CCCF专栏：区块链关键技术、应用与挑战

区块链作为一种新型的去中心化分布式账本技术，正在以其去中心化、匿名性的特点颠覆现有的生产关系，利用计算机科学建立信任机制，为金融、产权、供给提供新的基础。链条。 许多其他行业提供变革和增长的机会。 但在区块链发展过程中，也暴露出不少问题，受到业界质疑。 例如，其技术还不够成熟，无法支持大规模应用，安全性和性能亟待提升。 因此，厘清区块链的技术现状和应用现状，对于我们理性认识区块链技术，实现区块链应用价值最大化具有重要意义。

区块链关键技术

从技术角度看，区块链是一种综合性创新技术，融合了计算机科学、数学、经济学等多学科领域的研究成果。 账户系统。

密码学

密码学是区块链的基石。 密码学属于数学和计算机科学的一个分支。 主要研究信息安全、信息完整性验证、分布式计算中的信息安全问题。 区块链采用了哈希算法、加解密算法、数字证书与签名、零知识证明等现代密码学的多项技术成果。

区块链采用哈希算法和非对称加密技术来保证区块链账本的完整性和网络传输的安全性。 哈希算法用于生成区块链中每个单元（区块）的头部信息，区块之间的连接是通过在区块头中包含前一个区块的头部信息来实现的。 同时，使用默克尔树（一种基于哈希算法的树结构）对区块中的具体交易或状态进行结构化组织，并将汇总信息（根哈希）存储在区块头中，方便人们查看数据或状态篡改变得极其困难。

随着区块链技术的进步和应用的日益广泛，比特币、以太坊等早期公链项目完全公开的账本1很难满足人们在应用场景中对隐私的更高需求，因此没有必要公开数据本身零知识证明技术可以证明某些数据的真实性，在新兴的区块链项目中得到使用并发挥着越来越重要的作用。 零知识证明是指协议证明者（已验证者）无需向验证者提供任何有用的信息，就可以使验证者相信某个断言是正确的。 Zcash是第一个使用零知识证明概念的区块链加密货币项目，而最大的智能合约平台以太坊也在末尾的“拜占庭”分叉中引入了zkSNARKs这一使用同态加密的零知识证明技术。 2017.（零知识简洁非交互式知识论证）。

分布式存储

区块链账本采用的分布式存储记账方式是一种去中心化的数据存储技术，用于在由分布在不同物理地址或不同组织的多个网络节点组成的网络中进行数据共享和同步。

不同于传统的分布式存储，区块链网络中的每个参与节点都有完整的数据存储，每个节点都是独立的、点对点的。 它依靠共识机制来保证存储的最终一致性，也通过这些方式来保证分布式网络中存储的数据的可信性和安全性，即只有当大多数节点都在的时候，才能实现对现有数据的篡改。分布式网络可能会受到影响。 相应地，更多节点参与系统将提高数据的可信度和安全性。

不同于传统数据库，区块链只提供“添加”和“查询”操作，“修改”和“删除”操作是通过“添加”交易来实现的，比如产生区块硬分叉实现交易回滚，避免恶意篡改数据。 但这也有缺点，会带来区块链存储无限增加的问题。

共识机制

共识机制用于解决分布式系统的一致性问题。 其核心是在某种协议（共识算法）的保证下，使指定的操作在有限的时间内在分布式网络中保持一致、可识别和不可靠。 篡改。 在区块链系统中，通过特定的共识算法来解决去中心化的多方互信问题。

根据不同的故障类型，共识算法可以分为两种类型。 一类使用数学和工程方法来确保节点之间的数据绝对一致。 通常用于解决可信节点之间的网络通信故障。 常用的算法有Paxos、Raft、ZAB等，常见于大数据分布式系统中，这些算法对不可信节点不具备容错能力。 这类算法还包括用于解决拜占庭一般问题的拜占庭容错算法（BFT），它允许一定比例的不信任节点。

另一类共识算法鼓励对系统的贡献，通过经济利益的博弈，增加不可信节点作恶的成本。 常用的算法有工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）等，PoW和PoS算法分别通过提供算力或持有股权来平衡利益博弈。

