區塊鏈的關鍵技術、應用與挑戰，密碼學、共識機制、去中心化

作為一種新型的去中心化的分布式賬本技術，區塊鏈正以其去中心化、匿名性以及利用計算機科學建立信任機制等特點，顛覆現有的生產關系，為金融、產權、供應鏈等諸多行業提供變革和增長的機會。不過，區塊鏈在發展的過程中，也暴露出了不少問題，受到業界質疑，如它的技術尚未成熟，不能支持規?；瘧?，它的安全性、性能都亟待提升等。因而，厘清區塊鏈目前的技術與應用狀況，對我們理性地認識區塊鏈技術，將區塊鏈的應用價值最大化有著重要的意義。

區塊鏈關鍵技術

從技術角度看，區塊鏈是一項集成了計算機科學、數學、經濟學等多學科領域研究成果的組合式創新技術，是有效地實現安全、可信、容錯的去中心化分布式的記賬系統。

密碼學

密碼學是區塊鏈的基石。密碼學屬于數學和計算機科學的分支，主要研究信息保密、信息完整性驗證、分布式計算中的信息安全問題等。區塊鏈中使用了哈希算法、加解密算法、數字證書與簽名、零知識證明等現代密碼學的多項技術成果。

區塊鏈采用哈希算法和非對稱加密技術來保證區塊鏈賬本的完整性和網絡傳輸安全。哈希算法被用于生成區塊鏈中各個單元（區塊）的頭信息，并通過在區塊頭中包含上一區塊頭信息的方式來實現區塊之間的連接。同時，使用默克爾樹（一種基于哈希算法的樹結構）對區塊中的具體事務或狀態進行結構化組織并將概要信息（根哈希）存入區塊頭，使得人們對數據或狀態的篡改變得極其困難。

隨著區塊鏈技術的進步和應用的日益廣泛，比特幣、以太坊1等早期公有鏈項目完全公開化的賬本難以滿足人們對應用場景中對隱私的更高需求，所以，無須泄露數據本身即可證明某些數據真實的零知識證明技術被使用，在新興的區塊鏈項目中扮演著日益重要的角色。零知識證明指證明者（被驗證者）能夠在不向驗證者提供任何有用的信息的情況下，使驗證者相信某個論斷是正確的協議。Zcash是首個使用零知識證明概念的區塊鏈加密貨幣項目，而目前最大的智能合約平臺以太坊也在2017年底的“拜占庭”分叉過程中引入了使用同態加密的零知識證明技術zkSNARKs(zero knowledge Succinct Non-interactive ARguments of Knowledge)。

分布式存儲

區塊鏈賬本采用的分布式存儲記賬方式，是一種從分布在不同物理地址或不同組織內的多個網絡節點構成的網絡中進行數據分享與同步的去中心化數據存儲技術。

不同于傳統的分布式存儲，區塊鏈網絡中各參與節點擁有完整的數據存儲，并且各節點是獨立、對等的，它依靠共識機制保證存儲的最終一致性，也通過這些方式來保證分布式存儲數據的可信度與安全性，即只有能夠影響分布式網絡中大多數節點時才能實現對已有數據的篡改。相應的，參與系統的節點增多，會提升數據的可信度與安全性。

有別于傳統數據庫，區塊鏈只提供“增加”與“查詢”操作，通過“增加”交易來實現“修改”和“刪除”操作，比如產生區塊硬分叉來實現交易的回滾，避免數據的惡意篡改。但這也有缺點，會帶來區塊鏈存儲無限增大的問題。

共識機制

共識機制用于解決分布式系統的一致性問題，其核心為在某個協議（共識算法）保障下，在有限的時間內，使得指定操作在分布式網絡中是一致的、被承認的、不可篡改的。在區塊鏈系統中，特定的共識算法用于解決去中心化多方互信的問題。

