區(qū)塊鏈技術(shù)的興起演變之路及未來發(fā)展前景

區(qū)塊鏈?zhǔn)抢脡K鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學(xué)的技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問控制的安全、利用由自動(dòng)化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式。目前，區(qū)塊鏈被很多大型機(jī)構(gòu)稱為徹底改變業(yè)務(wù)乃至機(jī)構(gòu)運(yùn)作模式的重大突破性技術(shù)。在金融、物聯(lián)網(wǎng)、公益慈善、醫(yī)療健康、供應(yīng)鏈等領(lǐng)域，越來越多的企業(yè)機(jī)構(gòu)開始探索區(qū)塊鏈在行業(yè)中的應(yīng)用前景，規(guī)劃基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)流通路線圖。

區(qū)塊鏈興起與演變之路

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于化名為“中本聰（Satoshi Nakamoto）的學(xué)者在 2008 年發(fā)表的奠基性論文《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)》。文章提出，希望可以創(chuàng)建一套“基于密碼學(xué)原理而非基于信用“的電子支付系統(tǒng)，任何人可以在不知道對(duì)方背景信息的情況下進(jìn)行交易，且不需要第三方的介入。

這篇文章催生了比特幣，標(biāo)志著人類社會(huì)的貨幣體系的全新實(shí)驗(yàn)。眾所周知，比特幣在沒有任何中心化機(jī)構(gòu)運(yùn)營(yíng)和管理的情況下，多年來運(yùn)行非常穩(wěn)定。其原因就在于比特幣的發(fā)行方式都是由程序和加密算法預(yù)先設(shè)定后，在全世界的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行，沒有任何人和機(jī)構(gòu)可以篡改，不受任何單一用戶控制。后來，人們把這種基于密碼學(xué)與分布式存儲(chǔ)的底層技術(shù)抽象提取出來，稱之為區(qū)塊鏈技術(shù)。

2013 年，19 歲的 Vitalik Buterin 發(fā)布了題為“以太坊白皮書：下一代智能合約與去中心化應(yīng)用平臺(tái)”的白皮書，提出基于通用的編程語言來創(chuàng)建各種各樣的分布式應(yīng)用，被稱為“世界計(jì)算機(jī)”。2015 年，Linux 基金會(huì)發(fā)起 Hyperledger（“超級(jí)賬本”）開源項(xiàng)目，眾多金融機(jī)構(gòu)及 IBM、英特爾等巨頭加入合作。2016 年起，區(qū)塊鏈技術(shù)開始從加密數(shù)字貨幣向更多應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展，引發(fā)了全球區(qū)塊鏈應(yīng)用浪潮。2016 年底，區(qū)塊鏈技術(shù)首次被列入國(guó)務(wù)院《“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃》，2017年工信部發(fā)布中國(guó)首個(gè)區(qū)塊鏈標(biāo)準(zhǔn)《區(qū)塊鏈參考架構(gòu)》。

區(qū)塊鏈根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)不同，主要分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈：

（1） 公有鏈：以比特幣、以太坊和所有數(shù)字貨幣為代表，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以自由進(jìn)入或退出區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)；

（2） 聯(lián)盟鏈：各個(gè)節(jié)點(diǎn)通常代表實(shí)體組織機(jī)構(gòu)或個(gè)人，通常需要經(jīng)過授權(quán)后加入或退出網(wǎng)路。由于各機(jī)構(gòu)間通常存在相關(guān)利益，因此需要各方共同參與和維護(hù)；

（3） 私有鏈：各個(gè)節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)入和退出權(quán)限均由內(nèi)部控制，通常是在特定機(jī)構(gòu)內(nèi)用于內(nèi)部數(shù)據(jù)管理與審計(jì)。

區(qū)塊鏈主要優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

現(xiàn)有的區(qū)塊鏈技術(shù)主要包含以下四個(gè)特點(diǎn)：

（1） 去中心化：無需第三方介入，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交易、協(xié)調(diào)和協(xié)作。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，沒有任何一個(gè)機(jī)構(gòu)或個(gè)人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全局?jǐn)?shù)據(jù)的控制，而任一節(jié)點(diǎn)停止工作都不會(huì)影響系統(tǒng)整體運(yùn)作，這種去中心化的網(wǎng)絡(luò)將極大地提升數(shù)據(jù)安全性。

（2） 不可篡改性：區(qū)塊鏈利用加密技術(shù)來驗(yàn)證與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、利用分布式共識(shí)算法來新增和更新數(shù)據(jù)，區(qū)塊鏈需要各節(jié)點(diǎn)參與驗(yàn)證交易和出塊；修改任一數(shù)據(jù)需要變更所有后續(xù)記錄，修改單節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)難度極大。

（3） 公開透明與可溯源性：寫入的區(qū)塊內(nèi)容將備份復(fù)制到各節(jié)點(diǎn)中，各節(jié)點(diǎn)都擁有最新的完整數(shù)據(jù)庫拷貝且所有的記錄信息都是公開的，任何人通過公開的接口都可查詢區(qū)塊數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈中的每一筆交易通過鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)固化到區(qū)塊數(shù)據(jù)中，同時(shí)通過密碼學(xué)算法對(duì)所有區(qū)塊的所有交易記錄進(jìn)行疊加式 HASH 摘要處理，因此可追溯到任何一筆交易歷史。

