第二章
區(qū)塊鏈基礎(chǔ)

一、區(qū)塊鏈的基本概念

區(qū)塊鏈（Blockchain）技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展離不開(kāi)比特幣。首先，因?yàn)殡S著比特幣的誕生，區(qū)塊鏈技術(shù)才得以公布于眾；其次，比特幣是截至目前區(qū)塊鏈技術(shù)最成功、最成熟的應(yīng)用案例。比特幣的概念由中本聰在2008年發(fā)表的論文《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》中首次提出。文中，中本聰將區(qū)塊鏈技術(shù)作為構(gòu)建比特幣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及交易體系的基礎(chǔ)技術(shù)，將比特幣打造為一種數(shù)字貨幣和在線支付系統(tǒng)，利用加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)資金轉(zhuǎn)移，而不再依賴于中央銀行。比特幣使用公鑰地址發(fā)送和接收比特幣，并進(jìn)行交易記錄，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)人身份信息的匿名。交易確認(rèn)的過(guò)程則需要用戶貢獻(xiàn)算力，共同對(duì)交易進(jìn)行共識(shí)確認(rèn)，從而將交易記錄到全網(wǎng)公開(kāi)賬本中。用戶可以利用電腦、手機(jī)等發(fā)送或接收比特幣，并選擇交易費(fèi)用。現(xiàn)有逾百種加密數(shù)字貨幣（未來(lái)幣、點(diǎn)點(diǎn)幣、萊特幣、狗狗幣等），比特幣約占所有加密數(shù)字貨幣市值的90%。

比特幣的區(qū)塊鏈畢竟是為比特幣體系的設(shè)計(jì)而定制，因此比特幣的區(qū)塊鏈技術(shù)并不等于區(qū)塊鏈技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)該是可以有更多種形態(tài)、更多種體系、更多種用途、更多種規(guī)格的技術(shù)，其概念為：區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)由一串使用密碼學(xué)方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)區(qū)塊有序鏈接而成，區(qū)塊中包含有一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的無(wú)法被篡改的數(shù)據(jù)記錄信息。

區(qū)塊中包含數(shù)據(jù)記錄、當(dāng)前區(qū)塊根哈希（Hash）、前一區(qū)塊根哈希、時(shí)間戳以及其他信息（圖2-1）。數(shù)據(jù)記錄的類型可以根據(jù)場(chǎng)景決定，比如資產(chǎn)交易記錄、資產(chǎn)發(fā)行記錄、清算記錄、智能合約記錄甚至物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)記錄等。數(shù)據(jù)記錄在存儲(chǔ)過(guò)程中，通常組織為樹(shù)形式，比如默克爾樹(shù)，而區(qū)塊根哈希實(shí)際就是數(shù)據(jù)記錄樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)哈希，為根據(jù)數(shù)據(jù)記錄樹(shù)自下而上逐步通過(guò)SHA-256等哈希算法計(jì)算得出。時(shí)間戳為區(qū)塊的生成時(shí)間。其他信息包括區(qū)塊簽名信息、隨機(jī)值等信息，也可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景靈活定義。

區(qū)塊鏈技術(shù)不是一種單一的技術(shù)，而是多種技術(shù)整合的結(jié)果，包括密碼學(xué)、數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)科學(xué)等。這些技術(shù)以特定方式組合在一起，形成了一種新的去中心化數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)體系，并給存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的區(qū)塊打上時(shí)間戳使其形成一個(gè)連續(xù)的、前后關(guān)聯(lián)的誠(chéng)實(shí)數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，最終目的是建立一個(gè)保證誠(chéng)實(shí)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，可將其稱為能夠保證系統(tǒng)誠(chéng)實(shí)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。在這個(gè)系統(tǒng)中，只有系統(tǒng)本身是值得信任的，所以數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)與更新規(guī)則是為建立人們對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的信任而設(shè)計(jì)。誠(chéng)實(shí)意味著系統(tǒng)可以被信任，正是商業(yè)活動(dòng)和應(yīng)用推廣的前提，所以區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)被很多領(lǐng)域主流機(jī)構(gòu)看中并非是沒(méi)有理由的。因?yàn)橛辛藚^(qū)塊鏈技術(shù)，在一個(gè)誠(chéng)信的系統(tǒng)里，可以省去許多煩瑣的審查手續(xù)，許多因數(shù)據(jù)缺乏透明度而無(wú)法開(kāi)展的業(yè)務(wù)可以開(kāi)展，甚至社會(huì)的自動(dòng)化程度也將大幅提升。