为适应不同的应用场景，区块链共识机制的研究主要集中在优化系统的可扩展性、运行效率、容错性等方面。 在新兴的区块链方案中，会结合使用各种共识机制。 例如在分层/分片方案中，最顶层的主链使用PoW机制来保证全局共识的有效性和抵抗女巫攻击2，在相对​​小规模的分片中，使用PoS或BFT算法来实现更高效的共识. 典型案例包括以太坊和 Zilliqa以太坊dag大小查询，未来将引入基于 Validator Manager Contract (VMC) 的分片方案。 这些方案虽然尚未得到验证，但代表了未来区块链设计的趋势。

智能合约

智能合约是一种计算机协议，旨在以信息化方式传达、验证或强制执行合同的谈判或履行。 允许在不依赖第三方的情况下进行可信、可追溯和不可逆的合约交易。 它的概念由计算机科学家 Nick Szabo 于 1996 年创造，描述了“以数字形式定义的一组承诺，包括各方之间履行这些承诺的协议。”

区块链技术的发展为智能合约的运行提供了可信的执行环境。 区块链智能合约是写在区块链上的一段代码。 一旦某个事件触发了合约中的条款，代码就会自动执行。 目前比较成熟的Ethereum和Hyperledger Fabric框架都包含智能合约，支持图灵完备语言。 基于它可以实现多种智能合约，包括差价合约、储蓄钱包合约、多重签名合约、保险衍生品合约等。 等，不依赖第三方或中心化机构，大大减少人工参与，高效准确。

需要注意的是，部署在区块链公链上的所有智能合约都是可见的、可交互的，这意味着它们的所有漏洞都是公开的。 以太坊公链已经发生数千万美元的安全事件。 如何编写安全可靠的智能合约是区块链技术面临的核心问题之一。

经典平台

自2009年初第一个比特币被挖出以来，区块链技术经历了从1.0、2.0到多元化的快速发展，也诞生了许多经典的技术平台。 包括发布第一个去中心化全球货币的比特币，包括图灵完备智能合约的以太坊，面向高性能互联网应用的EOS3，以及面向机构用户的多方授权交易的Hyperledger Fabric。 它们的主要特点和比较如下：如表1所示。

区块链的典型应用

区块链的核心价值在于构建去中心化的信用机制，帮助社会从信息互联向信用互联过渡。 区块链的应用价值主要体现在三个方面。 一是公开透明，杜绝造假。 存储在区块链中的记录无法被篡改，也无法消除。 主管可以清楚地看到每笔交易的来龙去脉。 在长链和参与者众多的复杂情况下，区块链可以有效防止欺诈和伪造，减少隐私侵犯和滥用。 二是制定规则降低信用风险。 通过将双方约定写入区块链智能合约，交易在满足约定条件后自动执行，避免违约。 三是放权增效。 区块链的去中心化存储和共识形成可追溯不可篡改的信息，告别必须由中心机构验证的重复验证过程，缩短中间链条，降低清结算成本，提高效率。

金融

区块链可以实现金融资产的分布式存储和交易。 以复杂的跨境支付为例，常规的交易方式至少需要24小时才能完成，由于双方的信用主体不同，用户需要提交大量的身份信息，而双方的银行当事人还需要与中介机构核对信息。 使用区块链，可以直接建立付款人与银行、银行与银行之间的信任关系，无需中间机构。 付款人与银行通过智能合约约定相关权利义务，可实现实时转账和自动结算。 ，监管机构还可以清楚地审查相关交易记录并识别洗钱等非法活动。 对于个人、银行和监管机构来说，成本降低了，效率提高了。 SWIFT gpi（全球支付创新）是由SWIFT、世界银行间金融电信协会和全球多家银行发起的全球支付创新项目，研究区块链技术和跨境支付。 招商银行于2016年开发了基于区块链的跨境直接清算系统。最近，汇丰银行和ING银行利用区块链技术为美国农业巨头嘉吉实施了第一笔大规模、实时的贸易融资交易。 在保险领域，2017年，上海保交所发布区块链底层技术平台保交联。 利用区块链不可篡改的特性，在链上验证核保、记录保费、佣金、理赔等信息，满足条件时智能合约自动触发理赔，有效规避保险欺诈风险，提高提高承保和理赔效率，降低管理成本。 .