按照不同的故障類型，共識算法可分為兩類情況。一類使用數學上及工程學上的方式，確保各個節點之間的數據絕對一致，通常用于解決可信節點間的網絡通信故障問題，常用算法包括Paxos、Raft、ZAB等，常見于大數據分布式系統，這些算法不具備對不可信節點的容錯性。這類算法也包括用于解決拜占庭將軍問題的拜占庭容錯算法(BFT)等，該算法允許有一定比例的不可信節點。

另一類共識算法則通過經濟利益的博弈，來鼓勵對系統的貢獻及提高不可信節點的作惡成本。常用算法包括工作量證明(Proof of Work, PoW)、權益證明(Proof of Stake, PoS)等，PoW、PoS算法分別通過提供算力或持有權益來平衡利益博弈。

為適應不同的應用場景，區塊鏈共識機制的研究集中于優化系統的可擴展性、運行效率、容錯性等方面。在新興的區塊鏈方案中，會將各種共識機制結合使用，例如在分層/分片方案中，最上層的主鏈使用PoW機制以確保全局共識的有效性并用來對抗女巫攻擊2，而在相對小范圍的分片(sharding)中，使用PoS或者BFT算法來實現更高效率的共識。典型的案例包括未來引入基于校驗器管理和約(Validator Manager Contract, VMC)分片方案的以太坊以及Zilliqa等。盡管這些方案尚未落地驗證，但它們代表了未來區塊鏈設計的趨勢。

智能合約

智能合約(Smart Contract)是一種旨在以信息化方式傳播、驗證或執行合同的談判或履行的計算機協議。允許在不依賴第三方的情況下進行可信、可追蹤且不可逆的合約交易。其概念由計算機科學家尼克薩博(Nick Szabo)在1996年提出，描述“以數字形式定義的一組承諾，包括各方履行這些承諾的協議?！?

區塊鏈技術的發展為智能合約的運行提供了可信的執行環境。區塊鏈智能合約是一段寫在區塊鏈上的代碼，一旦某個事件觸發合約中的條款，代碼即自動執行。目前，較為成熟的以太坊和Hyperledger Fabric框架均包含智能合約，支持圖靈完備的語言，在其基礎上可實現多種智能合約，包括差價合約、儲蓄錢包合約、多重簽名合約、保險衍生品合約等，無須依賴第三方或中心化機構，極大地減少了人工參與，具備很高的效率與準確性。

需要注意到，區塊鏈公鏈上部署的全部智能合約對外可見且可交互，意味著其全部漏洞對外公開。在以太坊公鏈上就多次出現千萬美元級的安全事件。如何編寫安全可靠的智能合約是區塊鏈技術面臨的核心課題之一。

經典平臺

自2009年初第一個比特幣被挖出，至今區塊鏈技術已經歷了從1.0、2.0到多元化的快速發展，也誕生了多個經典的技術平臺。包括發布首個去中心化全球貨幣的比特幣、包含圖靈完備智能合約的以太坊、面向高性能互聯網應用的EOS3以及針對機構用戶進行多方授權交易的Hyperledger Fabric等，它們的主要特點與對比如表1所示。

區塊鏈的典型應用

區塊鏈的核心價值是構建了一種去中心化的信用機制，幫助社會從信息互聯躍遷到信用互聯。區塊鏈的應用價值，主要表現在三個方面。第一，公開透明，避免欺詐。存儲在區塊鏈的記錄不可篡改，不可消除，監管方能清晰地看到每一筆交易的來龍去脈，在鏈條長、參與方多的復雜情況下，區塊鏈能有效地防止作假偽造，減少侵犯隱私和濫用的行為。第二，制定規則，降低信用風險。通過將雙方的約定寫在區塊鏈智能合約上，交易在滿足約定的條件后自動執行，避免違約。第三，去中心化，提高效率。區塊鏈去中心化的存儲和共識，形成可追溯、不可篡改的信息，告別了必須經由中心機構驗證帶來的重復驗證流程，可縮短中間鏈條，減少清結算成本，提升效率。