近年來(lái)，包括高盛、摩根大通和納斯達(dá)克等金融機(jī)構(gòu)開(kāi)始展開(kāi)對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的重點(diǎn)研究。這些機(jī)構(gòu)的金融業(yè)務(wù)大都具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、連續(xù)性強(qiáng)、自動(dòng)化需求大、業(yè)務(wù)對(duì)信用度要求高等特點(diǎn)，跟區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)高度契合。同時(shí)，在供應(yīng)鏈金融中，由于物流、資金流和信息流的復(fù)雜安排會(huì)涉及眾多單據(jù)，因此使用電子商務(wù)平臺(tái)記賬會(huì)大大節(jié)省紙質(zhì)單據(jù)所需要的時(shí)間和成本，然而使用誰(shuí)的電子商務(wù)平臺(tái)就成為一個(gè)大問(wèn)題。如果使用利益相關(guān)各方自建的電子商務(wù)平臺(tái)，數(shù)據(jù)的真實(shí)性就很容易受到質(zhì)疑，而自建電子商務(wù)平臺(tái)往往耗資不菲；如果使用第三方的電子商務(wù)平臺(tái)，第三方的經(jīng)營(yíng)穩(wěn)定性和信息安全性又難以保證，比如因財(cái)務(wù)、政策、網(wǎng)絡(luò)攻擊等各種情況引起不穩(wěn)定問(wèn)題等，溝通協(xié)調(diào)成本和風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)大幅增加。區(qū)塊鏈技術(shù)的安全性、不可逆、不可篡改性和透明性都已經(jīng)得到了證明，如果能把供應(yīng)鏈金融業(yè)務(wù)直接建立在這樣已被證明其可靠性的區(qū)塊鏈上，將極大地降低安全和信用成本。所以，盡管目前電子商務(wù)平臺(tái)的使用已經(jīng)大大節(jié)約了成本，但如果能有一個(gè)具有公信力的類似區(qū)塊鏈公共信用系統(tǒng)，成本仍有進(jìn)一步節(jié)約的空間。從政府層面來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)也很重要，因?yàn)樘峁┲档么蟊娦湃蔚南到y(tǒng)本身就是政府職能的一部分。中國(guó)的資本運(yùn)用效率遠(yuǎn)低于美國(guó)的一個(gè)非常重要的原因就是社會(huì)的信用體系不健全、信息不透明、部門(mén)協(xié)調(diào)成本過(guò)高，且利益保護(hù)現(xiàn)象嚴(yán)重。如果能從技術(shù)上應(yīng)用區(qū)塊鏈，就可以用較低的成本打破這些阻礙，建立一個(gè)公開(kāi)的社會(huì)公共信用系統(tǒng)，整個(gè)社會(huì)成本都將大幅降低，效率也將大幅提升，還便于監(jiān)管。透明的數(shù)據(jù)不僅將大大降低監(jiān)管部門(mén)的工作量（很大一部分工作量轉(zhuǎn)移給了社會(huì)監(jiān)督，任何異動(dòng)都很難逃過(guò)眾人的眼睛），而且使得監(jiān)管部門(mén)的主要工作轉(zhuǎn)向治理，提升治理人性化和效率。

