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区块链是以比特币为代表的数字加密货币体系的核心支撑技术。 区块链技术的核心优势是去中心化，可以在分布式系统中实现节点之间不需要相互信任，实现基于去中心化信用的点对点交易、协调和协作，从而为共同的问题提供解决方案。中心化机构存在成本高、效率低、数据存储不安全等问题。

近年来，随着比特币的快速发展和普及，区块链技术的研究和应用也呈现爆发式增长趋势。 它被认为是继大型机、个人计算机、互联网和移动/社交网络之后的第五种计算范式。 这一颠覆性创新是人类信用进化史上继血缘信用、贵金属信用、央行纸币信用之后的第四个里程碑。 区块链技术是下一代云计算的雏形，有望像互联网一样彻底重塑人类社会活动形态，实现从当前的信息互联网向价值互联网的转变。

区块链技术起源于2008年一位名叫“中本聪”的学者在密码学邮件组发表的开创性论文《比特币：一种点对点电子现金系统》，至今未被业界认可。 区块链定义

从狭义上讲，区块链是一种不可篡改、不可伪造的去中心化共享总账本（Decentralized shared ledger），它按时间顺序将数据块组合成特定的数据结构，并通过密码学保证。 ledger），它可以在系统内安全地存储简单、顺序和可验证的数据。

广义上，区块链技术采用加密链式区块结构对数据进行验证和存储，采用分布式节点共识算法产生和更新数据，采用自动化脚本代码（智能合约）对数据进行编程和操作。 去中心化基础设施和分布式计算范式。

一、区块链的特点

区块链具有去中心化、时间序列数据、集体维护、可编程性、安全可信等特点。

一是去中心化：区块链数据的验证、记账、存储、维护和传输均基于分布式体系结构，采用纯数学方法代替中心化机构，在分布式节点之间建立信任关系，从而形成去中心化和可信分布式系统；

二是时间序列数据：区块链采用带有时间戳的链式块结构来存储数据，从而为数据增加了时间维度比特币区块如何生成，具有极强的可验证性和可追溯性；

三是集体维护：区块链系统采用特定的经济激励机制，保证分布式系统中的所有节点都能参与数据块的验证过程（如比特币的“挖矿”过程），并通过共识算法选择特定节点以将新块添加到区块链；

第四是可编程性：区块链技术可以提供灵活的脚本代码系统，允许用户创建高级智能合约、货币或其他去中心化应用。 例如，以太坊平台提供了图灵完备的脚本语言，供用户构建任何精确定义的智能合约或交易类型；

最后，安全可靠：区块链技术利用非对称密码学原理对数据进行加密，同时利用分布式系统中各节点的工作量证明等共识算法形成的强大算力抵御外部攻击和确保区块链数据。 不可篡改、不可伪造，安全性高。

2. 比特币

比特币是迄今为止最成功的区块链应用场景。

据区块链实时监测网站Blockchain.info统计，比特币区块链平均每天写入12万笔交易，价值约7500万美元，迄今已生成超过40万个区块。 加密货币市值统计网站 coinmarketcap.com 数据显示，截至 2016 年 2 月，全球共有 675 种加密货币，总市值超过 67 亿美元，其中比特币约占市值的 86%，而瑞波币和以太坊分别位列第二和第三。

目前，比特币的供应量（即已开采的比特币数量）已超过1500万枚。 按照目前每比特币389.50美元的价格计算，其总市值已经超过59亿美元。 占据第144位（略低于欧洲的摩尔多瓦）。 也就是说，在没有政府和央行信用背书的情况下，去中心化的比特币依靠算法信用创造了规模堪比欧洲小国的全球经济。 预计到2027年，全球10%的GDP将通过区块链技术存储。

比特币区块链的第一个区块（称为创世区块）诞生于 2009 年 1 月 4 日，由创始人中本聪持有。 一周后，中本聪向密码学专家哈尔芬尼发送了 10 个比特币，形成了比特币历史上的第一笔交易； 2010 年 5 月，佛罗里达州的一名程序员用 10,000 个比特币购买了一张价值 25 美元的披萨券，从而创造了第一笔比特币交易。 公平的汇率。 此后，比特币价格快速上涨，并于2013年11月创下每比特币1242美元的历史新高，超过同期黄金价格每盎司1241.98美元。 据CoinDesk估计，目前约有6万家商户接受比特币交易，其中中国是比特币交易增长最快的国家。

