比特派app下载苹果|区块链技术的特征包括哪些

作者：比特派app下载苹果

2024-03-10 23:56:38

区块链技术的主要特征有哪些_区块链特效-CSDN博客

区块链技术的主要特征有哪些

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区块链技术的主要特征有：1、去中心化；2、开放性；3、独立性；4、安全性；5、匿名性。从本质上讲，区块链是一个共享数据库，存储于其中的数据或信息，具有不可伪造、全程留痕、公开透明和集体维护等特征。区块链技术的特征：去中心化。区块链技术不依赖额外的第三方管理机构或硬件设施，没有中心管制，除了自成一体的区块链本身，通过分布式核算和存储，各个节点实现了信息自我验证、传递和管理。去中心化是区块链最突出最本质的特征。（相关推荐：服务器安全）开放性。区块链技术基础是开源的，除了交易各方的私有信息被加密外，区块链的数据对所有人开放，任何人都可以通过公开的接口查询区块链数据和开发相关应用，因此整个系统信息高度透明。独立性。基于协商一致的规范和协议(类似比特币采用的哈希算法等各种数学算法)，整个区块链系统不依赖其他第三方，所有节点能够在系统内自动安全地验证、交换数据，不需要任何人为的干预。安全性。只要不能掌控全部数据节点的51%，就无法肆意操控修改网络数据，这使区块链本身变得相对安全，避免了主观人为的数据变更。匿名性。除非有法律规范要求，单从技术上来讲，各区块节点的身份信息不需要公开或验证，信息传递可以匿名进行。什么是区块链？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。

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区块链的五个基本特征

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区块链的五个基本特征

去中心化，开放性，自治性，信息不可篡改，匿名性

1.去中心化

区块链采用分布式核算和存储，不存在中心化的硬件或者管理机构，任意节点的权利和义务都是均等的，系统中数据由整个系统中具有维护功能的节点来共同维护。

2.开放性

区块链系统时开放的，除交易各方的是有信息加密外，区块链数据对所有人公开，任何人都能通过公开的接口对区块链数据进行查询，并能开发相应应用，整个系统信息高度透明。

3.自治性

区块链的自治性建立在规范和协议的基础上。区块链采用协商一致的规范和协议（如公开透明的算法），系统中

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区块链的五个基本特征是什么？ - 知乎

区块链的五个基本特征是什么？ - 知乎切换模式写文章登录/注册区块链的五个基本特征是什么？渴望蓝天区块链是分布式数据存储，点对点传输，共识机制，加密算法等计算机技术在互联网时代的创新应用模式。虽然不同报告中对区块链的介绍措辞不尽相同，但“去中心化、开放性、自治性、信息不可篡改和匿名性”这五个基本特征得到了共识性。1．去中心化所谓去中心化，是指由于区块链使用分布式核算和存储，不存在中心化的硬件或管理机构，任意节点的权利和义务都是均等的，系统中的数据块由整个系统中具有维护功能的节点来共同维护。2．开放性所谓开放性，是指区块链系统是开放的，除了对交易各方的私有信息进行加密，区块链数据对所有人公开，任何人都能通过公开的接口，对区块链数据进行查询，并能开发相关应用，整个系统的信息高度透明。3．自治性区块链的自治性特征建立在规范和协议的基础上。区块链采用基于协商一致的规范和协议（如公开透明的算法），使系统中的所有节点都能在去信任的环境中自由安全地交换数据，让对“人”的信任改成对机器的信任，任何人为的干预都无法发挥作用。4．信息不可篡改所谓信息不可篡改，即一旦信息经过验证并添加到区块链，就会被永久地存储起来，除非同时控制系统中超过51%的节点，否则单个节点上对数据库的修改是无效的。正因为此，区块链数据的稳定性和可靠性都非常高，区块链技术从根本上改变了中心化的信用创建方式，通过数学原理而非中心化信用机构来低成本地建立信用，出生证、房产证、婚姻证等都可以在区块链上进行公证，拥有全球性的中心节点，变成全球都信任的东西。5．匿名性所谓匿名性，是指节点之间的交换遵循固定算法，其数据交互是无须信任的，交易对手不用通过公开身份的方式让对方对自己产生信任，有利于信用的累计。链信是拥有千万级会员用户的区块链落地应用，拥有自己的夸克区块链作为公链，qkibill开源钱包，独立的区块浏览器，是一个完全自主由用户掌握自己数据的区块链平台，夸克链信创新区块链加生活服务平台，致力于打造更好的区块链服务，链信区块链具备以上的几个特点，是真的区块链项目。发布于 2019-12-31 23:01区块链革命（书籍）许子敬区块链(Blockchain)赞同 8添加评论分享喜欢收藏申请

什么是区块链？区块链有哪些特征？ - 知乎

什么是区块链？区块链有哪些特征？ - 知乎首发于正道瑞特斯切换模式写文章登录/注册什么是区块链？区块链有哪些特征？正道瑞特斯区块链本质上是一个去中心化的数据库。是指通过去中心化和去信任的方式集体维护一个可靠数据库的技术方案。区块链技术是一种不依赖第三方、通过自身分布式节点进行网络数据的存储、验证、传递和交流的一种技术方案。因此，有人从金融会计的角度，把区块链技术看成是一种分布式开放性去中心化的大型网络记账薄，任何人任何时间都可以采用相同的技术标准加入自己的信息，延伸区块链，持续满足各种需求带来的数据录入需要。通俗一点说，区块链技术就指一种全民参与记账的方式。所有的系统背后都有一个数据库，可以把数据库看成是一个大账本。在区块链系统中，系统中的每个人都可以有机会参与记账。在一定时间段内如果有任何数据变化，系统中每个人都可以来进行记账，系统会评判这段时间内记账最快最好的人，把他记录的内容写到账本，并将这段时间内账本内容发给系统内所有的其他人进行备份。这样系统中的每个人都了一本完整的账本。这种方式，我们就称它为区块链技术。区块链技术被认为是互联网发明以来最具颠覆性的技术创新，它依靠密码学和数学巧妙的分布式算法，在无法建立信任关系的互联网上，无需借助任何第三方中心的介入就可以使参与者达成共识，以极低的成本解决了信任与价值的可靠传递难题。区块链在持续延长，而且新区块一旦加入到区块链中，就不会再被移走。区块链实际上是一群分散的用户端节点，并由所有参与者组成的分布式数据库。从区块链的形成过程看，区块链技术具有以下特征：一、去中心化。区块链技术不依赖额外的第三方管理机构或硬件设施，没有中心管制，除了自成一体的区块链本身，通过分布式核算和存储，各个节点实现了信息自我验证、传递和管理。去中心化是区块链最突出最本质的特征。二、开放性。区块链技术基础是开源的，除了交易各方的私有信息被加密外，区块链的数据对所有人开放，任何人都可以通过公开的接口查询区块链数据和开发相关应用，因此整个系统信息高度透明。三、独立性。基于协商一致的规范和协议（类似比特币采用的哈希算法等各种数学算法），整个区块链系统不依赖其他第三方，所有节点能够在系统内自动安全地验证、交换数据，不需要任何人为的干预。四、安全性。只要不能掌控全部数据节点的51%，就无法肆意操控修改网络数据，这使区块链本身变得相对安全，避免了主观人为的数据变更。五、匿名性。除非有法律规范要求，单从技术上来讲，各区块节点的身份信息不需要公开或验证，信息传递可以匿名进行。必托智能区块链技术应用于金融业、商业、民生、智慧城市、城际互通、政务服务六大场景，可以做到促进数据共享、优化业务流程、降低运营成本、提升协同效率、建设可信体系。必托智能——为客户提供更高效、更经济、更安全的企业级区块链技术服务及解决方案。发布于 2020-12-25 12:06去中心化区块链技术分布式系统赞同添加评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录正道瑞特斯分享智慧工厂、智慧社区、智慧城市等最新

什么是区块链，区块链的诞生，定义，核心技术，分类是什么？ - 知乎

什么是区块链，区块链的诞生，定义，核心技术，分类是什么？ - 知乎切换模式写文章登录/注册什么是区块链，区块链的诞生，定义，核心技术，分类是什么？sailman区块链的诞生　　公认的最早关于区块链的描述见于中本聪所撰写的比特币白皮书，但在白皮书中并没有明确提出区块链的定义和概念(主要是在讨论比特币系统)，“区块链”这个名词实际上是后来人们总结归纳后提出的。中本聪虽然没有直接提出区块链的概念，但比特币确实是第一个应用区块链技术的项目，可以说区块链是随着比特币的出现而诞生的。因此要讲区块链的诞生，就不得不从比特币的历史说起。　　大家都知道比特币是中本聪在2008年提出的，但对其更早期的历史可能就不太清楚了。实际上比特币的诞生过程中，一个神秘团体起到了很大的作用，中本聪在设计比特币时大量借鉴了该社区的研究成果。这就是“密码朋克”(Cypherpunk)，一个由密码学和计算机天才组成的交流小组。“密码朋克”的成员里可谓大咖云集，囊括了阿桑奇(维基解密创始人)、科恩(BT下载发明者)、伯纳斯·李(万维网发明者)等一众牛人，当然还有比特币发明者中本聪。　　“密码朋克”提倡使用加密算法来保护个人隐私，反对政府和公司滥用个人数据，信仰自由主义。同时也是数字货币最早的传播者，在其电子邮件组中，常见关于数字货币的讨论，并有一些想法付诸实践。比如大卫·乔姆、亚当·贝克、戴伟、哈尔·芬尼等人在早期数字货币领域做出了大量的探索。比特币并不是数字货币的首次尝试。据统计，比特币诞生之前，失败的数字货币或支付系统多达数十个。正是这些探索为比特币的诞生提供了大量可借鉴的经验。　　近三十年来，加密数字货币发展迅速，经历了多次演进，包括 e-Cash、HashCash、B-money 等。1983年，David Chaum最早提出e-Cash，并于1989年创建了Digicash公司。e-Cash是首个匿名化的数字加密货币。1997年，Adam Back发明了HashCash，以解决邮件系统中DoS 攻击问题。HashCash首次提出工作量证明机制(Proof of Work，PoW)，该机制在日后的区块链项目中被广泛采用。1998年，Wei Dai提出了B-money，将PoW引入数字货币生成过程中。B-money可以算作去中心化数字货币的先驱，但是很遗憾的是，其最终未能设计落地。上面这些数字货币都或多或少的依赖于一个第三方系统的信用担保，很大程度上影响到了项目的成败。直到2008年比特币横空出世，将PoW与分布式存储、密码学、博弈论等结合在一起，首次从实践意义上实现了一套去中心化的数字货币系统。　　比特币项目落地之后，吸引来了大量的挑战者和改进者。包括大量的竞争货币(山寨币)和底层技术平台(公链)，这些在后面的文章会讲到。随着采用比特币底层技术的项目越来越多，慢慢就把“区块”和“链”这两个词合并起来变成一个词：“区块链”(BlockChain)。所以现在大家都用区块链来指代分布式存储、链式数据结构、非对称加密、共识算法、P2P网络等一系列技术的组合。　区块链的定义　　那么区块链的准确定义是什么呢，Wikipedia上给出的说明比较冗长，简单归纳下：区块链是一种分布式数据库技术，通过维护数据块的链式结构，可以维持持续增长的，不可篡改的数据记录。当然笔者觉得维基百科这个释义是有些问题的，因为它更多的是强调区块链作为数据库的属性，而没有点明其核心价值，即以去中心化的方式解决多方互信和价值转移的问题。个人认为更好的定义应该是这样：区块链是一种去中心化的价值传输协议，通过共识来验证并记录数据，具有信息透明、可溯源和不可修改的特点。它由一系列技术组合而来，是制造信任、转移价值的底层基础设施。区块链的核心技术　　区块链的核心技术包括：块链数据结构、分布式存储、非对称加密、共识算法、P2P网络、智能合约等。可以简化并抽象成五层技术架构。今天先简单解释下这些核心技术，后面的文章会深入挖掘技术背后的缘由和价值。　　块链数据结构：将数据存储在一定容量的区块中，每个区块分为区块头和区块体(含交易数据)两个部分。区块头中包括前一区块的哈希值(PrevHash)和用于计算挖矿难度的随机数(Nonce);区块体则包含经过加密的具体交易信息。通过头哈希和时间戳将区块首尾连接起来，形成链条式的结构。分布式存储：网络中的每个节点都可以(不是一定)选择存储完整的数据，并依据出块情况对节点本地数据进行实时更新。　　避免了中心化存储带来的安全和单点崩溃问题，同时结合共识机制来保证数据的一致性。非对称加密：包含两个密钥：公钥(publickey)和私钥(privatekey)。它们是成对存在的。公钥用来对数据进行加密和验签，私钥用来对数据进行解密和签名;一般公钥是公开的，私钥是自己保存，相对了传统的对称加密而言更具有安全性，是一种高级加密方式，常见的有RSA、ECDSA等。P2P网络：负责交易数据的网络传输和广播、节点发现和维护。网络中没有客户端或服务端的概念，只有平等的同级节点，每个节点既是客户端也是服务端。　　信息会由发起节点开始向临近节点进行广播，收到信息的节点又会进行转发，从而实现指数级传播到全部网络节点。共识算法：也叫共识机制，主要用来解决各节点数据一致性和有效性问题。通过一套大家认可的验证方式对网络中的交易进行验证，验证通过后交易方可生效。同时也普遍作为发行Token的一种机制，常见的有POW、POS、DPOS、PBFT等算法。智能合约：指的是一段写在区块链上的代码，一旦某个事件触发合约中的条款，代码即自动执行。其保证在没有第三方的情况下让参与方履行承诺(交易)，履约过程是完全自动且不可逆转的。　区块链的分类　　目前区块链主要可以分为三类，即公有链、联盟链和私有链。这是根据其开放(去中心化)程度来进行划分的，也是被大多数人认可的。　　公有链：对所有人开放，任何人都可以参与的区块链，完全去中心化不受任何机构控制。其应用场景十分广泛，目前比较成熟的落地项目就是数字货币。联盟链：被多个组织或个人构成的联盟控制，由指定节点进行共识验证的区块链，属于多中心化模式。主要应用于行业内多个机构之间的业务流转，例如供应链金融、商品溯源等。私有链：完全被单独的个人或某个组织控制记账权限的区块链，属于完全中心化模式。主要应用于企业内部的审计和数据管理等场景。　　为什么会演变出上述的三种链，这里就不得不提到区块链领域的三元悖论(类似于蒙代尔三角)，即区块链不可能同时满足去中心化、安全、高效这三个特性。必须弱化一者才能满足其它两点特性，而安全又是必须得到满足，于是人们只能在去中心化和高效当中进行取舍，逐步分化出了这三种类型的区块链。公有链实现了完全的去中心化和安全，所以性能上就比较差;联盟链为了商业应用，在安全的前提下要大幅提高性能，就不得不通过一个多中心授权的方式来管理节点，以提高共识效率，实现了多中心化;私有链考虑到内部使用的特点，把安全和效率做到了极致，所以必然依赖单个中心进行处理，实现了完全中心化。当然随着区块链技术的不断发展，三元悖论或许有被打破的可能，值得期待。区块链的应用场景　　现在区块链技术还处于早期阶段，大量项目并未真正落地，但这波浪潮似乎已经不可阻挡。那么我们就来看看当前和未来可能落地区块链技术的应用场景吧。下面为大家总结了包括金融、物流、征信确权、物联网、资源共享、公益慈善、投票竞猜这七大典型应用领域。　　金融领域：除了目前火热的数字货币之外，区块链在金融行业还有很多应用场景。比如证券交易结算、资产数字化、跨境支付、众筹投资和互助保险等，这些场景大多都是通过采用区块链技术来取缔中介方，以达到降低费用成本和提高处理效率的核心目的。物流领域：主要应用于供应链方面，基于区块链数据在交易各方之间的公开透明，供应链条可形成一个完整且流畅的信息流，帮助参与各方及时发现流程中存在的问题，进而提升供应链运转的整体效率。同时，利用区块链可追溯的特点，可以进行商品防伪和质量溯源，打击商品流通过程中假冒伪劣的问题。　　征信确权：在征信领域采用区块链技术，既能提高征信的公信力(征信信息无法被篡改)，还能显著降低征信成本，提供多维度的精准大数据。另外区块链技术还可以用于产权、版权等所有权的管理和追踪。利用数据不可篡改和不可伪造的特性，可以在区块链网络上自由进行所有权的转移和交易。　　物联网：当前的物联网环境中，所有的设备都需要通过云服务器连接，对中心化的网络管理架构依赖性较强，维护成本也随着物联网网络规模的扩大而显著增加。采用区块链技术的话，可以使物联网体系中每个设备都作为一个独立节点运行，将计算和存储需求分散到全网各个节点中，有效防止网络中的任何单一节点故障或被攻击，所带来的整个网络崩溃和信息泄露的风险。另外在工业物联网种，还可以动态掌握网络中各种生产制造设备的状态，提高设备的利用率和维护效率。　　资源共享：相比于依然中间方的资源共享模式(Airbnb、Uber等)，基于区块链的模式可以更直接地连接资源的供给方和需求方，其安全、透明、不可篡改的特性有助于减小摩擦。当然其效率在某些高频共享场景下会降低用户体验，但是对低频的场景确实非常适用，比如互助社区这种模式。发布于 2020-06-01 09:39区块链革命（书籍）区块链价值区块链(Blockchain)赞同 1添加评论分享喜欢收藏申请

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区块链技术包含哪些关键组件？

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比特币与区块链之间有什么区别？

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什么是区块链技术？

区块链技术是一种高级数据库机制，允许在企业网络中透明地共享信息。区块链数据库将数据存储在区块中，而数据库则一起链接到一个链条中。数据在时间上是一致的，因为在没有网络共识的情况下，您不能删除或修改链条。因此，您可以使用区块链技术创建不可改变的分类账，以便跟踪订单、付款、账户和其他交易。系统内置的机制可以阻止未经授权的交易条目并在这些交易的共享视图中创建一致性。

为什么区块链很重要？

传统数据库技术为记录金融交易带来了很多难题。例如，在房地产销售领域。在交换资金后，房地产的所有权将转移给买方。买卖双方中的任何一方均可记录货币交易，但任何一方的来源均不可信。即便卖方已收款，也可轻松声称他们未收款；同样，即便买方未付款，也可辩称他们已付款。

为了避免潜在的法律问题，需要一个可信的第三方负责监督和验证交易。这种中央机构的存在，不仅会使交易复杂化，还会造成单点漏洞。如果该中央数据口遭到入侵，双方都有可能蒙受损失。

区块链通过创建去中心化的防篡改系统来记录交易，可以缓解此类问题。在房地产交易场景中，区块链可分别为买方和卖方创建一个分类账。所有交易都必须获得双方批准，并将在双方的分类账中实时更新。历史交易中的任何损坏都会导致整个分类账损坏。区块链技术的这些属性以使其用于各个行业部类，包括比特币 (Bitcoin) 等数字货币的创造。

不同行业如何使用区块链？

区块链是一种新兴技术，很多行业都以创新方式采用了此技术。我们将在以下小节中介绍不同行业中的一些使用案例：

能源

多家能源公司使用区块链技术创建点对点能源交易平台，并简化可再生能源的获得。例如，考虑以下用途：

多家基于区块链的能源公司创建了交易平台，用于个人之间的电力销售。拥有太阳能电池板的业主使用此平台将其多余的太阳能销售给邻居。该流程大部分是自动化的：智能电表创建交易，区块链则记录交易。

借助基于区块链的众筹计划，用户可在缺乏能源获得途径的社区内赞助和拥有太阳能电池板。在太阳能电池板建好后，赞助商还可以向这些社区收取租金。

金融

传统金融系统（如银行和证券交易所）使用区块链服务来管理在线支付、账户和市场交易。例如，新加坡交易所（Singapore Exchange Limited）是一家在整个亚洲提供金融交易服务的投资控股公司，该公司使用区块链技术构建了更高效的跨行支付账户。通过采用区块链，该公司解决了多个难题，包括数千项金融交易的批处理和手动对账。

