区块链：信任经济的崛起（二）

阿里研究院日前发布了《信任经济的崛起—— 2020 中国区块链发展报告》。该报告包括前言和《区块链概述及发展方向》、《国内外区块链发展现状》、《典型应用场景》、《区块链发展趋势和建议》四个章节，锐思财经将陆续摘编该报告，以飨读者。 

区块链的定义及发展 

2008年，一位叫做“中本聪”的人发表了一篇《比特币：一种点对点电子现金系统》的文章，被认为是基于分布式可信系统而形成的数字资产诞生的标志，而作为其底层支撑技术的区块链也开始进入大众视野，比特币也成为了区块链第一个应用案例。根据国际标准化组织 ISO 发布的《区块链和分布式记账技术术语》（ISO 22739）标准中，区块链被定义为使用密码技术链接将共识确认过的区块按顺序追加而形成的分布式账本。狭义来讲，区块链是按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本。广义来讲，区块链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。目前，区块链分为公有链和联盟链两种类型。 

经过十余年的发展，区块链（Blockchain）逐渐被社会认知，并开始应用在更多领域。

目前，区块链发展大致经历了三个阶段： 

第一阶段，2009 年至 2013 年为技术验证阶段，区块链被应用在比特币的交易信息加密传输上； 

第二阶段，2013 年至 2017 年，随着智能合约的提出，区块链进入可编程时期，升级为可记录程序计算结果，极大丰富了应用潜力，进入平台发展阶段； 

第三阶段，2017 年至今，区块链技术被应用于供应链管理、司法记录、数字版权、食药溯源、交通出行等多个领域，区块链与实体经济深度结合，被认为是区块链发展的产业应用阶段。 

区块链关键技术发展向应用端快速突破 

在区块链的运作原理中，块链式数据结构与分布式存储有机结合，通过多方共识记录交易结果，在技术和机制上实现了可信、共识、防篡改能力，其关键核心技术有点对点通信、共识机制、加密算法、智能合约等。随着应用场景的不断深入，高性能、强隐私、互联互通等成为区块链技术发展的重要方向和着力点，关键技术进阶正朝着应用端汇集。近年来，学术界、产业界持续加大对区块链相关技术的研究力度，分布式存储、共识机制、智能合约、加密算法等关键技术取得新进展，跨链、分片等技术研究深度进一步下沉。 

分布式存储 

区块链本质是一个分布式的公共账本，将各个区块连成一个链条，实际上是一种点对点的记账系统（一个总账本），每一个节点都可以记录信息。区块链中数据以区块的方式永久储存，区块按时间顺序逐个先后生成并连接成链，每一个区块记录了创建期间发生的所有交易信息。区块的数据结构一般分为区块头（Header）和区块体（Body），如下图所示： 

2019 年以来，面向区块链数据存储能力的技术研究取得新突破，星际文件系统（IPFS）等技术有效解决了区块链系统存储能力不足的问题，使超媒体数据上链成为可能。IPFS 是一个面向全球的、点对点的分布式文件系统，帮助万维网在网页寻址、访问效率、数据存储、隐私保护和数据交易等方面大幅提升，通过 IPFS 处理大量数据，将不可变的永久 IPFS 链接放入区块链中，大大提高了区块链系统的存储能力。 

共识机制 

共识机制是在互不信任的网络中对事件前后顺序达成共识的一种算法，区块链技术正是运用共识算法在各个节点间建立去中心化的信任网络，解决记账不一致性的问题，为特定场景中的应用提供保障。主流的区块链系统共识算法有工作量证明（POW）、权益证明（POS）、股份授权证明（DPOS）、分布式事务一致性协议（PAXOS）、实用拜占庭容错算法（PBFT）等，各类主流算法基于容错性、性能等因素在中心化程度上存在差异，如图 4 所示。此外，Kafka、Raft 协议、软硬件结合共识算法等也正在逐渐被区块链系统所采用。 

