比特币的前世今生——基于区块链技术最新研究进展及应用现状的调研分析报告

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摘  要:作为一项快速兴起的新技术,区块链给世界带来了机遇和挑战。目前,区块链技术是最为前沿的计算机技术之一,其与经济社会及生活的联系和融合正在逐步加深。本文作为《计算机软件前沿技术》课程的结课报告,以课上对区块链的学习和理解为基础,对与区块链相关的主题内容进行了深入的调研与分析。本文的写作思路如下:首先介绍区块链的起源及历史,引出区块链的概念;其次结合对不同文献的调研,提出了区块链结构的四层模型并作了说明,详细解释了区块链系统的结构和工作原理;之后,将四层分为非应用层和应用层两个部分,并基于这个分类给出了区块链技术的最新研究进展和当前区块链的应用现状;然后分别从区块链技术内部和外部的角度出发,对区块链当前面临的问题和挑战做了叙述和概括;最终,在阅读了大量文献的基础上,给出了自己的思考和总结,并对区块链的应用前景做了展望。

关键词:区块链技术;去中心化;数字货币;区块链应用

Abstract: As a rapidly emerging new technology, blockchain has brought opportunities and challenges to the world. At present, blockchain technology is one of the most cutting-edge computer technologies, and its connection and integration with economic society and life is gradually deepening. This article serves as the closing report of the “Frontier Technology of Computer Software” course. Based on the learning and understanding of blockchain in the class, this article conducts in-depth research and analysis on topics related to blockchain. The writing ideas of this article are as follows: Firstly, introduce the origin and history of blockchain, and elicit the concept of blockchain; secondly, combining the investigation of different documents, propose a four-layer model of the blockchain structure and explain it in detail. The structure and working principle of the blockchain system; after that, the four layers are divided into two parts: non-application layer and application layer, and based on this classification, the latest research progress of blockchain technology and the current application status of blockchain are given; Then, from the internal and external perspectives of the blockchain technology, it narrated and summarized the current problems and challenges facing the blockchain; finally, based on reading a lot of literature, gave his own thinking and summary.

Keywords: Blockchain technology; Decentralization; Digital currency; Blockchain application

一、引言


随着区块链的悄然兴起,区块链已成为全球技术发展的一个前沿阵地,世界各国争相探索其应用价值。各国政府均高度重视区块链发展,纷纷出台区块链相关政策举措,并成立了区块链管理机构[1]。仅2019年一年,就有多国出台多项区块链相关的重要政策。例如,2019年5月,日本修订《支付服务法》和《金融工具与交易法》,对“加密资产”进行定义;2019年7月,美国国防部发布《数字现代化战略》,提出利用区块链进行数据安全传输试验;同月,美国国会批准《区块链促进法案》,要求成立区块链工作组,推动标准统一及应用;2019年9月,德国联邦政府发布《德国联邦政府区块链战略》,明确德国区块链产业的行动措施和多项具体举措等。
在中国,区块链的发展同样得到了极大的重视。2019年10月24日,习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习时强调,要把区块链作为核心技术自主创新重要突破口,加快推动区块链技术和产业创新发展[2]。次月,中共中央、国务院《关于推进贸易高质量发展的指导意见》指出,要推动互联网、物联网、区块链等与贸易有机融合,增强贸易创新能力。
在区块链繁荣发展的当下,研究区块链技术的发展进展及前沿动态,具有相当的现实意义。本文将在对区块链技术进行介绍的基础上,对区块链的总体发展态势及应用前景进行调研与展望。

二、区块链简介


2.1 区块链的发展历史


2.1.1 区块链的起源


作为比特币的基石技术,区块链首次出现在中本聪(Satoshi Nakamoto,さとし なかもと)于2008年在著名密码学论坛metzdowd.com发表的论文《比特币:一种点对点式的电子现金系统》[3]中。
中本聪在这篇论文中,阐述了基于P2P网络技术、加密技术、时间戳技术、区块链技术等的电子现金系统的构架理念,将区块链技术作为构建比特币数据结构及交易体系的基础技术,将比特币打造为一种数字货币和在线支付系统,利用加密技术实现资金转移。这标志着比特币的诞生。
两个月后,理论步入实践。2009年1月3日,序号为0的第一个区块诞生,这个区块被称为“创世区块”。2009年1月9日,序号为1的区块出现,并与序号为0的创世区块相连接形成了链,标志着区块链的诞生[4]。