盡管使用區(qū)塊鏈技術(shù)所建立的系統(tǒng)本身是誠(chéng)實(shí)可信的，但這并不意味著來(lái)自系統(tǒng)以外的輸入信息就是誠(chéng)實(shí)的，更多的時(shí)候只是意味著區(qū)塊鏈誠(chéng)實(shí)記錄并儲(chǔ)存了這些外部數(shù)據(jù)。比如認(rèn)證，認(rèn)證工作往往是在線下完成，即使區(qū)塊鏈能夠存儲(chǔ)文字、圖片甚至多媒體信息，也并不意味著那些信息都是真實(shí)的。這只意味著區(qū)塊鏈真實(shí)記錄并存儲(chǔ)了這些信息，防止被篡改，如果發(fā)生業(yè)務(wù)糾紛時(shí)可以作為憑證。可能許多人沒(méi)有注意到這一點(diǎn)，自動(dòng)化是區(qū)塊鏈技術(shù)的一個(gè)非常重要的特性，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上就是一個(gè)接近于自動(dòng)化或存在完全自動(dòng)化可能性的網(wǎng)絡(luò)。這一點(diǎn)之所以重要，一方面，是因?yàn)樽詣?dòng)化是金融機(jī)構(gòu)青睞區(qū)塊鏈技術(shù)的重要原因，金融交易需要網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)交易數(shù)據(jù)，也能夠允許參與者通過(guò)設(shè)置條件在網(wǎng)絡(luò)上自動(dòng)進(jìn)行和完成交易；另一方面，區(qū)塊鏈技術(shù)在這方面提供的可能性為社會(huì)生產(chǎn)效率的大幅提升留下了廣闊的空間，也為智能合約等一系列高級(jí)應(yīng)用留下了充足的余地。在理想情況下，區(qū)塊鏈技術(shù)最終能夠同物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)。

總體而言，區(qū)塊鏈的發(fā)展體系可以劃分為四個(gè)象限（圖2-2）。第一象限是比特幣區(qū)塊鏈；

第二象限是使用比特幣區(qū)塊鏈協(xié)議，但不使用比特幣貨幣的系統(tǒng)，比如萬(wàn)事達(dá)幣、彩色幣、合約幣，以及采用合并挖礦的域名幣等；第三象限是同時(shí)使用獨(dú)立貨幣和獨(dú)立區(qū)塊鏈的系統(tǒng)，比如以太坊、瑞波、萊特幣和未來(lái)幣等；第四象限是側(cè)鏈，采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)但以比特幣作為底層貨幣的系統(tǒng)，如BTC Relay等。

（一）區(qū)塊鏈的分類

目前已知的區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用大致分為三類。

1. 公共區(qū)塊鏈（Public Blockchain）：是指全世界任何人都可讀取、可發(fā)送交易進(jìn)行有效性確認(rèn)，任何人都能參與其共識(shí)過(guò)程的區(qū)塊鏈（共識(shí)過(guò)程是維持區(qū)塊鏈這種分布式數(shù)據(jù)庫(kù)一致性、準(zhǔn)確性的關(guān)鍵技術(shù)，將在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)介紹），如圖2-3所示。區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)記錄公開(kāi)，所有人都可以訪問(wèn)，都可以發(fā)出交易請(qǐng)求，并通過(guò)驗(yàn)證被寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈。共識(shí)過(guò)程的參與者通過(guò)密碼學(xué)技術(shù)共同維護(hù)公共區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的安全、透明、不可篡改。公共區(qū)塊鏈的典型應(yīng)用包括比特幣、以太坊等。

公共區(qū)塊鏈?zhǔn)峭耆植际降膮^(qū)塊鏈，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)公開(kāi)，用戶參與程度高，同時(shí)易于產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)，便于應(yīng)用推廣。然而，系統(tǒng)的運(yùn)行需要依賴于內(nèi)建的激勵(lì)機(jī)制。公共區(qū)塊鏈上試圖保存的數(shù)據(jù)越有價(jià)值，越要審視其安全性以及安全性帶來(lái)的交易成本、系統(tǒng)可擴(kuò)展性問(wèn)題。