媒体和娱乐

多家媒体和娱乐公司使用区块链系统来管理版权数据。版权验证对于艺术家的公平补偿至关重要。需要多次交易才能记录版权内容的销售或转让。日本索尼音乐娱乐公司（Sony Music Entertainment Japan）使用区块链服务使数字版权管理更加高效。该公司成功使用区块链策略提高了版权处理效率并降低了成本。

零售

多家零售公司使用区块链跟踪商品在供应商与买家之间的转移。例如，Amazon 零售为一套分布式分类账技术系统申请了专利，该系统使用区块链技术来验证并确保在该平台上销售的所有商品均为正品。Amazon 卖家可以通过允许参与者（如制造商、快递公司、分销商、最终用户和二级用户）向证书颁发机构注册后将事件添加到分类账，映射其全球供应链。

区块链技术具有哪些功能？

区块链技术具有以下主要功能：

去中心化

区块链中的去中心化是指将控制权和决策权从中心化实体（个人、组织或团体）转让给分布式网络。去中心化区块链网络使用透明度来减少对参与者之间取得信任的需要。这些网络还以削弱网络功能性的方式，阻止参与者彼此施加权力或控制。

不可变性

不可变性是指某些内容不能更改或改变。一旦某个参与者将交易记录到共享分类账中，则任何参与者均不能篡改该交易。如果某个交易记录包含错误，则您必须添加新交易以修正错误，并且整个网络均可看见这两个交易。

共识

区块链系统将建立关于参与者就记录交易达成共识的规则。仅当网络中的大部分参与者都同意时，才能记录新交易。

区块链技术包含哪些关键组件？

区块链架构包含以下主要组件：

分布式分类账

分布式分类账是区块链网络中用于存储交易的共享数据库，如团队中的每个人均可编辑的共享文件。在大多数共享文本编辑者中，任何拥有编辑权限的人员均可删除整个文件。但分布式分类账技术对于谁能编辑以及如何编辑具有严格规则。一旦条目已被记录，您就无法删除它们。

智能合约

很多公司使用智能合约来自行管理业务合约，而不需要第三方的帮助。智能合约是存储在区块链系统上的程序，这些程序将在符合预先确定的条件时自动运行。这些程序将运行条件语句检查，以便能够放心地完成交易。例如，某家物流公司可能拥有一份智能合约，约定一旦商品抵达港口将自动进行付款。

公钥加密

公钥加密是一种安全功能，用于唯一标识区块链网络中的参与者。此机制将为网络成员生成两组密钥。一组密钥是公钥，对于网络中的每个人都是公用的。另一组密钥是私钥，对于每个成员都是唯一的。私钥与公钥配合使用，解锁分类账中的数据。

例如，John 和 Jill 是网络中的两个成员。John 记录了一项交易，并用其私钥进行了加密。Jill 可以使用其公钥解密该交易。通过这种方式，Jill 可以确信 John 进行了该交易。如果 John 的私钥已被篡改，则 Jill 的公钥不会发挥作用。

区块链的工作原理是什么？

虽然区块链的底层机制非常复杂，我们将通过以下步骤提供简要概述。区块链软件可以自动执行以下大部分步骤：

第 1 步 – 记录交易

区块链交易显示实体资产或数字资产从区块链网络中的一方向另一方的转移。该交易以区块的形式记录，可能包括如下细节：

谁参与了该交易？

交易期间发生了什么情况？

交易是在何时进行的？

交易是在哪里进行的？

为什么进行该交易？

交换了多少资产？

交易期间符合多少前提条件？

第 2 步 – 达成共识

分布式区块链网络中的大多数参与者必须就已记录的交易是有效的达成一致。根据网络类型，达成协议的规则可能有所不同，但通常是在网络开始建立时就制定好的。

第 3 步 – 将区块链接起来

一旦参与者达成了共识，会将区块链中的交易写入区块，区块就相当于分类账账簿中的页面。连同交易一起，还会将一个加密哈希附加到新区块。该哈希作为将区块链接在一起的链条。如果有意或无意修改了区块的内容，则该哈希值也将更改，这将提供一种检测数据篡改的方式。

因此，区块将与链条安全地链接在一起，且您无法编辑它们。每增加一个区块，都会强化前一个区块的验证，因而也会强化整个区块链的验证。这就像是堆砌木块建塔一样。您只能在前一层木块之上堆叠木块，如果您从塔的中间取出一个木块，则整座塔将垮塌。

第 4 步 – 共享分类账

该系统会将中心分类账的最新副本分发给所有参与者。

区块链网络有哪些类型？

有四种主要类型的去中心化或分布式区块链网络：

公有区块链网络

公有区块链无需权限，任何人均可加入它们。此类区块链的所有成员享有读取、编辑和验证区块链的平等权限。人们主要将公有区块链用于交换和挖掘加密货币，如比特币、以太坊 (Ethereum) 和莱特币 (Litecoin)。

私有区块链网络

一个组织可以控制多个私有区块链，又称为托管式区块链。该机构决定谁能成为成员，以及他们在该网络中拥有哪些权限。私有区块链只是部分去中心化，因为它们具有访问限制。Ripple 就是一个私有区块链的示例，它是一个面向企业的数字货币交换网络。

混合区块链网络

混合区块链结合了私有网络和公有网络的元素。公司可随公有系统一起建立私有、基于权限的系统。通过这种方法，公司可以控制对区块链中存储的特定数据的访问，同时保持其余数据处于公开状态。公司使用智能合约允许公有成员检查私有交易是否已经完成。例如，混合区块链可以授予对数字货币的公有访问权限，同时保持银行拥有的货币处于私有状态。

联盟区块链网络

联盟区块链网络由一组组织负责监管。多家预先选择的组织共同承担维护区块链及确定数据访问权限的职责。对于其中很多组织拥有共同目标并可通过共担责任而获益的行业，通常更喜欢联盟区块链网络。例如，全球航运业务网络联盟 (Global Shipping Business Network Consortium) 是一个非营利性区块链联盟，该联盟致力于实现航运业数字化，以及加强海运业运营商之间的合作。

什么是区块链协议？

术语区块链协议一词是指可用于应用程序开发的不同类型的区块链平台。每种区块链协议都采用基本区块链原则来适应特定行业或应用需求。以下小节提供了一些区块链协议的示例：

Hyperledger Fabric

Hyperledger Fabric 是一个开源项目，包含一套工具和库。企业可以使用它来迅速有效地构建私有区块链应用程序。它是一种模块化通用框架，提供独特的身份管理和访问控制功能。这些功能使其非常适合各种应用，如供应链的跟踪和追踪、贸易金融、忠诚度和奖励，以及金融资产的清算结算。

以太坊

以太坊是一种去中心化开源区块链平台，人们可以将其用于构建公有区块链应用程序。企业以太坊 (Ethereum Enterprise) 专为企业使用案例而设计。

Corda

Corda 是一种专为企业而设计的开源区块链项目。借助 Corda，您可以构建可互操作的区块链网络，用于在严格保密的情况下进行交易。企业可以使用 Corda 的智能合约技术直接进行有价值的交易。其大部分用户是金融机构。

Quorum

Quorum 是一种源自以太坊的开源区块链协议。该协议专为在两种区块链网络中使用而设计：私有区块链网络，其中只有一个成员拥有所有节点；或者联盟区块链网络，其中包含多个成员，每个成员拥有该网络的一部分。

区块链技术是如何发展的？

区块链技术起源于 1970 年代末，当时一位名为 Ralph Merkle 的计算机科学家申请了哈希树（又名 Merkle 树）的专利。这些树是一种计算机科学结构，通过使用加密将区块链接起来，用于存储数据。在 1990 年代末，Stuart Haber 和 W. Scott Stornetta 使用 Merkle 树实现了无法篡改文档时间戳的系统。这是区块链历史上的首个实例。

该技术一直在不断发展，已经经过以下三代：

第一代 – 比特币和其他虚拟货币

2008 年，一个仅知道名字为中本聪 (Satoshi Nakamoto) 的匿名个人或团体，概述了区块链技术的现代形态。中本聪的比特币区块链理念将 1 MB 信息区块用于比特币交易。比特币区块链系统的很多功能，即便是今天也仍处于区块链技术的中心地位。

第二代 – 智能合约

在第一代加密货币出现后的几年，开发人员开始考虑加密货币以外的区块链应用。例如，以太坊的发明者们决定在资产转让交易中使用区块链技术。他们的重要贡献就是智能合约功能。

第三代 – 未来

随着众多公司发现和实现新应用，区块链技术也在不断发展和成长。很多公司正在解决规模和计算能力的限制，在正在进行的区块链革命中，潜在机会是无限的。

区块链技术有哪些好处？

区块链技术可为资产交易管理带来很多好处。我们将在以下小节中列出其中部分好处：

高级安全功能

区块链系统可以提供现代数字交易所需的高级安全和信任功能。对于有人会操纵底层软件为自己生成假币的恐惧始终存在。但区块链使用加密、去中心化和共识三项原则，创建了高度安全、几乎不可能篡改的底层软件系统。不会有单点故障，并且单个用户也无法更改交易记录。

更高的效率

企业间交易可能需要大量时间，还会造成运营瓶颈，尤其是在涉及合规和第三方监管机构时。区块链中的透明度和智能合约可使此类业务交易更快捷、更高效。

更快捷的审计

企业必须能以可审计的方式，安全地生成、交换、归档和重建电子交易。区块链记录按时间顺序不可变，这意味着所有记录均始终按时间顺序排列。这样的数据透明使得审计过程更加快捷。

比特币与区块链之间有什么区别？

比特币与区块链可以互换使用，但它们是两种不同的事物。由于比特币是区块链技术的早期应用，人们无意间开始使用比特币来指代区块链，因而造成了这种误用。但除比特币外，区块链技术还有很多应用。

比特币是一种在没有任何中心化控制的情况下运营的数字货币。最初创建比特币的目的在于在线进行金融交易，但现在已被视为可转换为任何其他全球货币（如美元或欧元）的数字资产。公有比特币区块链网络将创建和管理中心分类账。

比特币网络

公有分类账记录所有比特币交易，而世界各地的众多服务器则保存此分类账的副本。这些服务器就像银行。只是每个银行仅了解其客户兑换的资金，而比特币服务器则了解世界上的每一笔比特币交易。

任何拥有闲置计算机的人员均可搭建一台此类服务器，称为节点。这就像是开设您自己的比特币银行，而不是银行账户。

比特币挖矿

在公有比特币网络上，成员通过求解加密方程来创建新区块，以挖掘加密货币。该系统将向该网络公开广播每一笔新交易，并在各节点间共享这一信息。每十分钟左右，挖矿者会将这些交易收集到一个新区块中，再将这些新区块永久添加到区块链中，该区块链就像比特币的最终账簿。

由于软件进程的复杂性，因此挖矿需要大量计算资源，并且需要很长时间。作为交换，挖矿者可以赚取少量加密货币。挖矿者相当于记录交易并收取交易费用的现代职员。

该网络上的所有参与者都将使用区块链加密技术，就谁拥有哪些比特币达成共识。

数据库与区块链之间有什么区别？

区块链是一种特殊类型的数据库管理系统，拥有比常规数据库更多的功能。我们将在下面的列表中介绍传统数据库与区块链之间的一些重要区别：

区块链去中心化控制，而不会破坏现有数据中的信任。这在其他数据库系统中是不可能实现的。

参与交易的公司无法共享其整个数据库。但在区块链网络中，每家公司都拥有其分类账副本，并且该系统将自动维护两份分类账之间的一致性。

虽然在大多数数据库系统中，您都可以编辑或删除数据，但在区块链中，您只能插入数据。

区块链与云有什么区别？

术语云一词是指可以在线访问的计算服务。您可以通过云访问软件即服务 (SaaS)、产品即服务 (PaaS) 和基础设施即服务 (IaaS)。云提供商负责管理其硬件和基础设施，并为您提供通过互联网访问这些计算资源的权限。他们还会提供更多其他资源，而不只是数据库管理。如果您想加入公有区块链网络，则需提供您的硬件资源，用于存储您的分类账副本。您也可以将云上的服务器用于此目的。有些云提供商也在云上提供完整的区块链即服务 (BaaS)。

什么是区块链即服务？

区块链即服务 (BaaS) 是第三方在云上提供的一种托管式区块链服务。您可以开发区块链应用程序和数字服务，而云提供商则提供基础设施和区块链构建工具。您要做的就是自定义现有区块链技术，以便更快捷、更高效地采用区块链。

什么是 AWS 区块链服务？

AWS 区块链服务提供多种专门构建的工具，以满足您的要求。您可以使用这些服务构建从中心化分类账数据库（维护不可变的交易记录）到多方、完全托管式区块链网络（帮助消除中介机构）的一切。AWS 拥有众多来自合作伙伴的经过验证的区块链解决方案，可为所有主要区块链协议提供支持，包括 Hyperledger、Corda、以太坊、Quorum 等。因此，您可以借助 AWS 更轻松、更快捷、更高效地开发区块链和分类账应用程序。部分有用的 AWS 区块链服务如下：

Amazon Quantum Ledger Database（QLDB）是一种完全托管式分类账数据库，提供了一个透明、不可变、可以加密方式验证的交易日志。它包含一个内置日志，用于存储每个准确且已排序的数据更改条目。该日志为仅追加型，这意味着用户可以向该日志添加数据，但不能覆盖或删除数据。

Amazon Managed Blockchain 是一种完全托管式服务，让您可以使用 Hyperledger Fabric 和以太坊轻松加入公有网络或创建和管理可扩展的私有网络。立即创建 AWS 账户开始使用区块链。

“什么是 Amazon Managed Blockchain？”视频

什么是 AWS 上的区块链？

什么是区块链？区块链本身具有哪些技术特点和应用价值？ - 知乎

什么是区块链？区块链本身具有哪些技术特点和应用价值？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册职场职场困惑区块链什么是区块链？区块链本身具有哪些技术特点和应用价值？关注者5被浏览9,750关注问题写回答邀请回答好问题添加评论分享4 个回答默认排序螃蟹哥炒币关注区块链是一种近年来备受关注的技术，在金融、物流、医疗等多个领域都有广泛的应用。本文将深入探讨区块链是什么，区块链的价值和应用前景有哪些，同时也分析其局限性。我们将从技术特点、应用场景等各个方面进行细致的解析，旨在全面而深入地了解区块链技术。区块链的定义和技术特点区块链是一种分布式账本技术，它的特点在于去中心化、不可篡改、安全可靠以及可追溯。区块链技术采用了一种分布式共识机制，通过多方的验证和认可来确保数据的可信度和完整性。首先，区块链的去中心化是指没有集中的第三方机构来掌控和管理数据，所有的参与者通过对等的节点来协同维护分布式账本。这种机制使得区块链能够突破现有的中心化体系的限制，实现更加普惠的数据共享。其次，区块链的不可篡改性是指一旦数据被写入区块链，就不能被篡改或删除。因为区块链上的每条记录都会被加密、指纹、签名等多种数据安全技术所保护，同时区块链的分布式共识机制也保证了数据的一致性和准确性。另外，区块链还具有安全可靠和可追溯的特点。区块链上的所有交易记录都被记录在分布式账本上，任何人都可以随时查看数据，这可以有效提高数据的透明度和公信力。且所有交易都是基于密钥签名的，这可以保证交易的安全性和隐私性。区块链的应用场景和价值区块链技术具有广泛的应用前景，尤其在金融、物流、医疗、知识产权等领域有着潜力巨大的应用。在金融领域，区块链技术可以实现跨境汇款、融资和交易等多种功能。例如，通过区块链技术，可以实现无人值守的智能合约，自动化执行交易流程，减少人力成本和时间成本。同时，区块链技术可以有效预防金融诈骗和洗钱等金融犯罪行为，提高了金融交易的安全性。在物流领域，区块链技术可以实现物品的全程追溯。区块链技术可以记录物品的来源、生产时间、运输路线等信息，确保物品的质量和安全性。同时，区块链技术还可以提高物流效率，降低物流成本，提高物流供应链可持续性。在医疗领域，区块链技术可以实现病历的共享和医疗数据的安全存储。目前，医疗行业存在着病历信息孤岛和医疗数据难以传递的问题，使用区块链技术可以将数据共享和存储在一个无中心化且安全可靠的平台上，保证了数据的完整性和安全性，提高了医疗服务的质量和效率。在知识产权领域，区块链技术可以实现数字版权、溯源查询等多种功能。区块链技术可以将知识产权和数字版权的信息记录在分布式账本上，确保信息的安全和可追溯性，有效保护了知识产权和数字版权的权益。区块链的局限性和挑战然而，区块链技术也存在一些局限性和挑战。首先，区块链技术的普及和应用面临着一定的技术门槛和成本问题。目前区块链技术的操作和维护还需要一定的技术知识和资金投入，对于小型企业和个人而言，存在一定的门槛和挑战。其次，区块链技术的可扩展性和性能也是需要关注的问题。随着区块链应用场景的不断扩展和数据量的不断增加，区块链技术所面临的问题也愈发复杂。例如在比特币区块链网络中，存在着交易速度较慢、交易费用过高等问题。此外，区块链技术的安全性也需要更加关注和保证。尽管区块链技术具有很高的安全性和不可篡改性，但是目前已经出现了多种攻击和漏洞。因此，区块链的安全性需要逐步提高和完善。总结总之，区块链技术是一种崭新的技术，具有广泛的应用价值和前景。同时，我们也需要考虑到区块链技术所面临的局限性和挑战。在实践过程中，需要根据具体场景和需求，合理评估区块链技术的可行性和有效性，推动区块链技术的标准化和规范化，提高其稳定性和可持续性。发布于 2023-11-08 09:07赞同 2添加评论分享收藏喜欢收起中科基大数据数智转型，智慧大脑，有我，不再烦恼！关注区块链技术是一种具有改变世界的颠覆性技术，2016年麦肯锡发布的报告中指出区块链是继蒸汽机、电力、信息和互联网之后最有可能触发颠覆性革命浪潮的核心技术”，北京航空航天大学蔡维德教授曾说过：如果银行采用区块链技术，那么每年将会节省2.2万亿美元的资金！”，这能看出区块链所蕴含的巨大潜力。大多数人对区块链的认识源自于比特币”，正是因为有区块链技术的支撑，比特币才在全世界范围内大行其道，那么到底区块链技术有哪些显著的优势呢？用一句话概括就是：用较低成本解决了陌生人之间的信任问题！具体有以下几点：一、去中心化。区块链技术可以看作是一种分布式账本”，大家人手一本，并且所有账本的内容是一样的，而记账的过程也全都是在大家共同的监管之下完成的，公开透明，所以不存在作弊”问题，因此应用区块链技术的交易过程可以大大减少人力和其他成本，举个好理解一些的例子，比如我们在某宝买了一件商品，那么我们买卖双方都要通过支付宝进行交易，假如支付宝有问题（比如卷款跑路、拿了钱不承认或者外界影响因素）那么我们的钱就损失了，但如果采用区块链技术那么我们买卖双方都生成完成了这笔交易就行了，并且不用担心任何其他问题。二、不可篡改。区块链技术决定了这种账本的内容一旦形成则不可更改，因此我们可以完全相信账本的内容，这就是区块链的可信任性”。假如有人想偷偷修改一下自己手里的账本，但是不要忘了大家人手一本，你就改你只能改你自己手里的账本，别人的是改不了的，因此你的修改就会被认为是非法和无效的，也就是说已经形成的账目，任何人都无法修改。三、安全性。区块链采用加密算法，确保未得到授权的情况下不能访问账户中的数据信息，这保证了账户中的数据信息可以长期保存。区块链技术使得交易过程无需再为信任而付出额外的成本，大大降低了交易的复杂性，所以区块链技术可以推广到所有的数字化领域，并为我们的社会带来巨大的改变。但是区块链技术同时也存在很多的缺点，不过随着技术的发展，这些缺点都将会被一一克服，届时区块链技术将如同网络一样渗入我们生活工作的方方面面。区块链本质上是一个分布式的公共账本，将各个区块连成一个链条。我们可以将其定义为一个系统，它让一组互联的电脑安全地共同维护一份帐本，每台计算机就是一个数据库(服务器)，中间无需第三方服务器。所以，区块链不是一种特定的软件，就像“数据库”这个三个字表现的意思一样，它是一种特定技术的设计思想。就像TCP/IP协议和普通人之间的关系，普通人完全不需要知道什么是互联网底层的TCP/IP协议，只要享受互联网提供的服务就行。普通人和区块链基本上没什么关系，除非是准备从事这方面的创业。比于传统的中心化方案，区块链技术主要有以下三个特征：1、区块链的核心思想是去中心化在区块链系统中，任意节点之间的权利和义务都是均等的，所有的节点都有能力去用计算能力投票，从而保证了得到承认的结果是过半数节点公认的结果。即使遭受严重的黑客攻击，只要黑客控制的节点数不超过全球节点总数的一半，系统就依然能正常运行，数据也不会被篡改。2、区块链最大的颠覆性在于信用的建立理论上说，区块链技术可以让微信支付和支付宝不再有存在价值。《经济学人》对区块链做了一个形象的比喻：简单地说，它是“一台创造信任的机器”。区块链让人们在互不信任并没有中立中央机构的情况下，能够做到互相协作。打击假币和金融诈骗未来都不需要了。3、区块链的集体维护可以降低成本在中心化网络体系下，系统的维护和经营依赖于数据中心等平台的运维和经营，成本不可省略。区块链的节点是任何人都可以参与的，每一个节点在参与记录的同时也来验证其他节点记录结果的正确性，维护效率提高，成本降低。可应用的领域：一、金融领域区块链能够提供信任机制，具备改变金融基础架构的潜力，各类金融资产如股权、债券、票据、仓单、基金份额等都可以被整合到区块链技术体系中，成为链上的数字资产，在区块链上进行存储、转移和交易。区块链技术的去中心化，能够降低交易成本，使金融交易更加便捷、直观和安全。区块链技术与金融业相结合，必然会创造出越来越多的业务模式，服务场景、业务流程和金融产品，从而给金融市场、金融机构、金融服务及金融业态发展带来更多影响。随着区块链技术的改进及区块链技术与其他金融科技的结合，区块链技术将逐步适应大规模金融场景的应用。二、公共服务领域传统的公共服务依赖于有限的数据维度，获得的信息可能不够全面且有一定的滞后性。区块链不可篡改的特性使链上的数字化证明可信度极高，在产权、公证及公益等领域都可以以此建立全新的认证机制，改善公共服务领域的管理水平。公益流程中的相关信息如捐赠项目、募集明细、资金流向、受助人反馈等，均可存放于区块链上，在满足项目参与者隐私保护及其他相关法律法规要求的前提下，有条件地进行公开公示，方便公众和社会监督。三、信息安全领域利用区块链可追溯、不可篡改的特性，可以确保数据来源的真实性，同时保证数据的不可伪造性，区块链技术将从根本上改变信息传播路径的安全问题。区块链对于信息安全领域体现在以下三点：一、用户身份认证保护二、数据完整性保护三、有效阻止DDoS攻击区块链的分布式存储架构则会令黑客无所适从，已经有公司着手开发基于区块链的分布式互联网域名系统，绝除当前DNS注册弊病的祸根，使网络系统更加干净透明。四、物联网领域区块链+物联网，可以让物联网上的每个设备独立运行，整个网络产生的信息可以通过区块链的智能合约进行保障。a)安全性传统物联网设备极易遭受攻击，数据易受损失且维护费用高昂。物联网设备典型的信息安全风险问题包括，固件版本过低、缺少安全补丁、存在权限漏洞、设备网络端口过多、未加密的信息传输等。区块链的全网节点验证的共识机制、不对称加密技术及数据分布式存储将大幅降低黑客攻击的风险。b)可信性传统物联网由中心化的云服务器进行管控，因设备的安全性和中心化服务器的不透明性，用户的隐私数据难以得到有效保障。而区块链是一个分布式账簿，各区块既相互联系又有各自独立的工作能力，保证链上信息不会被随意篡改。因此，分布式账本可以为物联网提供信任、所有权记录、透明性和通信支持。c)效益性受限于云服务和维护成本，物联网难以实现大规模商用。传统物联网实现物物通信是经由中心化的云服务器。该模式的弊端是，随着接入设备的增多，服务器面临的负载也更多，需要企业投入大量资金来维持物联网体系的正常运转。而区块链技术可以直接实现点对点交易，省略了中间其他中介机构或人员的劳务支出，可以有效减少第三方服务所产生的费用，实现效益最大化。五、供应链领域供应链由众多参与主体构成，存在大量交互协作，信息被离散地保存在各自的系统中，缺乏透明度。信息的不流畅导致各参与主体难以准确地了解相关事项的实时状况及存在问题，影响供应链的协同效率。当各主体间出现纠纷时，举证和追责耗时耗力。区块链可以使数据在各主体之间公开透明，从而在整个供应链条上形成完整、流畅、不可篡改的信息流。这可以确保各主体及时发现供应链系统运行过程中产生的问题，并有针对性地找到解决方案，进而提升供应链管理的整体效率。发布于 2023-11-13 15:28赞同 1添加评论分享收藏喜欢收起