2.1.2 区块链发展沿革


王达等[5]提出:区块链的发展大致可以分为以下三个阶段:区块链1.0、区块链2.0和区块链3.0。
区块链1.0是以比特币为代表的虚拟货币的时代。创世区块的诞生,即是世界进入区块链1.0时代的标志。2010年5月,美国佛罗里达州的程序员豪涅茨用1万比特币购买了价值25美元的比萨优惠券,这是比特币首次在现实中参与交易,比特币的第一个公允汇率由此诞生。同年7月,比特币交易所Mt.Gox在日本成立,标志着世界上第一个比特币交易平台诞生。次年6月,全球最大的比特币交易平台比特币中国(BTC China)在中国诞生。综上可以看出,在区块链1.0时代,即自2008年至2013年,区块链技术的主要应用是以比特币的形态出现在数字货币行业中,包括支付,流通等虚拟货币的职能。在这个时期,比特币基本实现了去中心化的数字货币交易支付功能,强烈地冲击了传统金融体系。更为重要的是, 比特币的出现第一次让区块链进入了大众视野,并得到了欧美等国家市场的接受。大量的货币交易平台让人联想到全球化货币统一的宏大愿景。但是,因其投机性过大,易被用于贩毒,走私,洗钱等非法活动,且区块链1.0仅满足了虚拟货币的需要,影响了在其他行业的普及。
区块链2.0是数字货币与智能合约相结合,对金融领域更广泛的场景和流程进行优化的应用,最大的升级之处在于有了智能合约。标志着世界从区块链1.0进化至2.0的,是以太坊(Ethereum)的出现。所谓以太坊,就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”)来处理点对点合约。2013年12月,美国程序员维塔利克 • 比泰里(Vitalik Buterin)和加文 • 伍德(Gavin Wood)首次提出以太坊的概念,并发布《以太坊:下一代智能合约和去中心化应用平台》白皮书(初版)。2014年,伍德发表了以太坊黄皮书,作为以太坊虚拟机的技术说明。目前,以太坊客户端已经用C++、Go、Python、Java、JavaScript、Haskell、Rust等7种编程语言实现,并通过众筹方式募集资金预售以太币。以太坊最重要的技术贡献就是智能合约。
区块链3.0是构建一个完全去中心化的社会网络,应用范围从货币、金融、市场扩大到了政府、健康、科学、文化和艺术等整个社会。该阶段没有明确的进入标志,目前一般认为,我们正处于从区块链2.0至区块链3.0的过渡阶段。在区块链3.0时代,区块链的“去中心化”功能和“数据防伪”功能有望在公证、仲裁、审计、域名、物流、医疗、邮件、鉴证、投票等领域获得深入应用,使区块链技术有可能成为“万物互联”的一种最底层的协议,让整个社会进入智能互联网时代,形成一个可编程的社会。

2.2 区块链技术简述


2.2.1 区块链的定义

针对区块链这一新兴技术,不同的机构给予了不同的定义。例如,维基百科中文[6]定义:区块链是一种分布式数据库,起源自比特币。区块链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。中本聪创建的第一个区块,即为“创世区块”。维基百科英文[7]则定义:区块链由包含一系列加盖了时间戳的有效交易的区块组成。每个区块都包含了前一个区块的哈希值,这样就把区块连接在了一起。连接在一起的区块形成区块链,并且每一个随后的区块都是对之前一个区块的增强,因此给它取了一个数据库类型的名字。百度百科[8]定义:区块链是一个信息技术领域的术语。从本质上讲,它是一个共享数据库,存储于其中的数据或信息,具有“不可伪造”“全程留痕”“可以追溯”“公开透明”“集体维护”等特征。基于这些特征,区块链技术奠定了坚实的“信任”基础,创造了可靠的“合作”机制,具有广阔的运用前景。
以上定义虽有不同,但核心都是一样的,即区块链拥有去中心化、透明、自治、开放、不可篡改等特性。综上,结合中本聪原文中所述,区块链的一种比较合适的定义为:按照时间顺序将数据区块用类似链表的方式组成的数据结构,并以密码学方式保证不可篡改和不可伪造的分布式去中心化账本,能够安全存储简单的、有先后关系的、能在系统内进行验证的数据[9]。

2.2.2 区块链的架构


张亮等[10]研究认为,区块链平台整体上可划分为数据层、网络层、共识层、智能合约层和应用层5个层次。沈鑫等[9]的整体划分与之类似,区别在于将数据层分为两个独立的层,而将智能合约层与应用层合并。张杰[11]的研究则认为,区块链的基础架构可以简单分为三层:协议层、扩展层和应用层,其中协议层又可分为存储层和网络层,它们相互独立却又互相联系。
综上所述,可以认为区块链系统的架构分为四层:数据层、网络层、扩展层和应用层,结构如图1所示。

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1 区块链系统的架构分层


下面基于图1进行自底向上的逐层分析与说明。

1.数据层


数据层又可以称为存储层,其采用合适的数据结构和数据库对交易和区块进行组织和存储管理。在该层中,交易信息及数据存储在区块中,并以链状结构连接在一起,形成区块链。这一层定义了区块链采用的数据结构和组织形式,是整个区块链系统的基石。该层由以下两个概念构成。

