2N個32字節的哈希值，就可以形成一條從Merkle樹根到特定交易的路徑，Merkle樹的效率如表1.2所示。
3 . 非對稱加密與數字簽名
非對稱加密是區塊鏈技術中用於安全性需求和所有權認證時採用的加密技術，常見的非對稱加密算法有RSA、Elgamal、揹包算法、Rabin、D-H、ECC（橢圓曲線加密算法）和ECDSA（橢圓曲線數字簽名算法），等等。與對稱加密算法不同的是，非對稱加密算法需要兩個密鑰：公開密鑰（public key）和私有密鑰（private key）。基於非對稱加密算法可使通信雙方在不安全的媒體上交換信息，安全地達成信息的一致。公開密鑰是對外公開的，而私有密鑰是保密的，其他人不能通過公鑰推算出對應的私鑰。每一個公開密鑰都有其相對應的私有密鑰，如果我們使用公開密鑰對信息進行了加密，那麼則必須有對應的私有密鑰才能對加密後的信息進行解密；而如果是用私有密鑰加密信息，則只有對應的公開密鑰才可以進行解密。在區塊鏈中，非對稱加密主要用於信息加密、數字簽名等場景。
在信息加密場景中，如圖1.7所示，信息發送者A需要發送一個信息給信息接收者B，需要先使用B的公鑰對信息進行加密，B收到後，使用自己的私鑰就可以對這一信息進行解密，而其他人沒有私鑰，是沒辦法對這個加密信息進行解密的。
圖1.7 信息加密
而在數字簽名場景中，如圖1.8所示，發送者A先用哈希函數對原文生成一個摘要（Digest），然後使用私鑰對摘要進行加密，生成數字簽名（Signature），之後將數字簽名與原文一起發送給接收者B；B收到信息後使用A的公鑰對數字簽名進行解密得到摘要，由此確保信息是A發出的，然後再對收到的原文使用哈希函數產生摘要，並與解密得到的摘要進行對比，如果相同，則說明收到的信息在傳輸過程中沒有被修改過。
圖1.8 數字簽名
三、網絡層
網絡層是區塊鏈平臺信息傳輸的基礎，通過P2P的組網方式、特定的信息傳播協議和數據驗證機制，使得區塊鏈網絡中的每個節點都可以平等地參與共識與記賬。下面將詳細介紹區塊鏈平臺網絡層中的P2P網絡架構、信息傳輸機制和數據驗證機制。
1 . P2P網絡架構
區塊鏈網絡架構一般採用的是基於互聯網的P2P（peer-to-peer）架構，在P2P網絡中，每臺計算機每個節點都是對等的，它們共同為全網提供服務。而且，沒有任何中心化的服務端，每臺主機都可以作為服務端響應請求，也可以作為客戶端使用其他節點所提供的服務。P2P通信不需要從其他實體或CA獲取地址驗證，因此有效地消除了篡改的可能性和第三方欺騙。所以P2P網絡是去中心化和開放的，這也正符合區塊鏈技術的理念。
在區塊鏈網絡中，所有的節點地位均等且以扁平式拓撲結構相互連通和交互，每個節點都需要承擔網絡路由、驗證區塊數據、傳播區塊數據等功能。在比特幣網絡中，存在著兩類節點，一類是全節點，它保存著區塊鏈上所有的完整數據信息，並需要實時地參與區塊鏈數據的校驗和記錄來更新區塊鏈主鏈。另一類是輕節點，它只保存著區塊鏈中的部分信息，通過簡易支付驗證（SPV）方式向其他相鄰的節點請求數據以便完成數據的驗證。
2 . 傳輸機制
在新的區塊數據生成後，生成該數據的節點會將其廣播到全網的其他節點以供驗證。目前的區塊鏈底層平臺一般都會根據自身的實際應用需求，在比特幣傳輸機制的基礎上重新設計或者改進出新的傳輸機制，如以太坊區塊鏈集成了所謂的“幽靈協議”，以解決因區塊數據確認速度快而導致的高區塊作廢率和隨之而來的安全性風險。這裡我們以中本聰設計的比特幣系統為例，列出其傳輸協議的步驟如下：
(1) 比特幣交易節點將新生成的交易數據向全網所有節點進行廣播；
(2) 每個節點都將收集到的交易數據存儲到一個區塊中；
(3) 每個節點基於自身算力在區塊中找到一個具有足夠難度的工作量證明；
(4) 當節點找到區塊的工作量證明後，就向全網所有節點廣播此區塊；
(5) 只有包含在區塊中的所有交易都有效且之前未存在過，其他節點才認同該區塊的有效性；
(6) 其他節點接收該數據區塊，並在該區塊的末尾製造新的區塊以延長鏈，而將被接收的區塊的隨機哈希值視為新區塊的前序區塊哈希值。
如果交易的相關節點是一個未與其他節點相連接的新節點，比特幣系統通常會將一組長期穩定運行的“種子節點”推薦給新節點以建立連接，或者推薦至少一個節點連接新節點。此外，進行廣播的交易數據並不需要全部節點都接收到，只要有足夠多的節點做出響應，交易數據便可整合到區塊鏈賬本中。而未接收到完整交易數據的節點可以向臨近節點請求下載缺失的交易數據。
3 . 驗證機制
在區塊鏈網絡中，所有的節點都會時刻監聽網絡中廣播的交易數據和新產生的區塊。在接收到相鄰節點發來的數據後，會首先驗證該數據的有效性，若數據有效則按接收順序為新數據建立存儲池來暫存這些數據，並且繼續向臨近節點轉發；若數據無效則立即廢棄該數據，從而保證無效數據不會在區塊鏈網絡中繼續傳播。驗證有效性的方法是根據預定義好的標準，從數據結構、語法規範性、輸入輸出和數字簽名等各方面進行校驗。對於新區塊的校驗同理，某節點產生出新區塊後，其他節點按照預定義的標準對新區塊的工作量證明、時間戳等方面進行校驗，若確認有效，則將該區塊鏈接到主區塊鏈上，並開始爭取下一個區塊的記賬權。
四、共識層
Leslie Lamport於1982年提出著名的拜占庭將軍問題，引發了無數研究者探索解決方案。如何在分佈式系統中高效地達成共識是分佈式計算領域的一個重要研究課題。區塊鏈的共識層的作用就是在不同的應用場景下通過使用不同的共識算法，在決策權高度分散的去中心化系統中使得各個節點高效地達成共識。
最初，比特幣區塊鏈選用了一種依賴節點算力的工作量證明共識（Proof of Work，PoW）機制來保證比特幣網絡分佈式記賬的一致性。之後隨著區塊鏈技術的不斷演進和改進，研究者陸續提出了一些不過度依賴算力而能達到全網一致的算法，比如權益證明共識（Proof of Stake，PoS）機制、授權股份證明共識（Delegated Proof of Stake，DPoS）機制、實用拜占庭容錯（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）算法、Raft共識算法，等等。下面我們對這幾種共識算法進行簡單介紹。