什么是区块链？区块链有哪些特征？ - 知乎

区块链的五个基本特征是什么？ - 知乎

百度百科-验证

区块链的主要特点有哪些？ - 知乎

区块链的主要特点有哪些？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册比特币 (Bitcoin)区块链(Blockchain)比特股区块链的主要特点有哪些？关注者12被浏览17,293关注问题写回答邀请回答好问题添加评论分享9 个回答默认排序博森量化小一量化我是认真的。了解量化看更多资料→→→→（职业经历）关注一、去中心化区块链最大的特性就是“去中心化”，去中心化意味着：数据的存储、更新、维护、操作等过程，都将基于“分布式账本”，而不再基于“中心化机构”那个总的服务器。这样一来，就可以避免“中心化机构”因失误造成的种种不良后果，解决我们现实生活中遇到的许多困扰，比如说：中心化服务器宕机、被黑客攻击，或者中心化机构不靠谱等问题。为什么我们说，区块链最大的特征就是“去中心化”呢？这还要从比特币说起，比特币是区块链的首次应用，比特币设计的初衷就是一套去中心化的、点对点的电子现金系统。比特币被人熟知之后，它背后的底层技术区块链才逐渐受到关注。所以，我们可以说，去中心化是区块链的根本特性，也是区块链所要达到的终极理想。二、不可篡改区块链还有一个重要的特性是“不可篡改”。区块链上的内容都需要采用密码学原理进行复杂的运算之后才能够记录上链，而且区块链上，后一个区块的内容会包含前一个区块的内容，这就使得信息篡改的难度非常大、篡改成本非常高，这就是区块链“不可篡改”的特性。区块链“不可篡改”的特性，意味着一旦数据写入到区块链, 任何人都无法擅自更改数据信息。这一特性天然适合许多领域，比如：公益慈善领域中的钱款监督、审计领域的效率提升、版权保护、医疗事业、教育领域中的学历信息认证等等。三、可追溯可追溯也是区块链的一个重要特性。我们之前讲过（在第一期的时候）区块链是一个“块链式数据”结构，类似于一条环环相扣的“铁链”，下一环的内容包含上一环的内容，链上的信息依据时间顺序环环相扣，这就使得区块链上任意的一条数据都可以通过“块链式数据结构”追溯到其本源，这就是区块链的“可追溯性”。这一特性的应用领域也非常广泛，除了我们上面说到的公共事业、审计领域、版权保护、医疗、学历认证等，还有一个重要的应用就是——供应链。基于区块链的可追溯性，产品从最初生产的那一刻便记录在区块链上，之后的运输、销售、监管信息也都会记录在区块链上。一旦发生问题，就可以往前追溯，看一看到底是哪个环节出了问题。这样一来，发生假疫苗事件、毒奶粉事件的概率就会大大降低。四、开放性区块链同时具有开放性和匿名性。开放性和匿名性看起来是个矛盾体，不过，我们说区块链它的先进之处就在于它能够同时满足数据的开放性和匿名性。区块链的开放性和匿名性，其实也是源于它的根本特性——去中心化。我们先说开放性。因为区块链是去中心化的，所有网络节点都可以参与数据的记录维护，（联盟链和私有链例外），所以，它的数据必须是开放的，只有开放了，才能保证所有人都可以参与进来，才能保证数据的安全性，让其他人无法在光天化日下篡改数据。随着区块链技术的发展，继比特币系统之后，又出现了以太坊。以太坊这条区块链呢，比比特币更加先进一些，以太坊和比特币事先设定好交易系统操作不同，以太坊是一种开源的、可编程的区块链。通俗来说，以太坊系统相当于搭建了一套比较完备的“底层架构”，类似安卓、苹果，应用开发者们可以在这条系统上开发软件。所以，以太坊系统也可以看作是区块链的开放性，而且这个“开放性”还是升级版本的。因此，我们说，区块链是非常有潜力的一种技术，只要我们能够充分发现并利用它的开放性，那么它就完全可以跳出比特币这种单一的、为数字货币服务的局限，进而应用到许多应用场景中。五、匿名性开放性的主要作用在于保护数据的安全可靠。可是，除了要保证数据的安全性，我们还要保证链上节点的权益，也就是要保护他们的交易隐私，不能让全网节点都在这个开放的大账本上看见你家有多少钱。所以区块链采用密码学里面的一些手段，在数据完全公开的前提下，保证私人信息的安全，这就是所谓的“匿名性”。（我们在比特币章节里面讲的哈希运算呀、非对称加密呀、私钥呀、公钥呀这些就是所谓的密码学手段）区块链的“匿名性”，最开始风靡于“暗网”，但区块链的“匿名性”绝非只适用于暗网。在现实生活中，区块链的“匿名性”能够在保护个人隐私方面发挥很大的作用，最典型的就是网络购物了，现在的网络购物其实非常不安全，我们买什么、我们的姓名、地址、电话都会提供给卖家，你给差评呢，有的卖家就给你寄恐怖的东西恐吓你。而基于区块链的“匿名性”呢，卖家知道你的地址，却不知道你是谁，这样一来就保护了我们的个人隐私安全。六、民主性区块链“去中心化”的特性，决定了在区块链的世界里，没有一个“中心化”的权威机构，这就使得区块链具备高度的民主性。区块链的民主性体现在：区块链采用协商一致的机制，即“共识机制”，基于节点们的投票、信任，使整个系统中的所有节点都能在这个系统中自由安全地存储数据、更新数据。投票、信任、协商，这些都属于“民主”范畴。从这个角度上看，区块链的“民主性”有望打破现有的生产关系：在区块链这个生态系统里面，维护系统的权力被广泛分布到节点手里，各个节点都是平等的，基于投票产生的共识和信任，在系统里面发挥自己的作用，为系统做出贡献来获取奖励。了解更多币圈和货币量化知识，关注公众号博森科技小一发布于 2022-06-25 16:48赞同 6添加评论分享收藏喜欢收起知乎用户上海龙翊信息安全技术有限公司运营发布于 2022-06-26 21:19赞同添加评论分享收藏喜欢

什么是区块链技术？ - IBM Blockchain

什么是区块链技术？

区块链是一种不可篡改的共享账本，用于记录交易、跟踪资产和建立信任

区块链的优点

区块链成功从这里开始

IBM《区块链傻瓜书》现已发行第 3 版，已向超过 6.8 万名读者介绍了区块链。

内容：

区块链基础

区块链如何运作

区块链的实践应用：用例

由 Linux 基金会主导的 Hyperledger 项目

第一次区块链应用的十个步骤

区块链技术概述

区块链定义：区块链是一个共享的、不可篡改的账本，旨在促进业务网络中的交易记录和资产跟踪流程。资产可以是有形的（如房屋、汽车、现金、土地），也可以是无形的（如知识产权、专利、版权、品牌）。几乎任何有价值的东西都可以在区块链网络上跟踪和交易，从而降低各方面的风险和成本。

为什么区块链很重要：业务运营依靠信息。信息接收速度越快，内容越准确，越有利于业务运营。区块链是用于传递这些信息的理想之选，因为它可提供即时、共享和完全透明的信息，这些信息存储在不可篡改的账本上，只能由获得许可的网络成员访问。区块链网络可跟踪订单、付款、帐户、生产等信息。由于成员之间共享单一可信视图，因此，您可采取端到端方式查看交易的所有细节，从而增强信心，提高效率并获得更多的新机会。

区块链的关键元素

分布式账本技术

所有网络参与者都有权访问分布式账本及其不可篡改的交易记录。借助这个共享账本，交易只需记录一次，从而消除了传统业务网络中典型的重复工作。

不可篡改的记录

当交易被记录到共享账本之后，任何参与者都不能更改或篡改相关信息。如果交易记录中有错误，则必须添加新交易才能撤消错误，这两个交易随后都是可视的。

智能合约

为了加快交易速度，区块链上存储了一系列自动执行的规则，称为 "智能合约" 。智能合约可以定义企业债券转让的条件，包括有关要支付的旅行保险的条款等等。

区块链如何运作

每个交易发生时，都会被记录为一个数据“区块”

这些交易表明资产的流动情况，资产可以是有形的（如产品），也可以是无形的（如知识产权）。数据区块可以记录您选择的信息：人、事、时、地、数甚至条件（例如食品运输温度）。

每个区块都与其前后的区块连接

随着资产从一地移至另一地或所有权的变更，这些数据区块形成了数据链。数据区块可以确认交易的确切时间和顺序，通过将数据区块安全地链接在一起，可以防止任何数据区块被篡改或在两个现有数据区块之间插入其他数据区块。

交易以区块形式组合成不可逆的链：区块链

每添加一个数据区块都会增强对前一个区块的验证，从而也增强对整条区块链的验证。因此，篡改区块链很容易就会被发现，这也是不可篡改性的关键优势所在。这不但消除了恶意人员进行篡改的可能性，还建立了您和其他网络成员可以信任的交易账本。

区块链技术的优点

需要改变的方面：运营人员常常在保留重复记录和执行第三方验证等方面浪费精力。记录保存系统容易受到欺诈和网络攻击的威胁。有限的透明度会延缓数据验证速度。随着物联网的到来，交易量呈爆炸式激增。所有这些因素都会影响开展业务的速度并侵蚀利润，因此我们需要更好的方法。于是区块链闪亮登场。

更高的信任度

通过使用区块链技术，作为会员制网络中的一员，您可以确信自己收到准确、及时的数据，并且您的机密区块链记录只能与您特别授予访问权限的网络成员共享。

更高的安全性

所有的网络成员都需要就数据准确性达成共识，并且所有经过验证的交易都将永久记录在案，不可篡改。没有人可以删除交易，即便是系统管理员也不例外。

更高的效率

通过在网络成员之间共享分布式账本，可避免在记录对账方面浪费时间。为了加快交易速度，区块链上存储了一系列自动执行的规则，称为“智能合约”。

区块链基础知识五分钟简介

深入了解区块链技术的基础知识：数据块中如何包含代表任何有价值事物的数据，它们如何在不可篡改的数据链中按时间顺序连接在一起，以及区块链与比特币等加密货币之间有何差异。

了解区块链的分散性质如何使其有别于传统的记录保存，探索许可区块链在商业交易中的价值，以及区块链如何使信任和透明度达到新的水平。

食品行业只是通过区块链技术实现转型的行业之一。了解如何在保护网络参与者数据的前提下，追溯食品的种植、收获、运输和加工的时间、地点和方式。

区块链之所以能建立信任，是因为它代表了真实的共享记录。每个人都能相信的数据将有助于推动其他新技术的发展，从而能大幅提高效率、透明度和置信度。

区块链网络的类型

可采用多种方式建立区块链网络。它们可以是公有、私有、许可式区块链网络，或由联盟建立。

公有区块链网络

公有区块链是任何人都可以加入和参与的区块链，如比特币。缺点可能包括需要大量计算能力，交易的私密性极低或根本没有私密性可言，以及安全性较弱。而这些都是区块链的企业用例的重要考虑因素。

私有区块链网络

私有区块链网络与公有区块链网络相似，也是分散的点对点网络。但是，在私有区块链网络中，由一个组织负责管理网络，控制谁获准参与网络，并执行共识协议，维护共享账本。这有助于显著提高参与者之间的信任和信心，具体取决于用例。私有区块链可在企业防火墙后运行，甚至可在企业内部托管。

许可式区块链网络

建立私有区块链的企业通常也会建立许可式区块链网络。需要注意的是，公有区块链网络也可以成为许可式网络。这种模式对获准参与网络和执行特定交易的人员施加限制。参与者需要获得邀请或许可才能加入。

联盟区块链

多个组织可以分担维护区块链的责任。这些预先挑选的组织决定谁可以提交交易或访问数据。如果所有参与者都必须获得许可才能参与，并且对区块链共担责任，那么对于企业而言，联盟区块链是理想之选。

区块链安全性

区块链网络的风险管理系统

在构建企业区块链应用时，必须制定全面的安全战略，通过使用网络安全框架、保证服务以及最佳实践，缓解攻击和欺诈带来的风险。

了解有关区块链安全性的更多信息

区块链用例和应用

IBM Food Trust 通过从海洋一直到超市和餐馆全程跟踪捕捞的每一批海鲜，帮助 Raw Seafoods 增强整个食品供应链的信任度。

INBLOCK 发行了基于 Hyperledger Fabric 的 Metacoin 加密货币，旨在更迅速、更方便、更安全地开展数字资产交易。

利用区块链技术，实现变革性的医疗成果

IBM Blockchain Platform 帮助生态系统改变确保信任、数据来源和效率的方式，从而改善患者治疗和组织盈利能力。

阅读：实现变革性的医疗成果 (PDF, 188 KB)

了解 Golden State Foods 如何利用区块链的不可篡改性，跟踪供应链中的货物，帮助保障食品质量。

Vertrax 和 Chateau Software 推出了第一个基于 IBM Blockchain Platform 的多云区块链解决方案，旨在帮助防止大宗石油和天然气分销的供应链中断。

Home Depot 采用 IBM Blockchain 技术，获取有关发货和收货的共享可信信息，从而减少供应商争议并加速解决争议。

行业区块链

行业领军企业使用 IBM Blockchain 消除摩擦，建立信任，实现新的价值。选择细分行业以了解详细信息。

供应链

医疗保健

政府

零售

媒体和广告

石油和天然气

电信

制造

保险

金融服务

旅游和交通运输 (PDF, 340 KB)

区块链常见问题解答

区块链和比特币有何区别？

比特币是一种不受监管的数字货币。比特币使用区块链技术作为其交易账本。

这段视频说明了两者之间的差异。

IBM Blockchain Platform 与 Hyperledger 有何关系？

IBM Blockchain Platform 由 Hyperledger 技术提供支持。

这种区块链解决方案可以帮助任何开发人员顺利转变为区块链开发人员。

请访问 Hyperledger 网站以了解详细信息。

了解有关 Hyperledger 的更多信息

我可以在自己期望的任何云上进行部署吗？

IBM Blockchain Platform 软件经过优化处理，可以部署在 Red Hat 最先进的企业级 Kubernetes 平台 Red Hat® OpenShift® 之上。

这意味着您可以更灵活地选择在何处部署区块链网络组件，无论是本地、公有云还是混合云架构。

信息图：在自己选择的云环境中进行部署

我需要更多详细信息。可从哪里获得？

如需更详细地了解区块链网络的运作方式以及使用方法，请阅读《分布式账本简介》(Introduction to Distributed Ledgers)。

学习 IBM Developer 上的区块链教程，了解更多信息

探索 IBM Blockchain Platform 的功能，这是唯一完全集成的企业级区块链平台，旨在帮助您加速多机构业务网络的开发、治理和运营。

立即注册，下载 IBM Blockchain Platform 白皮书 (PDF, 616 KB)