财产

区块链的另一个重要应用是产权保护和产权交易。 以数字资产和知识产权为例，目前很多创作者无法获得合理的回报。 原因在于，对于大量的原创内容，确权成本高，维权周期长。 传统方法很难解决盗版问题。 二是分配机制。 版权授权代理链条长，缺乏透明准确的使用统计，创作回报周期长。 如果利用区块链去中心化的账本记录，结合计算机视觉、自然语言等人工智能技术，可以实现低成本的内容确权，利用智能合约技术让创作者能够对作品进行定价和授权。 自动跟踪记录每次使用和交易情况，自动分配收益，缩短回本周期（如图1）。 目前已经有多个区块链版权平台项目提供数字资产和版权兑换功能，帮助数字资产实现高效流通，激活资产价值。 未来，随着物联网技术的进一步发展，线下实体资产也可以在区块链上进行注册和交易，形成移动资产网络。

供应链与物流

在供应链领域，区块链可以让参与各方记录产品的日期、地点等信息，形成一个不可篡改的公共账本。 生产者、监管者和公众可以跟踪和查询生产相关信息，增加成分的透明度。 ，在食品生产、奢侈品制造、跨境物流等安全要求高的场景下，打击假冒伪劣尤为重要。 同时，企业还可以通过上下游数据的连接和整合，完善供应链管理，提高生产和流通效率。 目前，阿里巴巴和京东都在开发区块链供应链系统。 阿里巴巴联合政府、行业协会、质检机构打造全球溯源计划，对进口商品从生产、清关、运输全环节进行追踪，打击奢侈品。 产品假冒和销售。 京东联合清华大学等单位成立中国安全食品区块链溯源联盟，开展食品溯源与安全合作。

数据存储方式

目前绝大多数的数据存储方式都是本地集中存储，或者使用几家巨头的云存储。 后者的数据同样在中心化的服务商中，同样面临着被攻击、滥用和泄露的威胁。 通过全球范围内可供共享的闲置存储和带宽，形成一个庞大的数据节点网络，区块链技术可以实现真正的分布式存储。 以星际文件系统（IPFS）项目为例，将文件内容转换成哈希值存储在各个节点中。 对内容的任何修改都会反映在哈希值中。 所有存储的文件都被抽象到一个专门的 IPFS 目录中供检索，大文件会被分成小块。 下载时，可以同时从多个服务器获取。 无中心服务器，无干扰，无攻击，安全性高，成本更低。 此外，参与的服务商通过对数据共享的贡献，自动获得并分配相应的收益。

验证

身份系统是现代社会的基础设施。 传统的离线证书容易丢失、被盗和伪造。 互联网上的用户身份和隐私也存在巨大的安全风险。 大多数用户数据存储在应用程序提供商的服务器上。 三方监管容易出现用户身份数据泄露或滥用，比如最近的Facebook用户数据泄露事件。 利用区块链技术，用户可以拥有唯一的、不可篡改的身份ID，收集多维信息进行验证、授权、交易等。 用户将完全拥有这个身份，通过零知识证明选择性地公开和授信，降低隐私泄露的风险。 微软、IBM等组织正在合作开发去中心化身份识别系统（Decentralized IDs，DID），旨在帮助难民获得身份，从而获得教育、金融、医疗等服务。 中国钞票区块链技术研究院推出的我国钞票网络频谱系统4与合作伙伴合作，对数字身份、可信数据、数字证书等进行可信注册，提供身份、时间戳、凭证注册等信息可验证、可审计和可追溯。 参与者不仅可以自己使用，还可以跨机构认证和转让。 应用于政府监管、司法鉴定等诸多场景。

