1.1 区块链简介

2015年以来，区块链技术引起了学术界和产业界的高度关注，被认为是继大型机、个人电脑、互联网、移动社交网络之后计算范式的第五次颠覆式创新，很可能带来新一轮技术革新和产业变革。区块链是一种新技术，虽然目前其应用还未普及，但已成为近年来最火的信息技术之一。本节简单介绍区块链的基本概念、底层技术、项目及其相关的哲学思考，更详细的内容已有很多技术方面的书籍涉及，读者可自行查阅。

1.1.1 区块链的诞生

1.区块链是什么

关于区块链的定义，有很多五花八门的说法，目前尚未形成一个被普遍接受的定义。那么区块链到底是一种技术、系统还是理念呢？本节我们将与读者探讨这一话题。

工业和信息化部指导发布的《中国区块链技术和应用发展白皮书（2016）》中，这样定义区块链：“广义来讲，区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。”这个定义对于大众可能过于技术化，笔者认为，区块链不仅仅是一种技术架构和计算范式，更是一种理念，而这种理念很容易被大众理解和应用，并且将被融入生活的各方面。

从技术层面看，区块链是一种只支持增加、查询的去中心化分布式数据库系统。与传统的中心化数据库不同，区块链系统由多个分布式去中心化节点构成，每个节点既充当客户端也充当服务器端，节点与节点之间可以自由连接，用户之间可以实现信息的传输和服务，无须中心环节和服务器的介入。

举个通俗易懂的例子，在传统的第三方支付模式下，张先生希望通过第三方支付软件给王女士支付一定数额的金钱，需经过以下流程：

（1）第三方支付软件确认张先生的账户存在足够的余额，可支付该笔交易；

（2）第三方支付软件确认王女士的账户存在；

（3）在张先生账户扣掉相应金钱，在王女士账户增加等额金钱；

（4）如果以上流程都可以实现，交易完成。

我们可以看出，整个交易都围绕第三方支付软件展开，通过一个中心化的第三方做背书，来完成转账。但如果第三方支付软件的服务器出现毁灭性故障，或是第三方支付软件“耍赖”，表示不存在该笔交易，甚至被人篡改数据，将导致交易混乱，交易行为无法得到证明，这就是中心化的弊端。同时，这些交易产生的所有数据都将被第三方支付软件服务提供商收集，即便这些本应该属于个人的数据存在大量的隐私信息与商业价值。

区块链用算法证明机制维护一个公共账本，以解决信任危机。在区块链系统中，每个节点都必须在遵循相同的规则的前提下，维护整个区块链网络，这种规则是基于密码算法而不是信用的，节点提交数据至系统需要网络内大部分节点的批准，因此，基于这种规则的系统不需要第三方中介机构或金融机构认可。为了帮助读者充分理解去中心化的区块链如何运行，我们再来看一个例子。

在一座城市中，市民统一维护着一份关于本市所有交易的账本。一天，张先生借给王女士一万元，并向全市广播通知。其他市民得到通知并确认了这笔交易，将该笔交易记录在自己的账本中，形成统一的公认化账本，即公共账本。几天后，王女士突然耍赖，宣布自己没有向张先生借过钱。此时，其他市民通过查询自己的账本，确认了王女士确实向张先生借过一万元，且后续没有还款记录，故可证明王女士在撒谎。

从上面的例子中可发现，这座城市已建立了一个交易系统，交易过程不需要第三方机构作信用背书。城市中每个人的权利和义务都是平等的，共同维护同一份账本，所有数据公开、透明、完整且难以篡改。所以，区块链技术解决了信用共识的问题。

蜂群和蚁群给了我们很好的示范。蜂群思维是一种集体思维。任何一只蜜蜂的智慧都是有限的，但当这些独立的蜜蜂高度连接时，可形成一个高智慧的活系统。蜂群的智慧远远超出所有个体智慧的总和。