获取有关 Hyperledger Fabric 的详细信息，了解其独到之处、为何对业务网络至关重要以及如何开始使用。

访问 IBM Developer 上的 Hyperledger 页面

这份开发人员快速入门指南解释了如何使用 IBM Blockchain Platform Starter Plan 构建入门级区块链网络并开始编写代码。

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区块链解决方案

IBM Blockchain 解决方案

IBM Blockchain Platform 属于领先的 Hyperledger Fabric 平台。区块链创新者可充分利用这一平台，通过 Red Hat® OpenShift® 在任何计算环境中构建、运营、管理和发展区块链解决方案。

了解有关 IBM Blockchain Platform 的信息

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作为顶级区块链服务提供商，IBM Blockchain Services 拥有丰富的专业知识，可帮助您基于最佳技术构建强大的解决方案。超过 1,600 名区块链专家使用来自 100 多个实时网络的洞察，帮助您构建和发展。

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采用 IBM Blockchain 解决方案是区块链取得成功的最佳捷径。 IBM 融合了各种网络，使您能够轻松让其他成员加入，共同推动食品供应、供应链、贸易融资、金融服务、保险以及媒体和广告等领域的转型。

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区块链技术是如何发展的？

区块链技术有哪些好处？

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什么是 AWS 区块链服务？

什么是区块链技术？

为什么区块链很重要？

不同行业如何使用区块链？

区块链是一种新兴技术，很多行业都以创新方式采用了此技术。我们将在以下小节中介绍不同行业中的一些使用案例：

能源

多家能源公司使用区块链技术创建点对点能源交易平台，并简化可再生能源的获得。例如，考虑以下用途：

金融

媒体和娱乐

零售

区块链技术具有哪些功能？

区块链技术具有以下主要功能：

去中心化

不可变性

共识

区块链系统将建立关于参与者就记录交易达成共识的规则。仅当网络中的大部分参与者都同意时，才能记录新交易。

区块链技术包含哪些关键组件？

区块链架构包含以下主要组件：

分布式分类账

智能合约

公钥加密

区块链的工作原理是什么？

虽然区块链的底层机制非常复杂，我们将通过以下步骤提供简要概述。区块链软件可以自动执行以下大部分步骤：

第 1 步 – 记录交易

区块链交易显示实体资产或数字资产从区块链网络中的一方向另一方的转移。该交易以区块的形式记录，可能包括如下细节：

谁参与了该交易？

交易期间发生了什么情况？

交易是在何时进行的？

交易是在哪里进行的？

为什么进行该交易？

交换了多少资产？

交易期间符合多少前提条件？

第 2 步 – 达成共识

第 3 步 – 将区块链接起来

第 4 步 – 共享分类账

该系统会将中心分类账的最新副本分发给所有参与者。

区块链网络有哪些类型？

有四种主要类型的去中心化或分布式区块链网络：

公有区块链网络

私有区块链网络

混合区块链网络

联盟区块链网络

什么是区块链协议？

Hyperledger Fabric

以太坊

以太坊是一种去中心化开源区块链平台，人们可以将其用于构建公有区块链应用程序。企业以太坊 (Ethereum Enterprise) 专为企业使用案例而设计。

Corda

Quorum

区块链技术是如何发展的？

该技术一直在不断发展，已经经过以下三代：

第一代 – 比特币和其他虚拟货币

第二代 – 智能合约

第三代 – 未来

区块链技术有哪些好处？

区块链技术可为资产交易管理带来很多好处。我们将在以下小节中列出其中部分好处：

高级安全功能

更高的效率

更快捷的审计

比特币与区块链之间有什么区别？

比特币网络

任何拥有闲置计算机的人员均可搭建一台此类服务器，称为节点。这就像是开设您自己的比特币银行，而不是银行账户。

比特币挖矿

该网络上的所有参与者都将使用区块链加密技术，就谁拥有哪些比特币达成共识。

数据库与区块链之间有什么区别？

区块链是一种特殊类型的数据库管理系统，拥有比常规数据库更多的功能。我们将在下面的列表中介绍传统数据库与区块链之间的一些重要区别：

区块链去中心化控制，而不会破坏现有数据中的信任。这在其他数据库系统中是不可能实现的。

参与交易的公司无法共享其整个数据库。但在区块链网络中，每家公司都拥有其分类账副本，并且该系统将自动维护两份分类账之间的一致性。

虽然在大多数数据库系统中，您都可以编辑或删除数据，但在区块链中，您只能插入数据。

区块链与云有什么区别？

什么是区块链即服务？

什么是 AWS 区块链服务？

“什么是 Amazon Managed Blockchain？”视频

什么是 AWS 上的区块链？

区块链技术研究综述：原理、进展与应用

主管单位：中国科学技术协会

主办单位：中国通信学会

ISSN 1000-436X CN 11-2102/TN

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English

通信学报, 2020, 41(1): 134-151 doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2020027

综述

区块链技术研究综述：原理、进展与应用

曾诗钦1, 霍如2,3, 黄韬1,3, 刘江1,3, 汪硕1,3, 冯伟4

1 北京邮电大学网络与交换国家重点实验室，北京 100876

2 北京工业大学北京未来网络科技高精尖创新中心，北京 100124

3 网络通信与安全紫金山实验室，江苏南京 211111

4 工业和信息化部信息化和软件服务业司，北京 100846

Survey of blockchain:principle,progress and application

ZENG Shiqin1, HUO Ru2,3, HUANG Tao1,3, LIU Jiang1,3, WANG Shuo1,3, FENG Wei4

1 State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China

2 Beijing Advanced Innovation Center for Future Internet Technology,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China

3 Purple Mountain Laboratories,Nanjing 211111,China

4 Department of Information Technology Application and Software Services,Beijing 100846,China

通讯作者: 霍如，huoru@bjut.edu.cn

修回日期: 2019-12-12

网络出版日期: 2020-01-25

基金资助:

国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目. 2015AA015702未来网络操作系统发展战略研究基金资助项目. 2019-XY-5

Revised: 2019-12-12

Online: 2020-01-25

Fund supported:

The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program). 2015AA015702The Development Strategy Research of Future Network Operating System. 2019-XY-5

作者简介 About authors

曾诗钦（1995-），男，广西南宁人，北京邮电大学博士生，主要研究方向为区块链、标识解析技术、工业互联网

。

霍如（1988-），女，黑龙江哈尔滨人，博士，北京工业大学讲师，主要研究方向为计算机网络、信息中心网络、网络缓存策略与算法、工业互联网、标识解析技术等。

。

黄韬（1980-），男，重庆人，博士，北京邮电大学教授，主要研究方向为未来网络体系架构、软件定义网络、网络虚拟化等。

。

刘江（1983-），男，河南郑州人，博士，北京邮电大学教授，主要研究方向为未来网络体系架构、软件定义网络、网络虚拟化、信息中心网络等。

。

汪硕（1991-），男，河南灵宝人，博士，北京邮电大学在站博士后，主要研究方向为数据中心网络、软件定义网络、网络流量调度等。

。

冯伟（1980-），男，河北邯郸人，博士，工业和信息化部副研究员，主要研究方向为工业互联网平台、数字孪生、信息化和工业化融合发展关键技术等

。

摘要

区块链是一种分布式账本技术，依靠智能合约等逻辑控制功能演变为完整的存储系统。其分类方式、服务模式和应用需求的变化导致核心技术形态的多样性发展。为了完整地认知区块链生态系统，设计了一个层次化的区块链技术体系结构，进一步深入剖析区块链每层结构的基本原理、技术关联以及研究进展，系统归纳典型区块链项目的技术选型和特点，最后给出智慧城市、工业互联网等区块链前沿应用方向，提出区块链技术挑战与研究展望。

关键词：

区块链

;

加密货币

;

去中心化

;

层次化技术体系结构

;

技术多样性

;

工业区块链

Abstract

Blockchain is a kind of distributed ledger technology that upgrades to a complete storage system by adding logic control functions such as intelligent contracts.With the changes of its classification,service mode and application requirements,the core technology forms of Blockchain show diversified development.In order to understand the Blockchain ecosystem thoroughly,a hierarchical technology architecture of Blockchain was proposed.Furthermore,each layer of blockchain was analyzed from the perspectives of basic principle,related technologies and research progress in-depth.Moreover,the technology selections and characteristics of typical Blockchain projects were summarized systematically.Finally,some application directions of blockchain frontiers,technology challenges and research prospects including Smart Cities and Industrial Internet were given.

Keywords：

blockchain

;

cryptocurrency

;

decentralization

;

hierarchical technology architecture

;

technology diversity

;

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本文引用格式

曾诗钦, 霍如, 黄韬, 刘江, 汪硕, 冯伟. 区块链技术研究综述：原理、进展与应用. 通信学报[J], 2020, 41(1): 134-151 doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020027

ZENG Shiqin. Survey of blockchain:principle,progress and application. Journal on Communications[J], 2020, 41(1): 134-151 doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020027

1 引言

2008年，中本聪提出了去中心化加密货币——比特币（bitcoin）的设计构想。2009年，比特币系统开始运行，标志着比特币的正式诞生。2010—2015 年，比特币逐渐进入大众视野。2016—2018年，随着各国陆续对比特币进行公开表态以及世界主流经济的不确定性增强，比特币的受关注程度激增，需求量迅速扩大。事实上，比特币是区块链技术最成功的应用场景之一。伴随着以太坊（ethereum）等开源区块链平台的诞生以及大量去中心化应用（DApp,decentralized application）的落地，区块链技术在更多的行业中得到了应用。

由于具备过程可信和去中心化两大特点，区块链能够在多利益主体参与的场景下以低成本的方式构建信任基础，旨在重塑社会信用体系。近两年来区块链发展迅速，人们开始尝试将其应用于金融、教育、医疗、物流等领域。但是，资源浪费、运行低效等问题制约着区块链的发展，这些因素造成区块链分类方式、服务模式和应用需求发生快速变化，进一步导致核心技术朝多样化方向发展，因此有必要采取通用的结构分析区块链项目的技术路线和特点，以梳理和明确区块链的研究方向。

区块链涵盖多种技术，相关概念易混淆，且应用场景繁多，为此，已有相关综述主要从技术体系结构、技术挑战和应用场景等角度来梳理区块链的最新进展、技术差异和联系，总结技术形态和应用价值。袁勇等[1]给出了区块链基本模型，以比特币为例将非许可链分为数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层；邵奇峰等[2]结合开源项目细节，对比了多种企业级区块链（许可链）的技术特点；Yang等[3]总结了基于区块链的网络服务架构的特点、挑战和发展趋势；韩璇等[4]系统性归纳了区块链安全问题的研究现状；Ali等[5]总结了区块链在物联网方面的应用研究进展、趋势。上述文献虽然归纳得较为完整，但是都没有从许可链与非许可链共性技术的角度进行通用的层次结构分析，没有体现出区块链技术与组网路由、数据结构、同步机制等已有技术的关联性，且缺少对区块链项目的差异分析。本文则对有关概念进行区分，探讨了通用的层次化技术结构及其与已有技术的关联性，并针对该结构横向分析相关学术研究进展；根据分层结构对比部分区块链项目的技术选型；最后以智慧城市场景、边缘计算和人工智能技术为代表介绍区块链应用研究现状，给出区块链技术挑战与研究展望。

2 相关概念

随着区块链技术的深入研究，不断衍生出了很多相关的术语，例如“中心化”“去中心化”“公链”“联盟链”等。为了全面地了解区块链技术，并对区块链技术涉及的关键术语有系统的认知，本节将给出区块链及其相关概念的定义，以及它们的联系，更好地区分易使人混淆的术语。

2.1 中心化与去中心化

中心化（centralization）与去中心化（decentralization）最早用来描述社会治理权力的分布特征。从区块链应用角度出发，中心化是指以单个组织为枢纽构建信任关系的场景特点。例如，电子支付场景下用户必须通过银行的信息系统完成身份验证、信用审查和交易追溯等；电子商务场景下对端身份的验证必须依靠权威机构下发的数字证书完成。相反，去中心化是指不依靠单一组织进行信任构建的场景特点，该场景下每个组织的重要性基本相同。

2.2 加密货币

加密货币（cryptocurrency）是一类数字货币（digital currency）技术，它利用多种密码学方法处理货币数据，保证用户的匿名性、价值的有效性；利用可信设施发放和核对货币数据，保证货币数量的可控性、资产记录的可审核性，从而使货币数据成为具备流通属性的价值交换媒介，同时保护使用者的隐私。

加密货币的概念起源于一种基于盲签名（blind signature）的匿名交易技术[6]，最早的加密货币交易模型“electronic cash”[7]如图1所示。

图1

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图1

“electronic cash”交易模型

交易开始前，付款者使用银行账户兑换加密货币，然后将货币数据发送给领款者，领款者向银行发起核对请求，若该数据为银行签发的合法货币数据，那么银行将向领款者账户记入等额数值。通过盲签名技术，银行完成对货币数据的认证，而无法获得发放货币与接收货币之间的关联，从而保证了价值的有效性、用户的匿名性；银行天然具有发放币种、账户记录的能力，因此保证了货币数量的可控性与资产记录的可审核性。

最早的加密货币构想将银行作为构建信任的基础，呈现中心化特点。此后，加密货币朝着去中心化方向发展，并试图用工作量证明（PoW,poof of work）[8]或其改进方法定义价值。比特币在此基础上，采用新型分布式账本技术保证被所有节点维护的数据不可篡改，从而成功构建信任基础，成为真正意义上的去中心化加密货币。区块链从去中心化加密货币发展而来，随着区块链的进一步发展，去中心化加密货币已经成为区块链的主要应用之一。

2.3 区块链及工作流程

一般认为，区块链是一种融合多种现有技术的新型分布式计算和存储范式。它利用分布式共识算法生成和更新数据，并利用对等网络进行节点间的数据传输，结合密码学原理和时间戳等技术的分布式账本保证存储数据的不可篡改，利用自动化脚本代码或智能合约实现上层应用逻辑。如果说传统数据库实现数据的单方维护，那么区块链则实现多方维护相同数据，保证数据的安全性和业务的公平性。区块链的工作流程主要包含生成区块、共识验证、账本维护3个步骤。

1) 生成区块。区块链节点收集广播在网络中的交易——需要记录的数据条目，然后将这些交易打包成区块——具有特定结构的数据集。

2) 共识验证。节点将区块广播至网络中，全网节点接收大量区块后进行顺序的共识和内容的验证，形成账本——具有特定结构的区块集。

3) 账本维护。节点长期存储验证通过的账本数据并提供回溯检验等功能，为上层应用提供账本访问接口。

2.4 区块链类型

根据不同场景下的信任构建方式，可将区块链分为2类：非许可链（permissionless blockchain）和许可链（permissioned blockchain）。

非许可链也称为公链（public blockchain），是一种完全开放的区块链，即任何人都可以加入网络并参与完整的共识记账过程，彼此之间不需要信任。公链以消耗算力等方式建立全网节点的信任关系，具备完全去中心化特点的同时也带来资源浪费、效率低下等问题。公链多应用于比特币等去监管、匿名化、自由的加密货币场景。

许可链是一种半开放式的区块链，只有指定的成员可以加入网络，且每个成员的参与权各有不同。许可链往往通过颁发身份证书的方式事先建立信任关系，具备部分去中心化特点，相比于非许可链拥有更高的效率。进一步，许可链分为联盟链（consortium blockchain）和私链（fully private blockchain）。联盟链由多个机构组成的联盟构建，账本的生成、共识、维护分别由联盟指定的成员参与完成。在结合区块链与其他技术进行场景创新时，公链的完全开放与去中心化特性并非必需，其低效率更无法满足需求，因此联盟链在某些场景中成为实适用性更强的区块链选型。私链相较联盟链而言中心化程度更高，其数据的产生、共识、维护过程完全由单个组织掌握，被该组织指定的成员仅具有账本的读取权限。

3 区块链体系结构

根据区块链发展现状，本节将归纳区块链的通用层次技术结构、基本原理和研究进展。

现有项目的技术选型多数由比特币演变而来，所以区块链主要基于对等网络通信，拥有新型的基础数据结构，通过全网节点共识实现公共账本数据的统一。但是区块链也存在效率低、功耗大和可扩展性差等问题，因此人们进一步以共识算法、处理模型、交易模式创新为切入点进行技术方案改进，并在此基础上丰富了逻辑控制功能和区块链应用功能，使其成为一种新型计算模式。本文给出如图2 所示的区块链通用层次化技术结构，自下而上分别为网络层、数据层、共识层、控制层和应用层。其中，网络层是区块链信息交互的基础，承载节点间的共识过程和数据传输，主要包括建立在基础网络之上的对等网络及其安全机制；数据层包括区块链基本数据结构及其原理；共识层保证节点数据的一致性，封装各类共识算法和驱动节点共识行为的奖惩机制；控制层包括沙盒环境、自动化脚本、智能合约和权限管理等，提供区块链可编程特性，实现对区块数据、业务数据、组织结构的控制；应用层包括区块链的相关应用场景和实践案例，通过调用控制合约提供的接口进行数据交互，由于该层次不涉及区块链原理，因此在第 5节中单独介绍。

3.1 网络层

网络层关注区块链网络的基础通信方式——对等（P2P,peer-to-peer）网络。对等网络是区别于“客户端/服务器”服务模式的计算机通信与存储架构，网络中每个节点既是数据的提供者也是数据的使用者，节点间通过直接交换实现计算机资源与信息的共享，因此每个节点地位均等。区块链网络层由组网结构、通信机制、安全机制组成。其中组网结构描述节点间的路由和拓扑关系，通信机制用于实现节点间的信息交互，安全机制涵盖对端安全和传输安全。

图2

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图2

区块链层次化技术结构

1) 组网结构

对等网络的体系架构可分为无结构对等网络、结构化对等网络和混合式对等网络[9]，根据节点的逻辑拓扑关系，区块链网络的组网结构也可以划分为上述3种，如图3所示。

图3

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图3

区块链组网结构

无结构对等网络是指网络中不存在特殊中继节点、节点路由表的生成无确定规律、网络拓扑呈现随机图状的一类对等网络。该类网络结构松散，设计简洁，具有良好的容错性和匿名性，但由于采用洪泛机制作为信息传播方式，其可扩展性较差。典型的协议有Gnutella等。

结构化对等网络是指网络中不存在特殊中继节点、节点间根据特定算法生成路由表、网络拓扑具有严格规律的一类对等网络。该类网络实现复杂但可扩展性良好，通过结构化寻址可以精确定位节点从而实现多样化功能。常见的结构化网络以DHT （distributed hash table）网络为主，典型的算法有Chord、Kademlia等。

混合式对等网络是指节点通过分布式中继节点实现全网消息路由的一类对等网络。每个中继节点维护部分网络节点地址、文件索引等工作，共同实现数据中继的功能。典型的协议有Kazza等。

2) 通信机制

通信机制是指区块链网络中各节点间的对等通信协议，建立在 TCP/UDP 之上，位于计算机网络协议栈的应用层，如图4所示。该机制承载对等网络的具体交互逻辑，例如节点握手、心跳检测、交易和区块传播等。由于包含的协议功能不同（例如基础链接与扩展交互），本文将通信机制细分为3个层次：传播层、连接层和交互逻辑层。