2019 年以来，区块链网络运行整体呈现“高效化”、“节能化”的特点。以 POW 为例，依托高能耗的 POW 共识机制的区块链网络呈减少态势，POW 共识机制架构下的节点呈现出低能耗、高效率的特点。以太坊在 2019 年完成了数据结构的重大升级，共识机制从“POW+POS”双共识机制驱动转化为 POS 共识机制驱动，网络运行效率得以提升的同时，也降低了能耗。 

智能合约 

智能合约是一种基于预定义事件触发、不可篡改、自动执行的计算机协议，旨在以数字方式促进、验证或强制执行合同的谈判或履行。长期以来，由于缺乏可执行、可验证的平台和规模化落地场景，智能合约并未受到广泛关注。2015 年，以太坊打开了智能合约规模化应用的窗口，智能合约在区块链中实现了防篡改、一致性、可审计、自动化执行等能力，从而也成为区块链技术的重要组成部分。  

2019 年以来，智能合约逐渐向高效智能合约引擎、合约算法库、预言机等方向发展，例如，融合 Docker 和虚拟机实现高效的智能合约引擎，包含科学计算、字符串处理、序列 / 反序列等协议的合约算法库，实现同外部数据验证交互的区块链预言机等。 

加密算法 

加密算法将明文信息转换成密文信息，信息的接收方能够通过密钥对密文信息进行解密，获得明文信息。加密算法分为对称加密算法和非对称加密两种，区块链系统主要应用非对称加密算法来确认交易主体身份、交易数据消息摘要和信息安全编码解码。下图展示了非对称加密的原理，用户注册区块链账户后同时生成公钥和私钥，公钥、私钥加密后的数据可互相解密，公钥可向网络中其它用户公开。  

2019 年以来，零知识证明和同态加密在区块链中得到进一步应用。与传统的加密技术相比，零知识证明和同态加密增强了区块链系统隐私保护能力，提高了加解密效率，强化了数据安全性。其中，零知识证明在不向验证者提供信息内容本身的情况下，让验证者相信某个论断是真实可信。同态加密通过对明文进行环上的加法和乘法运算再加密，与加密后的密文进行相应的运算，确保结果等价。众多企业端区块链系统使用零知识证明和同态加密方法，强化了交易信息加密存储和验证，提升了区块链系统数据安全和保密性。 

跨链技术 

跨链技术本质上是一种将区块链上的数据、或者信息安全可信地转移到另外一条区块链上并在其链上产生预期效果的一种技术。区块链技术在过去迎来了新的爆发增长，应用落地从概念 POC 逐步走向商业应用，形成了覆盖政务、金融、交通运输等多行业探索。当前的应用探索大多聚焦在局部单一领域的应用，重点解决了“局域网”内部的商业协作。随着商业应用大规模落地，各场景下现有的局部数字资产流转已经不能满足未来数字经济的发展需求，如何突破不同区块链之间互通性的限制走向跨行业跨领域的深度互链，成为突破行业发展瓶颈的关键。 

当前跨链技术核心相关技术包含：跨链隐私安全、高性能交易、中继技术、跨链事务、跨链治理、命名寻址、异构协议等，部分技术在现有跨链平台上有较成熟的解决方案及应用。标准化方面，跨链技术整体已形成多层次多模块的标准架构雏形，其中部分应用成熟的子层次模块已在相关标准组织立项，标准化推进中。跨链技术架构趋于统一及核心技术的进一步升级，有望加速演进出支撑万链互联真实需求的生产级平台。 

分片技术

分片是一种通过将数据库分割为不同片区以达到系统扩容的技术。当多笔交易数据进入区块链系统中，各片区将分别处理一部分输入的交易数据，使更多的交易能够同时被处理和验证。通过分片技术，可以提高区块链系统交易处理和确认的并发性，进而提高整个网络的数据吞吐能力。可以提高交易数据处理验证效率，提升区块链系统服务能力，有效降低全网的交易转账成本。 

近年来双层分片、有向无环图（DAG）等机制和技术进一步丰富了分片技术的发展，但实现过程仍具有较大挑战性。作为解决区块链拓展性问题的技术之一，分片技术的优势和前景毋庸置疑，未来在共识算法交互性、片区安全性等方面还需要开展相关的技术研究和攻关。