金融

區塊鏈可以實現金融資產的分布式管存與交易。以復雜的跨境支付為例，常規的交易方式至少需要24小時才能完成，因為雙方信用主體不同，用戶需要提交大量的身份證明資料，雙方銀行也需要向中間機構核對信息。而利用區塊鏈，可以直接建立付款人與銀行、銀行與銀行之間的信任關系，無須中間代理機構，付款人與銀行通過智能合約約定相關的權利義務，即可實現實時轉賬和自動清結算，監管機構也可以清晰地審查相關的交易記錄，識別洗錢等違法行為。對個人方、銀行方和監管方來說，都降低了成本，提升了效率。環球銀行金融電信協會SWIFT聯合全球多家銀行啟動的全球付款創新項目SWIFT gpi(global payments innovation)，正在研究區塊鏈技術與跨境支付。招商銀行已在2016年開發了基于區塊鏈的跨境直聯清算系統。近期，匯豐銀行與ING銀行為美國農業巨擘Cargill應用區塊鏈技術執行了首個具規模、實時貿易融資交易。在保險領域，2017年，上海保險交易所發布了區塊鏈底層技術平臺保交鏈。利用區塊鏈不可篡改的特點驗標承保，鏈上記錄保費、傭金、理賠等信息，智能合約在條件達到時自動觸發理賠，有效規避騙保風險，提升核保核賠的效率，降低管理成本。

產權

區塊鏈的另一重要應用是產權保護和產權交易。以數字資產和知識產權為例，目前許多創作者不能拿到合理回報，究其原因，對于大量原創內容，確權成本高，維權周期長，靠傳統的方法很難解決盜版問題。其次是分發機制，版權授予和代理的鏈條長，缺少透明、精準的使用統計數據，創作回報周期長。若利用區塊鏈去中心化的賬本記錄，結合計算機視覺、自然語言等多領域人工智能技術，可以實現低成本的內容確權，利用智能合約技術，可以實現創作者對作品進行定價和授權，自動跟蹤、記錄每次被使用和交易情況并自動分配收益，縮短回報周期（如圖1）。目前，已經有不少區塊鏈版權平臺項目提供數字資產與版權交易所功能，幫助數字資產實現高效流轉，激活資產價值。未來，隨著物聯網技術的進一步發展，線下實體資產也可以在區塊鏈上登記與交易，形成流動的資產網絡。

供應鏈與物流

在供應鏈領域，區塊鏈可以使參與各方記錄商品日期、位置等信息，形成一個不可篡改的公共賬本，生產方、監管方和公眾都可以追蹤查詢到生產相關的信息，增加配料的透明度，打擊仿冒偽造行為，在食品生產、奢侈品制造、跨境物流等對安全性要求高的場景尤為重要。同時，企業還能通過上下游數據的打通與整合，改善供應鏈管理，提升生產流通效率。目前阿里巴巴和京東都在研發區塊鏈供應鏈系統，阿里巴巴聯合政府、行業協會、質檢機構等打造了全球溯源計劃，可以追蹤進口商品的生產、通關、運輸等全鏈路，打擊奢侈品的偽造及銷售行為。京東聯合清華大學等多家單位成立中國安全食品區塊鏈溯源聯盟，用于食品的追蹤和安全性合作。

數據存儲方式

目前，絕大多數的數據存儲方式是集中存儲在本地，或者是使用幾個巨頭的云存儲。后者的數據也在中心化的服務商中，同樣面臨著被攻擊、濫用和泄露的威脅。通過世界各地可供分享的閑置存儲和帶寬構成數據巨大的節點網絡，區塊鏈技術可以實現真正的分布式存儲。以星際文件系統(InterPlanetary File System, IPFS)項目為例，文件內容轉化為哈希值存儲在各個節點中，任何內容的修改都會反映在哈希值上，所有存儲的文件都抽象成特殊的IPFS目錄供檢索，大文件會被切分成小塊，下載時可以從多個服務器同時獲取，沒有中心服務器，不會受到干涉，不會被攻擊，安全性高，成本更低。此外，參與服務者通過對數據共享的貢獻，自動獲取并分配相應的收益。