传播层实现对等节点间数据的基本传输，包括2 种数据传播方式：单点传播和多点传播。单点传播是指数据在2个已知节点间直接进行传输而不经过其他节点转发的传播方式；多点传播是指接收数据的节点通过广播向邻近节点进行数据转发的传播方式，区块链网络普遍基于Gossip协议[10]实现洪泛传播。连接层用于获取节点信息，监测和改变节点间连通状态，确保节点间链路的可用性（availability）。具体而言，连接层协议帮助新加入节点获取路由表数据，通过定时心跳监测为节点保持稳定连接，在邻居节点失效等情况下为节点关闭连接等。交互逻辑层是区块链网络的核心，从主要流程上看，该层协议承载对等节点间账本数据的同步、交易和区块数据的传输、数据校验结果的反馈等信息交互逻辑，除此之外，还为节点选举、共识算法实施等复杂操作和扩展应用提供消息通路。

图4

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图4

区块链网络通信机制

3) 安全机制

安全是每个系统必须具备的要素，以比特币为代表的非许可链利用其数据层和共识层的机制，依靠消耗算力的方式保证数据的一致性和有效性，没有考虑数据传输过程的安全性，反而将其建立在不可信的透明P2P网络上。随着隐私保护需求的提出，非许可链也采用了一些网络匿名通信方法，例如匿名网络Tor（the onion router）通过沿路径的层层数据加密机制来保护对端身份。许可链对成员的可信程度有更高的要求，在网络层面采取适当的安全机制，主要包括身份安全和传输安全两方面。身份安全是许可链的主要安全需求，保证端到端的可信，一般采用数字签名技术实现，对节点的全生命周期（例如节点交互、投票、同步等）进行签名，从而实现许可链的准入许可。传输安全防止数据在传输过程中遭到篡改或监听，常采用基于TLS的点对点传输和基于Hash算法的数据验证技术。

4) 研究现状

目前，区块链网络层研究主要集中在3个方向：测量优化、匿名分析与隐私保护、安全防护。

随着近年来区块链网络的爆炸式发展以及开源特点，学术界开始关注大型公有链项目的网络状况，监测并研究它们的特点，研究对象主要为比特币网络。Decker等[11]设计和实现测量工具，分析传播时延数据、协议数据和地址数据，建模分析影响比特币网络性能的网络层因素，基于此提出各自的优化方法。Fadhil等[12]提出基于事件仿真的比特币网络仿真模型，利用真实测量数据验证模型的有效性，最后提出优化机制 BCBSN，旨在设立超级节点降低网络波动。Kaneko 等[13]将区块链节点分为共识节点和验证节点，其中共识节点采用无结构组网方式，验证节点采用结构化组网方式，利用不同组网方式的优点实现网络负载的均衡。

匿名性是加密货币的重要特性之一，但从网络层视角看，区块链的匿名性并不能有效保证，因为攻击者可以利用监听并追踪 IP 地址的方式推测出交易之间、交易与公钥地址之间的关系，通过匿名隐私研究可以主动发掘安全隐患，规避潜在危害。Koshy 等[16,17]从网络拓扑、传播层协议和作恶模型3个方面对比特币网络进行建模，通过理论分析和仿真实验证明了比特币网络协议在树形组网结构下仅具备弱匿名性，在此基础上提出 Dandelion 网络策略以较低的网络开销优化匿名性，随后又提出 Dandelion++原理，以最优信息理论保证来抵抗大规模去匿名攻击。

区块链重点关注其数据层和共识层面机制，并基于普通网络构建开放的互联环境，该方式极易遭受攻击。为提高区块链网络的安全性，学术界展开研究并给出了相应的解决方案。Heilman 等[18]对比特币和以太坊网络实施日蚀攻击（eclipse attack）——通过屏蔽正确节点从而完全控制特定节点的信息来源，证实了该攻击的可行性。Apostolaki等[19]提出针对比特币网络的 BGP（border gateway protocal）劫持攻击，通过操纵自治域间路由或拦截域间流量来制造节点通信阻塞，表明针对关键数据的沿路攻击可以大大降低区块传播性能。

3.2 数据层

区块链中的“块”和“链”都是用来描述其数据结构特征的词汇，可见数据层是区块链技术体系的核心。区块链数据层定义了各节点中数据的联系和组织方式，利用多种算法和机制保证数据的强关联性和验证的高效性，从而使区块链具备实用的数据防篡改特性。除此之外，区块链网络中每个节点存储完整数据的行为增加了信息泄露的风险，隐私保护便成为迫切需求，而数据层通过非对称加密等密码学原理实现了承载应用信息的匿名保护，促进区块链应用普及和生态构建。因此，从不同应用信息的承载方式出发，考虑数据关联性、验证高效性和信息匿名性需求，可将数据层关键技术分为信息模型、关联验证结构和加密机制3类。

1) 信息模型

区块链承载了不同应用的数据（例如支付记录、审计数据、供应链信息等），而信息模型则是指节点记录应用信息的逻辑结构，主要包括UTXO （unspent transaction output）、基于账户和键值对模型3种。需要说明的是，在大部分区块链网络中，每个用户均被分配了交易地址，该地址由一对公私钥生成，使用地址标识用户并通过数字签名的方式检验交易的有效性。

UTXO是比特币交易中的核心概念，逐渐演变为区块链在金融领域应用的主要信息模型，如图5所示。每笔交易（Tx）由输入数据（Input）和输出数据（Output）组成，输出数据为交易金额（Num）和用户公钥地址（Adr），而输入数据为上一笔交易输出数据的指针（Pointer），直到该比特币的初始交易由区块链网络向节点发放。

图5

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图5

UTXO信息模型

基于账户的信息模型以键值对的形式存储数据，维护着账户当前的有效余额，通过执行交易来不断更新账户数据。相比于UTXO，基于账户的信息模型与银行的储蓄账户类似，更直观和高效。

不管是UTXO还是基于账户的信息模型，都建立在更为通用的键值对模型上，因此为了适应更广泛的应用场景，键值对模型可直接用于存储业务数据，表现为表单或集合形式。该模型利于数据的存取并支持更复杂的业务逻辑，但是也存在复杂度高的问题。

2) 关联验证结构

区块链之所以具备防篡改特性，得益于链状数据结构的强关联性。该结构确定了数据之间的绑定关系，当某个数据被篡改时，该关系将会遭到破坏。由于伪造这种关系的代价是极高的，相反检验该关系的工作量很小，因此篡改成功率被降至极低。链状结构的基本数据单位是“区块（block）”，基本内容如图6所示。

图6

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图6

基本区块结构

区块由区块头（Header）和区块体（Body）两部分组成，区块体包含一定数量的交易集合；区块头通过前继散列（PrevHash）维持与上一区块的关联从而形成链状结构，通过MKT（MerkleTree）生成的根散列（RootHash）快速验证区块体交易集合的完整性。因此散列算法和 MKT 是关联验证结构的关键，以下将对此展开介绍。

散列（Hash）算法也称为散列函数，它实现了明文到密文的不可逆映射；同时，散列算法可以将任意长度的输入经过变化得到固定长度的输出；最后，即使元数据有细微差距，变化后的输出也会产生显著不同。利用散列算法的单向、定长和差异放大的特征，节点通过比对当前区块头的前继散列即可确定上一区块内容的正确性，使区块的链状结构得以维系。区块链中常用的散列算法包括SHA256等。

MKT包括根散列、散列分支和交易数据。MKT首先对交易进行散列运算，再对这些散列值进行分组散列，最后逐级递归直至根散列。MKT 带来诸多好处：一方面，对根散列的完整性确定即间接地实现交易的完整性确认，提升高效性；另一方面，根据交易的散列路径（例如 Tx1：Hash2、Hash34）可降低验证某交易存在性的复杂度，若交易总数为N，那么MKT可将复杂度由N降为lbN。除此之外，还有其他数据结构与其配合使用，例如以太坊通过MPT（Merkle Patricia tree）——PatriciaTrie 和MerkleTree混合结构，高效验证其基于账户的信息模型数据。

此外，区块头中还可根据不同项目需求灵活添加其他信息，例如添加时间戳为区块链加入时间维度，形成时序记录；添加记账节点标识，以维护成块节点的权益；添加交易数量，进一步提高区块体数据的安全性。

3) 加密机制

由上述加密货币原理可知，经比特币演变的区块链技术具备与生俱来的匿名性，通过非对称加密等技术既保证了用户的隐私又检验了用户身份。非对称加密技术是指加密者和解密者利用2个不同秘钥完成加解密，且秘钥之间不能相互推导的加密机制。常用的非对称加密算法包括 RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）等。对应图5，Alice 向 Bob 发起交易 Tx2，Alice使用Bob的公钥对交易签名，仅当Bob使用私钥验证该数字签名时，才有权利创建另一笔交易，使自身拥有的币生效。该机制将公钥作为基础标识用户，使用户身份不可读，一定程度上保护了隐私。

4) 研究现状

数据层面的研究方向集中在高效验证、匿名分析、隐私保护3个方面。

高效验证的学术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，实际上 MKT 也是其中的一种。为了适应区块链数据的动态性（dynamical）并保持良好性能，学术界展开了研究。Reyzin等[20]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。Zhang等[21]提出GEM2-tree结构，并对其进行优化提出 GEM2כ-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。

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。Reid等[22]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。Meiklejohn等[23]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。Awan 等[24]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。

隐私保护方面，Saxena等[25]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。Miers 等[26]和 Sasson 等[27]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。非对称加密是区块链数据安全的核心，但在量子计算面前却显得“捉襟见肘”，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。

3.3 共识层

区块链网络中每个节点必须维护完全相同的账本数据，然而各节点产生数据的时间不同、获取数据的来源未知，存在节点故意广播错误数据的可能性，这将导致女巫攻击[29]、双花攻击[30]等安全风险；除此之外，节点故障、网络拥塞带来的数据异常也无法预测。因此，如何在不可信的环境下实现账本数据的全网统一是共识层解决的关键问题。实际上，上述错误是拜占庭将军问题（the Byzantine generals problem）[31]在区块链中的具体表现，即拜占庭错误——相互独立的组件可以做出任意或恶意的行为，并可能与其他错误组件产生协作，此类错误在可信分布式计算领域被广泛研究。

状态机复制（state-machine replication）是解决分布式系统容错问题的常用理论。其基本思想为：任何计算都表示为状态机，通过接收消息来更改其状态。假设一组副本以相同的初始状态开始，并且能够就一组公共消息的顺序达成一致，那么它们可以独立进行状态的演化计算，从而正确维护各自副本之间的一致性。同样，区块链也使用状态机复制理论解决拜占庭容错问题，如果把每个节点的数据视为账本数据的副本，那么节点接收到的交易、区块即为引起副本状态变化的消息。状态机复制理论实现和维持副本的一致性主要包含2个要素：正确执行计算逻辑的确定性状态机和传播相同序列消息的共识协议。其中，共识协议是影响容错效果、吞吐量和复杂度的关键，不同安全性、可扩展性要求的系统需要的共识协议各有不同。学术界普遍根据通信模型和容错类型对共识协议进行区分[32]，因此严格地说，区块链使用的共识协议需要解决的是部分同步（partial synchrony）模型[33]下的拜占庭容错问题。

区块链网络中主要包含PoX（poof of X）[34]、BFT（byzantine-fault tolerant）和 CFT（crash-fault tolerant）类基础共识协议。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，为了适应数据吞吐量、资源利用率和安全性的需求，人们又提出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PBFT、BFT-SMaRt、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。

非许可链和许可链的开放程度和容错需求存在差异，共识层面技术在两者之间产生了较大区别。具体而言，非许可链完全开放，需要抵御严重的拜占庭风险，多采用PoX、BFT类协议并配合奖惩机制实现共识。许可链拥有准入机制，网络中节点身份可知，一定程度降低了拜占庭风险，因此可采用BFT类协议、CFT类协议构建相同的信任模型[35]。

限于篇幅原因，本节仅以 PoW、PBFT、Raft为切入进行3类协议的分析。

1) PoX类协议

PoW也称为Nakamoto协议，是比特币及其衍生项目使用的核心共识协议，如图7所示。

图7

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图7

PoW协议示意

该协议在区块链头结构中加入随机数Nonce，并设计证明依据：为生成新区块，节点必须计算出合适的 Nonce 值，使新生成的区块头经过双重SHA256 运算后小于特定阈值。该协议的整体流程为：全网节点分别计算证明依据，成功求解的节点确定合法区块并广播，其余节点对合法区块头进行验证，若验证无误则与本地区块形成链状结构并转发，最终达到全网共识。PoW是随机性协议，任何节点都有可能求出依据，合法区块的不唯一将导致生成分支链，此时节点根据“最长链原则”选择一定时间内生成的最长链作为主链而抛弃其余分支链，从而使各节点数据最终收敛。

PoW协议采用随机性算力选举机制，实现拜占庭容错的关键在于记账权的争夺，目前寻找证明依据的方法只有暴力搜索，其速度完全取决于计算芯片的性能，因此当诚实节点数量过半，即“诚实算力”过半时，PoW便能使合法分支链保持最快的增长速度，也即保证主链一直是合法的。PoW是一种依靠饱和算力竞争纠正拜占庭错误的共识协议，关注区块产生、传播过程中的拜占庭容错，在保证防止双花攻击的同时也存在资源浪费、可扩展性差等问题。

2) BFT类协议

PBFT是 BFT经典共识协议，其主要流程如图8 所示。PBFT将节点分为主节点和副节点，其中主节点负责将交易打包成区块，副节点参与验证和转发，假设作恶节点数量为f。PBFT共识主要分为预准备、准备和接受3个阶段，主节点首先收集交易后排序并提出合法区块提案；其余节点先验证提案的合法性，然后根据区块内交易顺序依次执行并将结果摘要组播；各节点收到2f个与自身相同的摘要后便组播接受投票；当节点收到超过2f+1个投票时便存储区块及其产生的新状态[36]。

图8

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图8

PBFT协议示意

PBFT 协议解决消息传播过程的拜占庭容错，由于算法复杂度为 O(n2)且存在确定性的主节点选举规则，PBFT 仅适用于节点数量少的小型许可链系统。

3) CFT类协议

Raft[37]是典型的崩溃容错共识协议，以可用性强著称。Raft将节点分为跟随节点、候选节点和领导节点，领导节点负责将交易打包成区块，追随节点响应领导节点的同步指令，候选节点完成领导节点的选举工作。当网络运行稳定时，只存在领导节点和追随节点，领导节点向追随节点推送区块数据从而实现同步。节点均设置生存时间决定角色变化周期，领导节点的心跳信息不断重置追随节点的生存时间，当领导节点发生崩溃时，追随节点自动转化为候选节点并进入选举流程，实现网络自恢复。

Raft协议实现崩溃容错的关键在于领导节点的自选举机制，部分许可链选择降低可信需求，将拜占庭容错转换为崩溃容错，从而提升共识速度。

4) 奖惩机制

奖惩机制包括激励机制与惩罚策略，其中激励机制是为了弥补节点算力消耗、平衡协议运行收益比的措施，当节点能够在共识过程中获得收益时才会进行记账权的争夺，因此激励机制利用经济效益驱动各共识协议可持续运行。激励机制一般基于价值均衡理论设计，具有代表性的机制包括PPLNS、PPS等。为了实现收益最大化，节点可能采用不诚实的运行策略（如扣块攻击、自私挖矿等），损害了诚实节点的利益，惩罚策略基于博弈论等理论对节点进行惩罚，从而纠正不端节点的行为，维护共识可持续性。

5) 研究现状

随着可扩展性和性能需求的多样化发展，除了传统的BFT、CFT协议和PoX协议衍生研究，还产生了混合型协议（Hybrid）——主要为 PoX类协议混合以及PoX-BFT协议混合。因此本节从PoX类、BFT类以及Hybrid类协议归纳共识层研究进展。

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。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。PoRep（proof-of-replication）[41]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。

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。SCP[42]和Ripple[43]基于联邦拜占庭共识[44]——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[45]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。HotStuff[46]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[47]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。

Hybrid 类协议是研究趋势之一。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。PeerCensus[49]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。ByzCoin[50]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[51]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。

3.4 控制层

区块链节点基于对等通信网络与基础数据结构进行区块交互，通过共识协议实现数据一致，从而形成了全网统一的账本。控制层是各类应用与账本产生交互的中枢，如果将账本比作数据库，那么控制层提供了数据库模型，以及相应封装、操作的方法。具体而言，控制层由处理模型、控制合约和执行环境组成。处理模型从区块链系统的角度分析和描述业务/交易处理方式的差异。控制合约将业务逻辑转化为交易、区块、账本的具体操作。执行环境为节点封装通用的运行资源，使区块链具备稳定的可移植性。

1) 处理模型

账本用于存储全部或部分业务数据，那么依据该数据的分布特征可将处理模型分为链上（on-chain）和链下（off-chain）2种。

链上模型是指业务数据完全存储在账本中，业务逻辑通过账本的直接存取实现数据交互。该模型的信任基础建立在强关联性的账本结构中，不仅实现防篡改而且简化了上层控制逻辑，但是过量的资源消耗与庞大的数据增长使系统的可扩展性达到瓶颈，因此该模型适用于数据量小、安全性强、去中心化和透明程度高的业务。

链下模型是指业务数据部分或完全存储在账本之外，只在账本中存储指针以及其他证明业务数据存在性、真实性和有效性的数据。该模型以“最小化信任成本”为准则，将信任基础建立在账本与链下数据的证明机制中，降低账本构建成本。由于与公开的账本解耦，该模型具有良好的隐私性和可拓展性，适用于去中心化程度低、隐私性强、吞吐量大的业务。

2) 控制合约

区块链中控制合约经历了2个发展阶段，首先是以比特币为代表的非图灵完备的自动化脚本，用于锁定和解锁基于UTXO信息模型的交易，与强关联账本共同克服了双花等问题，使交易数据具备流通价值。其次是以以太坊为代表的图灵完备的智能合约，智能合约是一种基于账本数据自动执行的数字化合同，由开发者根据需求预先定义，是上层应用将业务逻辑编译为节点和账本操作集合的关键。智能合约通过允许相互不信任的参与者在没有可信第三方的情况下就复杂合同的执行结果达成协议，使合约具备可编程性，实现业务逻辑的灵活定义并扩展区块链的使用。

3) 执行环境

执行环境是指执行控制合约所需要的条件，主要分为原生环境和沙盒环境。原生环境是指合约与节点系统紧耦合，经过源码编译后直接执行，该方式下合约能经历完善的静态分析，提高安全性。沙盒环境为节点运行提供必要的虚拟环境，包括网络通信、数据存储以及图灵完备的计算/控制环境等，在虚拟机中运行的合约更新方便、灵活性强，其产生的漏洞也可能造成损失。

4) 研究现状

控制层的研究方向主要集中在可扩展性优化与安全防护2个方面。

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[52]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[53]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[54]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[55]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。区别于 OmniLedger，PolyShard[56]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[57]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[58]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。

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[59]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[60]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[61]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。

4 技术选型分析

区别于其他技术，区块链发展过程中最显著的特点是与产业界紧密结合，伴随着加密货币和分布式应用的兴起，业界出现了许多区块链项目。这些项目是区块链技术的具体实现，既有相似之处又各具特点，本节将根据前文所述层次化结构对比特币、以太坊和超级账本Fabric项目进行分析，然后简要介绍其他代表性项目并归纳和对比各项目的技术选型及特点。

4.1 比特币

比特币是目前规模最大、影响范围最广的非许可链开源项目。图9为比特币项目以账本为核心的运行模式，也是所有非许可链项目的雏形。比特币网络为用户提供兑换和转账业务，该业务的价值流通媒介由账本确定的交易数据——比特币支撑。为了保持账本的稳定和数据的权威性，业务制定奖励机制，即账本为节点产生新的比特币或用户支付比特币，以此驱动节点共同维护账本。

图9

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图9

比特币运行模式

比特币网络主要由2种节点构成：全节点和轻节点。全节点是功能完备的区块链节点，而轻节点不存储完整的账本数据，仅具备验证与转发功能。全节点也称为矿工节点，计算证明依据的过程被称为“挖矿”，目前全球拥有近 1 万个全节点；矿池则是依靠奖励分配策略将算力汇集起来的矿工群；除此之外，还有用于存储私钥和地址信息、发起交易的客户端（钱包）。