2. 共同體區(qū)塊鏈（Consortium Blockchains）：又稱聯(lián)盟鏈，是指參與區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)是事先選擇好的，節(jié)點(diǎn)間通常有良好的網(wǎng)絡(luò)連接等合作關(guān)系，區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)可以是公開(kāi)的也可以是內(nèi)部的，為部分意義上的分布式，可視為“部分去中心化”。如圖2-4所示為共同體區(qū)塊鏈?zhǔn)疽鈭D。比如有若干家金融機(jī)構(gòu)之間建立了某個(gè)共同體區(qū)塊鏈，每個(gè)機(jī)構(gòu)都運(yùn)行著一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而且為了使每個(gè)區(qū)塊生效需要獲得至少其中10個(gè)機(jī)構(gòu)的確認(rèn)。區(qū)塊鏈可以允許每個(gè)機(jī)構(gòu)可讀取，或者只受限于共識(shí)驗(yàn)證參與者，或走混合型路線，例如區(qū)塊的根哈希及應(yīng)用程序接口對(duì)外公開(kāi)，允許外界用來(lái)進(jìn)行區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈狀態(tài)信息查詢等。其典型應(yīng)用包括超級(jí)賬本（Hyperledger）、區(qū)塊鏈聯(lián)盟R3CEV等。

共同體區(qū)塊鏈的參與節(jié)點(diǎn)間的連接狀態(tài)較好、驗(yàn)證效率較高，只需較低的成本即可維持運(yùn)行，提供高速交易處理的同時(shí)降低交易費(fèi)用，有很好的擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)可以保持一定的隱私性。但是這也意味著在共識(shí)達(dá)成的前提下，參與節(jié)點(diǎn)可以一起篡改數(shù)據(jù)。

3. 私有區(qū)塊鏈（Private Blockchain）：參與的節(jié)點(diǎn)只有有限的范圍，比如特定機(jī)構(gòu)的自身用戶等，數(shù)據(jù)的訪問(wèn)及使用有嚴(yán)格的權(quán)限管理，如圖2-5所示為私有區(qū)塊鏈?zhǔn)疽鈭D。完全私有的區(qū)塊鏈中寫(xiě)入權(quán)限僅在參與者手里，讀取權(quán)限可以對(duì)外開(kāi)放，也可以進(jìn)行任意程度的限制。相關(guān)的應(yīng)用囊括數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)審計(jì)甚至公司管理，盡管在有些情況下希望私有區(qū)塊鏈可以具有公共的可審計(jì)性，但在更多的情況下，沒(méi)有公共的可讀性。由于是私有用戶說(shuō)了算，里面的數(shù)據(jù)沒(méi)有無(wú)法篡改的特性，對(duì)于第三方的保障力度大大降低。因此，目前很多私有區(qū)塊鏈會(huì)通過(guò)依附在比特幣等已有區(qū)塊鏈的方式存在，定期將系統(tǒng)快照數(shù)據(jù)記錄到比特幣等系統(tǒng)中。其典型應(yīng)用如Eris Industries。

私有區(qū)塊鏈可以帶來(lái)規(guī)則的改變。如果需要的話，運(yùn)行著私有區(qū)塊鏈的機(jī)構(gòu)可以很容易地修改區(qū)塊鏈的規(guī)則、回滾交易。這一點(diǎn)似乎略有違背區(qū)塊鏈的本質(zhì)，但是卻適用于一些特殊場(chǎng)景需求。由于私有區(qū)塊鏈驗(yàn)證者是內(nèi)部公開(kāi)的，所以并不存在部分驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)共謀進(jìn)行51%攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。私有區(qū)塊鏈交易成本更低。交易只需被幾個(gè)受信的高算力節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證即可，而不是需要數(shù)萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)，因此交易成本會(huì)低。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的進(jìn)步，公共區(qū)塊鏈的成本將可能降低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，大致與高效的私有區(qū)塊鏈系統(tǒng)類似。私有區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)間連接情況好、故障可以迅速通過(guò)人工干預(yù)來(lái)修復(fù)，從而提升交易速度并可以更好地保護(hù)隱私。