区块链的主要挑战

区块链技术与加密货币一同出现，早期的政策监管并不健全。 出现了很多打着区块链的名义赚钱的ICO5（Initial Coin Offering）项目，但都以失败告终。 少怀疑。 2017年9月4日，我国发布《关于防范代币发行融资风险的公告》，将ICO定义为非法融资，严禁非法融资。 区块链的应用价值也因此备受争议。 有从业者认为，区块链无法解决信息不对称问题，企事业单位的核心数据依然不会在链上公开。 此外，去中心化方式所需的共识也消耗了大量能量，被认为是相当低效的。

同时，我们也看到，在“两会”、博鳌论坛等重要场合，区块链成为热门话题，区块链技术也得到了很多支持。 中国银行原行长李礼辉认为，2017年区块链应用取得了比较大的突破。 首先，它建立了一个多维度的直接交互框架。 金融领域的大规模应用充满期待，但预计至少需要3年时间，解决标准化和监管体系建设问题，同时提高区块链技术的可靠性和安全性。

区块链现在已经发展成为一个庞大的技术体系。 随着区块链技术的成熟，未来将会得到更广泛的应用，更深刻地改变经济社会形态。 在这个过程中，除了政策和公众认知的挑战外，最重要的是技术需要进一步完善，尤其是区块链“不可能三角”问题，也就是货币经济中的蒙代尔不可能三角理论。 形变。 即区块链很难同时满足“可扩展性”、“安全性”和“去中心化”三个条件。

可扩展

可扩展性是指区块链系统处理高业务量的能力。 在考虑去中心化和安全性的前提下，区块链面临的可扩展性挑战主要来自三个方面：

分布式网络中的传输延迟。 在任何一个节点都有机会参与记账的区块链网络中，参与记账的节点需要同步所有的区块信息，才能处理交易和记账。 因此，整个网络的同步效率受到网络中延迟最长的节点的限制。

分布式账本的一致性问题。 在交易大小相同的情况下，影响区块链吞吐量的两个核心参数是区块大小和区块间隔时间。 考虑到实用性，块容量通常不会无限扩展。 而如果区块间隔时间过小，在全网参与记账的环境下，可能会因为不同节点来不及完全同步最新的区块广播而产生不同的新区块，会造成严重的分叉问题，进而严重影响区块链的实际可用性。

节点性能限制。 目前比特币、以太坊等主流公链仍然采用工作量证明共识机制。 用于记账的节点需要消耗大量的计算资源进行哈希运算以争夺记账权，因此在效率上存在一定的局限性。 此外，由于区块链数据只增不删，随着区块数据量的增加，对节点的存储空间和吞吐性能提出了越来越高的要求。 以以太坊为例，目前区块文件总大小已经超过500GB。 要达到每秒百万笔交易的交易速度，需要一个吞吐量达到数百MB/s的节点，这是一个非常高的要求。

安全

在考虑可扩展性和去中心化时，安全性是一个巨大的挑战。 为了提高性能，区块链本身可能会在加密安全方面做出妥协。 例如，非拜占庭容错共识算法被用于不可信任的环境中以提高事务处理性能。 此外，在完全去中心化的自治环境中，可能缺乏有效的安全应急机制，这可能导致难以在第一时间发现并终止对系统的攻击。 而且，由于区块链“不可篡改”的设计理念，区块链状态的回滚仍然需要分叉，这也使得区块链的可维护性不如传统方案。 这种现象在智能合约领域尤为普遍。 2016年，以太坊最大的智能合约项目The DAO，因黑客攻击智能合约中提取以太币过程中的判断条件漏洞，造成300万ETH的损失，损失仍在以太坊经典区. 存在于区块链上。 同样，2018年4月，黑客利用BEC代币合约整数溢出漏洞进行攻击，造成天文数字超发，导致币值暴跌。

在区块链2.0乃至3.0时代，更完善的智能合约为区块链带来了更广泛的应用场景，也带来了更多数据与现实世界交互的机会。 与区块链等山寨币相比，从区块链2.0开始，大量的数据从链外输入。 目前，这些与现实世界交互的区块链应用解决方案，还不能彻底杜绝链外作恶。 这也给整个应用的安全带来了隐患。 例如，目前区块链在产品溯源方面的应用，无法从理论上证明其能够从源头上杜绝假冒产品以“正品”数据写入区块链。