1 . PoW（工作量證明機制）
PoW機制誕生於1997年 Adam Back 設計的Hashcash系統，它最初被創造出來用於預防郵件系統中漫天遍地的垃圾郵件。2009年，中本聰將PoW機制運用於比特幣區塊鏈網絡中，作為達成全網一致性的共識機制。從嚴格意義上講，比特幣中所採用的是一種可重複使用的Hashcash工作證明，使得生成工作證明量可以是一個概率意義上的隨機過程。在該機制中，網絡上的每一個節點都在使用SHA256哈希算法運算一個不斷變化的區塊頭的哈希值。共識要求算出的值必須等於或者小於某個給定的值。在分佈式網絡中，所有的參與者都需要使用不同的隨機數來持續計算該哈希值，直到達到目標為止。當一個節點得出了確切的值，其他所有的節點必須相互確認該值的正確性。之後，新區塊中的交易將被驗證以防欺詐。然後，用於計算的交易信息的集合會被確認為認證結果，用區塊鏈中的新區塊表示。在比特幣中，運算哈希值的節點被稱作“礦工”，而PoW的過程被稱為“挖礦”。由於認證的計算是一個耗時的過程，所以也提出了相應的激勵機制（例如向礦工授予一小部分比特幣）。總的來說，工作量證明就是對於工作量的證明，每個區塊加入到鏈上，必須得到網絡參與者的同意驗證，礦工對它完成了相對應的工作量。PoW的優點是完全的去中心化和分佈式賬簿。缺點也很明顯，即消耗資源：挖礦行為造成了大量的資源浪費，同時PoW達成共識的週期也比較長，比特幣網絡會自動調整目標值來確保區塊生成過程大約需要10分鐘，因此它不是很適合商業運用。
2 . PoS（股權證明機制）
PoS的想法源於尼克•薩博（Nick Szabo），是PoW的一種節能替代選擇，它不需要用戶在不受限制的空間中找到一個隨機數，而是要求人們證明貨幣數量的所有權，因為其相信擁有貨幣數量多的人攻擊網絡的可能性更低。由於基於賬戶餘額的選擇是非常不公平的，因為單一最富有的人勢必在網絡中占主導地位，所以提出了許多解決方案，結合股權來決定誰來創建下一個塊。其中，Blackcoin使用隨機選擇來預測下一個創建者，而Peercoin則傾向於基於幣齡來選擇。Peercoin首次開創性地實現了真正的股權證明，它採用工作量證明機制發行新幣，採用股權證明機制維護網絡安全，這也是“虛擬貨幣”歷史上的一次創舉。同比特幣網絡要求證明人執行一定量的工作不同，該機制只需要證明人提供一定數量“數字貨幣”的所有權即可。在股權證明機制中，每當創建一個區塊時，礦工需要創建一個稱為“幣權”的交易，這個交易會按照一定的比例預先將一些幣發給礦工。然後股權證明機制根據每個節點持有代幣的比例和時間，依據算法等比例地降低節點的挖礦難度，以加快節點尋找隨機數的速度，縮短達成共識所需的時間。與PoW相比，PoS可以節省更多的能源，更有效率。但是，由於挖礦成本接近於零，因此可能會遭受攻擊。且PoS在本質上仍然需要網絡中的節點進行挖礦運算，所以它同樣難以應用於商業領域。
3 . DPoS（股份授權證明機制）
DPoS由比特股（Bitshares）項目組發明。股權擁有者選舉他們的代表來進行區塊的生成和驗證。DPoS類似於現代企業董事會制度，比特股系統將代幣持有者稱為股東，由股東投票選出101名代表，然後由這些代表負責生成和驗證區塊。持幣者若想成為一名代表，需先用自己的公鑰去區塊鏈註冊，獲得一個長度為32位的特有身份標識符，股東可以對這個標識符以交易的形式進行投票，得票數前101位被選為代表。代表們輪流產生區塊，收益（交易手續費）平分。如果有的代表不老實生產區塊，很容易被其他代表和股東發現，他將立即被踢出“董事會”，空缺位置由票數排名102的代表自動填補。DPoS的優點在於大幅減少了參與區塊驗證和記賬的節點數量，從而縮短了共識驗證所需要的時間，大幅提高了交易效率。從某種角度來說，DPoS可以理解為多中心繫統，兼具去中心化和中心化優勢。
4 . PBFT（實用拜占庭容錯算法）
這個算法最初出現在MIT的Miguel和Barbara Liskov的學術論文中，初衷是為一個低延遲存儲系統所設計，降低算法的複雜度，該算法可以應用於吞吐量不大但需要處理大量事件的數字資產平臺。它允許每個節點發布公鑰，任何通過節點的消息都由節點簽名，以驗證其格式。驗證過程分為三個階段：預備、準備、落實。如果已經收到超過1/3不同節點的批准，服務操作將是有效的。使用PBFT，區塊鏈網絡N個節點中可以包含f個拜占庭惡意節點，其中f =(N-1)/ 3。換句話說，PBFT確保至少2 f + 1個節點在將信息添加到分佈式共享賬簿之前達到共識。目前，HyperLedger聯盟、中國ChinaLedger 聯盟等諸多區塊鏈聯盟都在研究和驗證這個算法的實際部署和應用。
5. Raft（信道可信條件下的共識算法）
Raft是由Stanford提出的一種更易理解的一致性算法，基於沒有作惡節點但網絡節點可能宕機的前提條件下，達成所有節點的一致性共識。Raft節點一般分為三種角色：Follower、Candidate、Leader。一開始，所有的節點都是以Follower角色啟動，想當Leader的節點將會成為Candidate節點，並向其它Follower發出選舉投票請求，只要超過半數的節點選擇自己即可成為Leader節點，之後該Leader節點每隔一段時間就向 Follower節點發送“心跳”保活，否則其餘節點可再次競爭Leader節點。寫入數據時，Leader先將數據暫時寫在本地日誌，並向Follower發送添加數據請求。當有超過半數的添加成功信息返回，Leader便可以寫入本地並向客戶端發回成功結果，否則寫入失敗。
五、激勵層
激勵層作為將經濟因素引入區塊鏈技術的一個層次，其存在的必要性取決於建立在區塊鏈技術上的具體應用需求。這裡以比特幣系統為例，對其激勵層進行介紹。
在比特幣系統中，大量的節點算力資源通過共識過程得以匯聚，從而實現區塊鏈賬本的數據驗證和記賬工作，因而其本質上是一種共識節點間的任務眾包過程。在去中心化系統中，共識節點本身是自利的，其參與數據驗證和記賬工作的根本目的是最大化自身收益。所以，必須設計合理的激勵機制，使得共識節點最大化自身收益的個體行為與區塊鏈系統的安全性和有效性相契合，從而使大規模的節點對區塊鏈歷史形成穩定的共識。
