区块链技术及其应用研究（上）

指导

区块链技术是目前最受关注的技术之一。 本文从区块链技术的起源出发，阐述比特币、以太坊等公链项目的应用，进而通过联盟链的定义，引出国际上主要联盟链组织的发起及其项目进展，并最后从金融行业的角度，对其应用场景和目前市场上已知的应用进行了描述和分析，并对区块链技术在金融行业的可能应用进行了展望。

核心观点

区块链技术是目前最受关注的技术之一。 从下图的Gartner技术成熟度曲线可以看出，BlockChain（区块链）几乎处于Expectaions（技术关注度）的顶端。 为什么这项技术在技术圈和资本圈都如此火爆，本文将详细探讨。

一、区块链的起源：比特币和以太坊

(1) 区块链的起源：比特币

区块链技术最早出现在中本聪2008年发表的白皮书《比特币：点对点电子现金系统》中，提出了一种完全通过点对点技术实现的电子现金系统，使在线支付成为可能。它由一方直接发起并支付给另一方，中间没有任何金融机构。

比特币区块链并不是一种全新的技术，而是利用密码学、对等网络技术等，建立基于链表结构的分布式账本。

区块链中的交易是可追溯的，因为它使用了由区块哈希值连接起来的链表结构（见图1）。 这个链表就是账本，每个区块可以看做是按时间顺序排列的一页书。 通过回溯账本的历史交易，可以验证交易者的持仓是否真实，链条越长越难被篡改。

使用数字签名（Digital signatures），接收方可以验证交易的来源。 原理如下：

比特币区块链技术利用密码学、P2P网络和分布式账户，建立了工作量证明机制（proof-of-work），也就是我们通常所说的区块链的共识机制区块链起源于比特币，它包括两部分，一个是在区块头和交易Hash上通过SHA256计算出一定难度系数的目标值，因为计算需要大量的设备和电力资源消耗，无法通过简单的手段伪造交易的成立； 另一种是一旦一个节点成功计算出目标值，就会形成一个新的区块并广播到全网，每个收到区块的节点都会验证这个区块的交易，只要有50%的节点使用自己的自己的账本来验证数据如果验证成功，我们就认为这个块是有效的，每个节点都会将这个新块附加到他们的账本的末尾。 用户可以通过 merkle 的分支完成支付确认，导致交易被打上时间戳并包含在区块中（见图 1.1）。

工作量证明机制就是我们通常所说的“挖矿”。 每个“矿工”每次都会产生一个新的区块，区块的第一笔交易会被专门化，交易会产生区块创建者拥有的一种新的电子货币。 这增加了节点支持网络的激励，并提供了一种无需中央机构发行货币即可将电子货币分配到流通中的方法。 这种不断向货币体系中添加一定数量的新货币的方式，与消耗资源挖掘金矿，将黄金注入流通领域非常相似。 此时CPU的时间和功耗就是消耗的资源。 “挖矿”的难度会随着全网算力的变化而调整，根据算法，“挖矿”的奖励币量会逐渐减少，从而有效控制通货膨胀。

(2) 智能合约的诞生：以太坊

2013年底，以太坊的发明者Vitalik Buterin建议比特币平台应该有更完善的编程语言供人们开发程序，但没有被采纳。 2014年，以太坊创始人Vitalik Buterin、Gavin Wood和Jeffrey Wilcke开始研究新一代区块链，试图实现一个不需要一般信任基础的智能合约平台。

以太坊是一个可编程的区块链。 它不给用户一系列预先设定的操作（如比特币交易），而是允许用户根据自己的意愿创建复杂的操作。 因此，它可以作为多种类型的去中心化区块链应用程序的平台，包括但不限于加密货币。

以太坊狭义地指一组为去中心化应用程序定义平台的协议。 其核心是以太坊虚拟机（“EVM”），它可以执行任意复杂算法的编码。 用计算机科学术语来说，以太坊是“图灵完备”的。 开发者可以使用 JavaScript 和 Python 等其他友好的编程语言作为模型来创建运行在以太坊模拟器上的应用程序。

与其他区块链一样，以太坊具有点对点网络协议。 以太坊区块链数据库由连接到网络的众多节点维护和更新。 每个网络节点都运行一个以太坊模拟器并执行相同的指令。 因此，人们有时形象地将以太坊称为“世界计算机”。

这种跨越整个以太坊网络的大规模并行计算并不是为了提高计算效率而设计的。 实际上，这个过程使得以太坊上的计算比传统“计算机”上的计算更慢、成本更高。 但是，每个以太坊节点都运行以太坊虚拟机，以保持整个区块链的一致性。 去中心化共识使以太坊具有极高的容错性，保证零停机时间，并允许存储在区块链上的数据保持不变和抗审查。

