區塊鏈技術到底有沒有前途？能用來干些什么？

【概述】

區塊鏈是一種去中心化的、分布式的、數字賬本系統，它用于記錄眾多設備之間的交易，任何的記錄都不應該被更改，每個節點都可以獨立地、相對簡單地驗證和進行交易審計。

它是通過使用密碼學中的幾個概念如數字簽名和哈希函數來實現的。區塊鏈結合了以下兩個概念：

1.???????給出一些數據，很容易計算出數據的校驗和。

通過設計一些專門的哈希函數來計算這個校驗和。這些函數設計成返回一個具有相同長度的值，這個值不依賴于輸入的長度，被稱為哈希值，或者說是消息摘要。

這些函數必須滿足如下要求：給定相同的輸入，必須返回相同的輸出（哈希值/消息摘要）。

2.???????除了哈希值之外，一個塊通常還包含一個時間戳和一些有效數據。每個數據塊都使用一個數字簽名，可以用來檢測自簽名后數據的變化。當創建新的數據塊時，新創建的塊也會包含前一個塊的哈希值。

在大多數情況下，區塊鏈是點對點方式進行管理的。所有的節點都遵循一個共同的協議，該協議規定了節點間應該如何相互通信，如何創建和驗證一個新的區塊。一旦記錄下來，任何給定區塊中的數據都不能再輕易改變。更改這個塊意味著它之后的所有塊也需要更改。

這種修改的代價很高，一般需要大多數節點同意甚至所有節點同意才能做到，這要看具體的區塊鏈協議是如何規定的。

從設計上來說，區塊鏈是安全的。區塊鏈技術特別適合應用在對記錄正確性有嚴格要求的領域，比如醫療記錄，身份管理，食品追溯和投票系統等等。

區塊鏈是由Stuart Haber和Scott Stornetta于1991年發明的，是一種保證數字記錄完整性的手段。Haber和Stornetta在1995年推出了世界上第一個商業區塊鏈：Surety。

2008年，中本聰在《比特幣：點對點電子現金系統》（Bitcoin: A Peer to Peer Electronic Cash System）一書中，將Haber和Stornetta的兩篇論文作為參考，創建了一個公共交易記賬系統，也就是加密貨幣-比特幣系統。比特幣成為了第一個解決重復消費問題的數字貨幣，它不再需要權威機構或中央服務器的確認就可以完成交易。比特幣的設計開創了新一代區塊鏈應用的先河。

隨著交易量的不斷增加，區塊鏈系統的數據也越來越大，2014年8月，比特幣區塊鏈文件大小達到20GB，這些數據包含了這個系統內網絡上發生的所有交易記錄，2015年1月，比特幣區塊鏈的規模已經發展到近30GB，2016年1月至2017年1月，比特幣區塊鏈的規模從50GB增長到100GB。到2020年初，賬本規模已經超過200GB。

【主要概念】

區塊鏈數據庫采用點對點網絡和分布式時間戳服務器自主管理。它們通過由集體的自我利益驅動來進行大規模協作認證。這樣的設計有利于創造出穩健的工作流程。

區塊鏈的使用消除了數字資產無限重復性的特性。它能夠保證每個價值單位只轉移一次，這解決了長期以來的重復消費問題。

區塊鏈可以被描述為一種價值交換協議，區塊鏈可以用來維護產權。當交換協議放生以后，區塊鏈就保存一個交易記錄，可以以此為憑據進行強制合同執行。

【區塊】

每個區塊包含一批有效的交易數據，這些交易數據經過哈希以后編碼成梅克爾樹，每個區塊包括區塊鏈中前一個區塊的哈希值，這一規則把所有的區塊連接起來形成了一條鏈，這個規則可以用來確認了前一個區塊的完整性，一直可以驗證到到最初的創世區塊。

有些時候，由于各種因素比如網絡的延遲，可能同時產生不同的區塊，這樣就會形成臨時的分叉。

為了解決這個問題，每個區塊鏈都有一個指定的算法對不同版本的記錄區塊進行打分，得分較高的區塊可以被選入。沒有被選中的區塊被稱為孤兒區塊。區塊鏈系統只保留所知道的數據庫中得分最高的版本。每當一個節點收到一個得分較高的版本（通常是添加了一個新區塊的舊版本），就會擴展或覆蓋自己的數據庫，并將改進后的版本重新傳送給相鄰節點。

從理論上講，沒有某個區塊是不可修改的。

區塊鏈通常是將新區塊的得分添加到舊區塊上，并給予新區塊擴展的激勵，而不是覆蓋舊區塊。

因此，當更多的區塊鏈區塊被建立時，一個條目被取代的概率會呈指數級下降，最終變得非常低。例如，比特幣使用的是工作證明系統，其中累積工作證明最多的鏈被網絡認為是有效的鏈。