(1)区块


区块(Block)是区块链的基础结构。区块指一种数据结构,它包含两部分:区块元数据和区块体[12]。其中区块元数据记录的是区块的元数据信息,区块体记录的是从上一区块产生到此区块创建之间所发生的所有交易。其中,区块元数据又包含区块大小、区块头和交易计数器。区块元数据的核心是区块头,其由两组元数据组成,一组与挖矿有关,包括时间戳、难度目标及Nonce值;另一组则与区块本身有关,包括链接父区块的字段、版本号及Merkle树的根。图2给出了区块数据结构的分层示意。

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2 区块的数据结构

作为一种数据结构,区块结构的特殊之处在于两个巧妙的设计:Merkle树和时间戳。Merkle树是一种基于数据hash值构建的树[13-15],其叶子结点保存某个数据块的hash值,非叶子结点保存其所有子节点的hash值。由于Merkle树的结构特性,其支持快速地归纳和校验区块中交易的完整性与存在性,因此在区块中被广泛使用。时间戳则是用于解决重复支付(Double Spending)难题:系统给每一笔交易盖上正确的时间戳[16-17],以此证明在这个时刻这笔交易确实发生,交易中资金的所属权已经转移,之前资金所有者再次使用这笔资金时就会报错,从而解决重复支付问题。另外,每一个区块也会盖上正确的时间戳,从而形成一个按时间顺序发展的正确链表。

每个区块有两种可以被直接计算而无需记录的标识符:区块头哈希值和区块高度。区块的主标识符是它的区块头哈希值,通过对区块头的6个字段进行两次 SHA256哈希计算得到数字签名,产生的256位的值即为区块头哈希值,简称为区块哈希值。区块哈希值可以唯一、确切地标识一个区块,并且任何节点都可以对区块头进行独立计算从而得到该区块的哈希值。区块高度则类似于二叉树中的树高,是通过识别该区块在区块链中的“深度”来确定一个区块:创世区块的高度为0,之后每一个最新产生的区块的高度都比上一个最新的区块的高度多1。与区块头哈希值不同,区块高度并不是唯一的标识符。虽个区块对应一个确定的高度,反之却不成立。

(2)链式结构

区块链将数据库的架构进行了创新,它把数据信息分成块,每个块通过特定的字段(即前文中的父区块字段)链接到上一块[12],并按顺序连接起来,整个链囊括了所有完整的数据,并且不可更改。从创世区块开始,所有区块逐个顺接串联起来就形成了区块链。图3给出了区块链的链式结构示意。

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3 区块之间进行链接,成为区块链

事实上,若将区块链看作是一种电子记录形式的账本,那么其中每一个区块就是账本的一页。各个区块之间使用hash值进行链接,从第一页链接到最新一页。这些区块一旦被确认,几乎不能做修改操作。这也是区块链安全性的本质保证。

2. 网络层

该层又可称为协议层/共享层,其主要包括区块链节点之间的通信网络、非对称加密技术和共识机制等。简而言之,网络层的作用是将区块链联网,使得所有互联网节点都能使用区块链这个账本进行记账。目前,在区块链系统中,节点之间采用P2P网络(Peer to Peer,对等网络)进行连接,网络中每个节点均地位对等,且以扁平式拓扑结构相互连通和交互,不存在任何中心化的特殊节点和层级结构,每个节点均会承担网络路由、验证交易信息、传播交易信息和发现新节点等工作[9]。

作为一种去中心化的网络,P2P就像现实生活中的全民公投,其核心难题在于是如何高效地达成共识。根据CAP理论[18],任何基于网络的共享系统,都有一个“不可能三角”,即:数据一致性(C)、数据更新的高可用性(A)、可以容许的网络分区(P),这三个要求最多只能同时满足两个。P2P网络已经有了P属性,因此只能选择发展C或A。因此,如何研究出可靠的达成共识机制,以寻求一致性和可用性之间的平衡,在保证实际使用体验的前提下,相对不影响可靠的一致性,是网络层研究的核心之一。


3. 扩展层

扩展层又可以称为智能合约层,其核心在于以“智能合约”为代表的基于区块链技术的扩展实现。“智能合约”这个术语由密码学家Nick Szabo提出,定义如下[19]:智能合约是一种计算机协议,它促进、验证或者执行合约的协商或履行,或使合约条款不必要。核心上,这些智能合约的工作原理与条件语句类似——当满足一个预先编好的条件时,智能合约就被触发执行相应的条款。