公共區(qū)塊鏈、共同體區(qū)塊鏈和私有區(qū)塊鏈各有優(yōu)勢(shì)。公共區(qū)塊鏈很難實(shí)現(xiàn)得很完美，共同體區(qū)塊鏈、私有區(qū)塊鏈需要找到實(shí)際迫切需求的應(yīng)用需求和場(chǎng)景。至于具體選擇哪套方案取決于具體需求，有時(shí)使用公共區(qū)塊鏈會(huì)更好，但有時(shí)又需要一定的私有控制，適用于使用共同體區(qū)塊鏈或私有區(qū)塊鏈。

（二）區(qū)塊鏈的特征

1. 去中心化

去中心化是區(qū)塊鏈最基本的特征，意味著區(qū)塊鏈不再依賴于中央處理節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布式記錄、存儲(chǔ)和更新。由于使用分布式存儲(chǔ)和算力，不存在中心化的硬件或管理機(jī)構(gòu)，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的權(quán)利和義務(wù)均等，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)本質(zhì)是由全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)的。由于每個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)都必須遵循同一規(guī)則，而該規(guī)則基于密碼算法而非信用，同時(shí)每次數(shù)據(jù)更新需要網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他用戶的批準(zhǔn)，所以不需要一套第三方中介結(jié)構(gòu)或信任機(jī)構(gòu)背書(shū)。在傳統(tǒng)的中心化網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)實(shí)行攻擊即可破壞整個(gè)系統(tǒng)，而在一個(gè)去中心化的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，攻擊單個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)法控制或破壞整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，掌握網(wǎng)內(nèi)超過(guò)51%的節(jié)點(diǎn)只是獲得控制權(quán)的開(kāi)始而已。

2. 透明性

區(qū)塊鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄對(duì)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是透明的，數(shù)據(jù)記錄的更新操作對(duì)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)也是透明的，這是區(qū)塊鏈系統(tǒng)值得信任的基礎(chǔ)。由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)使用開(kāi)源的程序、開(kāi)放的規(guī)則和高參與度，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)記錄和運(yùn)行規(guī)則可以被全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)審查、追溯，具有很高的透明度。

3. 開(kāi)放性

區(qū)塊鏈系統(tǒng)是開(kāi)放的，除了數(shù)據(jù)直接相關(guān)各方的私有信息被加密外，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)對(duì)所有人公開(kāi)（具有特殊權(quán)限要求的區(qū)塊鏈系統(tǒng)除外）。任何人或參與節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)公開(kāi)的接口查詢區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)記錄或者開(kāi)發(fā)相關(guān)應(yīng)用，因此整個(gè)系統(tǒng)信息高度透明。

4. 自治性

區(qū)塊鏈采用基于協(xié)商一致的規(guī)范和協(xié)議，使整個(gè)系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)能夠在去信任的環(huán)境自由安全地交換數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)，把對(duì)個(gè)人或機(jī)構(gòu)的信任改成對(duì)體系的信任，任何人為的干預(yù)都將不起作用。

5. 信息不可篡改

區(qū)塊鏈系統(tǒng)的信息一旦經(jīng)過(guò)驗(yàn)證并添加至區(qū)塊鏈后，就會(huì)得到永久存儲(chǔ)，無(wú)法更改（具備特殊更改需求的私有區(qū)塊鏈等系統(tǒng)除外）。除非能夠同時(shí)控制系統(tǒng)中超過(guò)51%的節(jié)點(diǎn)，否則單個(gè)節(jié)點(diǎn)上對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改是無(wú)效的，因此區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和可靠性極高。

6. 匿名性

區(qū)塊鏈技術(shù)解決了節(jié)點(diǎn)間信任的問(wèn)題，因此數(shù)據(jù)交換甚至交易均可在匿名的情況下進(jìn)行。由于節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換遵循固定且預(yù)知的算法，因而其數(shù)據(jù)交互是無(wú)須信任的，可以基于地址而非個(gè)人身份進(jìn)行，因此交易雙方無(wú)須通過(guò)公開(kāi)身份的方式讓對(duì)方產(chǎn)生信任。