区块链(Blockchain)是一种由多方共同维护，使用密码学保证传输和访问安全，能够实现数据一致存储、难以篡改、防止抵赖的记账技术，也称为分布式账本技术(Distributed Ledger Technology)。区块链开创了一种在不可信的竞争环境中低成本建立信任的新型计算范式和协作模式，凭借其独有的信任建立机制，正在改变诸多行业的应用场景和运行规则，是未来发展数字经济、构建新型信任体系不可或缺的技术之一，被预测为引领第五次技术革命的重要技术

区块链发展史

从区块链技术角度来看，区块链行业发展可分为三个阶段

以数字货币为典型特征的区块链1.0(2009-2014年) 区块链技术起源，典型事件有比特币系统公布以智能合约为典型特征的区块链2.0(2014-2017年) 区块链协议层和框架层优化，智能合约支持，共有链、联盟链和私有链等方向出现，典型事件有以太坊，超级账本等区块链开源项目发布向多行业应用探索的3.0阶段发展(2017-至今) 商业应用项目爆发出现，但仍为大规模落地

IDC将区块链定义为记录信息和数据的分布式数字账本，该账本存储于对等网络的多个参与者之间，参与者可以使用加密签名将新的交易添加到现有交易链中，形成安全、连续、不变的链式数据结构

区块链的特征包括

分布式 去中心化，各个节点之间的权利和义务几乎均等，每个节点都能获得完整的数据拷贝，系统由多个节点共同维护多节点共识 各个节点之间通过共识机制对入链数据进行验证，数据内容和系统运作规则公开透明，节点之间通过技术手段自动实现信任关系公开透明 通过共识机制，账本和商业规则可以被所有人审阅，并可利用时间戳机制对用户行为进行追溯，保证了系统的公开透明不可篡改 区块链上的区块只能新增、不能被替换，交易可以通过新增区块的方式予以修改，但是区块记录将永久保留

区块链发展方向

共有链 以比特币和以太坊为代表，是发展最早的区块链类型，特点是完全开放、完全去中心化，任何人都可以读取区块内容、发起交易并获取记账权联盟链 由若干机构共同参与管理的区块链，每个机构都运行着一个或多个节点，其中的数据只允许系统內不同的机构进行读写和发送交易，并且共同来记录交易数据。联盟链能做到很好的节点间连接，维护成本低，典型代表R3、Hyperledger以及国内由微众银行、万象区块链即矩阵元三方共同开发的BCOS区块链开源平台，提供企业级应用服务私有链 写入权限是由某个组织和机构控制的区块链，其读取、交易、记账权都受到严格限制，因此私有链往往可以有极快的交易速度、更好的隐私保护、更低的交易成本、不容易被恶意攻击、并且能够做到身份证等特性，大型金融企业更倾向于使用私有链技术区块链核心技术和基础框架

功能架构 各类区块链在具体实现上各有不同，但在功能架构存在共性。一种通用型的区块链系统技术架构，将区块链系统划分为九个部分

基础设施层 为上层提供物理资源和计算驱动，是区块链系统的基础支持基础组件层 为区块链系统网络提供通信机制、数据库和密码库账本层 负责交易的收集、打包成块、合法性验证以及验证通过的区块上链共识层 负责协调保证全网各节点数据记录一致性智能合约层 负责将区块链系统的业务逻辑以代码的形式实现、编译并部署，完成既定一则的条件触发和自动执行接口层 主要用于完成功能模块的封装，为应用层提供简洁的调用方式应用层操作运维层 负责区块链系统的日常运维工作系统管理层 负责对区块链体系结构中其他部分进行管理

区块链系统架构图(来源：中国信通院和可信区块链推进计划)

区块链即服务(BaaS) 作为一种新的系统交付形态，与原有部署模式相比，在系统扩展性、易用性、安全性、运维管理等方面有很大优势。BaaS把云计算和区块链结合起来，采用容器、微服务以及可伸缩的分布式云存储技术等创新方案，提供多种不同底层链的技术选项，简化区块链的开发、部署及运维，降低区块链应用门槛，提高灵活性。腾讯、京东、阿里纷纷战略布局。区块链即服务可分为管理平台和运行态两部分