区块链技术的出现,使得智能合约再次活跃起来,并被认为是应用在区块链技术上的又一热门技术;并且重新定义了智能合约[20]:智能合约是由事件驱动的、具有状态的、运行在一个可复制和共享的账本上、且能够保管账本上资产的程序。也就是说,智能合约的实质是部署在区块链系统上的去中心化、可信任的共享代码[21]。

在扩展层,通过构建合适的智能合约编译和运行服务框架,开发者能够发起交易及创建、存储和调用合约。简而言之,扩展层将区块链技术进行一层封装,方便用户更加便捷地使用区块链这个账本。在该层中,合约双方就合约细节、违约情况等内容签署合同,并将内容以脚本的形式部署在区块链系统中,在满足合约的情况下实现自动化执行合约。

4. 应用层

扩展层(智能合约层)是对区块链技术进行虚拟机和脚本上的封装,而应用层则对扩展层继续做了编程接口和GUI界面等的封装。例如,各类数字货币的客户端便是应用层最典型的代表。用户可通过应用软件客户端,与区块链系统进行交互。简而言之,应用层是对扩展层的进一步封装,通过各种各样的客户端如数字钱包等,让不了解编程深层原理的人也可以使用区块链系统。

2.2.3 区块链的工作原理——“挖矿”

中本聪发布的白皮书中,非常详尽地解释了区块链的工作原理[3]:首先,某个节点构建一笔新的交易,向全网所有节点广播;其次,所有节点对收到的这笔交易进行检验,判断其是否合法,若合法,将该交易写入到一个新区块中;之后,所有矿工节点(网络中具有对交易打包和验证能力的节点)都在新的区块上进行计算,寻找一个工作量证明解,当某个节点找到工作量证明解时,就通过共识算法将其打包的新区块进行全网广播;最终,其他节点收到广播后,对这个区块进行验证,其他节点通过校验打包节点的区块,至少经过n次确认后,将该区块追加到区块链中。

一般情况下,区块链中的确认次数n取6,即必须经过至少6次确认(每产生一个新的区块就是1次确认),才能最终在区块链上被承认是合法交易。

在区块链的工作过程中,对一个新区块的合法记账权的竞争被形象地称为“挖矿”。其具体方法是:用SHA256算法不断地对区块头和一个随机数字Nonce进行计算,直到计算出一个与预设值bits相符的解(指找到一个哈希值要小于或者等于目标哈希值的bits)。第一个找到这个解的矿工会获得此区块的记账权,并将此区块发布到系统中让其他节点进行验证。之所以这种竞争活动被称为“挖矿”,是因为在区块链中,得到区块的合法记账权只有唯一一个方式,即“工作量证明”。因此,就需要用计算机反复计算区块头,直到得到满足要求的“解”,即可得到这个区块的记账权,也就是挖到了“矿”。

三、区块链的研究进展与应用现状


3.1 区块链技术方面的研究进展


区块链是一门综合性技术,包含社会学、经济学和计算机科学的一般理论和规律。仅就计算机技术而言,区块链就包含了分布式存储、点对点网络、密码学、智能合约、拜占庭容错(Byzantine Fault Tolerant,BFT)等技术热点[22-25]。下面将基于2.2.2中所述区块链结构中除应用层外的三个层次,分别叙述区块链在不同层次的研究进展。

3.1.1 数据层的研究进展

目前,区块链数据层面的研究方向主要集中在高效验证、隐私保护和匿名分析等方面。

1. 高效验证

高效验证问题源于验证数据结构(ADS,authenticated data structure),即利用特定数据结构快速验证数据的完整性,前文所述的Merkle树即是其中的一种。由于区块链数据具有动态性(dynamical),为保持其良好性能,学术界展开了各式各样的研究。例如,Zhang等[26]提出GEM2-tree结构,并对其进行优化提出GEM2*-tree结构,通过分解单树结构、动态调整节点计算速度、扩展数据索引等机制降低以太坊节点计算开销。Reyzin等[27]基于AVL树形结构提出AVL+,并通过平衡验证路径、缺省堆栈交易集等机制,简化轻量级节点的区块头验证过程。

2. 隐私保护

区块链目前的最常见应用是进行数字货币的金融交易,因此对区块链的隐私保护是当前区块链结构数据层中的热点问题。非对称加密是区块链数据安全的核心,但其对量子计算攻击的抵御力较差,为此Yin等[28]利用盆景树模型(bonsai tree)改进晶格签名技术(lattice-based signature),以保证公私钥的随机性和安全性,使反量子加密技术适用于区块链用户地址的生成。Miers等[29]和Sasson等[30]提出Zerocoin和Zerocash,在不添加可信方的情况下断开交易间的联系,最早利用零知识证明(zero-knowledge proof)技术隐藏交易的输入、输出和金额信息,提高比特币的匿名性。Saxena等[31]提出复合签名技术削弱数据的关联性,基于双线性映射中的Diffie-Hellman假设保证计算困难性,从而保护用户隐私。