比特幣採用PoW共識機制，在該共識中其經濟激勵由兩部分組成：一是新發行的比特幣；二是交易流通過程中的手續費。兩者組合在一起，獎勵給PoW共識過程中成功計算出符合要求的隨機數並生成新區塊的節點。因此，只有當各節點達成共識，共同合作來構建和維護區塊鏈歷史記錄及其系統的有效性，當作獎勵的比特幣才會有價值。
1 . 發行機制
在比特幣系統中，新區塊產生髮行比特幣的數量是隨著時間階梯型遞減的。從創世區塊起，每個新區塊將發行50個比特幣獎勵給該區塊的記賬者，此後每隔約4年（21萬個區塊），每個新區塊發行的比特幣數量減少一半，以此類推，一直到比特幣的數量穩定在上限2100萬為止。前文提到過，給記賬者的另一部分獎勵是比特幣交易過程中產生的手續費，目前默認的手續費是1/10000個比特幣。兩部分費用會被封裝在新區塊的第一個交易（稱為Coinbase交易）中。雖然現在每個新區塊的總手續費與新發行的比特幣相比要少得多，但隨著時間推移，未來比特幣的發行數量會越來越少，甚至停止發行，到那時手續費便會成為共識節點記賬的主要動力。此外，手續費還可以起到保障安全性的作用，防止大量微額交易對比特幣系統發起“粉塵攻擊”。
2 . 分配機制
隨著比特幣挖礦生態圈的成熟，“礦池”出現在人們的視野中。大量的小算力節點通過加入礦池而聯合起來，相互合作彙集算力來提高獲得記賬權的概率，並共享生成新區塊得到的新發行比特幣和交易手續費獎勵。據Bitcoinminning.com統計，目前已經存在13種不同的分配機制。現今主流礦池通常採用PPLNS（Pay Per Last N Shares）、PPS（Pay Per Share）和PROP（PRO Portionately）等機制。在礦池中，根據各個節點貢獻的算力，按比例劃分為不同的股份。PPLNS機制在產生新的區塊後，各合作節點根據其在最後N個股份內貢獻的實際股份比例來分配獎勵；PPS則直接根據股份比例為各節點估算和支付一個固定的理論收益，採用此方式的礦池將會適度收取手續費來彌補其為各個節點承擔的收益不確定性風險；PROP機制則根據節點貢獻的股份按比例地分配獎勵。
六、合約層
合約層封裝了各類腳本、算法和智能合約，是區塊鏈可編程性的體現。比特幣本身就具有簡單腳本的編寫功能，而以太坊極大地強化了編程語言協議，理論上可以編寫實現任何功能的應用。如果把比特幣看成是全球賬本的話，以太坊可以看作一臺“全球計算機”，任何人都可以上傳和執行任意的應用程序，並且程序的有效執行能得到保證。如果說數據、網絡和共識三個層次作為區塊鏈底層“虛擬機”，分別承擔數據表示、數據傳播和數據驗證功能，合約層則是建立在區塊鏈虛擬機之上的商業邏輯和算法，是實現區塊鏈系統靈活編程和操作數據的基礎。包括比特幣在內的“數字加密貨幣”大多采用非圖靈完備的簡單腳本代碼來編程控制交易過程，這也是智能合約的雛形。隨著技術的發展，目前已經出現以太坊等圖靈完備的可實現更為複雜和靈活的智能合約的腳本語言，使得區塊鏈能夠支持宏觀金融和社會系統的諸多應用。
智能合約的概念可以追溯到1995年，是由學者尼克•薩博提出並進行如下定義的：“一個智能合約是一套以數字形式定義的承諾，包括合約參與方可以在上面執行這些承諾的協議。”其設計初衷是希望通過將智能合約內置到物理實體來創造各種靈活可控的智能資產。但由於計算手段的落後和應用場景的缺失，智能合約在當時並未受到研究者的廣泛關注。
區塊鏈技術的出現對智能合約進行了新的定義並使其成為了可能。智能合約作為區塊鏈技術的關鍵特性之一，是運行在區塊鏈上的模塊化、可重用、自動執行的腳本，能夠實現數據處理、價值轉移、資產管理等一系列功能。合約部署的時候被虛擬機編譯成操作碼存儲在區塊鏈上，對應地會有一個存儲地址。當預定的條件發生時，就會發送一筆交易（transaction）到該合約地址，全網節點都會執行合約腳本編譯生成的操作碼，最後將執行結果寫入區塊鏈。作為一種嵌入式程序化合約，智能合約可以內置在任何區塊鏈數據、交易或資產中，形成可由程序自行控制的系統、市場或資產。智能合約不僅為金融行業提供了創新性的解決方案，同時也能在社會系統中的信息、資產、合同、監管等事務管理中發揮重要作用。
基於區塊鏈技術的智能合約不僅可以發揮智能合約在成本效率方面的優勢，還可以避免惡意行為對合約正常執行的干擾。智能合約可以應用到任何一種數據驅動的業務邏輯中，以太坊首先看到了區塊鏈和智能合約的契合，發佈了白皮書《以太坊：下一代智能合約和去中心化應用平臺》，構建了內置有圖靈完備編程語言的公有區塊鏈，使得任何人都能夠創建合約和去中心化應用。
智能合約與區塊鏈的結合，豐富了區塊鏈本身的價值內涵，其特性有以下3點：
- 用程序邏輯中的豐富合約規則表達能力實現了不信任方之間的公平交換，避免了惡意方中斷協議等可能性；
- 最小化交易方之間的交互，避免了計劃外的監控和跟蹤的可能性；
- 豐富了交易與外界狀態的交互，比如可信數據源提供的股票信息、天氣預報等。
04 區塊鏈產業現狀
新技術的發展離不開市場和產業的推動。下面我們將從區塊鏈技術的發展態勢、政府對區塊鏈技術的發展規劃以及區塊鏈產業生態圖譜這3個維度，對區塊鏈產業的發展現狀進行分析介紹。
一、區塊鏈發展態勢
區塊鏈最早應用在“數字貨幣”方面，數字資產眾籌經歷了從萌芽到爆發的過程，但隨之而來的也是資產發行無序，市場上各類項目良莠不齊，大部分的功能型通證並無實際使用價值。進入2018年，數字資產市場出現了合規化資產發行模式。2017-2018年數字貨幣熱潮逐漸退卻，轉向多元化技術體系延伸，鏈上擴容、鏈下擴容、DAG、跨鏈、隱私幣等技術方案熱度不斷攀升。從2019年開始的長時間階段內，區塊鏈的產業發展會從思維理論為重到實體應用為主，從跟風發行虛擬幣轉向穩步造福實體產業。