身份認證

身份系統是現代社會的基礎設施，傳統的線下證件容易遺失、被盜取和偽造，互聯網上的用戶身份和隱私也存在巨大的安全隱患，用戶數據大多存儲在應用商的服務器上，缺少第三方監管，容易產生用戶身份數據泄露或者被濫用，比如最近Facebook的用戶數據泄露事件。利用區塊鏈技術，用戶可以擁有唯一的、不可篡改的身份ID，集合多維度信息，用于驗證、授權和交易。用戶將完全擁有這個身份，通過零知識證明有選擇性地披露和授信，降低隱私泄露風險。微軟、IBM等機構正在合作研發去中心化身份識別系統(Decentralized IDs, DID)，旨在幫助難民獲得身份，從而獲取教育、金融、醫療等服務。我國中鈔區塊鏈技術研究院4推出的中鈔絡譜系統，聯合合作方對數字身份、可信數據、數字憑證等進行可信登記，向調用這些信息的第三方提供身份、時間戳、憑證登記等信息，可驗證、可審計、可追溯，參與方不僅可以自己使用，還可以跨機構認證和流轉，在政府監管、司法鑒定等諸多場景中得到應用。

區塊鏈的主要挑戰

區塊鏈技術伴隨著加密貨幣出現，早期政策監管不健全，出現了不少打著區塊鏈名義斂財的ICO5(Initial Coin Offering)項目，最終都以失敗告終，區塊鏈技術也因此受到不少質疑。2017年9月4日，我國出臺了《關于防范代幣發行融資風險的公告》，定義ICO為非法融資，要嚴格禁止，區塊鏈的應用價值也因此備受爭議。部分從業者認為，區塊鏈不能解決信息不對稱的問題，企業和機構的核心數據依然不會公開到鏈上，此外，去中心化的方式所需要的共識也要消耗大量能源，被認為相當低效。

而同時，我們也看到在“兩會”、博鰲論壇等重要場合，區塊鏈成為熱門的討論話題，區塊鏈技術也獲得了不少支持。中國銀行原行長李禮輝認為，2017年區塊鏈應用取得了比較大的突破，一是建立了多維度直接交互的架構，二是建立了可信數據的登記與證實平臺，對區塊鏈在金融領域的規?；瘧贸錆M期待，但要在提升區塊鏈技術的可靠性、安全性的同時，還要解決標準化制度、監管制度建設的問題，預計至少需要3年的時間。

區塊鏈現在已經發展為一個龐大的技術體系，隨著區塊鏈技術發展成熟，未來會有更廣泛的應用，會更加深刻地改變經濟社會形態。在這個過程中，除了政策、公眾認知方面的挑戰，最關鍵的是，技術需要進一步完善，尤其是區塊鏈“不可能三角”難題，該理論是貨幣經濟中蒙代爾不可能三角理論的變形。即區塊鏈難以同時滿足“可擴展”、“安全”和“去中心化”三個條件。

可擴展

可擴展性指區塊鏈系統處理高業務量的能力。在考慮去中心化和安全的前提下，區塊鏈面臨的可擴展性挑戰主要來源于三個方面：

分布式網絡的傳輸延遲。在任一節點都有機會參與記賬環節的區塊鏈網絡中，參與記賬的節點需要同步全部區塊信息方才可以進行交易的處理與記賬。因此，整個網絡同步的效率受限于網絡中延遲最長的節點。

分布式賬本的一致性問題。在交易大小相同的情況下，影響區塊鏈吞吐量的兩個核心參數為區塊容量和區塊間隔時間?？紤]到實用性，區塊容量通常不會無限制擴大。而如果區塊間隔時間過小，在全網都參與記賬的環境中，可能會由于不同節點來不及完全同步最新的區塊廣播而產生不同的新區塊，從而造成嚴重的分叉問題，進而嚴重影響區塊鏈的實際可用性。

節點性能限制。目前主流的公有鏈如比特幣、以太坊仍然使用工作量證明共識機制，用于記賬的節點需要消耗大量的計算資源來進行哈希運算以競爭記賬權，從而在效率上存在一定限制。另外，由于區塊鏈數據只是追加而沒有被刪除，隨著區塊數據量的加大，對節點的存儲空間和吞吐性能也提出了越來越高的要求。以以太坊為例，目前總區塊文件的大小已經突破500GB，如要實現每秒上百萬筆交易的交易速度，需要提供數百MB/s吞吐能力的節點，這是很高的要求。

