2022年中科院自动化所-区块链技术发展现状与展望 .pdf

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1、本文为中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室袁勇博士与王飞跃教授发表在 2016 年 4 月出版的在自动化学报上关于区块链技术的综述论文。文章通过解构区块链的核心要素，提出了区块链系统的基础架构模型，详细阐述了区块链及与之相关的比特币的基本原理、技术、方法与应用现状，讨论了智能合约的理念、应用和意义。区块链是以比特币为代表的数字加密货币体系的核心支撑技术。区块链技术的核心优势是去中心化，能够通过运用数据加密、时间戳、分布式共识和经济激励等手段，在节点无需互相信任的分布式系统中实现基于去中心化信用的点对点交易、协调与协作，从而为解决中心化机构普遍存在的高成本、低效率和数据存储不安

2、全等问题提供了解决方案。随着比特币近年来的快速发展与普及，区块链技术的研究与应用也呈现出爆发式增长态势，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，是人类信用进化史上继血亲信用、贵金属信用、央行纸币信用之后的第四个里程碑 1。区块链技术是下一代云计算的雏形，有望像互联网一样彻底重塑人类社会活动形态，并 实现从目前的信息互联网向价值互联网的转变。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 8 页 -区块链技术的快速发展引起了政府部门、金融机构、科技企业和资本市场的广泛关注。2016 年 1 月，英国政府发布区块链专题研究报告2，积极推行区块

3、链在金融和政府事务中的应用；中国人民银行召开数字货币研讨会探讨采用区块链技术发行虚拟货币的可行性，以提高金融活动的效率、便利性和透明度。美国纳斯达克于2015 年 12 月率先推出基于区块链技术的证券交易平台Linq，成为金融证券市场去中心化趋势的重要里程碑；德勤和安永等专业审计服务公司相继组建区块链研发团队，致力于提升其客户审计服务质量。截止到2016 年初，资本市场已经相继投入10 亿美元以加速区块链领域的发展。初创公司R3CEV 基于微软云服务平台Azure 推出的BaaS（Blockchain as a Service，区块链即服务）服务，已与美国银行、花旗银行等全球40 余家大型银行

4、机构签署区块链合作项目，致力于制定银行业的区块链行业标准与协议。区块链技术起源于2008 年由化名为中本聪（Satoshi Nakamoto）的学者在密码学邮件组发表的奠基性论文比特币：一种点对点电子现金系统3，目前尚未形成行业公认的区块链定义：?狭义来讲，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以链条的方式组合成特定数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的去中心化共享总账（Decentralized Shared Ledger），能够安全存储简单的、有先后关系的、能在系统内验证的数据。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 8 页 -?广义的区块链技术则是利用加密链

5、式区块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、利用自动化脚本代码（智能合约）来编程和操作数据的一种全新的去中心化基础架构与分布式计算范式。区块链具有去中心化、时序数据、集体维护、可编程和安全可信等特点：?首先是 去中心化：区块链数据的验证、记账、存储、维护和传输等过程均是基于分布式系统结构，采用纯数学方法而不是中心机构来建立分布式节点间的信任关系，从而形成去中心化的可信任的分布式系统；?其次是 时序数据：区块链采用带有时间戳的链式区块结构存储数据，从而为数据增加了时间维度，具有极强的可验证性和可追溯性；?第三是 集体维护：区块链系统 采用特定的经济激励机制来保证分布式系统

6、中所有节点均可参与数据区块的验证过程（如比特币的挖矿过程），并通过共识算法来选择特定的节点将新区块添加到区块链；?第四是 可编程：区块链技术可提供灵活的脚本代码系统，支持用户创建高级的智能合约、货币或其他去中心化应用。例如，以太坊（Ethereum）平台即提供了图灵完备的脚本语言以供用户来构建任何可以精确定义的智能合约或交易类型4；?最后是 安全可信：区块链技术 采用非对称密码学原理对数据进行加密，同时借助分布式系统各节点的工作量证明等共识算法形成的强大算力来抵御外部攻击、保证区块链数据不可篡改和不可伪造，因而具有较高的安全性。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 8

7、页 -区块链技术是具有普适性的底层技术框架，可以为金融、经济、科技甚至政治等各领域带来深刻变革。按照目前区块链技术的发展脉络，区块链技术将会经历以可编程数字加密货币体系为主要特征的区块链1.0 模式、以可编程金融系统为主要特征的区块链2.0 模式和以可编程社会为主要特征的区块链3.0 模式1。目前，一般认为区块链技术正处于2.0 模式的初期，股权众筹和P2P 借贷等各类基于区块链技术的互联网金融应用相继涌现。然而，上述模式实际上是平行而非演进式发展的，区块链1.0 模式的数字加密货币体系仍然远未成熟，距离其全球货币一体化的愿景实际上更远、更困难。目前，区块链领域已经呈现出明显的技术和产业创新驱

8、动的发展态势，相关学术研究严重滞后、亟待跟进。截止到2016 年 2 月，以万方数据知识服务平台为中文数据源、以Web of Science 和 EI Village 为英文数据源的文献检索显示，目前篇名包含关键词区块链/blockchain的仅有2 篇中文5,6 和 9 篇英文文献614。本文系统性地梳理了区块链的基本原理、核心技术、典型应用和现存问题，以期为未来研究提供有益的启发与借鉴。本文组织结构为：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 8 页 -?第 1 节概述区块链与比特币的发展史及二者的关系；?第 2 节阐述区块链的基础架构模型及其关键技术；?第 3 节和第