构建去中心化的互联网生态，可能会帮助解决传统中心化网络所遇到的各种问题。去中心化的网络中接入的个体越多，系统将更加健壮、安全和公平。

2.区块链的历史渊源及与比特币的关系

区块链是由一系列技术实现的全新经济组织模式，2009年诞生于比特币系统的构建过程中，2017年成为全球经济热点，但目前区块链的成功应用寥寥，这个新兴产业还远未成熟。为方便理解区块链的历史与趋势，本节将介绍区块链的历史渊源及其与比特币的关系。

若要探寻区块链的机制和发展，还得从1982年Leslie Lamport提出的拜占庭将军问题说起。拜占庭是东罗马帝国的首都，位于如今的土耳其的伊斯坦布尔。拜占庭拥有大量财富，邻邦垂涎已久。由于当时东罗马帝国地域宽广，守卫军队之间相隔甚远，军队的将军们只能通过信使传递消息。在战时，军队的所有将军和副官必须对攻打哪支敌军达成一致决定。但由于军中可能存在叛徒，他们错误的信息传递会干扰将军们的决定，影响一致性的达成。如何在此情况下，让忠诚的将军不受叛徒的影响，达成行动的一致，就是所谓的拜占庭将军问题。

早先针对拜占庭将军问题的传统解决方案有口头协议算法、书面协议算法等，但这两种方法都存在一些明显的缺陷。口头协议算法的消息无法溯源，书面协议算法虽然解决了口头协议算法的不足，却没有考虑个体之间信息传输的时延、实现困难以及依赖中心化的数据记录与管理。所以在很长一段时间，拜占庭问题始终找不到一个完美的解决方法。然而解决区块链问题并不等同于解决拜占庭将军问题，目前区块链系统的大多共识机制旨在解决拜占庭将军问题，却很难突破效率瓶颈。

2008年10月，一个化名为中本聪的团队提出比特币的概念并发布了《比特币：一种点对点的电子现金系统》一文。2009年，第一批50个比特币在一台小型服务器上被挖出。

伴随着比特币的发展，越来越多的问题暴露出来。面对比特币本身受到的种种质疑以及热潮的退却，人们逐渐将目光从比特币转向其底层支撑技术——区块链上。

到此，可能有些人会产生疑问：区块链不就是比特币吗？其实这是一种误解，区块链因比特币而生，由于比特币是区块链的第一个应用，且在早期远比其底层区块链技术更受欢迎，人们才将二者混淆。其实中本聪并没有提及“区块链”这一概念，但其发布的比特币开源代码实现了去中心化的记账功能，且公开、透明、难以篡改，而这些代码就是区块链技术的雏形。

近期，区块链得到了更多的关注和更快的发展，继而引发了分布式应用热潮。目前，针对区块链进行底层设施开发的项目逐渐增多，但要形成切实可用的成果还有很长的路要走，区块链作用的真正实现需要面向异构信息处理、面向应用，具备高可靠性、高效率的底层系统。

1.1.2 深入浅出话区块链

本节将深入浅出地介绍组成区块链的相关技术、区块链的类别并阐述其商业价值。

1.区块链是多种技术的集成

区块链虽然是一个新概念，却不是一种单一、全新的技术，它由多个现有技术优化组合而成，包括点对点（P2P）网络技术、分布式账本技术（Distributed Ledger Technology，DLT）、共识机制、密码学、数据库技术、社会网络、经济学等。这些技术单独来看相对成熟，但通过巧妙的组合后形成了一种新的、特殊的去中心化分布式数据库系统。下文将对组成区块链的几个主要技术进行简要介绍。

（1）P2P网络技术

P2P网络是一种计算机网络的组成方式，与传统的中心化服务器加客户端结构不同，它是分散的、去中心化的。在P2P网络中，各个节点不再区分服务器端和客户端的关系，所有节点的地位平等，不存在中心化的控制机制。相比中心化的网络结构，P2P网络拥有更好的并行处理能力、扩展性以及健壮性。图1-1展示中心化网络与P2P网络的结构差异。

区块链系统不依赖任何第三方的控制来保障整个系统的运行，这与P2P网络的特点高度契合。另外，P2P网络技术是发展成熟的计算机技术，已被广泛用于开发各种分布式应用。因此，区块链采用P2P网络协议，以实现去中心化控制。