在比特币中，区块大小被限制为 1MB（三个月后将扩展到 2MB），而在以太坊中，区块大小是根据 gas limit 来确定的。 为了限制执行交易所需的工作量和防止DDOS攻击，任何交易都需要支付交易费用，以太坊的开发者提出了Gas交易费用机制。 Gas相当于以太坊上计算成本的单位。 Gas Limit 是每个区块可以使用的最大 Gas 量，被视为计算工作量、交易量和区块大小的最大值。 矿工可以根据交易量改变gas limit值。 更高的 gas limit 意味着每个区块可以执行更多的任务。

以太坊平台本身没有特点，没有价值。 与编程语言一样，由企业家和开发人员决定使用什么。 然而，很明显，某些应用程序类型比其他应用程序类型从以太坊的功能中受益更多。 以太坊特别适用于自动化对等点之间的直接交互或促进跨网络的组协调活动的应用程序。 例如，协调点对点市场的应用程序，或复杂金融合同的自动化。 比特币使个人能够在不求助于金融机构、银行或政府等其他中介机构的情况下进行货币兑换。 以太坊的影响可能更为深远。 理论上，任何复杂的金融活动或交易都可以在以太坊上自动可靠地编码。 除了金融应用，任何对信任、安全、持久化要求高的应用场景——如资产登记、投票、管理、物联网等——都会受到以太坊平台的大规模影响。

2. 公链和联盟链

（一）公链

公链是指世界上任何人都可以读取的区块链，任何人都可以发送交易并且交易可以得到有效确认，任何人都可以参与共识过程。 比特币和以太坊都是公链项目，公链一般被认为是“完全去中心化”的。

ICO 是 Initial Coin Offering 的缩写。 顾名思义，这是一种筹集资金以换取初始数字加密货币的方式。 ICO 改编自证券行业中的首次公开募股 (Initial Public Offering) 一词。 ICO本质上也是一种“公募”，只是发行标的物从证券变成了数字加密货币（altcoin）。 2013年7月，能找到的最早的ICO项目Mastercoin（现更名为Omni）通过元协议扩展了比特币的功能，募集了5000个比特币。 2014 年 7 月，以太坊（Ethereum）在 ICO 期间筹集了超过 30,000 个比特币，创下了历史记录。 过去几年，随着ICO的普遍接受和各种山寨币的炒作，经济激励带动了公链项目的创新浪潮，应用行业包括金融、保险、物流、医疗、固定资产交易、媒体等，虽然这些项目最终不一定会给社会带来技术和商业上的变革，但也是市场对区块链技术的尝试。

1.Steem

Steem 是一个区块链系统，通过提供加密货币奖励来支持社区建设和社区互动。 Steem 将社交媒体的概念与构建加密货币和社区的经验教训相结合。 激励人们参与社区、货币和自由市场经济的一个关键部分是提供一个始终反映每个人贡献的公平会计制度。 Steem 提供的代币 Steam 币是第一个尝试准确、透明地奖励无数为社区做出积极贡献的个人的加密货币。

Steem 的设计基于一个相对简单的概念：每个为社区做出有意义贡献的人都应该在经济收益方面得到认可。 只有这样，贡献者才能持续为社区做贡献，社区才能发展。 问题是建立一个系统来识别需要贡献什么，以及无数用户如何评价相对价值。

评估和奖励贡献的可靠系统是自由市场。 自由市场可以被认为是一个单一的社区，每个人都在其中相互交易，回报由得失决定。 市场体系可以奖励那些为他人提供价值的人，惩罚那些消费多于创造的人。 自由市场支持各种货币，财富只是大家可以交换的商品。

因为自由市场是一个经过验证的系统，所以尝试创建一个内容消费者直接向内容生产者付费的自由市场经济是很有诱惑力的。 然而，对于内容制作和策划来说，直接付费效率低下，而且大部分内容价值极低，愿意付费的读者寥寥无几。 许多免费替代品意味着强加“付费门槛”，将读者拒之门外。 也有一些向作者支付小额费用的尝试，但没有被广泛采用。

Steem 旨在为所有类型的提要实现高效的小额支付。 读者不必决定是否要自掏腰包支付给他人，而是对内容进行投票，系统会根据他们的投票决定个人奖励。 这意味着为人们提供一种熟悉的、广泛使用的方法，而不会出现小额支付和小费平台面临的认知、财务和机会成本问题。

来自社区的投票信息对于系统准确支付贡献者至关重要，因此投票也可以被视为关键贡献。 系统选择对内容整体收益贡献最大的成员进行奖励，投票者的奖励与最终支付给内容创作者的奖励成正比。

2.EOS

Eos是一个区块链操作系统，提供数据库、账户权限、调度、认证、互联网应用通信等功能，大大提高了智能业务开发的效率。 它使用并行计算将区块链扩展到数百万用户和每秒数百万次交易。