3. 匿名分析

区块数据直接承载业务信息,因此区块数据的匿名关联性分析更为直接。目前,学术界对区块链数据的匿名关联性分析的研究取得了一定进展。如Awan等[32]使用优势集(dominant set)方法对区块链交易进行自动分类,从而提高分析准确率。Meiklejohn等[33]利用启发式聚类方法分析交易数据的流动特性并对用户进行分组,通过与这些服务的互动来识别主要机构的比特币地址。Reid[34]等将区块数据建模为事务网络和用户网络,利用多交易数据的用户指向性分析成功降低网络复杂度。

3.1.2 网络层的研究进展

区块链网络中主要包含PoX(proof of X)[35]、BFT(byzantine-fault tolerant)和CFT(crash-fault tolerant)类基础共识协议。其中,PoX类协议是以PoW(proof of work)为代表的基于奖惩机制驱动的新型共识协议,并有PoS(proof of stake)、PoST(proof of space-time)等改进协议。它们的基本特点在于设计证明依据,使诚实节点可以证明其合法性,从而实现拜占庭容错。BFT类协议是指解决拜占庭容错问题的传统共识协议及其改良协议,包括BFT-SMaRt、PBF、Tendermint等。CFT类协议用于实现崩溃容错,通过身份证明等手段规避节点作恶的情况,仅考虑节点或网络的崩溃(crash)故障,主要包括Raft、Paxos、Kafka等协议。

随着可扩展性和性能需求的多样化发展,除了传统的以上三种协议相关的衍生研究,还产生了混合型协议(Hybrid)[36],主要为PoX类协议混合以及PoX-BFT协议混合。接下来将对PoX类、BFT类和Hybrid类分别归纳研究进展。

1. PoX类协议


如前文所述,PoX类协议的基本特点在于设计证明依据,使诚实节点可以证明其合法性,从而实现拜占庭容错。目前这一类中已出现了多种新兴协议,如PoReP(proof-of-replication)[37]应用于去中心化存储网络,利用证明依据作为贡献存储空间的奖励,促进存储资源再利用。uPoW[38]通过计算有意义的正交向量问题证明节点合法性,使算力不被浪费。PoI(proof-of-importance)[39]利用图论原理为每个节点赋予重要性权重,权重越高的节点将越有可能算出区块。PoS(poof-of-stake)为节点定义“币龄”,拥有更高币龄的节点将被分配更多的股份(stake),而股份被作为证明依据用于成块节点的选举。Ouroboros[40]通过引入多方掷币协议增大了选举随机性,引入近乎纳什均衡的激励机制进一步提高PoS的安全性。

2. BFT类协议

BFT协议有较长的发展史,在区块链研究中被赋予了新的活力。HotStuff[41]将BFT与链式结构数据相结合,使主节点能够以实际网络时延及O(n)通信复杂度推动协议达成一致。LibraBFT[42]在HotStuff的基础上加入奖惩机制及节点替换机制,从而优化了性能。SCP[43]和Ripple[44]基于联邦拜占庭共识[45]——存在交集的多池(确定规模的联邦)共识,分别允许节点自主选择或与指定的节点构成共识联邦,通过联邦交集达成全网共识。Tendermint[46]使用Gossip通信协议基本实现异步拜占庭共识,不仅简化了流程而且提高了可用性。


3. Hybrid协议

Hybrid类协议是研究趋势之一。PeerCensus[47]由节点团体进行拜占庭协议实现共识,而节点必须基于比特币网络,通过PoW产出区块后才能获得投票权力。PoA[48]利用PoW产生空区块头,利用PoS决定由哪些节点进行记账和背书,其奖励由背书节点和出块节点共享。ByzCoin[49]利用PoW的算力特性构建动态成员关系,并引入联合签名方案来减小PBFT的轮次通信开销,提高交易吞吐量,降低确认时延。Casper[50]则通过PoS的股份决定节点构成团体并进行BFT共识,且节点可投票数取决于股份。

3.1.3 扩展层的研究进展

控制层的研究方向主要集中在安全防护与可扩展性优化两个方面。

1. 安全防护

在智能合约中,一方面,沙盒环境承载了区块链节点运行条件,针对虚拟机展开的攻击更为直接;另一方面,智能合约直接对账本进行操作,其漏洞更易影响业务运行,因此控制层的安全防护研究成为热点。Luu等[51]分析了运行于EVM中的智能合约安全性,指出底层平台的分布式语义差异带来的安全问题。Brent等[52]提出智能合约安全分析框架Vandal,将EVM字节码转换为语义逻辑关,为分析合约安全漏洞提供便利。Jiang等[53]预先定义用于安全漏洞的特征,然后模拟执行大规模交易,通过分析日志中的合约行为实现漏洞检测。

