区块链技术应用与展望

王纯 张柏伊 张莹云

1.成都市成华区人民政府办公室，四川 成都 610051；

2.成都市成华区人力资源和社会保障局，四川 成都 610051；

3.成都市成华区委党校，四川 成都 610051

区块链技术是一种底层的支持技术，目前主要体现在对以比特币为代表的数字货币系统做核心支撑，其以去中心化为原则，使用数字加密、分布共识、有偿激励的方式，实现整个链路网络上的安全、公平、对等的协作和交易。区块链为集中式组织中常见的高成本、低效率和不安全的数据存储问题提供解决方案[1]。目前关于区块链的中、英文研究文献相对较少，大多集中在科普环节[2]。本文较为系统地梳理了区块链的相关概念、典型应用和目前存在的问题。

1 比特币与区块链概述

1.1 比特币的相关概念

目前最被大众所熟知的区块链技术在日常应用中就是比特币系统。据相关机构的统计数据显示，基于区块链技术的比特币系统每天平均大约有150 000笔交易，价值约7500万美元，并且已经生成了超过400 000个区块[3]。据不完全统计，全球数字加密货币总市值已经超过67亿美元，其中比特币市值约占86%,瑞波币（Ripple）和以太币(Ethereum)分别是第二和第三位[4]。换句话说，在缺乏政府和中央银行信贷认可的情况下，分散比特币依靠算法信贷创造了一个与欧洲小国相当的全球经济。据估计，到2027年，全球GDP的10%将通过区块链技术储存[5]。

2009年1月4日，比特币区块链的第一个区块问世，民间将其称为“创世区”，创始人中本村（Satoshi Nakamoto）持有。一周后，中本村向密码学家Halfini发送了10个比特币，成为比特币历史上的第一笔交易；2010年5月，第一个比特币公开汇率，在一名佛罗里达州的程序员购买比萨优惠券时发生，1万个比特币兑换25美元。此后的汇率一路走高，2013年11月时已经达到惊人的1个比特币兑换1242美元，已经超过当时每盎司黄金价格。根据CoinDesk的估计，目前全世界已经有超过6万的B2B、B2P、P2P业务接受比特币交易，并且中国增长最为迅速[6]。

1.2 区块链的相关概念

区块链技术起源于2008年，其真正走进人们的视野是从日本的物理学家比特币创始人中本村公开发表的学术论文《比特币：一种点对点电子现金系统》开始，虽然当时学术界与工业界并未认可这一点。区块链定义从狭义上讲，是一种分散且不可伪造的分散式共享分类账，它按时间顺序将数据块组合成特定的数据结构并加密，能够安全地存储在其链路上，作为可以分散化集体验证的数据。实际上，区块链的底层核心构架就是需要各个节点分散化验证数据链上存储的数据，去中心化的结构使其在每个链节点进行一致性审查后才能更新数据，并在分散的基础设施和分布式计算范例的基础上使用自动脚本代码（智能合约），进行编程和操作数据。

区块链技术对于数字货币体系是具有革命性意义的，可以说比特币系统已经解决了数字货币系统中最大的风险——重复使用问题[7]。数字货币系统长久以来存在利用同一笔“数字现金”进行多次支付的问题，即是“双花”。在传统的金融和货币体系中，现金是一种自然避免双重支付的实体，其支付行为受到为交易双方所信任的第三方机构的担保。基于区块链技术的比特币系统的革命性创新在于，在数字货币的世界里不再需要现实中的第三方机构，而是整个系统各个节点都是验证方，信息验证与数字货币交易是同时进行的。

图1 比特币系统

比特币系统目前已经渗透到生产、生活中多个层面，尤其是金融交易市场（如图1所示），并且已经逐渐占据了先前已有的数字加密货币市场份额。由于比特币系统的开源特征，大量的技术人员可将创新技术加入其中，其系统节点（俗称矿工）一起审查、计算、验证，保证了系统的稳定安全，“矿工”的计算能力来自符合PoW共识机制的专业设备（俗称矿机）。