ICO（Initial Coin Offering）是與“數字貨幣”密切相關的概念，是基於“數字貨幣”的項目初期資金籌措方式，早期參與ICO眾籌的人員可以獲得初始產生的“數字貨幣”作為回報。最早的ICO項目可追溯到2013年7月的Mastercoin項目，該項目通過比特幣進行ICO眾籌，生成對應的Mastercoin代幣並分發給眾籌參與者。知名的以太坊項目的初始研發資金也是通過ICO的方式籌得的。然而，因為不易監管，ICO融資方式極易被投機者利用。特別是2017年以來，國內ICO融資項目數量迅速爆發，2017年1至4月上線8個ICO項目，5月上線9個，6月上線了27個，導致ICO充斥著投機行為和泡沫，監管層給予了高度關注，9月4日，央行、銀監會等七部門發佈通告，宣佈任何組織和個人不得非法從事代幣發行融資活動。隨後，主要“數字貨幣”均應聲迅速下跌。ICO的狂熱從側面反映了區塊鏈產業受關注的程度，但想借助區塊鏈熱度進行短期投機炒作甚至詐騙的行為註定不能長久，只有踏踏實實地進行區塊鏈技術創新，才能迎來真正的技術爆發期。
之後通過證券化通證發行的STO（Security Token Offering）與ICO相比， STO的代幣是在政府監管之下的證券，證券型代幣通常都是與真實資產對映，如資產權益、有限責任公司股份，大宗商品等。目前，只有美國將ICO納入證券監管範圍，即STO。在中國，STO屬於代幣發行活動，未受到監管及政策的允許，本質上是一種非法金融活動。2018年12月，北京市互聯網金融行業協會發布《關於防範以STO名義實施犯罪活動的風險提示》，對STO潛在風險予以提示。儘管中國目前還沒有對STO出臺相關政策法規，但一定會納入高度重視的監管範圍。
下面來看看大數據平臺所展示的一些與區塊鏈技術相關的信息。據統計，在谷歌趨勢中，區塊鏈技術按區域顯示的搜索熱度排行中，印度排名第一，然後依次是澳大利亞、印度尼西亞、加拿大、英國和美國。這個排名與國家人口數量有關，但也與國家對區塊鏈技術的關注度有很大的關係。谷歌趨勢目前並沒有中國的數據，因此暫時不清楚中國和其他國家對於區塊鏈技術的搜索熱度對比。但為了探究區塊鏈在中國的熱度以及趨勢情況，通過與谷歌趨勢類似的百度指數平臺進行分析，發現在國內區塊鏈的熱度從2015年8月開始，一直呈上升趨勢，這或許與2015年10月首屆全球區塊鏈峰會的召開和宣傳有關，之後更多的人接觸和關注區塊鏈這一新技術。到2016年1月，中國央行召開研討會，討論採用區塊鏈技術發行“數字貨幣”的可能性，推動區塊鏈的百度指數繼續顯著提升。直至2016年6月，由於全球聞名的、也是當時最大的眾籌項目DAO被黑客攻擊而被迫採用通過硬分叉的措施解決這一事件帶來的損失，導致區塊鏈的價值和安全性受到了大眾質疑，相對應的百度指數出現了明顯下滑。而到2016年8月，工信部發布區塊鏈發展白皮書，肯定了區塊鏈技術的價值，指數又開始再次反彈，並穩步提升。2017年，隨著全球區塊鏈金融（杭州）峰會、工信部首屆中國區塊鏈開發大賽等大型區塊鏈活動的舉辦，區塊鏈的熱度持續攀升。
2018年度德勤的全球區塊鏈調查顯示，約40％的受訪者的公司將在區塊鏈技術上面投資500萬美元或更多。約74%的受訪者認為區塊鏈技術將給他們的公司帶來很多好處。2018年12月，中國信息通信研究院發佈了“2019- 2021 信息通信業(ICT)十大趨勢”，指出區塊鏈會通過探索構建分佈式信任體系，與雲計算、物聯網等技術深度融合和創新突破，將促進其在醫療、司法、工業、媒體等的大規模商業探索應用。
通過以上一系列數據分析，可以發現，在短短的幾年時間內，區塊鏈這一新興技術發展得如此之快，態勢如此之猛烈。這不禁讓人聯想到了前些年的互聯網，互聯網實現了信息傳播和分享，而區塊鏈技術宣告了互聯網從傳遞信息的信息互聯網向轉移價值的價值互聯網的進化。
二、區塊鏈政府規劃
隨著區塊鏈技術的不斷髮展，各國對區塊鏈的認知程度逐漸提高，政府相關部門紛紛對區塊鏈技術予以關注、探討和推動，並推出相應發展規劃，如圖1.9所示。
圖1.9 各國區塊鏈發展戰略與規劃
首先，來看一下國際組織對區塊鏈技術的關注情況。2016年初聯合國社會發展部發布了一篇題為《“加密貨幣”以及區塊鏈技術在建立穩定金融體系中的作用》的報告，提出了應用區塊鏈技術構建一個穩定的金融體系的想法，並認可了區塊鏈技術在金融領域的價值和發展潛力。後來，國際基金組織也針對“數字貨幣”發佈了題為《關於“加密貨幣”的探討》的分析報告，對使用區塊鏈技術構建“數字加密貨幣”的未來進行了具體詳細的分析。
2017年8月，聯合國信息與通信部門（OICT）在紐約聯合國總部開展了區塊鏈技術研討會，重點探討了區塊鏈項目的嘗試性落地，以此提高聯合國各成員國對區塊鏈技術的重視。2019年4月，國際貨幣基金組織（IMF）和世界銀行推出一種名為“學習貨幣”（Learning Coin）的加密貨幣，該貨幣建立在IMF和世界銀行的私有鏈上，故沒有實際價值，只為更好得了解加密貨幣的基礎技術原理。此外，IMF指出各國央行、金融機構和監管機構需要及時跟上加密資產和分佈式技術發展的步伐。
在美洲地區，多個國家政府都表明了對區塊鏈技術的應用與創新持支持態度，但對ICO的監管愈發嚴格。比如2015年11月10日，美國司法部舉行了“數字貨幣”峰會，意在探討區塊鏈技術在“數字貨幣”應用的可能性。之後，美國證券交易所同意批准了在區塊鏈上進行公司股票的交易，美國商品期貨交易委員會在關注區塊鏈技術的同時，將比特幣視為大宗商品來進行監管監督，對區塊鏈技術給予認可。2016年7月29日，22名美國參議員致函美聯儲要求對區塊鏈技術發展進行指導，2016年9月12日，美國眾議院通過了一項要求支持區塊鏈技術的無約束力的決議。2016年9月28日，美聯儲主席耶倫向外透露美聯儲正致力於對區塊鏈技術進行深入研究探討。
2017年2月，美國國會宣佈成立國會區塊鏈決策委員會，探索區塊鏈技術在公共部門中的應用。2017年8月，美國證券交易委員會（SEC）認定以太坊代幣屬於證券發行，須依法註冊。2018年3月，SEC宣佈數字交易登記所必須進行登記。2018年8月，SEC拒絕了比特幣的9項ETF申請。2018年12月，美國國會議員提出將數字貨幣排除在證券外的法案。