2. 可扩展性优化


侧链(side-chain)在比特币主链外构建新的分类资产链,并使比特币和其他分类资产在多个区块链之间转移,从而分散了单一链的负荷。Tschorsch等[54]利用Two-way Peg机制实现交互式跨链资产转换,防止该过程中出现双花。Kiayias等[55]利用NIPoPoW机制实现非交互式的跨链工作证明,并降低了跨链带来的区块冗余。分片(sharding)是指不同节点子集处理区块链的不同部分,从而减少每个节点的负载。ELASTICO[56]将交易集划分为不同分片,每个分片由不同的节点集合进行并行验证。OmniLedger[57]在前者的基础上优化节点随机选择及跨切片事务提交协议,从而提高了切片共识的安全性与正确性。PolyShard[58]利用拉格朗日多项式编码分片为分片交互过程加入计算冗余,同时实现了可扩展性优化与安全保障。上述研究可视为链上处理模型在加密货币场景下的可扩展性优化方案。实际上,链下处理模型本身就是一种扩展性优化思路,闪电网络[59]通过状态通道对交易最终结果进行链上确认,从而在交易过程中实现高频次的链外支付。Plasma[60]在链下对区块链进行树形分支拓展,树形分支中的父节点完成子节点业务的确认,直到根节点与区块链进行最终确认。

3.2 区块链的应用现状与前景


3.2.1 数字金融

区块链的特性决定了其作为一种数字化、安全及防篡改的技术可跨国界而无需中介,以超低费率和几乎瞬时的方式支付,能创建一个更直接的支付流,为全 球的金融交易服务。事实上,作为一种“数字账本”,区块链技术最早应用的起源即是加密数字货币,其目的本就是解决数字货币的支付问题。目前,金融领域仍是区块链应用最广泛的场景。

区块链去中心化的特性对依赖第三方机构的电子支付和资金托管等领域有颠覆性变革。[61]传统的金融交易需要经过中央结算机构,银行证券及交易所等多家中心机构的协调工作,而若利用区块链技术,就可以降低交易成本,简化金融业务流程。

目前,区块链在金融领域主要用于数字货币、跨境支付、供应链金融等方面。世界上许多企业都对区块链金融进行了布局。例如,Facebook基于联盟链打造了服务数十亿用户的数字货币Libra[62],并实现了Move智能合约语言,共识机制采用了康奈尔大学提出的BFT改进算法,并将其命名为Librabft,实现了高性能的共识机制。初创企业Circle公司推出跨界支付应用,并发布白皮书[63],利用比特币充当跨币种交易的中介货币,提升跨境支付的效率,降低交易成本。

3.2.2 区块链教育

2018年4月教育部发布的《教育信息化2.0行动计划》[64]指出“人工智能、大数据区块链等技术迅猛发展,将深刻改变人才需要和教育形态”。区块链具有去中心化、可追溯性和高度信任的特点,可以为教育的发展提供新的思路和动力。当前,区块链在教育领域的应用还处于起步阶段,但已经形成了初具规模的区块链教育生态。2018年,基于区块链的去中心化全球教育服务平台Educoin面世[61]。该平台通过区块链的分布式特征为多个教育节点建立连接,以执行与教育相关的服务或共享内容。Educoin平台拥有自身的加密货币EDU,区块链节点之间可以通过EDU交换教育资源。在Educoin平台上,资源提供者可以确定共享的教学内容的价格,而消费者可根据资源所提供的价格信息支付EDU以获得资源,其过程中无第三方机构参与而是通过智能合约保证交易的真实和可信。

区块链在教育中的应用前景广阔。马艳[65]研究表明:目前,区块链已经在保存学生学习记录、提高数据安全性、促进学生的学习记录共享和提升档案管理效率方面取得了一定进展,并有望在推进以企业需求为导向的教学改革、推动在线教育高质量发展上取得可喜的成效。

3.2.3 信息安全


区块链技术的去中心化、数据可追溯和不可篡改等特性,使它不依赖于统一的中央数据库,因此,区块链用做产品防伪具有天然优势。区块链和存储量大、安全性高、使用方便的IC卡芯片相结合形成的防伪系统具有极高的不可伪造性,且成本低廉、易于实施[66]。

除此以外,在电子资源产权保护方面,区块链+数字证书是存储、验证、共享资源权限的理想方案[61]。电子资源的发布者、接受者、所有者、发布时间可以存储在区块链系统中,每次资源使用记录的增加都经过区块链节点的共识,从而保护电子资源所有者的产权。