比特币系统可以说是区块链技术第一个现实化应用，因此目前区块链研究的人力、物力都集中在比特币系统上。但是比特币系统从本质上只是区块链技术的一个“壳”，从其进一步发展过程中，尤其是在工业界、政界大规模应用后，最终会回归到区块链技术上。鉴于此，比特币系统只是一个过渡性的产物，其在不久的将来定会以升级的形式应用在区块链其他领域，同时在诸多新领域的区块链技术必将又有新的发展，必将“反补”当前比特币系统的种种缺陷，因此二者既有主从关系，又互相促进。

2 区块链技术的应用

区块链技术所独有的链式节点分布的特点，决定了它具有分布式高冗余存储、无法篡改和伪造的时间序列数据的优点，以及分散信用、自动执行、安全性和隐私保护等重要的功能。正如前文所说，区块链技术的应用绝不会只停留在数字货币系统，在社会管理、金融市场等领域都大有可为。

2.1 应用场景

数据存储：区块链技术的特点就是将数据分散化的存储在每一个节点，形成冗余存储模式，这使得存储的数据具有了极强的安全性和稳定性，使得数据大规模数据丢失或由于攻击或管理不善造成的泄漏几乎不可能发生。当前比较火热的大数据研究（视频，图片，文本等），及其衍生出的个人健康管理、社会管理都会使得区块链的数据存储优势得到进一步的发挥[8]。

数据保真：区块链中存储的数据都具有时间矢量信息，这使得篡改和伪造变得十分困难，十分适合重要数据的验证和记录，在实际工作中的公证以及各类审计审查中应用前景广阔。可以数字化的保存各级机构的证书、许可证以及各项记录，并具有极强的安全性，可以随时轻松证明某些数据的存在和真实性。国外的一些研究机构基于区块链技术，已经就机构审计、政府公证等公共服务领域设计了一套完整的解决方案[9]。

金融交易：区块链技术在比特币系统中的安全特性十分适合金融交易。区块链技术最大的优势就是自动生成受信任的交易担保，并且可以在没有背书信用的情况下建立金融市场，因此很大程度上“金融脱媒”的实现使得商业务模式发生颠覆性变化，如第三方支付和基金托管。区块链技术极其适用于互联网金融，无论是当前比较流行的创业众筹、P2P借贷，还是最近刚出现的互联网保险。在证券和银行业务中，区块链自动化智能合约和可编程功能的使用可以大大降低成本，尤其是时间成本，完全无须第三方担保机构介入，方便快捷地实现金融产品交易。

资产管理：区块链用于资产管理实际上可作为当下网络安全技术的发展方向。上文提到区块链数据的时间属性以及不可篡改的特点，在知识产权领域会有全新的应用。实物财产结合物联网技术，可以对每一项资产生成带时间属性以及不可篡改的数字标签，使得实际资产具有数字化特征，进而实现全链路的去中心化资产监管机制。

选举投票：社会生活中，区块链技术可以用于公开的选举投票。各类选举中的选票计票由于电子化后效率提高了，但是同样出现了一定程度的数据失真。基于区块链技术的选举方式及可以在各个节点监督下完成。

2.2 应用模式

随着区块链技术应用模式、场景的不断丰富，目前已经出现多种的链形式：公共、联盟以及私有区块链。公共链是一种分散化（去中心化）的区块链。区中心化的结构使得各个节点上的参与者都可以对数据进行修改和验证，并且具有相应的奖励机制，量化标准为PoW或PoS贡献值，比特币就是其典型代表。联盟链则是一种部分分散化（去中心化）的区块链。以线下的实体组织或联盟为单位，参与节点控制。例如在10个预先选择的共识节点中获得5个节点，生成一种“块节点”。私有链则是集中型的区块链。在一个私有化的链路中监控数据，使得数据具有更强的集中管理性，同时也可以根据需求转化为公共数据。

3 基于区块链的智能合约

智能合约实际上就是基于区块链技术的下一代数字合同，将合同本身、签约双方打包整合。目前的区块链技术已经将智能合约定为其底层规范之一，在受到特定指令触发下，将在去中心化的模式下执行。

智能合约也可以认为是一种应用程序，在它的控制下，数字资产具有了智能化特征，可以各种方式进行转移、变更，而不会改变其原有价值。本质上，智能合约又是开源的代码，具有可升级性，随着其应用的深化，逻辑判断能力的不断提高，辅之区块链技术的安全性，智能合约最终将可以代表签署方执行合同，而无须依赖任何第三方组织。