BaaS总架构

区块链模型的六层结构 传统的OSI网络协议被分为七层: 物理层(PH)、数据链路层(DL)、网络层(N)、传输层(T)、会话层(S)、表 示层(P)、应用层(A)。区块链基础架构分为六层

数据层 区块链数据层主要描述区块链的物理形式，是区块链上从创世区块起始的链式结构，包含了区块链的区块数据、链式结构以及区块上的随机数、时间戳、公私钥数据等，是整个区块链技术中最底层的数据结构网络层 通过 P2P 技术来实现分布式网络机制，网络层包括 P2P 组网机制、数据传播机制和数据验证机制，因此区块链本质上是 P2P 网络共识层 区块链共识层包含共识算法以及共识机制，共识层的功能是让高度分散的节点在 P2P 网络中，针对区块数据的有效性达成共识，决定了谁可以将新的区块添加到主链中。这是区块链的核心技术之一，也是区块链社群的治理机制。目前至少有数十种共识机制算法，包含工作量证明(PoW)、权益证明(PoS)、权益授权证明(DPoS)、燃烧证明、重要性证明等激励层 激励层主要包括经济激励的发行制度和分配制度，激励遵守规则参与记账的节点并惩罚不遵守规则的节点。通过共识机制胜出取得记账权的节点能获得一定的奖励合约层 合约层具有可编程的特性，主要包括各种脚本、代码、算法机制及智能合约，是区块链可编程和去信任的基础应用层 区块链的应用层里面封装各种应用场景和案例，将区块链技术应用部署在如以太坊、EOS、QTUM 上并在现实中落地。未来的可编程金融和可编程社会也将会是搭建在应用层上

共识层、网络层、数据层属于协议层，是构成区块链技术的必要层级，是实现区块链技术的基本保障，缺一不可

区块链基础架构

区块链并不是一项单一的技术创新，而是P2P网络技术、智能合约、共识机制、链上脚本、密码学等多种技术深度整合后实现的分布式账本技术。区块链技术利用加密的链式区块结构来验证和存储数据，利用P2P网络技术、共识机制实现分布式节点的验证、通信以及信任关系的建立，利用链上脚本能够实现复杂的业务逻辑功能以及对数据进行自动化的操作，从而形成一种新的数据记录、存储和表达的方法

区块链的核心技术

分布式账本 分布式账本本质上是一种可以在多个网络节点、多个物理地址或者多个组织构成的网络中进行数据分享、同步和复制的去中心化数据存储技术共识机制 维护系统运作顺序与保证公平性的制度，统一区块链的版本，并奖励提供资源维护区块链的使用者，惩罚恶意的危害者。共识算法通常解决的是分布式系统中由哪个节点发起提案，以及其他节点如何就这个提案达成一致的问题，分为可信节点间的共识算法和不可信节点间的共识算法智能合约 运行在区块链上的一段计算机程序，在满足一定条件时能够自动强制的执行合同条款，实现“代码即法律”的目标。基于区块链的智能合约包括事件处理和保存的机制，以及一个完备的状态机，用于接受和处理各种智能合约，数据的状态处理在合约中完成。事件信息传入智能合约后，触发智能合约进行状态机判断。如果自动状态机中某个或某几个动作的触发条件满足，则由状态机根据预设信息选择合约动作的自动执行密码学 在区块链中大量使用了现代信息安全和和密码学的技术成果，主要包括：哈希算法、对称加密、非对称加密、数字签名、数字证书、同态加密、零知识加密应用、创新及挑战