1) 网络层

比特币在网络层采用非结构化方式组网，路由表呈现随机性。节点间则采用多点传播方式传递数据，曾基于Gossip协议实现，为提高网络的抗匿名分析能力改为基于Diffusion协议实现[33]。节点利用一系列控制协议确保链路的可用性，包括版本获取（Vetsion/Verack）、地址获取（Addr/GetAddr）、心跳信息（PING/PONG）等。新节点入网时，首先向硬编码 DNS 节点（种子节点）请求初始节点列表；然后向初始节点随机请求它们路由表中的节点信息，以此生成自己的路由表；最后节点通过控制协议与这些节点建立连接，并根据信息交互的频率更新路由表中节点时间戳，从而保证路由表中的节点都是活动的。交互逻辑层为建立共识交互通道，提供了区块获取（GetBlock）、交易验证（MerkleBlock）、主链选择（CmpctBlock）等协议；轻节点只需要进行简单的区块头验证，因此通过头验证（GetHeader/Header）协议和连接层中的过滤设置协议指定需要验证的区块头即可建立简单验证通路。在安全机制方面，比特币网络可选择利用匿名通信网络Tor作为数据传输承载，通过沿路径的层层数据加密机制来保护对端身份。

2) 数据层

比特币数据层面的技术选型已经被广泛研究，使用UTXO信息模型记录交易数据，实现所有权的简单、有效证明，利用 MKT、散列函数和时间戳实现区块的高效验证并产生强关联性。在加密机制方面，比特币采用参数为Secp256k1的椭圆曲线数字签名算法（ECDSA,elliptic curve digital signature algorithm）生成用户的公私钥，钱包地址则由公钥经过双重散列、Base58Check 编码等步骤生成，提高了可读性。

3) 共识层

比特币采用 PoW 算法实现节点共识，该算法证明依据中的阈值设定可以改变计算难度。计算难度由每小时生成区块的平均块数决定，如果生成得太快，难度就会增加。该机制是为了应对硬件升级或关注提升引起的算力变化，保持证明依据始终有效。目前该阈值被设定为10 min产出一个区块。除此之外，比特币利用奖惩机制保证共识的可持续运行，主要包括转账手续费、挖矿奖励和矿池分配策略等。

4) 控制层

比特币最初采用链上处理模型，并将控制语句直接记录在交易中，使用自动化锁定/解锁脚本验证UTXO模型中的比特币所有权。由于可扩展性和确认时延的限制，比特币产生多个侧链项目如Liquid、RSK、Drivechain等，以及链下处理项目Lightning Network等，从而优化交易速度。

4.2 以太坊

以太坊是第一个以智能合约为基础的可编程非许可链开源平台项目，支持使用区块链网络构建分布式应用，包括金融、音乐、游戏等类型；当满足某些条件时，这些应用将触发智能合约与区块链网络产生交互，以此实现其网络和存储功能，更重要的是衍生出更多场景应用和价值产物，例如以太猫，利用唯一标识为虚拟猫赋予价值；GitCoin，众筹软件开发平台等。

1) 网络层

以太坊底层对等网络协议簇称为DEVP2P，除了满足区块链网络功能外，还满足与以太坊相关联的任何联网应用程序的需求。DEVP2P将节点公钥作为标识，采用 Kademlia 算法计算节点的异或距离，从而实现结构化组网。DEVP2P主要由3种协议组成：节点发现协议RLPx、基础通信协议Wire和扩展协议Wire-Sub。节点间基于Gossip实现多点传播；新节点加入时首先向硬编码引导节点（bootstrap node）发送入网请求；然后引导节点根据Kademlia 算法计算与新节点逻辑距离最近的节点列表并返回；最后新节点向列表中节点发出握手请求，包括网络版本号、节点ID、监听端口等，与这些节点建立连接后则使用Ping/Pong机制保持连接。Wire子协议构建了交易获取、区块同步、共识交互等逻辑通路，与比特币类似，以太坊也为轻量级钱包客户端设计了简易以太坊协议（LES,light ethereum subprotocol）及其变体PIP。安全方面，节点在RLPx协议建立连接的过程中采用椭圆曲线集成加密方案（ECIES）生成公私钥，用于传输共享对称密钥，之后节点通过共享密钥加密承载数据以实现数据传输保护。

2) 数据层

以太坊通过散列函数维持区块的关联性，采用MPT实现账户状态的高效验证。基于账户的信息模型记录了用户的余额及其他 ERC 标准信息，其账户类型主要分为2类：外部账户和合约账户；外部账户用于发起交易和创建合约，合约账户用于在合约执行过程中创建交易。用户公私钥的生成与比特币相同，但是公钥经过散列算法Keccak-256计算后取20 B作为外部账户地址。

3) 共识层

以太坊采用 PoW 共识，将阈值设定为 15 s产出一个区块，计划在未来采用PoS或Casper共识协议。较低的计算难度将导致频繁产生分支链，因此以太坊采用独有的奖惩机制——GHOST 协议，以提高矿工的共识积极性。具体而言，区块中的散列值被分为父块散列和叔块散列，父块散列指向前继区块，叔块散列则指向父块的前继。新区块产生时，GHOST 根据前 7 代区块的父/叔散列值计算矿工奖励，一定程度弥补了分支链被抛弃时浪费的算力。

4) 控制层

每个以太坊节点都拥有沙盒环境 EVM，用于执行Solidity语言编写的智能合约；Solidity语言是图灵完备的，允许用户方便地定义自己的业务逻辑，这也是众多分布式应用得以开发的前提。为优化可扩展性，以太坊拥有侧链项目 Loom、链下计算项目Plasma，而分片技术已于2018年加入以太坊源码。

4.3 超级账本Fabric

超级账本是Linux基金会旗下的开源区块链项目，旨在提供跨行业区块链解决方案。Fabric 是超级账本子项目之一，也是影响最广的企业级可编程许可链项目；在已知的解决方案中，Fabric 被应用于供应链、医疗和金融服务等多种场景。

1) 网络层

Fabric 网络以组织为单位构建节点集群，采用混合式对等网络组网；每个组织中包括普通节点和锚节点（anchor peer），普通节点完成组织内的消息路由，锚节点负责跨组织的节点发现与消息路由。Fabric网络传播层基于Gossip实现，需要使用配置文件初始化网络，网络生成后各节点将定期广播存活信息，其余节点根据该信息更新路由表以保持连接。交互逻辑层采用多通道机制，即相同通道内的节点才能进行状态信息交互和区块同步。Fabric 为许可链，因此在网络层采取严苛的安全机制：节点被颁发证书及密钥对，产生PKI-ID进行身份验证；可选用 TLS 双向加密通信；基于多通道的业务隔离；可定义策略指定通道内的某些节点对等传输私有数据。

2) 数据层

Fabric的区块中记录读写集（read-write set）描述交易执行时的读写过程。该读写集用于更新状态数据库，而状态数据库记录了键、版本和值组成的键值对，因此属于键值对信息模型。一方面，散列函数和 MerkleTree 被用作高效关联结构的实现技术；另一方面，节点还需根据键值验证状态数据库与读写集中的最新版本是否一致。许可链场景对匿名性的要求较低，但对业务数据的隐私性要求较高，因此Fabric 1.2版本开始提供私有数据集（PDC,private data collection）功能。

3) 共识层

Fabric在0.6版本前采用PBFT 共识协议，但是为了提高交易吞吐量，Fabric 1.0 选择降低安全性，将共识过程分解为排序和验证2种服务，排序服务采用CFT类协议Kafka、Raft（v1.4之后）完成，而验证服务进一步分解为读写集验证与多签名验证，最大程度提高了共识速度。由于Fabric针对许可链场景，参与方往往身份可知且具有相同的合作意图，因此规避了节点怠工与作恶的假设，不需要奖惩机制调节。

4) 控制层

Fabric 对于扩展性优化需求较少，主要得益于共识层的优化与许可链本身参与节点较少的前提，因此主要采用链上处理模型，方便业务数据的存取；而 PDC 中仅将私有数据散列值上链的方式则属于链下处理模型，智能合约可以在本地进行数据存取。Fabric 节点采用模块化设计，基于 Docker构建模块执行环境；智能合约在Fabric中被称为链码，使用GO、Javascript和Java语言编写，也是图灵完备的。

4.4 其他项目

除了上述3种区块链基础项目外，产业界还有许多具有代表性的项目，如表1所示。

5 区块链应用研究

区块链技术有助于降低金融机构间的审计成本，显著提高支付业务的处理速度及效率，可应用于跨境支付等金融场景。除此之外，区块链还应用于产权保护、信用体系建设、教育生态优化、食品安全监管、网络安全保障等非金融场景。

根据这些场景的应用方式以及区块链技术特点，可将区块链特性概括为如下几点。1) 去中心化。节点基于对等网络建立通信和信任背书，单一节点的破坏不会对全局产生影响。2) 不可篡改。账本由全体节点维护，群体协作的共识过程和强关联的数据结构保证节点数据一致且基本无法被篡改，进一步使数据可验证和追溯。3) 公开透明。除私有数据外，链上数据对每个节点公开，便于验证数据的存在性和真实性。4) 匿名性。多种隐私保护机制使用户身份得以隐匿，即便如此也能建立信任基础。5) 合约自治。预先定义的业务逻辑使节点可以基于高可信的账本数据实现自治，在人-人、人-机、机-机交互间自动化执行业务。

鉴于上述领域的应用在以往研究中均有详细描述，本文将主要介绍区块链在智慧城市、边缘计算和人工智能领域的前沿应用研究现状。

表1

代表性区块链项目

技术选型CordaQuorumLibraBlockstackFilecoinZcash控制合约Kotlin,JavaGOMoveClarity非图灵完备非图灵完备非图灵完备执行环境JVMEVMMVM源码编译源码编译源码编译处理模型链上链上/链下（私有数据）链上链下（虚拟链）链下（IPFS）链上奖惩机制——Libra coinsStacks tokenFilecoinZcash/Turnstiles共识算法Notary 机制/RAFT,BFT-SMaRtQuorum-Chain,RAFTLibraBFTTunable Proofs,proof-of-burnPoRep,PoETPoW信息模型UTXO基于账户基于账户基于账户基于账户UTXO关联验证结构散列算法MKT散列算法MPT散列算法MKT散列算法Merklized Adaptive Radix Forest (MARF)散列算法MKT散列算法MKT加密机制Tear-offs机制、混合密钥基于EnclaveSHA3-256/EdDSA基于Gaia/Blockstack AuthSECP256K1/BLSzk-SNARK组网方式混合型结构化混合型无结构结构化/无结构无结构通信机制AMQP1.0/单点传播Wire/GossipNoise-ProtocolFramework/GossipAtlas/GossipLibp2p/GossipBitcoin-Core/Gossip安全机制Corda加密套件/TLS证书/HTTPSDiffie-HellmanSecure BackboneTLSTor区块链类型许可链许可链许可链非许可链非许可链非许可链特点只允许对实际参与给定交易的各方进行信息访问和验证功能基于以太坊网络提供公共交易和私有交易2种交互渠道稳定、快速的交易网络剔除中心服务商的、可扩展的分布式数据存储设施，旨在保护隐私数据激励机制驱动的存储资源共享生态基于比特币网络提供零知识证明的隐私保护应用场景金融业务平台分布式应用加密货币互联网基础设施文件存储与共享加密货币

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5.1 智慧城市

智慧城市是指利用 ICT 优化公共资源利用效果、提高居民生活质量、丰富设施信息化能力的研究领域，该领域包括个人信息管理、智慧医疗、智慧交通、供应链管理等具体场景。智慧城市强调居民、设施等各类数据的采集、分析与使能，数据可靠性、管理透明化、共享可激励等需求为智慧城市带来了许多技术挑战。区块链去中心化的交互方式避免了单点故障、提升管理公平性，公开透明的账本保证数据可靠及可追溯性，多种匿名机制利于居民隐私的保护，因此区块链有利于问题的解决。Hashemi等[62]将区块链用于权限数据存储，构建去中心化的个人数据接入控制模型；Bao等[63]利用区块链高效认证和管理用户标识，保护车主的身份、位置、车辆信息等个人数据。

5.2 边缘计算

边缘计算是一种将计算、存储、网络资源从云平台迁移到网络边缘的分布式信息服务架构，试图将传统移动通信网、互联网和物联网等业务进行深度融合，减少业务交付的端到端时延，提升用户体验。安全问题是边缘计算面临的一大技术挑战，一方面，边缘计算的层次结构中利用大量异构终端设备提供用户服务，这些设备可能产生恶意行为；另一方面，服务迁移过程中的数据完整性和真实性需要得到保障。区块链在这种复杂的工作环境和开放的服务架构中能起到较大作用。首先，区块链能够在边缘计算底层松散的设备网络中构建不可篡改的账本，提供设备身份和服务数据验证的依据。其次，设备能在智能合约的帮助下实现高度自治，为边缘计算提供设备可信互操作基础。Samaniego等[64]提出了一种基于区块链的虚拟物联网资源迁移架构，通过区块链共享资源数据从而保障安全性。Stanciu[65]结合软件定义网络（SDN）、雾计算和区块链技术提出分布式安全云架构，解决雾节点中SDN控制器流表策略的安全分发问题。Ziegler等[66]基于 Plasma 框架提出雾计算场景下的区块链可扩展应用方案，提升雾计算网关的安全性。

5.3 人工智能

人工智能是一类智能代理的研究，使机器感知环境/信息，然后进行正确的行为决策，正确是指达成人类预定的某些目标。人工智能的关键在于算法，而大部分机器学习和深度学习算法建立于体积庞大的数据集和中心化的训练模型之上，该方式易受攻击或恶意操作使数据遭到篡改，其后果为模型的不可信与算力的浪费。此外，数据采集过程中无法确保下游设备的安全性，无法保证数据来源的真实性与完整性，其后果将在自动驾驶等场景中被放大。区块链不可篡改的特性可以实现感知和训练过程的可信。另外，去中心化和合约自治特性为人工智能训练工作的分解和下放奠定了基础，保障安全的基础上提高计算效率。Kim等[67]利用区块链验证联合学习框架下的分发模型的完整性，并根据计算成本提供相应的激励，优化整体学习效果。Bravo-Marquez 等[68]提出共识机制“学习证明”以减轻PoX类共识的计算浪费，构建公共可验证的学习模型和实验数据库。

6 技术挑战与研究展望

6.1 层次优化与深度融合

区块链存在“三元悖论”——安全性、扩展性和去中心化三者不可兼得，只能依靠牺牲一方的效果来满足另外两方的需求。以比特币为代表的公链具有较高的安全性和完全去中心化的特点，但是资源浪费等问题成为拓展性优化的瓶颈。尽管先后出现了PoS、BFT等共识协议优化方案，或侧链、分片等链上处理模型，或Plasma、闪电网络等链下扩展方案，皆是以部分安全性或去中心化为代价的。因此，如何将区块链更好地推向实际应用很大程度取决于三元悖论的解决，其中主要有2种思路。

1) 层次优化

区块链层次化结构中每层都不同程度地影响上述3种特性，例如网络时延、并行读写效率、共识速度和效果、链上/链下模型交互机制的安全性等，对区块链的优化应当从整体考虑，而不是单一层次。

网络层主要缺陷在于安全性，可拓展性则有待优化。如何防御以 BGP 劫持为代表的网络攻击将成为区块链底层网络的安全研究方向[19]。信息中心网络将重塑区块链基础传输网络，通过请求聚合和数据缓存减少网内冗余流量并加速通信传输[69]。相比于数据层和共识层，区块链网络的关注度较低，但却是影响安全性、可拓展性的基本因素。

数据层的优化空间在于高效性，主要为设计新的数据验证结构与算法。该方向可以借鉴计算机研究领域的多种数据结构理论与复杂度优化方法，寻找适合区块链计算方式的结构，甚至设计新的数据关联结构。实际上相当一部分项目借鉴链式结构的思想开辟新的道路，例如压缩区块空间的隔离见证、有向无环图（DAG）中并行关联的纠缠结构（Tangle），或者Libra项目采用的状态树。

共识机制是目前研究的热点，也是同时影响三元特性的最难均衡的层次。PoW牺牲可拓展性获得完全去中心化和安全性，PoS高效的出块方式具备可扩展性但产生了分叉问题，POA结合两者做到了3种特性的均衡。以此为切入的Hybrid类共识配合奖惩机制的机动调节取得了较好效果，成为共识研究的过渡手段，但是如何做到三元悖论的真正突破还有待研究。

控制层面是目前可扩展性研究的热点，其优势在于不需要改变底层的基础实现，能够在短期内应用，集中在产业界的区块链项目中。侧链具有较好的灵活性但操作复杂度高，分片改进了账本结构但跨分片交互的安全问题始终存在，而链下处理模型在安全方面缺少理论分析的支撑。因此，三元悖论的解决在控制层面具有广泛的研究前景。

2) 深度融合

如果将层次优化称为横向优化，那么深度融合即为根据场景需求而进行的纵向优化。一方面，不同场景的三元需求并不相同，例如接入控制不要求完全去中心化，可扩展性也未遇到瓶颈，因此可采用BFT类算法在小范围构建联盟链。另一方面，区块链应用研究从简单的数据上链转变为链下存储、链上验证，共识算法从 PoW 转变为场景结合的服务证明和学习证明，此外，结合 5G 和边缘计算可将网络和计算功能移至网络边缘，节约终端资源。这意味着在严格的场景建模下，区块链的层次技术选型将与场景特点交叉创新、深度融合，具有较为广阔的研究前景。

6.2 隐私保护

加密货币以匿名性著称，但是区块链以非对称加密为基础的匿名体系不断受到挑战。反匿名攻击从身份的解密转变为行为的聚类分析，不仅包括网络流量的IP聚类，还包括交易数据的地址聚类、交易行为的启发式模型学习，因此大数据分析技术的发展使区块链隐私保护思路发生转变。已有Tor网络、混币技术、零知识证明、同态加密以及各类复杂度更高的非对称加密算法被提出，但是各方法仍有局限，未来将需要更为高效的方法。此外，随着区块链系统的可编程化发展，内部复杂性将越来越高，特别是智能合约需要更严格、有效的代码检测方法，例如匿名性检测、隐私威胁预警等。

6.3 工业区块链

工业区块链是指利用区块链夯实工业互联网中数据的流通和管控基础、促进价值转换的应用场景，具有较大的研究前景。

工业互联网是面向制造业数字化、网络化、智能化需求，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的重要基础设施。“工业互联网平台”是工业互联网的核心，通过全面感知、实时分析、科学决策、精准执行的逻辑闭环，实现工业全要素、全产业链、全价值链的全面贯通，培育新的模式和业态。

可以看到，工业互联网与物联网、智慧城市、消费互联网等场景应用存在内在关联，例如泛在连接、数据共享和分析、电子商务等，那么其学术问题与技术实现必然存在关联性。区块链解决了物联网中心管控架构的单点故障问题，克服泛在感知设备数据的安全性和隐私性挑战，为智慧城市场景的数据共享、接入控制等问题提供解决方法，为激励资源共享构建了新型互联网价值生态。尽管工业互联网作为新型的产业生态系统，其技术体系更复杂、内涵更丰富，但是不难想象，区块链同样有利于工业互联网的发展。

“平台+区块链”能够通过分布式数据管理模式，降低数据存储、处理、使用的管理成本，为工业用户在工业 APP 选择和使用方面搭建起更加可信的环境，实现身份认证及操作行为追溯、数据安全存储与可靠传递。能够通过产品设计参数、质量检测结果、订单信息等数据“上链”，实现有效的供应链全要素追溯与协同服务。能够促进平台间数据交易与业务协同，实现跨平台交易结算，带动平台间的数据共享与知识复用，促进工业互联网平台间互联互通。

当然，工业是关乎国计民生的产业，将区块链去中心化、匿名化等特性直接用于工业互联网是不可取的，因此需要研究工业区块链管理框架，实现区块链的可管可控，在一定范围内发挥其安全优势，并对工业互联网的运转提供正向激励。

7 结束语

区块链基于多类技术研究的成果，以低成本解决了多组织参与的复杂生产环境中的信任构建和隐私保护等问题，在金融、教育、娱乐、版权保护等场景得到了较多应用，成为学术界的研究热点。比特币的出现重塑了人们对价值的定义，伴随着产业界的呼声，区块链技术得到了快速发展，而遵循区块链层次化分析方法，能够直观地区别各项目的技术路线和特点，为优化区块链技术提供不同观察视角，并为场景应用的深度融合创造条件，促进后续研究。未来的发展中，区块链将成为更为基础的信任支撑技术，在产业互联网等更广阔的领域健康、有序地发展。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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How to make a mint:the cryptography of anonymous electronic cash

1997

... 加密货币的概念起源于一种基于盲签名（blind signature）的匿名交易技术[6]，最早的加密货币交易模型“electronic cash”[7]如图1所示. ...