比特币本质上是一种由分布式网络系统产生的数字货币。 其发行过程​​不依赖于特定的中心化组织，而是依靠分布式网络节点共同参与的一个称为工作量证明（PoW）的共识过程来完成比特币交易的验证和记录。 PoW共识过程（俗称挖矿，每个节点称为矿工）通常是每个节点贡献自己的计算资源来竞争解决一个难度可以动态调整的数学问题，成功解决该数学问题的矿工将获得区块的记账权，将当前时间段内的所有比特币交易打包记录到一个新的区块中，按照时间顺序链接到比特币主链上。 同时，比特币系统会发行一定数量的比特币来奖励矿工，鼓励其他矿工继续贡献算力。 比特币的流通过程依靠密码学来保证安全。 每一笔比特币交易都会在经过特殊算法处理并经过所有矿工验证后记录在区块中，同时可以附加具有一定灵活性的脚本代码（智能合约），实现可编程和自动化的货币流通。 可以看出，比特币和区块链系统一般具有以下五个关键要素，即公共区块链账本、分布式点对点网络系统、去中心化共识算法、适度的经济激励机制和可编程脚本代码。

区块链技术为比特币系统解决了数字加密货币领域长期以来不得不面对的两个重要问题，即双重支付问题和拜占庭将军问题。

双重支付问题也称为“双花”，即利用货币的数字特性，使用“同一笔钱”两次或多次来完成支付。 在传统的金融货币体系中，现金（法币）由于是物理实体，自然可以避免双重支付； 其他数字形式的货币需要由可信的第三方中央机构（如银行）提供担保。 区块链技术的贡献 在没有第三方机构的情况下，通过分布式节点的验证和共识机制解决了去中心化系统的双重支付问题比特币区块如何生成，并在信息传递过程中同时完成价值传递传播。

拜占庭将军问题是分布式系统在交互过程中普遍面临的问题，即在没有可信中心节点的情况下，分布式节点之间如何达成共识并建立互信。 区块链利用数字加密技术和分布式共识算法来实现，以构建一个不信任单个节点的去中心化可信系统。 与传统中央机构（如中央银行）的信用背书机制不同，比特币区块链形成软件定义的信用，这标志着从中心化国家信用向去中心化算法信用的根本转变。

比特币凭借其先发优势，现已形成涵盖发行、流通和金融衍生品市场的完整生态系统和产业链。 这也是其长期占据数字加密货币市场绝大部分份额的主要原因。 比特币的开源性吸引了大量的开发者不断贡献自己的创新技术、方法和机制； 比特币的每个网络节点（矿工）都提供算力来保证比特币的稳定共识和安全性，其大部分算力来自于设备商销售的专业矿机。 PoW共识算法的专业设备（矿机）。 比特币网络为每个新发现的区块发行一定数量的比特币来奖励矿工，一些矿工可能会相互合作建立收益共享矿池，以汇集算力以增加获得比特币的概率。

比特币发行并进入流通环节后，持有者可以通过特定的软件平台（如比特币钱包）向商家支付用比特币购买商品或服务，体现了比特币的货币属性； 同时，由于比特币价格波动的涨跌机制，使其完全具备金融衍生品的所有属性，于是比特币交易平台应运而生，方便持币者投资或炒作比特币。 在流通和金融市场中，每一笔比特币交易都会由比特币网络的所有矿工验证并记录在区块链中。

比特币是第一个由区块链技术赋能的“杀手级”应用。 迄今为止，区块链的核心技术和人力资源仍主要集中在比特币研发领域。 但作为未来新一代的底层基础，区块链技术及其应用范围必将超越数字加密货币，延伸至金融、经济、科技、政治等其他领域。 比特币现有的技术、模式和机制将为区块链在新的应用领域的发展提供便利。 此外，区块链在新领域的创新，必将推动解决比特币系统存在的问题。 因此，比特币与区块链技术具有协同进化、和谐共生而非相互竞争的正反馈关系。

三、区块链应用场景

从区块链独特的技术设计可以看出，区块链系统具有分布式高冗余存储、时间序列数据不可篡改和伪造、去中心化信用、自动执行智能合约、安全隐私等显着特征保护等。这使得区块链技术不仅成功应用于数字加密领域，而且在经济、金融和社会系统中具有广泛的应用场景。