安全

在考慮可擴展性和去中心化的情況下，安全是一個巨大的挑戰。為了提升性能，區塊鏈本身在加密安全方面可能會存在妥協。如為提升交易處理性能而在非可信環境中使用非拜占庭容錯的一致性算法。另外，在完全去中心化自治環境中，可能缺乏有效的安全應急機制，從而可能導致對系統的攻擊難以在第一時間被發現和終止，而且，由于區塊鏈“不可篡改”的設計思想，區塊鏈狀態的回滾目前仍需要分叉來進行，這也使得區塊鏈的可維護性不如傳統方案。這一現象在智能合約領域尤為多發。2016年，以太坊最大的智能合約項目The DAO正是由于黑客對智能合約中提取以太幣過程的判斷條件漏洞的攻擊而造成了300萬以太幣的損失，現在該損失仍在以太坊經典的區塊鏈上存在。類似地，2018年4月，有黑客利用BEC代幣合約中的整數溢出漏洞進行攻擊，使其發生天文數字級的超發，導致幣值崩盤。

在區塊鏈2.0乃至3.0時代，更加完備的智能合約為區塊鏈帶來更加廣泛的應用場景，同時也帶來了更多的與現實世界進行數據交互的機會，與區塊鏈1.0即比特幣及其他競爭幣相比，從區塊鏈2.0開始存在大量的來自鏈外的數據輸入，目前這些與現實世界進行交互的區塊鏈應用方案尚無法徹底杜絕鏈外作惡的情況，這同樣給整個應用的安全性帶來了隱患。例如，目前使用區塊鏈進行商品溯源的應用，在理論上還無法證明可避免從源頭的仿冒產品以“正品”的數據被寫入區塊鏈。

從更長遠的角度看，由于目前的區塊鏈技術仍以哈希及非對稱加密算法為主要基石，那么，這些加密算法所受到的挑戰同樣將成為區塊鏈技術的巨大挑戰。這其中最大的挑戰之一是量子計算技術。當量子計算技術變得成熟時，通過由主流非對稱加密算法生成的公鑰地址來反推賬戶的私鑰就變得輕而易舉，從而導致整個區塊鏈體系的安全基礎崩潰。為了應對這一問題，目前比特幣的大額交易多采用一次性賬戶來實施，而抗量子加密算法也是業界研究的熱點課題。

去中心化

在2018年，有多種新興的公有鏈項目進入公眾視線并準備開始公開上線，它們大多強調自身的高性能（可擴展性），而通過觀察其設計思路不難得出，它們存在一些“中心化”的設計理念。以使用DPoS共識機制的EOS為例，其采用21個“超級節點”按照一定順序出塊的方式，避免了大量節點記賬的效率問題，從而將事務處理系統(TPS)提升至數千的水平，這相比之前的主流公鏈方案（如以太坊）來說是一個巨大的提升。但對于EOS“中心化”的質疑也一直存在。不僅DPoS，目前采用PoW共識機制的比特幣、以太坊等同樣面臨中心化的問題。由于ASIC6礦機的出現，目前普通用戶的PC節點已經幾乎無法參與記賬權的競爭，超過80%的算力集中在少數幾個礦池內，這些礦池的所有者已經在比特幣世界中具有相當的話語權，這同樣是“中心化”的一種體現。

機遇與展望

區塊鏈技術目前還處在非常早期的發展階段，歷來創新技術從誕生到成熟應用的過程中，都不可避免出現這樣或那樣的問題與質疑，技術、產品和市場的成熟都需要時間。但是，區塊鏈應用前景非常廣闊，尤其是在目前參與方眾多、交易鏈條長、中心化效率低下、不夠透明、缺少信任的場合，切實存在對區塊鏈技術的剛需。未來，能率先突破目前區塊鏈的技術瓶頸，在行業中進行規?；膽玫慕M織機構，一定能成為新興數字社會的重要力量。