参与到区块链系统过程中,首先就必须对其用户的身份信息进行核实和鉴别。由于区块链技术对其身份进行鉴别有着自己的特定方法,区块链对用户信息和证书进行管理,可以有效的降低中心PKI的建设成本[67],实现用户交易的匿名认证对保障用户的身份及隐私信息具有重要的意义。

综上所述,基于区块链技术去中心化、去信任化、匿名性和不可篡改的特性,以此来保护数据信息的安全和完整性,在认证、防伪、存证等信息安全领域内发挥着不可忽视的作用。由于数据信息的安全一般都是依靠密码学技术来进行保护,因此随着计算机的计算能力和存储能力增长,可以对密码学工具进行更新[68],改造成更为强大的工具来适用于区块链,从而达成更为实用的效果。

3.2.4 “区块链+”服务平台

“区块链+”是未来区块链技术脱虚向实、融入产业、服务企业的发展方向,企业间区块链服务平台成为企业未来合作的基础设施。未来的区块链的发展趋势是有效支持大规模产业级复杂应用。当前,以“区块链即服务”(Blockchain as a Service,BaaS)理念为基础的区块链服务平台已具有提供规模化区块链应用的雏形。

BaaS不仅是一个理念,更是集链点搭建、应用开发、应用部署运行监控于一体的服务平台,能够为企业用户提供创建、管理和维护企业级区块链网络及应用的服务。相较而言,BaaS的安全性更高,可扩展性也更强。腾讯、百度、阿里云、京东、华为等具有较强实力的企业纷纷开发BasS项目,并相继推出各种区块链服务平台产品[1],使其成为加速区块链服务实体经济的重要服务形态。

目前,我国已初步形成区块链产业规模,产业链条涵盖上游的硬件制造、平台服务、安全服务和下游的产业技术应用服务,与产业发展相关的投融资、媒体、人才服务建设亦不断完善。仅2017-2019年,就有涉及政府服务、司法鉴证、商业服务、医疗养老、社会公益、环境生态、食品安全等不同领域的大批区块链项目得以落地实施,区块链经济加快发展。

四、区块链存在的问题


4.1 区块链存在的内部问题


作为近年来兴起的新技术,区块链虽然得到了快速发展,其应用场景和领域也非常广泛,但区块链技术总体还处于发展的初期,存在诸多问题和挑战。区块链发展中的技术升级与迭代速度虽然较快,但依旧会因技术自身缺陷而产生安全风险。下面将从区块链内部的技术角度对区块链可能存在的问题进行叙述。

4.1.1 区块链技术本身存在的问题


区块链可能产生膨胀问题。在区块链系统中,每个节点都被要求保存一份备份,这十分不利于海量数据存储。以比特币为例,完全同步自创世区块至今的区块数据需要约120GB存储空间,适用于更大规模的解决方案还有待研发[69]。

除此以外,区块链还属于高能耗型技术,存在着一定的浪费与瓶颈。尽管基于PoW共识机制的区块链系统需要依赖区块链节点贡献的算力,但只有部分算力得到了奖励,其他算力都是在做无用功,资源浪费很大。区块容量、节点规模、共识效率、通信时延等因素使得单位时间确认交易数量受限,成为区块链可扩展性提升的主要瓶颈。高性能、高可扩展等技术瓶颈又反作用于区块链技术,阻碍了区块链大规模商业落地应用。

4.1.2 区块链可能产生的信息安全风险

在区块链网络中,节点只要掌握全网超过51%的算力,就能成功篡改和伪造区块链数据。以比特币为例,据统计中国大型矿池的算力已占全网总算力的60%以上,理论上这些矿池可以通过合作实施51%攻击,从而实现比特币的双重支付。虽然,实际系统中为掌握全网51%算力所需的成本投入远超成功实施攻击后的收益,但51%攻击的安全性威胁始终存在[70]。

隐私保护问题也不容忽视。区块链系统内各节点并不完全匿名,而是通过地址标识(如比特币公钥地址)来实现数据传输。虽然地址标识并未直接与现实世界的实体身份关联,但区块链数据是完全透明的,随着抗匿名身份识别技术的发展,部分重点目标的定位和识别是可以实现的。另外,在完全去中心化的环境中,因缺乏有效的安全机制,可能因数据透明造成隐私泄露[71]。

智能合约机制可能存在技术疏漏。智能合约的条件触发即按约执行,能够提升节点交易可信度,但开发者编程语言不当、程序结构不完善等问题可能带来“可重入漏洞”,存储结构不同可能造成合约函数参数错误。在区块链2.0乃至3.0时代,尽管基于区块链的智能合约更加完备,为区块链增加了应用领域,但同时也增加了与现实世界数据交互的机会,大量来自链外的数据输入可能会给区块链的应用带来安全隐患。如使用区块链进行产品溯源应用时,在理论上还无法证明,可避免从源头的仿冒产品以“正品”的数据被写入区块链[71]。