在歐洲地區，各國對區塊鏈技術的態度總體上都比較積極且監管較為寬鬆。早在2013年8月，德國就第一個宣佈承認比特幣的合法地位，並將其納入監管體系。同時德國政府還表示，比特幣可以作為私人貨幣和貨幣單位。2014年11月，英國財政部官員發表聲明說“數字貨幣”以及“數字貨幣”交易不受國家監管，但2015年3月，英國財政部發布“數字貨幣”相關報告，提出將商議“數字貨幣”的監管模式並制定出一個“最佳的”監管框架。2016年年初，英國政府發佈了一份有關分佈式賬本技術的研究報告，第一次從國家層面上對區塊鏈技術的未來與發展進行了探討、分析和建議。2018年4月，英國金融市場對ICO發行的數字貨幣進行授權式監管。而俄羅斯央行在2016年上半年發佈的一項研究計劃中表示，他們將對區塊鏈技術在金融領域的應用進行探索研究，這與其對比特幣的態度有著比較大的差距。2017年，俄羅斯央行發佈的信息顯示他們已成立了一個專門研究前沿科技及金融市場創新技術的工作小組，對分佈式賬本、區塊鏈技術及多種金融科技領域的新成果展開調查和研究。歐洲中央銀行也開始探索如何將區塊鏈技術應用於證券和支付結算系統中。2016年3月，歐洲央行（ECB）發佈《歐元體系的願景—歐洲金融市場基礎設施的未來》報告，正式探索區塊鏈技術的可用性。2018年4月，英國、法國等22個國家成立了區塊鏈合作聯盟，之後的幾個月裡丹麥等4個歐洲國家也加入了該聯盟。2019年1月，歐洲證券和市場管理局向歐盟提出數字貨幣資產的現有漏洞。
在亞太地區，澳大利亞中央銀行對區塊鏈技術的態度表現得非常積極，他們表態支持銀行對分佈式賬本技術進行探索，提議全面發佈“數字貨幣”澳元，充分利用區塊鏈技術的優勢來革新傳統的金融系統。新加坡總理呼籲銀行和監管機構密切關注區塊鏈等新技術的發展，不斷改進自身技術，創新商業模式，提高服務水平。2016年6月，新加坡金融管理局推出了sandbox機制，保證區塊鏈技術在可控範圍內的金融領域創新。2015年11月16日，日本經濟產業省召開了一個Fintech會議，討論金融科技的發展與應用，其中還專門對區塊鏈技術的發展和未來進行了具體的分析討論。2017年4月，日本實施的《支付服務法案》認可比特幣是合法支付，但對交易所的監管提出了明確的要求。2016年2月3日，韓國央行發佈了一篇題為《分佈式賬本技術和“數字貨幣”的現狀和啟示》的分析報告，對區塊鏈技術和“數字貨幣”的現狀以及分佈式賬本技術進行了積極研究和探討。2017年9月，韓國加大對數字貨幣的監管力度。
最後來看看我國政府部門對區塊鏈技術的推動情況。2016年2月，中國人民銀行行長周小川在談到“數字貨幣”相關問題時就曾提及，區塊鏈技術是一項推出“數字貨幣”可選的技術，並提到人民銀行部署了重要力量研究探討區塊鏈應用技術。他認為，目前區塊鏈還存在著比較多的問題，比如區塊鏈技術需要巨大的計算資源以及存儲資源，同時區塊產生的時間太長，還沒辦法應對金融交易的規模。2016年9月9日，中國人民銀行副行長範一飛在2015年度銀行科技發展獎評審領導小組會議中提出，各機構應主動探索系統架構轉型，積極研究建立靈活、可延展性強、安全可控的分佈式系統架構，同時應加強對區塊鏈等新興技術的持續關注，不斷創新服務和產品，提升普惠金融水平。2016年年底，國務院將區塊鏈技術納入“十三五”國家信息化規劃，對於國內區塊鏈技術來說是一個巨大的推進。2017年1月，央行推動的基於區塊鏈的數字票據交易平臺已測試成功。此舉說明中國央行緊跟金融科技的國際前沿趨勢，力求把握對金融科技應用的前瞻性和控制力、探索實踐前沿金融服務的決心和努力。2017年8月，國務院鼓勵利用開源代碼開展基於區塊鏈的試點應用。2017年9月，中國人民銀行等聯合發文認定ICO是一種非法公開融資行為。2018年5月，工信部發布《2018中國區塊鏈產業白皮書》。2018年12月，工信部為促進區塊鏈應用落地、推動區塊鏈技術和產業良性發展，標準院組織制定了《區塊鏈隱私保護規範》、《區塊鏈智能合約實施規範》、《區塊鏈存證應用指南》、《區塊鏈技術安全通用規範》四大團體標準。
三、區塊鏈生態圖譜
區塊鏈技術是具有普適性的底層技術框架，可以為金融、經濟、科技甚至政治等各領域帶來深刻變革。區塊鏈在發展的初期階段，即區塊鏈1.0階段，主要作為“數字貨幣”（比特幣）體系的技術支撐，只實現單一的支付功能，所以在這個階段，區塊鏈的應用和基礎平臺是緊密耦合的。但隨著以以太坊為首的新一代區塊鏈平臺的出現，區塊鏈進入了2.0階段，在這個階段，區塊鏈應用和基礎平臺開始解耦。以以太坊為例，其提供了更加完善的區塊鏈基礎協議以及圖靈完備的智能合約語言，使我們可以在其平臺上開發各種各樣的去中心化應用。甚至可以將以太坊類比為一個全新的互聯網TCP/IP協議，依賴這個協議及其提供的各種API接口，幫助開發者開發去中心化應用或將原有的一些互聯網應用移植再造到一個去中心化的網絡中。於是，整個區塊鏈產業鏈開始衍生出了各個不同的生態層次。
區塊鏈產業鏈的參與者可分為4個層次：應用層、中間服務層、基礎平臺層和輔助平臺層。其中，應用層主要為最終用戶（個人、企業、政府）服務，開發者基於不同的用戶需求開發不同的去中心化應用來為不同的行業服務；中間服務層主要幫助客戶對各種基於區塊鏈底層技術的應用進行二次開發，為其使用區塊鏈技術改造業務流程提供便捷的工具和協議；基礎平臺層主要聚焦於區塊鏈的基礎協議和底層架構，為整個社會的區塊鏈生態發展提供技術支持；輔助平臺層並不是區塊鏈產業鏈的主要參與者，但其同樣是區塊鏈產業發展非常重要的外部輔助力量，包括基金、媒體和社區等。
總的來說，區塊鏈的應用可以分為兩類。
第一類，基於區塊鏈分佈式記賬的特點開發的應用，包括身份驗證、權益證明、資產鑑證等。
第二類，利用區塊鏈的去中心化體系開發的各種去中心化應用，從技術的可行性角度來看，目前所有涉及價值傳遞的行業皆可通過區塊鏈技術進行底層重構。
圖1.10是當前區塊鏈產業的生態圖譜，展示了部分公司和機構在各自領域應用區塊鏈技術的情況。總的來說，整個區塊鏈產業包括底層平臺、上層應用、技術研究、媒體及社區、投資、計算與安全等生態領域。在區塊鏈底層平臺領域，以以太坊、Fabric、Hyperchain為代表的開發平臺對區塊鏈底層技術進行革新，為基於區塊鏈的去中心化應用提供底層技術支撐。在上層應用領域，開發者在各行各業展開了應用場景探索，如以Ripple、Circle公司為代表的金融服務領域，以Factom公司為代表的公證防偽領域，以Skuchain公司為代表的供應鏈領域，等等。除此之外，各地也開始成立區塊鏈聯盟或區塊鏈實驗室專門研究區塊鏈相關技術，各大金融公司也開始參與區塊鏈項目的投資，更有網絡媒體及社區對區塊鏈技術的相關信息進行報道與討論。