（4） 集體維護(hù)性：區(qū)塊鏈去中心化的特征決定了它的集體維護(hù)性。傳統(tǒng)中心化機(jī)構(gòu)通常要身兼三職：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)者、數(shù)據(jù)管理者和數(shù)據(jù)分析者，區(qū)塊鏈則以對(duì)等的方式由各參與方共同維護(hù)，各方權(quán)責(zé)明確，無需向第三方機(jī)構(gòu)讓渡權(quán)利，實(shí)現(xiàn)共同協(xié)作。

區(qū)塊鏈核心關(guān)鍵技術(shù)

從技術(shù)角度來講，區(qū)塊鏈并不是一個(gè)全新的技術(shù)，而是集成了多種現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行的組合式創(chuàng)新，涉及到以下幾個(gè)方面：

（1） 共識(shí)機(jī)制：常用的共識(shí)機(jī)制主要有 PoW、PoS、DPoS、PBFT、PAXOS等（如圖）。由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)中沒有一個(gè)中心，因此需要有一個(gè)預(yù)設(shè)的規(guī)則來指導(dǎo)各方節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)處理上達(dá)成一致，所有的數(shù)據(jù)交互都要按照嚴(yán)格的規(guī)則和共識(shí)進(jìn)行；

（2） 密碼學(xué)技術(shù)：密碼學(xué)技術(shù)是區(qū)塊鏈的核心技術(shù)之一，目前的區(qū)塊鏈應(yīng)用中采用了很多現(xiàn)代密碼學(xué)的經(jīng)典算法，主要包括：哈希算法、對(duì)稱加密、非對(duì)稱加密、數(shù)字簽名等。

● HASH 摘要算法：HASH 算法的目的是針對(duì)不同輸入，產(chǎn)生一個(gè)唯一的固定長(zhǎng)度的輸出。HASH 算法有 3 個(gè)特點(diǎn)：一是不同的輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)必定不同；二是輸入數(shù)據(jù)的微小變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸出的較大不同；三是給定已知輸出數(shù)據(jù)，無法還原出原始的輸入數(shù)據(jù)。常用的 SHA-256 算法就是針對(duì)任意長(zhǎng)的數(shù)據(jù)數(shù)列輸出 256 位數(shù)據(jù)，實(shí)際使用中 SHA256 用于對(duì)區(qū)塊鏈的每個(gè)區(qū)塊數(shù)據(jù)進(jìn)行 HASH 摘要后防止篡改， 同時(shí)結(jié)合 Merkle Tree 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)部分區(qū)塊數(shù)據(jù)的 HASH 值驗(yàn)

證。

● 對(duì)稱加密算法：對(duì)稱加密算法利用加密密鑰對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，然后將加密后的密文發(fā)送給接收者，接收者利用同一密鑰及相同算法的逆算法對(duì)密文進(jìn)行解密，才能使其恢復(fù)成原始數(shù)據(jù)。在對(duì)稱加密算法中，使用的密鑰只有一個(gè)，發(fā)收信雙方都使用這個(gè)密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，這就要求解密方事先必須知道加密密鑰。區(qū)塊鏈技術(shù)中常用的對(duì)稱加密算法有 AES。

● 非對(duì)稱加密算法：非對(duì)稱加密算法需要兩個(gè)密鑰：公開密鑰（Public Key）和私有密鑰（Private Key）。公開密鑰與私有密鑰是一對(duì)，如果用公開密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，只有用對(duì)應(yīng)的私有密鑰才能解密；如果用私有密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，那么只有用對(duì)應(yīng)的公開密鑰才能解密。其實(shí)現(xiàn)機(jī)密信息交換的基本過程是：甲方生成一對(duì)密鑰并將其中的一把作為公用密鑰向其它方公開；得到該公用密鑰的乙方使用該密鑰對(duì)機(jī)密信息進(jìn)行加密后再發(fā)送給甲方；甲方再用自己保存的另一把專用密鑰對(duì)加密后的信息進(jìn)行解密。

● 數(shù)字簽名算法： 區(qū)塊鏈技術(shù)中使用到的數(shù)字簽名技術(shù)用于驗(yàn)證信息的完整性和真實(shí)性，基本流程如下：發(fā)送者將需要簽名的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行 HASH 摘要，然后對(duì)摘要信息用私鑰加密后與原始數(shù)據(jù)一起傳送給接收者。接收者只有用發(fā)送者的公鑰才能解密被加密的摘要信息，然后用同樣 HASH 函數(shù)對(duì)收到的原文產(chǎn)生一個(gè)摘要信息，如果與解密的摘要信息對(duì)比相同則說明收到的信息是完整的，在傳輸過程中沒有被修改，否則說明信息被修改過，因此數(shù)字簽名能夠驗(yàn)證信息的完整性。此外，信息發(fā)送者擁有私鑰且不公開，因此只有發(fā)送者本人才能構(gòu)造基于其私鑰的簽名信息，可以確保簽名真實(shí)性。ECDSA 是區(qū)塊鏈技術(shù)中常用的數(shù)字簽名技術(shù)。