當前，在核心的“不可能三角”這一技術挑戰上，多個領域的研究與工程人員在加密安全如零知識證明、環簽名，共識機制如可驗證隨機函數 (Verifiable Random Function, VRF)，區塊鏈底層結構如多鏈、通道技術、有向無環圖(Directed Acyclic Graph, DAG)，智能合約等方面都在進行探索和實踐，也催生了更多新的區塊鏈方案設計，盡管多數尚未經過實際落地應用的驗證，但它們提出了很多解決實際問題的思路和方法，對于整個區塊鏈技術的廣泛應用將起到一定的促進作用。

在技術方面，可擴展、隱私保護、可信數據輸入與智能合約或成為熱點。其中的如下幾方面值得重點關注：

● 并行化方案。并行化是傳統分布式系統解決大吞吐量問題的重要思想。在新興的區塊鏈方案中，多處可見并行化的設計思路。并行化的實現方式，一種是以以太坊、EOS、Zilliqa為代表的將節點和交易進行分區來并行化處理的方式，另一種是以IOTA、Byteball為代表的使用DAG來將區塊生成過程并行化的方式。不同于比特幣或以太坊的1:1鏈式區塊結構，在DAG方案中，每個單元允許包含多個父單元（不允許成環），即構成有向無環圖，這樣可以容納更多交易并得到更快確認，同時降低了資源消耗。

● 共識機制。傳統的PoW共識機制盡管解決了去中心化和安全問題，但其本身的性能問題以及對計算力的大量消耗在一定程度上制約了區塊鏈技術的廣泛應用。除了前述的多種共識機制結合的方式，研究讓算力更加“有用”的共識機制同樣是未來的機遇所在，例如素數幣所提出的通過尋找下一個符合條件的素數的過程作為“工作量證明”的思路，為區塊鏈中各個節點為整個網絡提供更大貢獻提供了一定的思想借鑒。

● 跨鏈與通道技術。隨著公有鏈方案的爆發，多種平臺之間的價值交換成為一個不可避免的課題。而對于已經有巨大用戶基礎的比特幣等方案來說，使用跨鏈技術、通道技術如閃電網絡(Lightning Network)使比特幣具備更加完備的功能也是相當數量公司所追求的目標。

而在應用方面，目前區塊鏈仍然處于2.0階段即“應用+區塊鏈”，由于性能的制約，目前的區塊鏈應用還處于將傳統業務與區塊鏈服務進行交互的階段。而隨著區塊鏈技術和方案的進一步成熟，未來將出現多種“區塊鏈3.0”即“應用on區塊鏈”的應用，即全部業務邏輯均在區塊鏈上運行，從而一方面避免前述的可信數據輸入的問題，另一方面由于傳統業務將從數據中心以各類智能合約的形式遷移到全網的各個記賬節點，從而實現真正的“去中心化”。

從應用區塊鏈的思路出發，是否在非可信環境中，構建一種價值傳遞體系，參與方通過付出“成本”的方式獲取激勵，從而維持關鍵數據及業務規則的全體共識，是檢驗區塊鏈應用是否真正解決需求的關鍵。

結語

區塊鏈是一場偉大的技術革命，它綜合了密碼學、分布式存儲、共識機制、智能合約等技術，建立了一種新型的信任與激勵體系，大大提升了透明度，減少了信用風險，降低了成本，提升了效率。目前各國政府、行業巨頭和創業公司都看到了區塊鏈的潛力，紛紛進行標準制定、技術儲備和落地嘗試，在金融、產權、物流等領域都出現了不同深度的應用案例。同時，我們也應看到，區塊鏈在發展過程中，仍然有一系列問題有待解決，可擴展性決定了區塊鏈在各個行業的應用深度，如何在提升區塊鏈性能的同時，滿足安全性的要求，保留去中心化的優勢，需要各方的積極探索，相互合作，共同構建一個便捷可靠的新型數字社會。