区块链目前主要应用场景

数据存证 数据存症主要解决数据的真实性问题，是整个产业链未来高速发展的重要基础，涉及数据的采集、保全和共享等流程。上链后的数据不可篡改，配合物联网手段保证数据的真实性，存在优先切入对信任需求敏感或对数据真实性要求高的场景，在司法、金融、公益、政务、版权、医疗等领域均有大量尝试，正逐渐成为应用方向之一。可在其基础上拓展延伸功能也较为丰富，如身份认证、数据交换、资产交易和共享经济等，因此存证的基础越扎实，多方协作越顺畅，未来想象空间越大电子票据 区块链技术应用于电子票据，可以在一个链条上接入包括医院、学校、交警、法院、医保、企业、商保等一系列用票单位，且区块链电子票据从生产、传送、存储到使用的全程都盖上“戳”，全程可溯源、不可篡改，保证了票据的真实性和唯一性，也避免了票据的重复使用泛金融 区块链特性中的分布式存储和数据不可篡改、可溯源与金融行业对信息和数据安全、交易数据溯源等业务的本质需求高度契合，因此区块链能给金融行业带来诸多改变，包括: 1.提供数据可靠性，链接各方企业与金融机构，可以完整地记录数据，数据经过多方记录确认、不可篡改，同时可以追溯、有效提高数据的可靠性 2.提高金融服务效率，帮助金融机构优化金融基础架构、降低信息不对称程度、提高金融服务效率并降低成本 3.提高安全性，帮助改善体系机构和服务模式能源电力行业 帮助国家电网系统实现数据高效共享，提升风险防范能力，有效解决泛在电力物联网建设过程中面临的数据融通、网络安全、多主体协同等问题。国家电网打造了基于区块链的电子合同、电力结算、供应链金融、电费金融、大数据征信等金融科技全产业链产品，适应担保、融资、交易等多类型应用场景，形成“1+5+N”区块链金融风控架构体系电子政务和智慧城市 区块链可以在税务、工商登记系统、个人记录管理、城市间信息互通、城市能源、产权公证、选举投票、学术存证和公益慈善等领域很好地结合供应链及溯源 依托区块链技术具有的数据不可篡改、交易可追溯以及时间戳的存在性证明机制，实现农产品、工业品、工艺品等商品的生产、加工、运输、流通、零售等环节的追踪记录，解决供应链体系内各参与方在数据被篡改时产生的纠纷，实现有效的追责和产品防伪

区块链产业全景图

区块链领域的技术创新主要表现在以下三个方面

提高效能 在构建新的区块链应用中，有多种维度的创新解决办法网络扩容维度 主要包括二层网络(闪电网络、侧链和State Channel)，及分片、父子链、多链等其他扩容方案(Fabric Channel、EOS并行链和以太网分片技术等)。其中闪电网络是比特币一脉相承的经济激励安全模型，诚实合作比毁约作恶更有利可图，因此主要针对数字资产转让的场景共识算法维度 PoS、DPoS、Paxos和Raft签名算法维度 ED25519组网方式维度 许可链--有限的相对固定的参与节点加强安全隐私保护维度 同态加密、零知识证明、CoinJoin混淆、模糊信息上链共识算法维度 PBFT、BFT-Raft、Tendermint、Casper和合约共识等防止DoS攻击 以太坊Gas、Token负激励开源范围 基础平台代码不开源、非最新版本开源或业务合约代码仅相关方之间开源平等组织 平等组织是区块链的重要特性，过去称为去中心化，现在一般采用多中心和分中心来实现监管维度 多中心的用户身份管理、权限管理防止资产被锁死 私钥托管、多重签名(m/n)可运营、可维护角度 链、节点的监控和管理、合约的加载和升级、钱包服务的提供和更新链上链下数据的关联 Oracle预言机、资产网关和业务核心机构风险控制 风险规则、通讯加密方式等不公开

区块链行业目前面临的挑战

区块链数据只有追加而没有移除，数据存储能力要求高需要多技术协作才能保证上链前的数据真实有效 区块链只能确保“链上”的信息不被篡改，保证这部分内容的可信度，区块链难以独立解决上链之前数据源头的可信度问题，需要信息安全技术、物联网、AI和其他技术共同协作区块链安全问题为实现真正的多方数据共享，隐私计算技术仍有较大提升空间 隐私计算技术是一类在保证数据提供方不泄漏敏感信息的前提下，对数据进行计算并能验证计算结果的技术，密码学层面的隐私计算主要有全同态加密、多方安全计算、零知识证明三种主要技术方向通用型方面仍有明显不足 目前的区块链系统大多采用特定的共识算法、密码算法、账户模型、存储类型，缺少可插拔能力，无法灵活适应不同场景要求功能尚不完备，缺少对企业级应用一些常见功能的支持区块链由多种技术构成，学习成本高、实施难度大、人才稀缺小结

区块链为信息互联网想价值互联网转型提供了重要通路，被视为具有国家战略意义的新兴技术，也是新旧动能接续转换的重要动力，它还通过技术创新推动模式创新，进而引领产业变革

参考文献[1] 《区块链白皮书2019》