（3） 分布式存儲(chǔ)：區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)上的分布賬本，每個(gè)參與的節(jié)點(diǎn)都將獨(dú)立完整地存儲(chǔ)寫入?yún)^(qū)塊數(shù)據(jù)信息。分布式存儲(chǔ)區(qū)別于傳統(tǒng)中心化存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

一、每個(gè)節(jié)點(diǎn)上備份數(shù)據(jù)信息，避免了由于單點(diǎn)故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。

二、 每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)都獨(dú)立存儲(chǔ)，有效規(guī)避了惡意篡改歷史數(shù)據(jù)。

（4） 智能合約：智能合約允許在沒有第三方的情況下進(jìn)行可信交易，只要一方達(dá)成了協(xié)議預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)，合約將會(huì)自動(dòng)執(zhí)行交易，這些交易可追蹤且不可逆轉(zhuǎn)。具有透明可信、自動(dòng)執(zhí)行、強(qiáng)制履約的優(yōu)點(diǎn)。

區(qū)塊鏈未來發(fā)展趨勢(shì)

面對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，全球各行各業(yè)都在進(jìn)行積極布局，試圖通過這一“組合式創(chuàng)新”技術(shù)改變?cè)械臉I(yè)務(wù)與管理模式，構(gòu)建一個(gè)多方參與、安全信任的新型生態(tài)體系。區(qū)塊鏈的未來發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1） 產(chǎn)業(yè)滲透：雖然區(qū)塊鏈的底層架構(gòu)源于比特幣，但作為一種通用技術(shù)，區(qū)塊鏈正加速?gòu)臄?shù)字貨幣向其他領(lǐng)域滲透，和各行各業(yè)創(chuàng)新融合。目前，金融服務(wù)、數(shù)字資產(chǎn)、慈善公益等行業(yè)紛紛投入到區(qū)塊鏈應(yīng)用的探索中，利用日志存證、信息追溯等特點(diǎn)，改變行業(yè)內(nèi)原有的交易不公開透明等問題。相信在未來，區(qū)塊鏈將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮作用。諸如醫(yī)療健康等涉及到大規(guī)模數(shù)據(jù)交互的行業(yè)，必將通過區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可信交易，破除現(xiàn)有的利益壁壘，打造一個(gè)全新的數(shù)據(jù)行業(yè)內(nèi)外安全共享生態(tài)體系；

（2） 多中心化：區(qū)塊鏈的核心并不是“為了去中心化而拋棄中心化管理”，而是構(gòu)建多方信任機(jī)制。在未來，隨著跨鏈技術(shù)的不斷發(fā)展，區(qū)塊鏈的架構(gòu)將演變?yōu)槎喾焦餐瑓⑴c的可信任體系。即在多方信息不對(duì)稱、背景不清晰的情況下，構(gòu)建多方賴以信任與合作的新生態(tài)。未來在多中心化和去中心化之間，將會(huì)存在一個(gè)中間區(qū)域，而不同區(qū)塊鏈系統(tǒng)根據(jù)特定場(chǎng)景需求，將呈現(xiàn)不同的非中心化程度。

（3） 技術(shù)融合：以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)正滲透進(jìn)各行各業(yè)。未來區(qū)塊鏈的發(fā)展必將以技術(shù)融合為切入點(diǎn)，共同解決單一技術(shù)的不足與難點(diǎn)，擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)景，降低應(yīng)用成本。以區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合為例，物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)在實(shí)體經(jīng)濟(jì)中的延伸，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)物品與物品之間的信息交換與通信。區(qū)塊鏈系統(tǒng)是典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，具有分布式異構(gòu)特征，天然適合于在物聯(lián)網(wǎng)中建立各主體的共識(shí)機(jī)制，制定交互規(guī)則，構(gòu)建去中心化控制的交易網(wǎng)絡(luò)。因此，如何通過區(qū)塊鏈與其他技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，將成為區(qū)塊鏈未來發(fā)展的重要課題。

（4） 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：企業(yè)應(yīng)用在未來將是區(qū)塊鏈的主戰(zhàn)場(chǎng)，聯(lián)盟鏈將成為主流方向。與公有鏈不同，在企業(yè)級(jí)應(yīng)用中，人們不僅關(guān)注通過軟件和算法來構(gòu)建信任基礎(chǔ)，更重要的是如何從用戶體驗(yàn)與業(yè)務(wù)需求出發(fā)，構(gòu)建一套基于共識(shí)機(jī)制、權(quán)限管理、智能合約等多維度的生態(tài)規(guī)則。面對(duì)不斷演進(jìn)的區(qū)塊鏈技術(shù)，同步考慮相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)，增加區(qū)塊鏈的可信程度，建立區(qū)塊鏈的應(yīng)用準(zhǔn)則加強(qiáng)監(jiān)管，防范風(fēng)險(xiǎn)。