3.1 智能合约运行机理

智能合约的运行机理如图2所示：智能合约在甲乙双方签署后，开始执行的过程实际上就是一段执行代码存储在区块链上（程序中包含规则、方案以及触发指令等），在整个链路中传播。智能合约在区块链上受到监督，并且在各个节点审查后，特定的指令成为这个合约的触发指令，触发其生效条件，进而执行合同。

图2 智能合约运行机理

3.2 智能合约的应用

区块链和智能合约被广泛应用。常见的就是P2P借贷、发行债券以及私募基金等。通过智能合约，这些功能可以打包在链路中传播，在区块链上受到监督，保证其安全性，由此触发合同执行，将资金送到每一个投资者或是受贷方，并实时记录。还可以在一定时间内未达到融资金额时自动提取资金，将其返还给投资者，有效地避免财务风险。此外，智能合约的特点是自治，自给自足和权力下放，这可以在很大程度上保证合同的公平性和公正性[10]。

未来基于区块链技术的智能合约将从“安全自动”向“智能托管”进行演化。现有的智能合约基于经典的编程语句“IF-THEN”判断语句触发执行，好处是在已知的规则下一定程度上可以满足“安全自动”的交易数据处理需求。未来的智能合约应该基于未知情景，以机器学习的方式实施“WHAT-IF”推演，“半自动”的程序代码真正变为“全智能”的电子合同[11]。

4 区块链的现存问题

尽管区块链近年来得到蓬勃发展，但作为新兴技术其底层架构及规则上还是存在诸多固有的缺陷和问题。

4.1 信息安全

安全问题是区块链技术中最被关注的问题。其中，最为人们所知的是“51%”攻击问题，即当基于PoW共识过程的计算节点具有超过整个链路一半的计算能力时，区块链中存储的数据便可以被篡改和伪造。典型的就是比特币系统，中国节点的计算能力已经占总网络总量的60%以上，其一旦实现对整个链路进行51%攻击，前文提到的“双花”就可以实现[12]。虽然实际具有掌握51%网络计算能力的控制权力所需要的成本远远大于实施“51%”攻击得到的好处，但是“51%”攻击问题依然是区块链技术固有的缺陷，已经有研究人员提出修改PoW共识过程规范来试图解决这个问题[13]。

4.2 执行效率

区块链技术的大规模应用很大程度上取决于其执行效率。一是区块链节点容量问题：由于底层安全规则的要求，每一个节点都在不断地备份数据，但是整个链路上的读取、修改记录是海量的，这对于节点提出了极高要求。目前区块链节点存储的数据量已经达到了超百G水平，虽然新的数据存储格式可以缓解这个问题，但是工业级大规模硬件升级才是解决之道[9]；二是交易效率问题：同样受限于底层规则，基于区块链技术的比特币系统中交易被限定在每秒处理7次，而在现实金融市场中的可以预见的是每一秒全世界都有成百上千的交易在进行，最好的例子就是全球消费者对于VISA信用卡的使用频次[11]；三是成交信息反馈确认时长问题：以比特币系统为例，每一个币块需要10分钟生成，交易时间必然大于等于10分钟，同样极大地降低了交易的效率。

4.3 资源浪费

区块链技术中PoW共识机制决定了对节点计算量的奖励程度，但是其本质是利用网络节点的计算能力对无穷无尽生成的二进制随机数进行搜索，而不是一些有实际价值的科学计算，浪费了节点资源。俗称的“采矿”并不是真正意义上的创造价值，并且这一过程随着“矿机”（节点计算硬件设备）的升级，资源浪费的严重性将进一步凸显。

5 结语

比特币为代表的数字货币不断升温，区块链技术不仅在学术界，其在工业界、政界都引起了极大的关注。因为基于区块链技术的各项衍生应用具有安全稳定、不可篡改以及趋于智能化等特征，在金融市场交易、数字货币流通甚至社会管理中都具有广泛的应用前景。然而，相比于区块链技术未来的广阔应用前景，其自身的底层构架和规则还处于初级研究阶段，关于区块链产业发展的大量实质性科学问题迫切需要跟进研究。