Proofs of work and bread pudding protocols

1999

... 最早的加密货币构想将银行作为构建信任的基础，呈现中心化特点.此后，加密货币朝着去中心化方向发展，并试图用工作量证明（PoW,poof of work）[8]或其改进方法定义价值.比特币在此基础上，采用新型分布式账本技术保证被所有节点维护的数据不可篡改，从而成功构建信任基础，成为真正意义上的去中心化加密货币.区块链从去中心化加密货币发展而来，随着区块链的进一步发展，去中心化加密货币已经成为区块链的主要应用之一. ...

P2P 关键技术研究综述

2010

... 对等网络的体系架构可分为无结构对等网络、结构化对等网络和混合式对等网络[9]，根据节点的逻辑拓扑关系，区块链网络的组网结构也可以划分为上述3种，如图3所示. ...

P2P 关键技术研究综述

2010

Epidemic algorithms for replicated database maintenance

1988

... 传播层实现对等节点间数据的基本传输，包括2 种数据传播方式：单点传播和多点传播.单点传播是指数据在2个已知节点间直接进行传输而不经过其他节点转发的传播方式；多点传播是指接收数据的节点通过广播向邻近节点进行数据转发的传播方式，区块链网络普遍基于Gossip协议[10]实现洪泛传播.连接层用于获取节点信息，监测和改变节点间连通状态，确保节点间链路的可用性（availability）.具体而言，连接层协议帮助新加入节点获取路由表数据，通过定时心跳监测为节点保持稳定连接，在邻居节点失效等情况下为节点关闭连接等.交互逻辑层是区块链网络的核心，从主要流程上看，该层协议承载对等节点间账本数据的同步、交易和区块数据的传输、数据校验结果的反馈等信息交互逻辑，除此之外，还为节点选举、共识算法实施等复杂操作和扩展应用提供消息通路. ...

Information propagation in the bitcoin network

2013

... 随着近年来区块链网络的爆炸式发展以及开源特点，学术界开始关注大型公有链项目的网络状况，监测并研究它们的特点，研究对象主要为比特币网络.Decker等[11]设计和实现测量工具，分析传播时延数据、协议数据和地址数据，建模分析影响比特币网络性能的网络层因素，基于此提出各自的优化方法.Fadhil等[12]提出基于事件仿真的比特币网络仿真模型，利用真实测量数据验证模型的有效性，最后提出优化机制 BCBSN，旨在设立超级节点降低网络波动.Kaneko 等[13]将区块链节点分为共识节点和验证节点，其中共识节点采用无结构组网方式，验证节点采用结构化组网方式，利用不同组网方式的优点实现网络负载的均衡. ...

Locality based approach to improve propagation delay on the bitcoin peer-to-peer network

2017

DHT clustering for load balancing considering blockchain data size

2018

An analysis of anonymity in bitcoin using P2P network traffic

2014

Deanonymisation of clients in bitcoin P2P network

2014

Dandelion:redesigning the bitcoin network for anonymity

2017

... 匿名性是加密货币的重要特性之一，但从网络层视角看，区块链的匿名性并不能有效保证，因为攻击者可以利用监听并追踪 IP 地址的方式推测出交易之间、交易与公钥地址之间的关系，通过匿名隐私研究可以主动发掘安全隐患，规避潜在危害.Koshy 等[16,17]从网络拓扑、传播层协议和作恶模型3个方面对比特币网络进行建模，通过理论分析和仿真实验证明了比特币网络协议在树形组网结构下仅具备弱匿名性，在此基础上提出 Dandelion 网络策略以较低的网络开销优化匿名性，随后又提出 Dandelion++原理，以最优信息理论保证来抵抗大规模去匿名攻击. ...

Dandelion++:lightweight cryptocurrency networking with formal anonymity guarantees

2018

Eclipse attacks on Bitcoin’s peer-to-peer network

2015

... 区块链重点关注其数据层和共识层面机制，并基于普通网络构建开放的互联环境，该方式极易遭受攻击.为提高区块链网络的安全性，学术界展开研究并给出了相应的解决方案.Heilman 等[18]对比特币和以太坊网络实施日蚀攻击（eclipse attack）——通过屏蔽正确节点从而完全控制特定节点的信息来源，证实了该攻击的可行性.Apostolaki等[19]提出针对比特币网络的 BGP（border gateway protocal）劫持攻击，通过操纵自治域间路由或拦截域间流量来制造节点通信阻塞，表明针对关键数据的沿路攻击可以大大降低区块传播性能. ...

Hijacking bitcoin:routing attacks on cryptocurrencies

2017

... 网络层主要缺陷在于安全性，可拓展性则有待优化.如何防御以 BGP 劫持为代表的网络攻击将成为区块链底层网络的安全研究方向[19].信息中心网络将重塑区块链基础传输网络，通过请求聚合和数据缓存减少网内冗余流量并加速通信传输[69].相比于数据层和共识层，区块链网络的关注度较低，但却是影响安全性、可拓展性的基本因素. ...

Improving authenticated dynamic dictionaries,with applications to cryptocurrencies

2017

... 高效验证的学术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，实际上 MKT 也是其中的一种.为了适应区块链数据的动态性（dynamical）并保持良好性能，学术界展开了研究.Reyzin等[20]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.Zhang等[21]提出GEM2-tree结构，并对其进行优化提出 GEM2כ-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. ...

GEM^2-tree:a gas-efficient structure for authenticated range queries in blockchain

2019

An analysis of anonymity in the bitcoin system

2011

... 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.Reid等[22]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.Meiklejohn等[23]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.Awan 等[24]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. ...

A fistful of bitcoins:characterizing payments among men with no names

2013

Blockchain transaction analysis using dominant sets

2017

Increasing anonymity in bitcoin

2014

... 隐私保护方面，Saxena等[25]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.Miers 等[26]和 Sasson 等[27]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.非对称加密是区块链数据安全的核心，但在量子计算面前却显得“捉襟见肘”，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. ...

Zerocoin:anonymous distributed e-cash from bitcoin

2013

Zerocash:decentralized anonymous payments from bitcoin

2014

A anti-quantum transaction authentication approach in blockchain

2018

The sybil attack

2002

... 区块链网络中每个节点必须维护完全相同的账本数据，然而各节点产生数据的时间不同、获取数据的来源未知，存在节点故意广播错误数据的可能性，这将导致女巫攻击[29]、双花攻击[30]等安全风险；除此之外，节点故障、网络拥塞带来的数据异常也无法预测.因此，如何在不可信的环境下实现账本数据的全网统一是共识层解决的关键问题.实际上，上述错误是拜占庭将军问题（the Byzantine generals problem）[31]在区块链中的具体表现，即拜占庭错误——相互独立的组件可以做出任意或恶意的行为，并可能与其他错误组件产生协作，此类错误在可信分布式计算领域被广泛研究. ...

Double-spending fast payments in bitcoin

2012

The byzantine generals problem

1982

Consensus in the age of blockchains

... 状态机复制（state-machine replication）是解决分布式系统容错问题的常用理论.其基本思想为：任何计算都表示为状态机，通过接收消息来更改其状态.假设一组副本以相同的初始状态开始，并且能够就一组公共消息的顺序达成一致，那么它们可以独立进行状态的演化计算，从而正确维护各自副本之间的一致性.同样，区块链也使用状态机复制理论解决拜占庭容错问题，如果把每个节点的数据视为账本数据的副本，那么节点接收到的交易、区块即为引起副本状态变化的消息.状态机复制理论实现和维持副本的一致性主要包含2个要素：正确执行计算逻辑的确定性状态机和传播相同序列消息的共识协议.其中，共识协议是影响容错效果、吞吐量和复杂度的关键，不同安全性、可扩展性要求的系统需要的共识协议各有不同.学术界普遍根据通信模型和容错类型对共识协议进行区分[32]，因此严格地说，区块链使用的共识协议需要解决的是部分同步（partial synchrony）模型[33]下的拜占庭容错问题. ...

Consensus in the presence of partial synchrony

1988

... 比特币在网络层采用非结构化方式组网，路由表呈现随机性.节点间则采用多点传播方式传递数据，曾基于Gossip协议实现，为提高网络的抗匿名分析能力改为基于Diffusion协议实现[33].节点利用一系列控制协议确保链路的可用性，包括版本获取（Vetsion/Verack）、地址获取（Addr/GetAddr）、心跳信息（PING/PONG）等.新节点入网时，首先向硬编码 DNS 节点（种子节点）请求初始节点列表；然后向初始节点随机请求它们路由表中的节点信息，以此生成自己的路由表；最后节点通过控制协议与这些节点建立连接，并根据信息交互的频率更新路由表中节点时间戳，从而保证路由表中的节点都是活动的.交互逻辑层为建立共识交互通道，提供了区块获取（GetBlock）、交易验证（MerkleBlock）、主链选择（CmpctBlock）等协议；轻节点只需要进行简单的区块头验证，因此通过头验证（GetHeader/Header）协议和连接层中的过滤设置协议指定需要验证的区块头即可建立简单验证通路.在安全机制方面，比特币网络可选择利用匿名通信网络Tor作为数据传输承载，通过沿路径的层层数据加密机制来保护对端身份. ...

Bitcoin and beyond:a technical survey on decentralized digital currencies

2016

... 区块链网络中主要包含PoX（poof of X）[34]、BFT（byzantine-fault tolerant）和 CFT（crash-fault tolerant）类基础共识协议.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，为了适应数据吞吐量、资源利用率和安全性的需求，人们又提出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PBFT、BFT-SMaRt、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. ...

Blockchains consensus protocols in the wild

2017

... 非许可链和许可链的开放程度和容错需求存在差异，共识层面技术在两者之间产生了较大区别.具体而言，非许可链完全开放，需要抵御严重的拜占庭风险，多采用PoX、BFT类协议并配合奖惩机制实现共识.许可链拥有准入机制，网络中节点身份可知，一定程度降低了拜占庭风险，因此可采用BFT类协议、CFT类协议构建相同的信任模型[35]. ...

Practical byzantine fault tolerance and proactive recovery

2002

... PBFT是 BFT经典共识协议，其主要流程如图8 所示.PBFT将节点分为主节点和副节点，其中主节点负责将交易打包成区块，副节点参与验证和转发，假设作恶节点数量为f.PBFT共识主要分为预准备、准备和接受3个阶段，主节点首先收集交易后排序并提出合法区块提案；其余节点先验证提案的合法性，然后根据区块内交易顺序依次执行并将结果摘要组播；各节点收到2f个与自身相同的摘要后便组播接受投票；当节点收到超过2f+1个投票时便存储区块及其产生的新状态[36]. ...

In search of an understandable consensus algorithm

2015

... Raft[37]是典型的崩溃容错共识协议，以可用性强著称.Raft将节点分为跟随节点、候选节点和领导节点，领导节点负责将交易打包成区块，追随节点响应领导节点的同步指令，候选节点完成领导节点的选举工作.当网络运行稳定时，只存在领导节点和追随节点，领导节点向追随节点推送区块数据从而实现同步.节点均设置生存时间决定角色变化周期，领导节点的心跳信息不断重置追随节点的生存时间，当领导节点发生崩溃时，追随节点自动转化为候选节点并进入选举流程，实现网络自恢复. ...

Proofs of useful work

2017

... 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.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.PoRep（proof-of-replication）[41]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. ...

Comparative analysis of blockchain consensus algorithms

2018

Ouroboros:a provably secure proof-of-stake blockchain protocol

2017

Tight proofs of space and replication

A vademecum on blockchain technologies:when,which,and how

2019

... 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.SCP[42]和Ripple[43]基于联邦拜占庭共识[44]——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[45]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.HotStuff[46]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[47]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. ...

A survey on consensus mechanisms and mining strategy management in blockchain networks

2019

Formal modeling and verification of a federated byzantine agreement algorithm for blockchain platforms

2019

An overview of blockchain technology:architecture,consensus,and future trends

2017

HotStuff:BFT consensus in the lens of blockchain

2019

Libra critique towards global decentralized financial system

2019

Proof of activity:extending bitcoin’s proof of work via proof of stake

... Hybrid 类协议是研究趋势之一.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.PeerCensus[49]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.ByzCoin[50]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[51]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. ...

Bitcoin meets strong consistency

Enhancing bitcoin security and performance with strong consistency via collective signing

2016

Casper the friendly finality gadget

Bitcoin and beyond:a technical survey on decentralized digital currencies

2016

... 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[52]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[53]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[54]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[55]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.区别于 OmniLedger，PolyShard[56]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[57]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[58]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. ...

Non-interactive proofs of proof-of-work

A secure sharding protocol for open blockchains

2016

OmniLedger:a secure,scale-out,decentralized ledger via sharding

2018

PolyShard:coded sharding achieves linearly scaling efficiency and security simultaneously

A survey on the scalability of blockchain systems

2019

Scalable funding of bitcoin micropayment channel networks

2017

Making smart contracts smarter

2016

... 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[59]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[60]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[61]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. ...

Vandal:a scalable security analysis framework for smart contracts

2018

ContractFuzzer:fuzzing smart contracts for vulnerability detection

2018

Decentralized user-centric access control using pubsub over blockchain

2017

... 智慧城市是指利用 ICT 优化公共资源利用效果、提高居民生活质量、丰富设施信息化能力的研究领域，该领域包括个人信息管理、智慧医疗、智慧交通、供应链管理等具体场景.智慧城市强调居民、设施等各类数据的采集、分析与使能，数据可靠性、管理透明化、共享可激励等需求为智慧城市带来了许多技术挑战.区块链去中心化的交互方式避免了单点故障、提升管理公平性，公开透明的账本保证数据可靠及可追溯性，多种匿名机制利于居民隐私的保护，因此区块链有利于问题的解决.Hashemi等[62]将区块链用于权限数据存储，构建去中心化的个人数据接入控制模型；Bao等[63]利用区块链高效认证和管理用户标识，保护车主的身份、位置、车辆信息等个人数据. ...

Pseudonym management through blockchain:cost-efficient privacy preservation on intelligent transportation systems

2019

Hosting virtual IoT resources on edge-hosts with blockchain

2016

... 边缘计算是一种将计算、存储、网络资源从云平台迁移到网络边缘的分布式信息服务架构，试图将传统移动通信网、互联网和物联网等业务进行深度融合，减少业务交付的端到端时延，提升用户体验.安全问题是边缘计算面临的一大技术挑战，一方面，边缘计算的层次结构中利用大量异构终端设备提供用户服务，这些设备可能产生恶意行为；另一方面，服务迁移过程中的数据完整性和真实性需要得到保障.区块链在这种复杂的工作环境和开放的服务架构中能起到较大作用.首先，区块链能够在边缘计算底层松散的设备网络中构建不可篡改的账本，提供设备身份和服务数据验证的依据.其次，设备能在智能合约的帮助下实现高度自治，为边缘计算提供设备可信互操作基础.Samaniego等[64]提出了一种基于区块链的虚拟物联网资源迁移架构，通过区块链共享资源数据从而保障安全性.Stanciu[65]结合软件定义网络（SDN）、雾计算和区块链技术提出分布式安全云架构，解决雾节点中SDN控制器流表策略的安全分发问题.Ziegler等[66]基于 Plasma 框架提出雾计算场景下的区块链可扩展应用方案，提升雾计算网关的安全性. ...

Blockchain based distributed control system for edge computing

2017

Integration of fog computing and blockchain technology using the plasma framework

2019

Blockchained on-device federated learning

2018

... 人工智能是一类智能代理的研究，使机器感知环境/信息，然后进行正确的行为决策，正确是指达成人类预定的某些目标.人工智能的关键在于算法，而大部分机器学习和深度学习算法建立于体积庞大的数据集和中心化的训练模型之上，该方式易受攻击或恶意操作使数据遭到篡改，其后果为模型的不可信与算力的浪费.此外，数据采集过程中无法确保下游设备的安全性，无法保证数据来源的真实性与完整性，其后果将在自动驾驶等场景中被放大.区块链不可篡改的特性可以实现感知和训练过程的可信.另外，去中心化和合约自治特性为人工智能训练工作的分解和下放奠定了基础，保障安全的基础上提高计算效率.Kim等[67]利用区块链验证联合学习框架下的分发模型的完整性，并根据计算成本提供相应的激励，优化整体学习效果.Bravo-Marquez 等[68]提出共识机制“学习证明”以减轻PoX类共识的计算浪费，构建公共可验证的学习模型和实验数据库. ...