圖1.10 區塊鏈產業生態圖譜
雖然區塊鏈技術被認為是一種未來具有廣泛應用前景的新技術，但近年來由於在“數字貨幣”領域信息難以監管，“數字貨幣”平臺一度成為了惡意炒作人員快速非法獲利的渠道。2017年9月，國家先後明令禁止了ICO融資和“虛擬貨幣”交易，有效地遏制了相關非法炒作行為，保障了區塊鏈產業的健康發展。
05 區塊鏈應用場景
當前，區塊鏈技術已經在諸多領域展現了應用前景，許多機構和組織都對區塊鏈技術產生了濃厚的興趣，正在為區塊鏈在本領域的落地進行積極的探索，本節將對當前區塊鏈的主要應用場景進行分析和介紹。
一、數字票據
傳統的紙質票據存在著易丟失、易偽造和被篡改等風險。通過引入區塊鏈技術，可以將票據信息、狀態記錄在區塊鏈平臺。一筆票據交易一旦生成，區塊鏈上的各節點首先對交易進行驗證，一旦各節點達成“共識”，便把該條交易記錄於區塊鏈上，且“不可篡改”。區塊鏈內存在多個副本，增加了內容被惡意篡改的成本，因此相對於傳統票據，具有更高的安全性。另外，傳統的票據行業，各個機構之間的對賬與清算相對比較複雜，而區塊鏈技術通過各個節點共同記賬、相互驗證的方式，可有效地提高資金清算的效率。同時，各個機構也保持了相對獨立的業務自主性，從而實現了效率與靈活的完美平衡。由於參與方存在互信問題，傳統的票據流通審核繁瑣，變現困難，難以實現互通互利。通過將票據信息登記在區塊鏈平臺上，利用區塊鏈擴展成本低、交易步驟簡化的特性，將票據轉變為客戶可持有、可流通、可拆分、可變現的具有一定標準化程度的數字資產。
二、供應鏈金融
傳統的供應鏈金融平臺一般由單個金融機構主導，難以實現同業間的擴展和推廣。區塊鏈技術讓參與方只需專注於業務系統對接區塊鏈平臺即可，可實現全行業的快速覆蓋。供應鏈上企業之間的貿易信息、授信融資信息，以及貿易過程中涉及的倉儲、物流信息均登記在區塊鏈上，且信息不可篡改，保證了資產的真實有效，降低了企業融資成本和銀行授信成本。跨機構信息通過區塊鏈的共識機制和分佈式賬本保持同步，通過訪問任意一個節點即可獲取完整的交易數據，打破信息孤島。機構通過訪問內部區塊鏈節點即可獲得完整的交易數據，增強企業間的信用協作。通過將應收賬款、承兌匯票、倉單等資產憑證記錄在區塊鏈上，並支持轉讓、質押等相關操作，實現了資產數字化，並通過區塊鏈構造了一個數字化的、可以點對點傳輸價值的信用系統，實現了區塊鏈上的價值傳輸。這一可信賴的價值傳輸系統既提高了需求方的融資能力，又提高了供應方的監管能力，為金融系統健康穩定提供了根本保障。通過智能合約控制供應鏈流程，減少人為交互，提升產業效率。無需中心平臺審核確認，通過傳感器探測真實倉儲、物流信息，使用無線通信網絡發送可信數據到區塊鏈驗證節點，保證滿足合約條件時，自動觸發相關操作，減少操作失誤。
三、應收賬款
傳統的應收賬款通過線下交易確認的方式完成，而偽造交易、篡改應收賬款信息等風險的存在降低了交易參與方的信任感。將應收賬款的全流程操作通過區塊鏈平臺進行，實現了應收賬款交易的全程簽名認證並且不可抵賴，同時使用智能合約實現權限和狀態控制，使得應收賬款更加安全可控，構建了高度可信的交易平臺。應收賬款交易流程中參與方眾多，業務複雜，面對傳統應收賬款的融資申請，金融機構需要進行大量的貿易背景審查。區塊鏈平臺通過時間戳來記錄整個應收賬款的生命週期，從而使得所有的市場參與者都可以看到資金流和信息流，排除了票據造假的可能性。傳統的應收賬款由於存在互信問題，在交易市場上流通困難。應收賬款以數字資產的方式進行存儲、交易，不易丟失和無法篡改的特點使得新的業務模式可以快速推廣，在提高客戶資金管理效率的同時降低使用成本，並在不同企業間形成互信機制，使得多個金融生態圈可以通過區塊鏈平臺互通互利，具有良好的業務價值和廣闊的發展空間。
四、數據交易
數據作為特殊商品具有獨特性，存在被複制、轉存的風險，按照商品流通中介模式建立的數據中介平臺構成了對數據交易雙方權益的潛在威脅，變成了數據交易的一個障礙。只有建立符合數據特性的信息平臺，通過技術機制而不是僅憑承諾來保障數據的安全和權益，做到讓數據交易雙方真正放心，才能加速數據的順暢流動。通過區塊鏈技術對數據進行確權，能夠有效保障數據所有方的權益，杜絕數據被多次複製轉賣的風險，把數據變成受保護的虛擬資產，對每筆交易和數據進行確權和記錄。利用區塊鏈的可追溯和不可篡改等特性，可以確保數據交易的合規、有效，激發數據交易的積極性，促成數據市場的規模性增長。
五、債券交易
債券業務是需要多家機構共同參與的一項業務，在其發行、交易等流程中，各機構之間需要通過傳統的郵寄或者報文轉發的形式進行信息的同步與確認。債券發行交易如果通過中心化系統實現，可能會存在人工操作性失誤或惡意篡改的風險。使用區塊鏈技術之後，系統可以由區塊鏈底層來保證數據的同步與一致，降低不同機構系統之間對接的時間、人力和資金成本，從依靠基於業務流的低效協同升級為不依靠任何中介而由平臺保證基本業務流程的低成本、高效率、高可信協作系統。而且傳統的中心化系統很多信息都封閉在機構內部，無法對外部系統進行及時、有效的監管，監管會存在盲區。利用區塊鏈技術，監管機構以節點的形式加入區塊鏈，實時監控區塊鏈上的交易。同時，智能合約使得債券在整個生命週期中具備限制性和可控制性，也可以有效提高監管效能。由於區塊鏈的數據完整和不可篡改性，對任何價值交換歷史記錄都可以追蹤和查詢，能夠清晰查看和控制債券的流轉過程，從而保證債券交易的安全性、有效性和真實性，有效防範市場風險。同時，基於區塊鏈技術可避免第三方機構對賬清算的工作，從而有效提升債券交易的清算效率。
六、大宗交易
基於區塊鏈技術的大宗交易平臺，可以實現各清算行之間大宗交易的實時清算，提高大宗交易效率，為業務開展提供便利。智能合約控制大宗交易流程，減少人為交互，提升處理效率。無需中心平臺審核確認，保證報價滿足撮合條件時，自動觸發相關操作，減少操作失誤。交易所和清算所可以互為主備，負責所有交易數據定序廣播，發起共識。實時災備容錯，發生重大故障可以秒級切換主節點。接入節點發生故障，通過內置算法快速恢復歷史數據，避免交易數據丟失。會員和銀行接入端獨立處理查詢，數據實時同步，減輕主節點壓力。監管節點實時獲取相關交易數據，監管機構對大宗交易進行實時監管。