区块链是一个对等的动态网络，网络中时刻有新节点的加入和旧节点的退出。当系统中新增节点数目大于退出节点数目时，整个系统的容量也将扩大。

（2）分布式账本技术

分布式账本本质上是一种由多个节点、不同物理地址或者多个成员共同维护的账目数据，以实现数据的分享、同步和复制的去中心化数据库。分布式账本技术推翻了传统的记账模式，网络中的参与者都有一份真实账本的完整备份，账本中可以存储多种类型的资产。

账本中账目数据的更新或修改会在所有节点的副本中反映出来，任何人想私自篡改账本数据必须改动大部分节点存储的账本，这加大了篡改账本的难度。

区块链技术实质上是一种采用了加密算法（如哈希算法）的分布式账本技术。哈希算法是区块链中保证交易信息难以被篡改的单向密码机制，它通过接收一段明文，并以一种不可逆的方式将明文压缩映射成为一串长度固定的随机散列输出。

区块链中的其他节点通过简单的哈希计算都可验证该区块链的哈希值是否正确、信息是否被篡改。区块链的分布式账本结构如图1-2所示。

（3）共识机制

区块链之所以能成为一个难以攻破的、公开的、难以篡改数据记录的去中心化系统，原因有以下两点：一是选择一个随机的节点产生一个区块；二是使分布式数据记录不可逆。这两个方面的技术核心就是：共识机制。共识机制是区块链节点就区块信息达成的全网一致认可的机制，可以保证最新区块被准确添加至区块链、节点存储的区块链信息一致不分叉甚至可以抵御恶意攻击。当前主流的共识机制包括：工作量证明（Proof of Work，PoW）、权益证明（Proof of Stake，PoS）、股份授权证明（Delegated Proof of Stake，DPoS）等。

工作量证明是这样一种机制：拥有算力越多的节点，其单位时间内付出的工作量越大，利用其算力寻找运算问题所需的时间越短，因而相应地获得记账权的概率也越高。某些节点充当矿工消耗自身算力进行特定的运算来找到符合一定要求的哈希随机数，其中最快的矿工获取当前区块的记账权，并获得奖励。工作量证明的优缺点如表1-1所示。

权益证明是这样一种机制：节点获得记账权的概率与所持有数字资产的数量及时间成反比，这类似于现实生活中的股东机制。节点通过提供一定量的保证金来证明合法的交易块，恶意的节点的保证金则将被没收。权益证明的优缺点如表1-2所示。

股份授权证明是这样一种机制，区块链的正常运转依赖于受托人（Delegates），受托人的数量由项目方决定，一般为100个。受托人的对象则由每个持币用户投票决定，每个用户的投票权重与其持币量成正比。项目的受托人完全等价，受托人的节点服务器充当矿机，负责打包区块、维持系统的运转且能获得相应的奖励。股份授权证明的优缺点如表1-3所示。

除上述机制外，还有瑞波共识协议（Ripple Consensus Protocol，RCP）、恒星共识协议（Stellar Consensus Protocol，SCP）、DAG算法协议（Directed Acyclic Graph）、Pool验证池机制、实用拜占庭容错机制（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）和POL位置证明协议（Proof of Location）等，这些机制中有些甚至已经应用在区块链系统中，不同共识机制各有其应用场景和优势。

（4）密码学

密码学的历史可追溯到古埃及时期，至今已有数千年的历史。密码学早期主要应用在军事和外交领域，而后随着科技的发展逐渐进入公众领域。信息是社会发展的重要资源，信息技术的发展推动了传统产业的改造和经济的增长，而信息安全则是信息技术发展的前提。

如果要在数据世界中保障信息安全，那么必须用到密码学，区块链也不例外。在区块链技术中，使用多种密码学技术将数据和区块以时间顺序相连，形成一种难以篡改、难以伪造的链式数据结构。这些技术包括：哈希算法、加密算法、数字签名、梅克尔树（Merkle trees）等。其中，哈希算法技术保障了区块链的完整性；加密算法技术保障了区块链的机密性；数字签名技术保障了数字内容的完整性和不可抵赖性；梅克尔树减少了确认完整性所付出的代价。此外，还有一些现代密码学技术被应用到区块链中，这些技术的结合利用保障了区块链的长期健康发展。