Proof-of- learning:a blockchain consensus mechanism based on machine learning competitions

2019

基于命名数据网络的区块链信息传输机制

2018

基于命名数据网络的区块链信息传输机制

2018

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电话：010-53878169、53859522、53878236 电子邮件：xuebao@ptpress.com.cn; txxb@bjxintong.com.cn

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从技术角度告诉你，区块链到底有哪些特点和运作机制_区块链技术的特点分析-CSDN博客

从技术角度告诉你，区块链到底有哪些特点和运作机制

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从技术角度告诉你，区块链到底有哪些特点和运作机制

王思宇 • 2016-06-28 13:18

摘要：区块链技术的核心是实现了沿时间轴记录数据与合约，并且一旦写入，就只能读取，不能修改和删除。

自从今年1月20日，中国人民银行在数字货币研讨会上表示高度重视区块链（Blockchain）等技术带来的新机遇和挑战，并争取早日推出央行发行的数字货币[1]以来，区块链的概念在国内越发火热，吸引了金融机构空前的关注。

这份报告是爱就投与研究中心第一次关于区块链技术的研究结果，参考了来自投行、咨询机构的多份研究报告，并结合爱就投项目经理与国内区块链创业者的交流整理而成。

技术篇介绍区块链的技术特点和运作机制，并说明相关的重要技术概念；应用篇结合其在金融和非金融领域的应用案例，分析区块链的应用场景和市场前景。

作者认为，区块链技术的核心是沿时间轴记录数据与合约，并且只能读取和写入，不能修改和删除。在应用层面，区块链的安全、透明、高效3大优势，使其特别有助于规范互联网金融的发展，以及促进物联网和共享经济的普及与创新；在资本市场，采用分布式数据库和智能合约还可以大幅减少人工核对工作，为金融机构节省成本。

一．区块链的技术特点

区块链是一种共享的分布式数据库技术[2]。尽管不同报告中对区块链的一句话介绍措辞都不相同，但以下4个技术特点是共识性的[3]。

1. 去中心化（Decentralized）：图1的左侧描述了当今金融系统的中心化特征，右侧描述的是正在形成的去中心化金融系统，其没有中介机构，所有节点的权利和义务都相等，任一节点停止工作都会不影响系统整体的运作[4]；

图1，出自花旗报告Digital Disruption: How FinTech is Forcing Banking to a Tipping Point [4]

2. 去信任（Trustless）：系统中所有节点之间无需信任也可以进行交易，因为数据库和整个系统的运作是公开透明的，在系统的规则和时间范围内，节点之间无法欺骗彼此；

3. 集体维护（Collectively Maintain）：系统是由其中所有具有维护功能的节点共同维护的，系统中所有人共同参与维护工作；

4. 可靠数据库（Reliable Database）：系统中每一个节点都拥有最新的完整数据库拷贝，修改单个节点的数据库是无效的，因为系统会自动比较，认为最多次出现的相同数据记录为真。

图2，出自高盛报告Blockchain: Putting Theory into Practice [2]

图2为简化起见，仅展示了6处保留数据库副本的节点；在3个交易序列中，前2个交易的数据和签名得到了所有6个节点的验证，但第三个交易的位置5没有通过验证，将被其它节点的“一致意见”更改[2]。

二．公有链、私有链、侧链

区块链按照访问和管理权限可以分为公有链（Public Blockchain）和私有链或联盟链（Private Blockchain）。公有链是完全开放的区块链，全世界的人都可以参与系统维护工作，这使得公有链还具有以下2个特点[3]。

1. 开源（Open Source）：由于整个系统的运作规则公开透明，这个系统是开源系统；

2. 匿名（Anonymity）：由于节点之间无需信任彼此，所有节点也无需公开身份，系统中每一个节点的匿名和隐私都受到保护。

私有链或联盟链在开放程度和去中心化程度方面有所限制[5]，参与者需要被提前筛选，数据库的读取权限可能是公开的，也可能像写入权限一样只限于系统的参与者[6]。

公有链的典型代表是比特币区块链，任何人都可以通过交易或挖矿读取和写入数据[7]。私有链或联盟链的典型案例是Ripple和R3 CEV，前者目前为属于联盟成员的银行类金融机构提供跨境支付服务，希望取代环球同业银行金融电讯协会（SWIFT）的跨境转账平台，打造全球统一的网络金融传输协议；后者旨在推动制定适合金融机构使用的区块链技术标准[8]。

侧链（Sidechains）是用于确认来自于其它区块链的数据的区块链，通过双向挂钩（Two Way Peg）机制使比特币、Ripple币等多种资产在不同区块链上以一定的汇率实现转移[9][10]。

图3，出自Blockstream Moves Ahead with Sidechain Elements. Giulio Prisco [10]

侧链进一步扩展了区块链技术的应用范围和创新空间，使区块链支持包括股票、债券、金融衍生品等在内的多种资产类型，以及小微支付、智能合约、安全处理机制、真实世界财产注册等；侧链还可以增强区块链的隐私保护[10][11]。

所谓“多种资产在不同区块链上转移”其实并不会实际发生。以比特币为例，侧链的运作机制是，将比特币暂时锁定在比特币区块链上，同时将辅助区块链上的等值数字货币解锁；当辅助区块链上的数字货币被锁定时，原先的比特币就被解锁[12]。

三．比特币区块链如何运作？

比特币网络从2009年1月开始至今，在没有专人维护的情况下已经平稳运行7年多，期间没有出现一次宕机。图4以Bob接收来自Alice的比特币的场景，详细描述了比特币区块链的工作方式，一并解释了涉及到的钱包和地址（Wallets and Addresses）、私钥和公钥（Private Key and Public Key）、加密哈希（Cryptographic Hashes）、随机数（Nonces）等概念[13]。

图4，出自A Guide to Bitcoin Mining. Alec Liu [13]

钱包和地址：

1. Bob和Alice的电脑上都有比特币钱包。2. 钱包是一种文件，可以让用户访问多个比特币地址。3. 一个地址是一串由字母和数字组成的字符串。4. 每一个地址都有自己的比特币余额。

新建一个地址：

5. Bob创建一个新的比特币地址，用于接收Alice的付款。

私钥和公钥：

6. 当Bob创建一个新地址时，他真正在做的是生成一个密钥对，由一个私钥和一个公钥组成。如果你使用私钥（只有你知道）对一个消息进行签名，它可以被对应的公钥（所有人都知道）所验证。Bob的新地址代表一个唯一的公钥，对应的私钥则保存在他的钱包里。公钥允许所有人来验证被私钥签名的消息的有效性。

7. 可以将地址看做银行账号，但工作方式稍有不同。比特币用户可以任意创建多个地址，并且被鼓励为每一个新的交易单独创建新地址，以增强隐私性。只要没有人知道哪些地址是Alice的，她的匿名就受到保护。

提交一个支付：

8. Alice告诉她的比特币客户端，她要向Bob的收款地址转账。9. Alice的钱包里有她的每一个比特币地址的私钥。比特币客户端用Alice此次使用的付款地址的私钥，对她的这一交易申请进行签名。10. 此时，网络上的任何人都可以使用公钥来验证，这个交易申请实际来自一个合法的账户所有者。

验证交易：

11. Gary、Garth和Glenn都是比特币矿工。12. 他们的电脑将过去约10分钟内的交易打包成一个新的交易区块。13. 矿工的电脑被设置用于计算加密哈希（Cryptographic Hash）函数。14. 加密哈希函数将一个数据集转换成特定长度的包含字母和数字的字符串，称为哈希值。源数据的细微改变会彻底改变哈希值的结果。并且基本不可能预测初始的数据集将会产生的特定哈希值。

15. 为相同的数据创建不同的哈希值，比特币使用随机数来实现。随机数是在进行哈希计算之前，在数据中添加的随机数字。改变这个随机数会产生极不相同的哈希值。16. 每一个新的哈希值包含关于此前所有比特币交易的信息。17. 矿工的电脑基于前一个区块的哈希值、新交易区块和随机数，来计算新的哈希值。18. 创建哈希在计算上微不足道，但比特币系统要求新的哈希值拥有特定格式——必须以特定数量的0作为开始。

19. 矿工无法预测哪个随机数会产生以要求的数量的0作为开始的哈希值，所以他们被迫用不同的随机数创建很多哈希，直到获得有效的那一个。20. 每一个区块都包含一个名为coinbase的初始交易，这是给胜出矿工的50比特币的支付——在这个例子中是矿工Gary。Gray的钱包里生成了一个新地址，里面的余额是新挖到的比特币数量。

注：

只有在比特币发行的阶段1，每一个区块的coinbase支付给胜出矿工的新币是50个。从2009年1月3日创世区块诞生开始，新比特币的发行大约每4年减半，2012年11月28日，阶段2开始，每一个区块包含的新币减为25个，这是历史上第一次减半；预计今年7月11日，挖矿奖励会再次减半；直到第33次减半时，每一个区块从产生0.0021个新币直接减为0个，比特币的总量固定在将近2100万个[14][15]。

交易验证：

21. 随着时间流逝，Alice向Bob的转账被埋在了其它更近期的交易下面。任何人要想修改历史交易的细节，就必须重做一遍Gary的工作，然后再重做所有下一级矿工的工作，因为所有的改变都需要一个完全不同的胜出随机数。这样的操作几乎不可能成功。

四．双重支付如何解决？

以比特币为代表的数字货币，关键的创新是通过时间戳（Timestamp）和工作量证明（Proof of Work）机制解决双重支付（Double Spending）和拜占庭将军问题（Byzantine Generals’ Problem），即保证同一笔比特币不会同时出现在两个地址[7]，并且在信道可靠的基础上，所有节点都可以让其它节点接收到自己的真实意图，并最终一致行动[16]。

这一技术方案最早见于化名为中本聪（Satoshi Nakamoto）的个人或团体在2008年发表的论文Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System [17]。

在Bob接收来自Alice的比特币的场景中，一方面，这笔付款被广播给系统中所有节点，任何人都可以使用Bob的公钥来验证这个交易的合法性，如果Alice试图双重支付，就必须先删除这个交易记录，否则新交易无法通过验证。中本聪在论文中写道：

“时间戳服务器为一个区块的数据的哈希计算结果加上时间戳，并大范围发布这一哈希计算结果，好比在报纸或新闻网上发表。显然，时间戳证实这些数据一定在这一特定时间存在，只有这样才能得到哈希计算结果（A timestamp server works by taking a hash of a block of items to be timestamped and widely publishing the hash, such as in a newspaper or Usenet post. The timestamp proves that the data must have existed at the time, obviously, in order to get into the hash）”[17]。

另一方面，工作量证明机制使得生成下一个区块的节点和矿工几乎无法被预测到，所以删除交易记录几乎不可能。系统中的节点将过去约10分钟内的比特币交易进行打包，而只有获得有效哈希值的矿工才能生成新区块，并得到挖矿奖励；矿工除了打包比特币交易，还要结合随机数来完成有效哈希值的创建工作，获得以要求的数量的0作为开始的哈希值。

中本聪在论文中写道：

图5，出自中本聪论文Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System [17]

“工作量证明本质上是一CPU一票（Proof-of-work is essentially one-CPU-one-vote）”；

> “如果两个节点同时广播不同版本的新区块，那么一些节点会先收到其中一个的广播。在这种情况下，节点在先收到的区块基础上工作，并保留另外一个分支，以防后者变成较长的链。这个僵局要等到发现下一个工作量证明才能被打破，其中一条链将成为较长的链，在另一个分支上工作的节点将切换到较长的链上继续工作（If two nodes broadcast different versions of the next block simultaneously, some nodes may receive one or the other first. In that case, they work on the first one they received, but save the other branch in case it becomes longer. The tie will be broken when the next proof-of-work is found and one branch becomes longer; the nodes that were working on the other branch will then switch to the longer one）”；

“节点永远认为最长的链是正确的链，并将持续在它上面延长（Nodes always consider the longest chain to be the correct one and will keep working on extending it）”[17]。

所以除非永久控制整个系统中超过一半的节点，才能阻止矿工把这个交易添加到新区块中。

最后，考虑到硬件运算速度的增长和节点参与程度的变化，中本聪用移动平均目标来确定工作量证明的难度，使得两个区块生成的时间间隔约为10分钟[17]。

五．区块链技术目前问题

区块链技术还处于不断完善的阶段，就其第一个应用的比特币来说，有3个主要问题正在被其它系统所完善或试图完善。

区块容量和交易速度限制中本聪设计比特币时，为区块设置了1MB的容量限制，使每一个区块只能容纳4096个交易；同时，工作量证明机制使得确认交易并将交易记录到区块链中需要约10分钟，当运算量达到极限时，运算时间就会放缓[18]。目前，比特币网络还没有成熟到可以将规模扩展至主要信用卡网络的程度，提高这一上限的工作正在进行中[19]。

另外，区块扩容已经成为迫切需求。曾有比特币核心开发者提出从Bitcoin Core切换到硬分叉链Bitcoin XT的方案，区块从1MB扩容至8MB，此后每2年翻倍。这一变动需要1000个连续区块中的750个包含矿工的变更批准。目前这一事件正在发展中[18]。

挖矿浪费巨大资源

2014年6月曾有工程师系统计算，在比特币全网计算能力为110,000,000 GH/S的情况下，整个网络的挖矿成本约为每年8亿美元，包括电力成本约7,071.2万美元和矿机投资约7.33亿美元[20]。

矿机投资方面，支持这样的算力大约需要36,670台KnCMiner海王星矿机，每台功率3,000GH，售价9,995美元，按照一年支出2次计算，结果约为7.33亿美元/年；电力成本方面，每日需要耗电80,666千瓦，按照每兆瓦100美元计算，结果约为7,071.2万美元/年。另外，这些矿机产生的二氧化碳为424,725吨/年[20]。

图6展示了从2014年6月到2016年6月，比特币网络计算能力的增长趋势，最高点的Hash Rate已经达到1,800,000,000 GH/S [21]。

图6 Hash Rate，出自Blockchain.info [21]

由于挖矿工作只为搜索到随机数以获得有效哈希值，并不产生其它价值，比特币网络的算力资源和消耗的电力成本被诟病为资源浪费[22]。其它系统改进这个问题的总思路是，减少其中参与维护工作的节点的数量，减轻挖矿竞争的激烈程度。具体有2种方式，一是采用私有链或联盟链，将“记账权”强制规定给某些节点；二是引入权益证明（Proof of Stake）机制，配合工作量证明来维护可靠数据库。

权益证明是一种对货币所有权的证明[23]，证明人需要提供一定数量的货币的所有权，系统根据每一个节点所占有的货币的比例和占有时间来确定“记账权”[22]；权益证明的核心是只让在区块链中具有经济利益的人参与系统的维护工作，这就使得挖矿的成本远低于工作量证明机制之下的挖矿成本[24]。

缺少图灵完备性

既然区块链可以保证比特币交易记录不被删改，理论上也可以保证任何代码一旦被写入，就不能删改。然而，比特币的脚本语言并不是图灵完备的，即不支持循环语句，意味着比特币只能作为数字货币，不能直接支持智能合约及更复杂的去中心化应用[25]。

区块链技术平台以太坊的脚本语言（Ethereum Virtual Machine code）就是图灵完备的；用EVM代码来建立应用，理论上可以实现任何可以想象的计算，包括无限循环[25]。以太坊实现了让任何人可以上传和执行任意的应用程序，并且程序的有效执行能得到保证[22]。

六．智能合约如何运作？

在英语里，Code这个单词既有“代码”的意思，也有“法典”的意思，这暗示了智能合约（Smart Contracts）的功能和意义。

智能合约是一种直接控制数字资产的电脑程序[26]。图7描述了基于比特币的智能合约的工作方式[27]，通过在区块链上写入类似if- then语句的程序，使得当预先编好的条件被触发时，程序自动触发支付及执行合约中的其它条款[28]。

图7，出自德勤报告Blockchain: Enigma. Paradox. Opportunity [27]

1. 多方之间的定期交付合同被以代码的形式写入区块链。其中的个体是匿名的，但合同记录在公共账本中。

2. 当扳机事件触发时，比如到期、执行价格达到，合约按照编程的条款自动执行。

3. 监管者可以通过这个区块链了解市场上的活动，同时维护个体成员的隐私。

Bob是接受数字货币支付的线上商家，Alice是使用数字货币进行支付的购物者，智能合约可以在去信任的情况下使Bob的商品与Alice的数字货币实现交换。Alice可以创建一个智能合约，将这样一段代码写入区块链：“如果我在24小时内收到这一商品，则我会将这笔数字货币发到寄件人的收款地址，并将这个商品寄给我的创建者，否则我将会将这笔数字货币发回给我的创建者”。

智能合约中的资产和资金没有拥有者（Owner），在这个例子中，当Alice把这笔数字货币加入智能合约，就无法通过修改这个合约把这笔数字货币拿回来，只能等待交易成功并收到Bob寄出的商品，或者24小时后交易没有成功，再收到自己的数字货币。

七．技术篇结论

以上介绍了区块链的技术特点及相关的数字货币、智能合约、侧链等的运作机制，并说明了相关的时间戳、工作量证明、权益证明、加密哈希等概念。区块链技术的核心是实现了沿时间轴记录数据与合约，并且一旦写入，就只能读取，不能修改和删除。

有一种较为主流的观点将区块链技术的演进分为1.0数字货币、2.0智能合约、3.0（Meta Technology）去中心化应用3个阶段[29]。应用篇将对这3类应用进行分析，并展望区块链的市场前景。

参考文献： [1] 中国人民银行数字货币研讨会在京召开网址：http://www.pbc.gov.cn/goutongjiaoliu/113456/113469/3008070/index.html [2] Blockchain: Putting Theory into Practice 高盛报告 [3] 什么是区块链网址：http://chainb.com/?P=Cont &id=6 [4] Digital Disruption: How FinTech is Forcing Banking to a Tipping Point 花旗报告 [5] 详解区块链——颠覆式创新技术申万宏源报告 [6] On Public and Private Blockchains 网址：https://blog.ethereum.org/2015/08/07/on-public-and-private-blockchains [7] Mastering Bitcoin: Unlocking Digital Cryptocurrencies 出版社：O’Reilly Media [8] 区块链——银行业游戏规则的颠覆者麦肯锡大中华区报告 [9] 论文Enabling Blockchain Innovations with Pegged Sidechains 网址：https://www.blockstream.com/sidechains.pdf [10] Blockstream Moves Ahead with Sidechain Elements, the First Implementation of Sidechains 网址：https://bitcoinmagazine.com/articles/blockstream-moves-ahead- sidechain-elements-first-implementation-sidechains-1433883105 [11] How Sidechains Work 网址：https://blockstream.com [12] Sidechains, Drivechains, and RSK 2-Way peg Design 网址：http://www.rootstock.io/blog/sidechains-drivechains-and-rsk-2-way-peg- design [13] A Guide to Bitcoin Mining: Why Someone Bought a

1,500BitcoinMineroneBayfor

20,600 网址：http://motherboard.vice.com/blog/a-guide-to-bitcoin- mining-why-someone-bought-a-1500-bitcoin-miner-on-ebay-for-20600 [14] 比特币总量为什么是2100万？网址：http://www.8btc.com/21million00 [15] 定于7月11日的比特币挖矿奖励减半日，中外看法大不相同网址：http://www.8btc.com/china- bitcoin-711-halving [16] 拜占庭将军问题深入探讨网址：http://www.8btc.com/baizhantingjiangjun [17] 论文Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System 网址：https://bitcoin.org/bitcoin.pdf [18] 区块链和数字货币系列报告之一申万宏源报告 [19] 比特币能否扩大规模成为一个主要的支付网络？网址：https://bitcoin.org/zh_CN/faq#can-bitcoin-scale- to-become-a-major-payment-network [20] Under the Microscope: Economic and Environmental Costs of Bitcoin Mining 网址：http://www.coindesk.com/microscope-economic-environmental-costs-bitcoin- mining [21] Hash Rate. Blockchain.info 网址：https://blockchain.info/charts/hash- rate?timespan=2year&showDataPoints=false&daysAverageString=1&show_header=true&scale=0&address= [22] 区块链：互联网的诗和远方安信证券报告 [23] PPC: 一种P2P（点对点）的权益证明(Proof of Stake)电子密码货币网址：http://8btc.com/thread-540-1-1.html [24] What Proof of Stake Is And Why It Matters 网址：https://bitcoinmagazine.com/articles/what-proof-of-stake-is-and-why-it- matters-1377531463 [25] [中文] 以太坊白皮书网址：https://github.com/ethereum/wiki/wiki/%5B%E4%B8%AD%E6%96%87%5D-%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E5%9D%8A%E7%99%BD%E7%9A%AE%E4%B9%A6 [26] Platform Review - Opportunities and Challenges for Private and Consortium Blockchains 以太坊报告（R3出版） [27] Blockchain: Enigma. Paradox. Opportunity 德勤报告 [28] 智能合约将使我们未来不需要银行和律师？网址：http://haogetalks.baijia.baidu.com/article/505826 [29] Blockchain: Blueprint for a New Economy 出版社：O’Reilly Media

http://www.tmtpost.com/2398844.html

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从技术角度告诉你，区块链到底有哪些特点和运作机制王思宇 • 2016-06-28 13:18摘要：区块链技术的核心是实现了沿时间轴记录数据与合约，并且一旦写入，就只能读取，不能修改和删除。自从今年1月20日，中国人民银行在数字货币研讨会上表示高度重视区块链（Blockchain）等技术带来的新机遇和挑战，并争取早日推出央行发行的数字货币[1]以来，区块链的概念在国内越发火

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专栏目录

区块链的特点和运作机制

01-29

初识区块链

Miracle.Zhao的博客

03-27

1万+

01 区块链概念

区块链可以借由密码学，串接并保护内容的串联交易记录（又称区块）。在区块链中，区块内容具有难以篡改的特性，每一个区块都包含了前一个区块的加密散列、相应时间戳记以及交易数据（通常用Hash树计算的散列值表示）。用区块链串接的分布式账本能让交易双方有效地记录交易，且可永久查验。

02 区块链原理

区块链技术可以认为是要解决互联网时代下的“拜占庭将军问题”，即在网络中的中心节点和信息传递通道都缺乏可信度的情况下，如何使网络中的各个节点达成共识。

区块链技术在去中心化、各节点无须事先信任的情

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