9、4 节分别概要总结了区块链技术的应用场景与现存的问题；?第 5 节介绍智能合约及其在区块链领域的应用现状；?第 6 节展望了区块链驱动的平行社会发展趋势；?第 7 节总结本文内容。1.比特币与区块链概述比特币是迄今为止最为成功的区块链应用场景。据区块链实时监控网站Blockchain.info 统计显示，平均每天有约7500 万美元的120000 笔交易被写入比特币区块链，目前已生成超过40 万个区块15。加密货币市值统计网站 显示，截止到 2016 年 2 月，全球共有675 种加密货币，总市值超过67 亿美元，其中比特币市值约占86%，瑞波币和以太币分别居二、三位16。目前比特币供应量（即

10、已经挖出的比特币数量）已经超过1500 万枚，按照每枚比特币389.50 美元的现行价格估算其总市值已超过59 亿美元，在世界各国2015 年 GDP 排名中占据第144 位（略低于欧洲的摩尔多瓦）。换言之，在没有政府和中央银行信用背书的情况下，去中心化的比特币已经依靠算法信用创造出与欧洲小国体量相当的全球性经济体【注：近日比特币价格突破名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 8 页 -5800 美元/枚，流通的比特币总价值达到967 亿美元】。预计到2027 年，全球10%的 GDP 将会通过区块链技术存储17。比特币区块链的第一个区块（称为创世区块）诞生于2009 年

11、 1 月 4 日，由创始人中本聪持有。一周后，中本聪发送了10 个比特币给密码学专家哈尔芬尼，形成了比特币史上第一次交易；2010 年 5 月，佛罗里达程序员用1 万比特币购买价值为25 美元的披萨优惠券，从而诞生了比特币的第一个公允汇率。此后，比特币价格快速上涨，并在2013 年 11 月创下每枚比特币兑换1242 美元的历史高值，超过同期每盎司1241.98 美元的黄金价格。据CoinDesk 估算，目前全球约有6 万商家接受比特币交易，其中中国是比特币交易增长最为迅速的国家18。比特币本质上是由分布式网络系统生成的数字货币，其发行过程不依赖特定的中心化机构，而是依赖于分布式网络节点共同参

12、与一种称为工作量证明（Proof of Work，PoW）的共识过程以完成比特币交易的验证与记录。PoW 共识过程（俗称挖矿，每个节点称为矿工）通常是各节点贡献自己的计算资源来竞争解决一个难度可动态调整的数学问题，成功解决该数学问题的矿工将获得区块的记账权，并将当前时间段的所有比特币交易打包记入一个新的区块、按照时间顺序链接到比特币主链上。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 8 页 -比特币系统同时会发行一定数量的比特币以奖励该矿工，并激励其他矿工继续贡献算力。比特币的流通过程依靠密码学方法保障安全。每一次比特币交易都会经过特殊算法处理和全体矿工验证后记入区块链，同时

13、可以附带具有一定灵活性的脚本代码（智能合约）以实现可编程的自动化货币流通。由此可见，比特币和区块链系统一般具备如下五个关键要素，即公共的区块链账本、分布式的点对点网络系统、去中心化的共识算法、适度的经济激励机制以及可编程的脚本代码。区块链技术为比特币系统解决了数字加密货币领域长期以来所必需面对的两个重要问题，即双重支付问题和拜占庭将军问题 19：?双重支付问题又称为双花，即利用货币的数字特性两次或多次使用同一笔钱完成支付。传统金融和货币体系中，现金（法币）因是物理实体，能够自然地避免双重支付；其他数字形式的货币则需要可信的第三方中心机构（如银行）来保证。区块链技术的贡献是在没有第三方机构的情况

14、下，通过分布式节点的验证和共识机制解决了去中心化系统的双重支付问题，在信息传输的过程同时完成了价值转移。?拜占庭将军问题是分布式系统交互过程普遍面临的难题，即在缺少可信任的中央节点的情况下，分布式节点如何达成共识和建立互信 20。区块链通过数字加密技术和分布式共识算法，实现了在无需信任单个节点的情况下构建一个去中心化的可信任系统。与传统中心机构（如中央银行）的信用背书机制不同的是，比特币区块名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 8 页 -链形成的是软件定义的信用，这标志着中心化的国家信用向去中心化的算法信用的根本性变革。图 1 比特币生态圈比特币凭借其先发优势，目前已经

15、形成体系完备的涵盖发行、流通和金融衍生市场的生态圈与产业链（如图1 所示），这也是其长期占据绝大多数数字加密货币市场份额的主要原因。比特币的开源特性吸引了大量开发者持续性地贡献其创新技术、方法和机制；比特币各网络节点（矿工）提供算力以保证比特币的稳定共识和安全性，其算力大多来自于设备商销售的专门用于PoW 共识算法的专业设备（矿机）。比特币网络为每个新发现的区块发行一定数量的比特币以奖励矿工，部分矿工可能会相互合作建立收益共享的矿池，以便汇集算力来提高获得比特币的概率。比特币经发行进入流通环节后，持币人可以通过特定的软件平台（如比特币钱包）向商家支付比特币来购买商品或服务，这体现了比特币的货币属性；同时由于比特币价格的涨跌名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 8 页 -