在區塊鏈內，計算是以冗余方式進行的，而不是傳統的隔離和并行方式。

【區塊創建時間】

區塊時間是指網絡在區塊鏈中生成一個新區塊所需的平均時間。有些區塊鏈每五秒就會創建一個新的區塊。

在加密貨幣中，這實際上就是交易發生的時間，所以更短的區塊創建時間意味著更快的交易。?以太幣的區塊創建時間被設定為14到15秒，而比特幣的區塊創建時間平均為10分鐘。

【硬分叉】

硬分叉是指規則的改變，在這種情況下，按照舊規則驗證的區塊會在新規則下視為無效。

硬分差的結果會導致產生一條新的區塊鏈：

如果一組節點繼續使用舊的規則，而其他節點使用新規則，就會出現永久性的分裂。

例如，以太鏈通過硬叉來"整頓"The DAO中的投資者，而The DAO曾因其代碼中存在的漏洞被黑客入侵。在這種情況下，硬分叉導致了以太鏈的分裂，形成了以太鏈和以太經典鏈。在2014年，Nxt?社區有5000NXT被盜，Nxt社區被要求考慮硬分叉，以減輕被盜取的影響。

最終，硬分叉提議被否決，經過談判和支付贖金后，追回了部分資金。

另外，為了防止永久性的分叉，使用新規則的節點要恢復到舊規則，就像2013年3月12日比特幣分叉的情況。

【去中心化】

通過在點對點網絡上存儲數據，區塊鏈消除了數據被集中保管的一系列風險。?去中心化的區塊鏈使用臨時消息傳遞和分布式網絡系統。

點對點區塊鏈網絡可以杜絕計算機破解者可以利用的中心化漏洞點，它沒有中心化系統可能導致整個系統失效的中心點。區塊鏈的安全方法包括了公鑰密碼學的應用。

公鑰（一個長長的、隨機的數字字符串）是區塊鏈上的地址。在網絡上發送的有價值的代幣被記錄為屬于該地址。

私鑰就像一個密碼，它讓其所有者可以訪問他們的數字資產或以其他方式與區塊鏈支持的各種功能進行交互。

存儲在區塊鏈上的數據一般被認為是不可破壞的。

去中心化系統中的每個節點都有一個區塊鏈的副本。數據質量由海量的數據庫復制和計算信任共識來維持。沒有一個集中式的?"官方?"副本存在，沒有一個用戶比其他用戶更受?"信任"。

交易通過系統向網絡廣播。消息是以最佳共識為基礎傳遞的。通過共識機制驗證有效交易，并添加到構建的區塊中，然后將完成的區塊廣播給其他節點。

區塊鏈使用各種時間戳方案，如工作證明（proof-of-work）等，并將修改序列化。替代性的共識方法包括風險證明（proof-of-stake），權威證明（proof-of-authority）。

去中心化區塊鏈的增長伴隨著同樣的中心化的風險，因為處理大量數據所需的計算機資源變得更加昂貴。只有少數節點才可能提供如此昂貴的資源。

【開放性】

與一些傳統的所有權記錄相比，開放的區塊鏈更加方便用戶查看，雖然開放的區塊鏈對公眾開放，但仍然需要物理訪問才能查看。由于所有早期的區塊鏈都是無權限的，因此在區塊鏈的定義上產生了爭議。這場爭論中的一個焦點是，一個由中央權威機構授權的驗證者的私有系統是否應該被視為區塊鏈。

私有鏈的支持者認為，"區塊鏈?"一詞可以適用于任何將數據分批包含時間戳的區塊的數據結構，這些區塊鏈作為數據庫中的多版本并發控制（MVCC）的分布式版本，正如MVCC防止兩個事務同時修改數據庫中的單一對象一樣，區塊鏈也防止兩個事務在區塊鏈中修改同一個區塊。

【不需要批準】

一個開放的、無權限或公共的區塊鏈網絡的巨大優勢在于，不需要對不良行為者進行防范，也不需要訪問控制，這意味著，無需他人的批準，就可以將應用添加到網絡中，將區塊鏈作為傳輸層。

比特幣和其他加密貨幣目前通過工作證明來確保其區塊鏈的安全。為了構建區塊鏈，比特幣使用了Hashcash拼圖。?雖然Hashcash是由Adam Back在1997年設計的，?但最初的想法是由Cynthia Dwork和Moni Naor以及Eli Ponyatovski在1992年的論文?"通過處理或打擊垃圾郵件進行定價"中首次提出的。

金融公司目前沒有動力去考慮去中心化的區塊鏈。

2016年，對區塊鏈相關項目的風險投資在美國開始減弱，但在中國卻出現了增加。"