从更长远的角度来看，由于目前的区块链技术仍然以哈希和非对称加密算法为主要基石，这些加密算法所面临的挑战也将成为区块链技术面临的巨大挑战。 最大的挑战之一是量子计算技术。 当量子计算技术成熟后，通过主流非对称加密算法生成的公钥地址推导出账户私钥将变得轻而易举，这将导致整个区块链系统的安全基础崩溃。 为了应对这一问题，目前比特币的大额交易多采用一次性账户实现，抗量子加密算法也是业界研究的热点。

分散的

2018年，各种新兴的公链项目进入大众视野，蓄势待发。 它们大多强调自身的高性能（可扩展性），观察它们的设计思路不难得出结论，它们具有某种“中心化”的设计理念。以采用DPoS共识机制的EOS为例，它使用21个“超级节点”按一定顺序出块，避免了大量节点记账的效率，从而将交易处理系统（TPS）提高到千级别，相比于之前主流的公链解决方案（如以太坊）。然而，对于EOS“中心化”的质疑一直存在，不仅是DPoS，目前采用PoW共识机制的比特币和以太坊也面临着中心化的问题. 由于ASIC6矿机的出现，目前普通用户的PC节点几乎无法参与记账权的竞争，80%以上的算力集中在i n 几个矿池。 相当大的话语权也是“集权”的体现。

机遇与前景

区块链技术仍处于非常早期的发展阶段。 历史上，创新技术从诞生到成熟应用的过程中，难免会出现这样或那样的问题和质疑。 技术、产品和市场的成熟都需要时间。 但区块链的应用前景非常广阔，尤其是在参与者多、交易链长、中心化效率低、不透明、缺乏信任的场合，更需要区块链技术。 未来，能够率先突破当前区块链的技术瓶颈，并在行业内开展大规模应用的组织，必将成为新兴数字社会的重要力量。

目前，围绕核心“不可能三角”的技术挑战，各领域的研究人员和工程师都在致力于加密安全，如零知识证明、环签名、可验证随机函数（Verifiable Random Function，VRF）等共识机制。 、多链、通道技术、有向无环图（Directed Acyclic Graph，DAG）、智能合约等区块链底层结构正在被探索和实践，更多新的区块链方案设计诞生。 虽然其中大部分还没有得到实际落地应用的验证，但是他们提出了很多解决实际问题的思路和方法，对整个区块链技术的广泛应用会起到一定的推动作用。

在技​​术方面，可扩展性、隐私保护、可信数据输入和智能合约可能成为热点。 以下几个方面值得特别注意：

● 并行化方案。 并行化是传统分布式系统解决高吞吐量问题的重要思路。 在新兴的区块链解决方案中，很多地方都可以看到并行的设计思想。 并行化的实现方式，一种是以Ethereum、EOS、Zilliqa为代表的对节点和交易进行分区并行处理，另一种是以IOTA、Byteball为代表使用DAG生成区块的方式将流程并行化。 不同于比特币或以太坊的1:1链式区块结构，在DAG方案中，允许每个单元包含多个父单元（不允许成环），即形成一个有向无环图，可以容纳more 多笔交易确认速度更快，同时减少资源消耗。

● 共识机制。 传统的 PoW 共识机制虽然解决了去中心化和安全性等问题，但其自身的性能问题和算力消耗较大在一定程度上制约了区块链技术的广泛应用。 除了上述多种共识机制的结合，研究让算力更“好用”的共识机制也是未来的一个契机。 的思想为区块链中的每个节点提供一定的思想参考，为整个网络提供更大的贡献。

● 跨链和通道技术。 随着公链解决方案的爆发，多平台之间的价值交换成为一个不可避免的话题​​。 对于比特币这样已经拥有庞大用户基础的解决方案，利用跨链技术和闪电网络等通道技术让比特币拥有更完备的功能也是相当一部分公司追求的目标。