七、跨境支付
傳統跨境支付由於存在幣種、匯率的問題，十分依賴於第三方機構。主要存在兩個問題：流程繁瑣週期長並且手續費較高。傳統的跨境交易都是非實時的，通常需要一天的時間。由於人工對賬，成本自然會高。目前一些第三方支付公司如銀聯，財付通，支付寶等，實行的方案流程大致如下：1、國內用戶在跨境電商平臺內購買商品，使用國內支付方式（網銀、快捷、掃碼等）。2、支付公司去合作銀行進行購匯（購匯成功後外幣進入支付公司的外幣備付金賬戶）。3、商戶維護指定的境外收款人信息，支付公司向境外付匯（從支付公司外幣備付金至境外收款人賬戶）。
八、其他場景
區塊鏈是一種可以進行價值傳輸的協議，除了上述場景之外，還可應用於其他一切與價值轉移有關的場景，如數字版權、公證、身份認證、社會公益，等等。
在消費金融領域，陽光保險公司用區塊鏈技術作為底層技術架構推出了“陽光貝”積分，用戶在享受普通積分功能的基礎上，還能以“發紅包”的形式將積分向朋友轉贈，並可與其他公司發行的積分進行互換。
在數字版權領域，知識產權侵權現象嚴重，基於區塊鏈技術可以通過時間戳、哈希算法對作品進行確權，證明知識產權的存在性、真實性和唯一性，並可對作品的全生命週期進行追溯，極大地降低了維權成本。
在醫療領域，患者私密信息洩露情況時有發生，2015年4月，Factom宣稱與醫療記錄和服務方案供應商Healthnautica展開合作，研究運用區塊鏈技術保護醫療記錄以及追蹤賬目，為醫療記錄公司提供防篡改數據管理。
在教育領域，目前學生信用體系不完整，無歷史數據信息鏈，這導致政府和用人企業無法獲得完整、有效的信息，利用區塊鏈技術對學生的學歷信息進行存儲，可以解決信息不透明及容易被篡改的問題，有利於構建良性的學生信用體系。
在社會公益領域，慈善機構想要獲得群眾的支持，就必須具有公信力，而信息的透明則是必要條件之一，螞蟻金服等公司已開始把區塊鏈技術應用於公益捐贈平臺，這為加速公益透明化提供了一種可能。區塊鏈技術也可用於政府信息公開領域，幫助政府部門實施公共治理及服務創新，提升政府部門的效率及效力。
關於區塊鏈的應用場景還有很多，區塊鏈的未來存在著無限的可能，這需要更多優秀的公司、企業和人才加入到區塊鏈技術的探索隊伍中，這樣才能使區塊鏈技術得到更快、更好的發展。人們有理由期待在區塊鏈技術的範式下，又一次“大航海時代”的來臨，將給各行各業和社會帶來一次重構。
06 區塊鏈主流平臺
下面我們將對當前主流的區塊鏈平臺進行簡介和對比分析。
比特幣（Bitcoin）是第一個區塊鏈應用，使用工作量證明機制來達成網絡節點的共識，由於比特幣網絡任何人都可以加入，沒有訪問權限，因此它是一個公有鏈，不支持智能合約，但是可以支持一些圖靈不完備的編程腳本來進行一些簡單的操作編程。其公網TPS小於7。
以太坊（Ethereum）是一個圖靈完備的區塊鏈一站式開發平臺，採用多種編程語言實現協議，採用Go語言寫的客戶端作為默認客戶端（即與以太坊網絡交互的方法支持其他多種語言的客戶端）。基於以太坊平臺之上的應用是智能合約，這是以太坊的核心。智能合約配合友好的界面，外加一些額外的小支持，可以讓用戶基於合約搭建各種各樣的DApp應用，這樣使得開發人員開發區塊鏈應用的門檻大大降低。目前以太坊正在正式運行1.0版本，使用PoW共識機制，公網TPS約為100。
Hyperledger Fabric是Linux基金會成立的Hyperledger聯盟所推出的一個孵化中的項目，目前正在構建標準化的數字賬本，它旨在使用區塊鏈技術幫助新創公司、政府和企業聯盟之間減少工作的花費和提高效率。因此，它不是面向公眾的，而是服務於公司、企業、組織等聯盟團體，屬於聯盟鏈。平臺設計所使用的是Go語言，共識算法則是PBFT算法。同樣，它也是支持智能合約編程的，在Fabric中有自己的學名，叫Chaincode。另外，Chaincode僅在驗證節點上執行，且運行在被隔離的沙盒中，目前採用Docker作為執行Chaincode的容器。Fabric的公網TPS約為3000。
EOS (Enterprise Operation System)是由 Block.one公司主導開發的一種全新的基於區塊鏈智能合約平臺，旨在實現個類似操作系統的支撐分佈式應用程序的區塊鏈架構。該架構可以提供賬戶，身份認證，數據庫，異步通信以及可在數以萬計的 CPU/GPU群集上進行程序調度和並行運算。EOS的普通用戶執行智能合約無需支付使用費用。EOS公網的TPS約3600。
比特股（BitShares）是一個點對點的多態數字資產交易系統，是DPoS共識機制的鼻祖。它提供的BitUSD等錨定資產是虛擬幣歷史上最重要的變革之一，能夠極大地消除“虛擬貨幣”被人詬病的波動性大的問題。此外，比特股內置了強大的賬戶權限設定、靈活的多重簽名方式、白名單等特性，足以滿足企業級的功能定製需求。比特股區塊鏈是一個公有鏈，其核心技術框架採用C++語言進行開發，公網TPS大於500。
公證通（Factom）利用比特幣的區塊鏈技術來革新商業社會和政府部門的數據管理和數據記錄方式。利用區塊鏈技術幫助各種應用程序的開發，包括審計系統、醫療信息記錄、供應鏈管理、投票系統、財產契據、法律應用、金融系統等。建立在公證通基礎之上的應用程序尋求能夠直接利用區塊鏈實現追蹤資產和實現合約，而不用將交易記錄寫入區塊鏈，公證通在自己的架構中記錄條目。公證通中的政策和獎勵機制與PoS機制有相似之處。與其不同之處在於，公證通中只有一小部分的用戶權益能夠被認可。只有已經提交到系統的權益有投票權，而可轉移的Factoid權益沒有投票權，避免了PoS機制的“股份磨損”和“沒有人進行PoS”的問題。公證通的核心技術框架採用Go語言開發，TPS為27左右。