2.区块链分类及其商业价值

区块链系统根据应用场景和用户需求的不同，技术应用的类型一般分为公有链、联盟链和私有链（见图1-3）。除此之外，目前也存在多链结构，支持多个公有链，多层次或者嵌套的链结构。

（1）公有链

公有链是指任何人都可以在任何时候加入或退出、任意读取数据以及参与交易和记账的区块链。公有链通常也称为非许可链，它做到了真正意义上的完全去中心化。公有链通过利用密码学技术保障去中心化环境下交易的安全性和难以篡改性。

公有链的应用场景非常广泛，例如互联网金融等。这些公有链项目使用的共识机制一般是工作量证明、权益证明等。

（2）私有链

私有链是指其读写权限由私有组织或企业机构制定的区块链。一般而言，私有链的写入权限控制在私有组织手中，例如公司或企业，而读取权限则由组织制定，组织可对不同的群体或个人进行不同程度的读取限制。有人认为私有链跟传统的中心化的数据库没有区别，甚至处理效率也不及中心化数据库，因此觉得私有链没有存在的必要。事实上，中心化和去中心化永远是相对的，如果将私人组织或机构看成一个整体，私有链则可看成运行在该整体内的公有链。此外，私有链也具有一般区块链的价值，包括：安全、可溯源、难以篡改以及智能合约，这些价值都是传统数据库系统难以提供的。与公有链相比，私有链还有另外一大优势，那就是处理速度相对较快，主要是因为私有链网络中节点少，且大多数情况下无须挖矿来验证交易，所以交易速度较公有链有了很大的提升。

（3）联盟链

联盟链是指由若干个组织或机构共同参与维护的区块链，其内部指定多个节点共同记录交易数据，其他节点可以参与交易但没有记账权。联盟链介于公有链和私有链之间，可实现部分去中心化，并且可控性强、交易速度快。联盟链一般用于银行、保险、证券、商业协会、集团企业及上下游企业。

1.1.3 区块链蕴含的机遇

这一波的区块链风口表明，区块链在面临巨大挑战的同时也蕴含着新的机遇。互联网时代的来临，降低了人类社会的信息传播成本，信息传播效率的飞跃带来生产力的极大解放。区块链技术拥有的去中心化、难以篡改、分布式账本、智能合约等特性，将帮助社会大幅度降低价值传输的成本，并且实现安全、高效的价值传输。所以，区块链技术将为价值传输来带新的机遇，将成为价值互联网的基石。

全球区块链产业正处于高速发展阶段，创业者和投资者不断涌入且呈指数增长。可以说，当下正是区块链发展的好机遇，概念的普及、政府的推动、企业的热情、时代的呼唤都给区块链的发展提供了很好的土壤。媒体纷纷聚焦于区块链，《人民日报》经济周刊曾整版刊登了关于区块链的三篇文章，分别是：《三问区块链》《抓住区块链这个机遇》《做数字经济领跑者》，文章阐述了区块链的价值与意义，以及区块链技术带来的新机遇。与此同时，区块链周边服务，如区块链垂直媒体和自媒体层出不穷，媒体流量巨头纷纷入局，迅速形成了区块链媒体行业的格局。

区块链技术的不断发展，将为更多领域带来新的契机。例如，互联网金融领域发展瓶颈早已显现，其面临的核心问题包括体量庞大、模式固化、成本高、效率低等，区块链技术能够帮助互联网金融领域构建起价值流通网络，达到省成本、降风险的目的。区块链技术的另一大新机遇则体现在物联网中，目前物联网已经在各行各业得到越来越广泛的应用，但物联网天生的碎片化和大规模特性导致其遭遇了“效率低、利用率低、安全性能低”和“成本高、行业壁垒高、运营难度高”的发展瓶颈。区块链技术的到来正好解决了“三低”和“三高”的难题，可以说物联网将是区块链技术很好的应用场景，物联网与区块链技术的结合也将会为整个行业的发展带来巨大的机遇。