数据存储：区块链的高冗余存储（每个节点存储一条数据）、去中心化、高安全性和隐私保护，使其特别适合存储和保护重要的隐私数据，避免数据大规模丢失或泄露攻击或权限管理不当造成的。 类似于比特币交易数据，任何数据都可以经过哈希处理生成对应的默克尔树并打包到区块链中，通过系统中的共识节点的算力和非对称加密技术来保证安全性。 区块链的多重签名技术可以灵活配置数据访问权限。 区块链存储个人健康数据（如电子病历、基因数据等）是一个很有前途的应用领域。 此外，存储各种重要的电子文件（视频、图片、文本等）乃至人类的思想意识也有一定的应用空间。

数据认证：区块链数据带有时间戳，由共识节点验证记录，不可篡改和伪造。 这些特性使得区块链广泛应用于各种数据公证和审计场景。 例如，区块链可以永久安全地存储政府机构颁发的各种许可证、登记表、执照、证书、证明和记录，并且可以在任何时间点轻松证明某个数据的存在和真实性。 包括德勤中国在内的多家专业审计公司已部署区块链技术，帮助其审计师实现低成本、高效的实时审计； Factom设计了一套基于区块链Notarization流程和方法的准确、可验证和不可篡改的审计。

金融交易：区块链技术与金融市场应用的契合度非常高。 区块链可以在去中心化系统中自发产生信用，无需中央机构信用背书就可以建立金融市场，从而在很大程度上实现了“金融脱媒”，对第三方支付、资金托管等方式是一种颠覆性的改变。与中介机构的商业模式； 在互联网金融领域，区块链特别适合或已经应用于股权众筹、网贷、互联网保险等P2P业务模式； 证券和银行业也是区块链的重要应用领域。 传统的证券交易需要经过中央清算机构、银行、证券公司、交易所等中央机构的多重协调。 但是，利用区块链的自动化智能合约和可编程特性，可以大大降低成本和提高效率，避免繁琐的中心化清算和交割流程，实现方便快捷的金融产品交易； 同时，区块链和比特币的即时到账特性可以让银行实现比SWIFT码系统更快、更经济、更安全的跨境转账； 这也是R3CEV、纳斯达克等各大银行、证券公司和金融机构相继投入区块链技术研发的重要原因。

资产管理：区块链在资产管理领域的应用前景广阔，可以实现对有形资产和无形资产的确权、授权和实时监控。 对于无形资产，基于时间戳技术和不可篡改的特性，可以将区块链技术应用于知识产权保护、域名管理、积分管理等领域； 针对有形资产，结合物联网技术，为资产设计唯一标识，部署在区块链上，形成“数字智能资产”。 实现基于区块链的分布式资产授权和控制。 例如，通过对房屋、车辆等实物资产的区块链密钥授权，可以根据特定权限发放和回收资产使用权，帮助房屋如Airbnb租赁或车辆租赁等业务模式实现资产的自动化交接; 通过结合物联网的资产标记和识别技术，区块链还可以实现灵活的供应链管理和产品追溯等功能。

选举投票：投票是区块链技术在政治事务中的代表性应用。 基于区块链分布式共识验证和不可篡改的特点，可以低成本、高效地实现政治选举、企业股东投票等应用； 同时，区块链还支持个人用户对特定问题进行投票。 例如，通过记录用户对特定事件是否发生的投票，区块链可以应用于博彩、预测市场等场景； 通过记录用户对特定产品的投票评分，建议实现大规模用户众包设计产品的“社会制造”模式等。

根据实际应用场景和需求，区块链技术演化出三种应用模式，即公有链、联盟链和私有链。

公链是一个完全去中心化的区块链。 分布式系统中的任何节点都可以参与链上数据的读写、验证和共识过程，并根据其 PoW 或 PoS 贡献获得相应的经济激励。 比特币是公链的典型代表。

联盟链是一种部分去中心化（或多中心化）的区块链，适用于由多个实体组成的组织或联盟，其共识过程由一组预定义的节点控制。 例如，生成一个区块需要经过预选共识节点中的 5 个节点的 10 次确认。