瑞波（Ripple）是世界上第一個開放的支付網絡，它引入了一個共識機制RPCA，通過特殊節點的投票，在很短的時間內就能夠對交易進行驗證和確認。瑞波客戶端不需要下載區塊鏈，它在普通節點上舍棄掉已經驗證過的總賬本鏈，只保留最近的已驗證總賬本和一個指向歷史總賬本的鏈接，因而同步和下載總賬本的工作量很小。瑞波核心技術框架採用C++語言進行開發，公網TPS小於1000。
未來幣（Nextcoin，NXT）是第二代去中心化“虛擬貨幣”，它使用全新的代碼編寫，不是比特幣的山寨幣。它第一個採用100%的股權證明PoS算法，有資產交易、任意消息、去中心化域名、賬戶租賃等多種功能，部分實現了透明鍛造功能。透明鍛造機制使得每一個用戶客戶端可以自動決定哪個服務器節點能夠產生下一個區塊，讓客戶端可以直接將交易發送到這個節點，從而使得交易的時間達到最短。實時和高優先級的交易可以通過支付額外的費用來被優先處理。未來幣的核心技術框架所採用的開發語言是Java，TPS小於1000。
Hyperchain是杭州趣鏈科技開發的一個滿足行業需求的聯盟區塊鏈技術基礎平臺，通過整合並改進區塊鏈開源社區和研究領域的最前沿技術，集成了高性能的可靠共識算法RBFT，兼容開源社區的智能合約開發語言和執行環境，同時在記賬授權機制和交易數據加密等關鍵特性上進行了強化，並且提供了功能強大的可視化Web管理控制檯對區塊鏈節點、賬簿、交易和智能合約等進行高效管理。Hyperchain與Fabric一樣採用了模塊化設計理念，分為共識算法、權限管理、多級加密、智能合約引擎、節點管理、區塊池、賬本存儲、數據存儲8個核心模塊，旨在服務於票據、存單、股權、債券、登記、供應鏈管理等數字化資產、金融資產商業應用，並且其系統吞吐量可達到每秒處理上萬筆交易，這在當前的區塊鏈平臺中是首屈一指的。
表1.3中列出了各個平臺所使用的共識機制、所屬區塊鏈類型、平臺開發所採用的語言、是否支持智能合約以及每秒事務處理量（TPS）性能指標，以供讀者進行更直觀的統計和對比。
從上面的平臺介紹和對比中可以看出，當前區塊鏈平臺使用的共識算法各有不同，對於不同的應用場景，相應的共識機制有各自的優點和不足。平臺類型主要是公有鏈和聯盟鏈這兩種，私有鏈應用較少。平臺設計所使用的編程語言主要是Go和C++，因為區塊鏈網絡所處環境是一個分佈式網絡，需要高併發和高效率的操作執行。是否支持智能合約與每個平臺所面向的場景和所提供的服務有關，比如以太坊、Hyperledger Fabric、Hyperchain等作為底層平臺，一般都需要提供智能合約功能，而對於某些應用平臺，智能合約則不一定是必需的。區塊鏈平臺的性能則隨著區塊鏈技術的發展在不斷地提升，在某些應用場合已基本滿足商業應用的要求，其中Hyperchain平臺的TPS已達到了10000，在區塊鏈性能方面具有顯著優勢。
07 小結
本文對區塊鏈技術進行了全景分析，介紹了區塊鏈的基礎知識和發展歷程，對其關鍵技術和特性進行了詳細的講解，並結合時代背景分析了區塊鏈的產業現狀，選取了一些典型的應用場景進行闡述，最後對當前的區塊鏈主流平臺進行了介紹與對比，讓我們對區塊鏈技術有一個初步的瞭解和認識。
——本文內容摘自《區塊鏈技術進階與實戰》
《區塊鏈技術進階與實戰》
- 國內區塊鏈技術頂尖研究者和一線開發者出品
- 專注介紹區塊鏈核心原理（乾貨）和應用技術（實戰）
- 詳細解讀區塊鏈平臺以太坊和HyperLedger
- 注重實戰，全書包含5個完整實際項目案例
- 參考本書實例即可快速開發自己的第一個區塊鏈應用
本書從實戰的角度出發，結合實際應用開發場景，對區塊鏈技術進行了全面介紹和剖析。本書首先對區塊鏈進行了全景分析，介紹其概念、歷史、技術流派，並給出了當前區塊鏈產業生態圖譜。其次介紹了知名開源區塊鏈平臺以太坊和 HyperLedger。最後介紹了多個區塊鏈實際應用項目案例，並對開發過程和關鍵代碼進行了詳細分析。
作者團隊
作者團隊為國內區塊鏈技術頂尖研究者和一線開發者，並在國內多家銀行和金融機構都實施了多個區塊鏈項目，合作機構包括谷歌、上海證券交易所、中國銀聯、農業銀行、光大銀行和浙商銀行等，在區塊鏈行業具有很高的知名度和豐富的項目實戰經驗。
蔡亮，博士，副教授，浙江大學計算機學院軟件工程系主任，浙江省重大科技專項專家。主要從事區塊鏈、雲計算、網絡安全、可信計算和金融業務處理的研究，在國家級核心期刊和國際會議上發表了數十篇論文。參與了多項國家級或省部級科研項目，如國防軍工預研基金項目、國家創新基金項目、863項目等。獲得教育部科技進步一等獎、浙江省科技進步一等獎和三等獎。
李啟雷，博士，講師，杭州趣鏈科技有限公司首席技術官。主要從事體感人機交互、區塊鏈和移動互聯網技術等方面的研究與開發。在國內外知名學術期刊和會議發表論文九篇，獲得國家發明專利一項、軟件著作權一項。
梁秀波，博士，副研究員，杭州趣鏈科技有限公司副總經理。主要從事機器學習、區塊鏈、數字娛樂和移動互聯網等方面的研究與開發，曾赴法國進行為期一年的訪問研究。作為核心研究人員參與國家級和省部級科研項目近十項，主持企事業單位委託項目二十餘項。已發表論文十餘篇，獲得國家發明專利三項。
專業評價
本書由浙江大學和趣鏈科技聯合撰寫，融合了浙江大學的理論研究成果和趣鏈科技的實際開發經驗，是一本實踐性非常強的區塊鏈技術圖書。
——賁聖林，浙江大學互聯網金融研究院院長
本書從技術原理、市場發展、政府規劃、應用場景和平臺對比等角度對區塊鏈進行了全景分析，對三個主流區塊鏈平臺進行了深入介紹，配有動手開發指南，並提供了實際項目案例說明和源代碼，是一本不可多得的理論與實踐相結合的區塊鏈技術圖書。
——楊小虎，浙江大學軟件學院常務副院長
本書非常務實，乾貨滿滿，給讀者呈現了當前區塊鏈技術發展的最新動態，所提供的案例內容翔實，其背後必然有腳踏實地做技術的“實戰派”團隊支持。相信本書會對有志於從事區塊鏈技術研究和應用開發的人員有幫助。
——宋士正，浙商銀行信息科技部總經理
本書按照區塊鏈基礎知識、開源平臺、企業級平臺和開發案例的順序介紹了區塊鏈技術的基本原理和開發技術，幷包含多個案例，非常適合相關技術人員由淺入深地學習區塊鏈技術。
——史晨陽，中國光大銀行信息科技部副總經理
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