4.2 区块链存在的外部问题


技术是中性的,但关键要看人如何使用。陈蕾等[1]的研究指出:应用区块链的主体、客体和社会环境的不确定性,决定了区块链外部环境风险的存在,并具体表现为法律风险、市场风险和管理风险。

4.2.1 法律风险

基于虚实同构、人机共处、算法主导的特点,区块链经济必须面对一系列法律难题。例如,一些不法分子利用区块链传播违法的有害信息,实施网络违法犯罪活动,却因其匿名身份难以被溯源。“The Dao”遭黑客攻击导致巨额数字货币被盜事件,很难在开源软件编制或维护者、系统运行参与或使用者及“第三方”应用或服务提供者的范围内确定责任主体,也无法给予投资者救济[72]。此外,区块链的法律适用性较弱。我国关于区块链的基本立法处于缺位状态,《网络安全法》《反不正当竞争法》《电子商务法》等多是倾向于行政执法和经济监管,导致区块链权利主体在面临民事纠纷时不得不寻求交叉法律救济或执行竞合。

综上所述,区块链的法律关系界定难、法律适用性弱等问题可能引致法律错位、性质不明、矫枉过正等法律风险。

4.2.2 市场风险

区块链技术与实体经济的结合已是必然。因此,区块链市场参与者的不正当逐利行为可能引发市场风险。区块链市场参与者主要为区块链技术开发商、厂商和消费者等。厂商通常搭建平台实现经营,但也可以通过研发投入转型为技术开发商。无论是对于技术开发商,还是对于拟转型为技术开发商的厂商,都不可避免地具有“非中立”的主观偏好和逐利的目标。

代码是区块链内部的运行制度,而代码的开发、维护与应用均会不同程度地受制于人类思维。偏好、逐利等因素的主观影响,一方面可能导致技术开发者在自行设计和应用初始代码实现经营的过程中,尝试通过不正当竞争,形成代码规则的技术垄断乃至市场的局部中心化垄断;另一方面,区块链市场参与者可能受利益驱使而联合串谋,由于区块链的不可篡改性造成永久信用扭曲,转嫁参与者的失信行为而形成金融危机。

4.2.3 管理风险

面对区块链这种新兴领域,政府与企业可能存在管理人员执行度低、区块链复合型人才紧缺、区块链营运能力有限、技术保障能力不足等问题,常常会拖慢对发展机遇和战略调整应有的反应速度。

尽管目前国家已将区块链纳入信息战略,但能够对此予以迅速反应和果断执行的企业数量较为有限。目前,仅有少数实力雄厚的大企业,如阿里巴巴、腾讯等已完成内部架构的大规模调整,着手推动管理体制主动革新和升级迭代,并通过搭建区块链服务平台、实施区块链项目、参与产业园区建设等方式,寻求产业区块链破局之路。但与之同时,大部分中小企业尚未或无法作出积极应对,有些甚至在战略上还未引起足够重视。这将导致部分企业错失未来潜在的经济收益,甚至面临竞争优势下降、综合排名落后、被对手吞并或淘汰等不利后果。这种战略前导性与结构滞后性并存的乏力现象,不利于数字经济的高质量发展。

五、总结与展望

作为信息互联网向价值互联网过渡的标志性技术[73],区块链在当前的全球竞争中,具有着无可比拟的重要战略地位。目前,我国在区块链竞争中的优势明显。2018年韩秋明等[74]研究认为,我国当时的相关论文大多局限于对技术原理的讨论,理论研究明显落后于实践应用的发展;但在两年后的2020年,在CNKI上,以中文写就的论文不仅在区块链的实践应用上成果傲人,在理论研究上也取得了长足的进展。除此以外,我国政府对区块链采取了积极的激励政策,从多方面对区块链技术的发展给予了大力支持,为区块链与中国经济社会的积极融合提供了保障。

区块链技术正以稳中向好的趋势发展。这个趋势不一定以区块链的形式直接出现,可能会作为区块链技术的衍生品兴起。目前,区块链应用已经从最初单纯的数字货币过渡到更广泛的金融业,并且渗透到社会中的很多领域,比如身份验证、跨境支付、文件存储、物联网等。不过,在区块链涉及到的众多领域中,金融领域仍是目前最成熟、应用最广的领域。作为新一代互联网技术,区块链已经引起工业、学术、金融等各界的广泛关注。在数据共享、协同工作、业务流程优化、可信体系建设等方面,区块链技术具备毋庸置疑的特有优势。随着区块链技术广泛应用于当前数字经济时代的各类应用中,成为一种分布式可信数据存储的基础设施,其必将对经济社会新型结构的重塑形成深远的影响。

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