私有链是完全中心化的区块链，适用于特定组织的内部数据管理和审计。 其写入权限由中央机构控制，而读取权限可根据需要选择性对外开放。

4. 区块链存在的问题

区块链作为近年来迅速兴起和发展的新技术，不可避免地会面临制约其发展的各种问题和障碍。 本节将从安全、效率、资源、博弈四个方面概述区块链技术需要解决的问题。

1.安全问题

安全威胁是迄今为止区块链面临的最重要的问题。 其中，基于PoW共识过程的区块链主要面临51%攻击问题，即节点掌握全网可以获得51%以上的算力。 成功篡改和伪造区块链数据的能力。 以比特币为例，据统计，我国大型矿池的算力已经占到全网总算力的60%以上。 理论上，这些矿池可以通过合作进行51%攻击，从而实现比特币的双重支付。 虽然在实际系统中，掌握全网51%算力所需的成本投入远远超过攻击成功后的收益，但51%攻击的安全威胁始终存在。 基于PoS的共识过程在一定程度上解决了51%攻击问题，但也引入了区块分叉时的N@S（Nothing at stake）攻击问题。 研究人员提出构建一种依赖高算力和高内存的PoW共识算法来部分解决51%攻击问题，更安全有效的共识机制有待进一步研究和设计。

区块链的非对称加密机制也会随着数学、密码学和计算技术的发展而变得越来越脆弱。 据估计，以天河二号目前的算力，比特币SHA256哈希算法的一次哈希碰撞大约需要248年，但随着量子计算机等新计算技术的发展，有一定的可能性未来破解非对称加密算法的风险，也是区块链技术面临的潜在安全威胁。

区块链的隐私保护也存在安全隐患。 区块链系统中的每个节点都不是完全匿名的，而是通过类似于电子邮件地址的地址标识（如比特币公钥地址）实现数据传输。 虽然地址标识与现实世界中人的身份没有直接关系，但区块链数据是完全公开透明的。 随着各种反匿名识别技术的发展，仍然可以对一些关键目标进行定位和识别。

2.效率问题

区块链的效率也是制约其应用的重要因素。 首先是区块扩容的问题：区块链要求系统中的每个节点都保存一份数据备份，这对于不断增长的海量数据存储来说难度极大。 以比特币为例，从创世块到现在完全同步块数据需要大约60GB的存储空间。 虽然轻量级节点可以部分解决这个问题，但仍然需要开发适用于更大规模的工业级解决方案。 其次是交易效率问题：比特币区块链目前每秒只能处理7笔交易，这极大限制了区块链在金融系统大部分高频交易场景中的应用（例如VISA信用卡最多只能处理7笔交易）到每秒 10 个事务）000 个事务）； 最后是交易确认时间的问题：比特币区块生成时间为10分钟，所以交易确认时间一般为10分钟，这在一定程度上限制了比特币在小额交易和时效性交易中的使用。 应用。

3.资源问题

PoW 共识过程高度依赖区块链网络节点贡献的算力。 这些算力主要用于解决SHA256哈希和随机数搜索，不产生任何实际社会价值。 因此，这些算力一般被认为是资源被“浪费”了，同时大量的算力资源被浪费了。 随着比特币的日益普及和专业挖矿设备的出现，比特币生态在资金和设备方面都出现了明显的变化。 军备竞赛的局面逐渐成为高耗能的资本密集型产业，进一步凸显了资源消耗的重要性。

因此，如何有效地聚集分布式节点的网络算力来解决实际问题，是区块链技术需要解决的重要问题。 研究人员已经开始尝试解决这个问题。 例如，素数币（素数币）要求每个节点在过程中，找到最长的素数链（坎宁安链和双向双链）而不是无意义的 SHA256 哈希值。 未来潜在的发展趋势是设计有效的交互机制，聚集和利用分布式共识节点Swarm智能，协助解决大规模的实际问题。

4.游戏问题

区块链网络作为一个去中心化的分布式系统，在交互过程中不可避免地存在着相互竞争与合作的博弈关系，这一点在比特币挖矿过程中尤为明显。 一般来说，比特币矿池可以通过相互合作来维持自身的稳定收益。 但是，矿池可以享受到对方矿池的收益，却不能实际贡献全量工作量证明来攻击其他矿池，从而减少对方矿池的收益。 如果矿池互相攻击，双方获得的收益都小于不攻击对方的收益。 当矿池收益函数满足一定条件时，这种攻击和竞争就会导致“囚徒困境”博弈的结局。 如何设计合理的惩罚函数抑制非理性竞争，使合作成为重复矿池博弈的稳定均衡解，需要进一步深入研究。

此外，区块链共识过程本质上是一个众包过程。 如何设计一种激励兼容的共识机制，使去中心化系统中的利己节点能够自发地进行区块数据验证和记账，提高系统内部非理性行为的成本，抑制安全攻击和威胁，是一个亟待解决的重要科学问题在区块链中解决。

参考 | 袁勇、王飞跃《区块链发展技术与前景》

协调 | 波浪

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