比特币引入了公共账本系统的概念，而以太坊则证明了对去中心化应用程序的普遍需求。 然而，为了看到区块链真正成为主流，我们必须能够处理现实世界的交易需求。 例如，信用卡网络需要能够每秒处理 20,000 笔交易。 Facebook 每秒处理 52,000 笔交易，不包括发帖和其他操作。 金融业每秒处理 100,000 笔交易。

由于区块大小的限制，比特币目前每秒只能处理大约 3 笔交易，而以太坊由于 Gas 限制每秒只能处理相对有限的交易。 当前区块链技术最重要的限制是单线程性能。

2013年创建去中心化交易所Bts，2014年发布，采用DPOS方式，只需3秒确认。 第一版Bts的部分理念和技术来自比特币，但仍不能满足交易所的性能要求。 2015年开发出石墨烯系统，彻底改写了Bts。 实现了单机每秒处理10万笔交易，在全球压测中实现了每秒1.8万笔交易。 用户名系统也与Bts一起发布，将用户名与密钥区分开来，使企业组织能够被其他用户组织认可。 Steem 于 2016 年发布，Steem 使用了一些新概念。 社交媒体用户不想每次投票都付钱，他们想要账户恢复等。

Steem 还将原本浪费在挖矿上的奖励重新分配给在区块链上提问的人，让成千上万的人参与进来。 在这一点上，Steem 和 Bts 每天的实际交易量超过所有其他主要区块链的总和。 但是Steem和Bts也是应用区块链。 如果要在一条区块链上运行多个应用程序，还需要解决可扩展性问题。

目前，开发人员必须从头开始构建去中心化计算机才能运行他们的智能应用程序。 因此，所有的APP开发者都必须解决相同的问题：账户体系、恢复流程等，因此有必要构建一个由运营商控制的操作系统。 该系统提供了每个应用程序所需的通用功能，因此这些应用程序可以专注于自己的业务逻辑。 Eos就是这样一个区块链操作系统。

（二）联盟链组织及主要项目

相对于公有链，联盟链是指写入权限只掌握在一个组织手中，读取权限要么对外开放，要么限制在任何范围内的区块链，所以联盟链针对的是他们之间有一个专业的组织信息交换。 在区块链技术日益受到重视的今天，多个联盟链组织由多家IT、咨询、金融公司巨头发起，逐步推动区块链技术在多个行业的通用或针对性框架的发展。

1. R3区块链联盟

R3区块链联盟成立于2015年9月，目前已有40多家国际银行组织加入，成员几乎遍布全球。 主要致力于为银行提供探索区块链技术的渠道，建立区块链概念产品。 联盟成立后，举办了一系列的研讨会。 R3 表示，银行加入的“初始窗口”已经关闭，2016 年该联盟将寻求与非银行金融机构和团体合作。 R3 使用以太坊和 Microsoft Azure 技术将 11 家银行连接到分布式账本。 R3 非常确定自己在做什么。 其表示，区块链技术受到了全球银行的欢迎。 一些银行不仅与R3合作探索区块链技术，同时也在进行自己的区块链技术研究。 研究。 2016年4月，R3CEV正式与微软建立合作伙伴关系，共同研究实验性区块链应用。

该财团宣布了 Corda，这是他们专门为此目的构建的最新分布式私有分类账，最近发布了测试版。

Corda 提供了运行智能合约的框架，包括以下关键操作和功能：

Corda 目前的设计是为金融机构服务，而没有考虑其他行业的需求。

2.超级账本

Hyperledger 是 Linux 基金会于 2015 年发起的一个开源项目，旨在推广区块链数字技术和交易验证。 加入的成员包括：IBM、ABN AMRO、Accenture 和十几个不同的兴趣 目标是让成员共同努力构建一个开放平台，以满足来自许多不同行业的各种用户案例并简化业务流程。 由于点对点网络的特点，分布式账本技术是完全共享、透明和去中心化的，因此非常适合在金融行业以及制造业、银行业、保险业、物联网。 通过创建分布式账本的开放标准，可以安全、高效、低成本地跟踪和交易虚拟和数字价值交换，例如资产合约、能源交易和结婚证书。

2016年3月，在Linux协会的推动下区块链起源于比特币，Hyperledger项目正式将三个项目成员Blockstream、Digital Asset Holdings（数字资产控股公司）和科技巨头IBM贡献的代码合并为一个新的代码库，形成了基础用于新的企业级区块链。 这个代码集合称为 Hyperledger Fabric。 Hyperledger Fabric现已发布1.0.0版本，标志着该项目进入里程碑阶段。

Fabric 致力于在一个共识网络内交换、维护和访问指定资产资产的信息。 它是一个企业间的区块链架构，其主要功能包括：