在应用方面，目前的区块链还处于2.0阶段，即“应用+区块链”。 由于性能限制，目前的区块链应用还处于传统业务与区块链服务交互的阶段。 随着区块链技术和解决方案的进一步成熟，未来将会出现各种各样的“区块链3.0”或者“应用在区块链上”的应用，即所有的业务逻辑都运行在区块链上，这样一方面，避免前述的可信数据输入问题，另一方面，因为传统业务会以各种智能合约的形式从数据中心迁移到全网各个记账节点，从而实现真正的“去中心化”。

从应用区块链的思路出发，是否在不可信任的环境中构建价值传递系统，让参与者通过支付“成本”获得激励，从而维持对关键数据和业务规则的整体共识，是一个试验区区块链应用能否真正解决需求的关键。

结语

区块链是一场伟大的技术革命。 它融合了密码学、分布式存储、共识机制、智能合约等技术，建立了一种新型的信任和激励体系，大大提高了透明度，降低了信用风险。 降低成本，提高效率。 目前，各国政府、行业巨头和初创公司都看到了区块链的潜力，纷纷进行了标准制定、技术储备和落地尝试，在金融、金融等领域出现了不同深度的应用案例，产权、物流。 同时，我们也应该看到，区块链在发展过程中还存在一系列有待解决的问题。 可扩展性决定了区块链在各个行业的应用深度。 如何在满足安全需求的同时提升区块链的性能？ 为满足安全的要求，保留去中心化的优势，各方需要积极探索，相互合作，共同建设便捷、可靠的新型数字社会。

关于作者

杨龙飞

•爱奇艺技术产品中心分析师。

•主要研究方向为区块链技术、区块链应用等。

小提琴

•爱奇艺技术产品中心战略研究分析师。

•主要研究方向为区块链应用、人工智能应用等。

杨天

•爱奇艺技术产品中心副研究员。

•主要研究方向为区块链、人工智能和大数据等。

王涛

• CCF理事、优秀会员、CCCF编委。

•爱奇艺资深科学家。

•主要研究方向为计算机视觉、大数据分析、区块链。

脚注

1以太坊是一个具有智能合约功能的开源公共区块链平台。

2 女巫攻击（Sybil attack）以太坊dag大小查询，这里是一个比喻，来源于改编自弗洛拉·瑞亚·施雷伯里1973年的小说《女巫》的同名电影。 这部电影讲述了一位化名西比尔·多塞特 (Sybil Dorsett) 的心理治疗女性的故事。 她被诊断出患有分离性身份障碍，是 16 种人格的结合。 这里使用Sybil 攻击来指代P2P 网络。 由于节点随时加入和退出，为了保持网络稳定，通常需要将相同的数据备份到多个分布式节点。 如果网络中存在恶意节点，那么同一个恶意节点可以有多个身份，就像电影女主角可以分裂的16个身份一样。

3 类似于操作系统的区块链架构平台。

4指“中超信用卡产业发展有限公司杭州区块链技术研究院”，简称中超区块链技术研究院。 是中国印钞造币总公司下属的科研机构。 致力于成为国内金融科技创新领域的核心力量，打造金融行业公共基础设施。 中超区块链技术研究院团队是国内最早研究区块链技术的团队之一，持续对分布式账本、密码学、云计算、大数据等技术进行深入研究。

5区块链行业术语指代币初始发行，是加密数字货币/区块链项目常用的筹资方式，早期参与者可以获得初始加密数字货币作为回报。 由于代币具有市场价值，可以兑换成法定货币，从而支持项目的开发成本。 ICO发行的代币可以基于不同的区块链。 常见的是基于以太坊（ETH）和比特股（BTS）区块链发行，提供记账服务和价值共识，实现全球发行流通。

6ASIC是指针对特定用户要求和特定电子系统的需要而设计和制造的集成电路。 ASIC的特点是面向特定用户的需求。 量产时，与通用集成电路相比，体积更小、功耗更低、可靠性更高、性能更高。 具有保密性强、成本低等优点。

中国计算机学会