比特幣和許多其他加密貨幣都使用開放的區塊鏈。

【私有區塊鏈】

私有塊鏈使用一個訪問控制層來管理誰可以訪問網絡。與公共區塊鏈網絡不同，私有區塊鏈網絡上的驗證者由網絡所有者審查。

【私有區塊鏈的缺點】

Nikolai Hampton在《計算機世界》中指出，"不需要對私有區塊鏈進行'51%'的攻擊，因為私有區塊鏈的創建者已經控制了100%的區塊創建資源。如果你可以攻擊或破壞私人企業服務器上的區塊鏈創建工具，你可以有效地控制他們100%的網絡，并隨心所欲地改變交易。"?這就像2007-08年的金融危機或債務危機期間得情況類似。因為在金融危機中，政治上有權勢的群體會做出有利于所在群體的決策，而犧牲其他群體的利益。?而"比特幣區塊鏈受到大規模的工作證明保護。任何私有區塊鏈都不太可能試圖使用千兆的計算能力來保護記錄，這既費時又費錢。"?他還表示，"在私有區塊鏈內部也不存在'競爭'，沒有任何激勵措施來更快地發現區塊。這意味著許多內部區塊鏈解決方案將不過是繁瑣的數據庫。"

【區塊鏈分析】

隨著比特幣、以太幣、Litecoin和其他加密貨幣的普及，對公共區塊鏈的分析變得越來越重要，一個區塊鏈如果是公開的，只要有技術能力，任何人都可以進入這個區塊鏈進行觀察和分析。

對于許多加密貨幣、加密貨幣交易所和銀行來說，交易的追蹤一直是一個問題。?一個指責加密貨幣的重要原因是"啟用區塊鏈的加密貨幣使毒品、武器、洗錢等非法黑市交易有成為合法的可能。"

這種看法認為加密貨幣是私有的、不可追蹤的，因此會導致許多使用者將其用于非法目的。

其實，并非真的如此，現在有專門的科技公司提供區塊鏈追蹤服務，讓加密貨幣交易所、執法部門和銀行之間更清楚地了解到加密貨幣基金和非官方加密貨幣交易所的情況。

一些人認為，這種發展會導致犯罪分子優先使用Monero等新的加密貨幣，這里就有個關于區塊鏈數據的公開可得性和個人隱私的問題。這也是加密貨幣領域乃至最終在區塊鏈領域的一個關鍵爭論點。

【區塊鏈的使用】

區塊鏈技術可以被整合到多個領域。目前，區塊鏈的主要用途是作為加密貨幣的分布式賬本，最著名的是比特幣。到2016年年底，有一些運營性產品從概念驗證開始成熟。但是到目前為止，企業界并不愿意將區塊鏈作為業務結構的核心。

【加密貨幣】

大多數加密貨幣都使用區塊鏈技術來記錄交易的。例如，比特幣網絡和以太幣網絡都是基于區塊鏈。2018年5月8日，Facebook確認將開設一個新的區塊鏈小組，該小組將由此前負責Messenger的David Marcus負責。Facebook計劃中的加密貨幣平臺Libra于2019年6月18日正式宣布。

【智能合約】

基于區塊鏈的智能合約是指可以部分或完全執行或強制執行的合同，這里面不需要人的交互。智能合約的主要目標之一是自動托管。國際貨幣基金組織的一項工作人員討論報告稱，基于區塊鏈技術的智能合約可能會減少道德風險，并在總體上優化合約的使用。但?"目前還沒有出現可行的智能合約系統。"?由于缺乏廣泛的使用，其法律地位尚不明確。

【金融服務】

金融行業正在把分布式賬本技術應用在銀行業的主要業務領域，而根據2016年9月IBM的一項研究報告，這種情況的實施比預期的要快。

銀行之所以對這項技術感興趣，是因為它有可能加快后臺結算系統的速度。

瑞銀等銀行正在開設新的研究實驗室，專門研究區塊鏈技術，以探索如何將區塊鏈應用于金融服務中，以提高效率和降低成本。

德國一家銀行Berenberg認為，區塊鏈是一項?"被過度炒作的技術"，雖然已經有了大量的?"概念驗證"，但仍然存在重大的挑戰，成功的案例寥寥無幾。

2018年12月，Bitwala推出了歐洲首個受監管的區塊鏈銀行解決方案，用戶可以在德國銀行賬戶的安全和便利性下，在一個地方同時管理他們的比特幣和歐元存款。該銀行賬戶由總部位于柏林的solarisBank托管。

區塊鏈還催生了初始代幣發行（ICOs）以及一個新的數字資產類別，即安全代幣發行（STO），有時也被稱為數字安全發行（DSO）。一些公司在這一領域開展了業務，為合規的代幣化、私人STO和公共STO提供服務。

【視頻游戲】

2017年11月推出了一款區塊鏈游戲CryptoKitties。該游戲在2017年12月成為頭條新聞，當時一個cryptokitty角色--游戲內的虛擬寵物--以超過10萬美元的價格出售。CryptoKitties說明了以太幣網絡上游戲的可擴展性，?結果在以太幣網絡上造成了嚴重的擁堵，當時大約30%的以太幣交易都來自這款游戲。

CryptoKitties還展示了區塊鏈如何用于游戲資產（數字資產）的目錄編排。

【供應鏈】

有一些行業組織正在努力將區塊鏈應用于供應鏈物流和供應鏈管理。

Everledger是IBM基于區塊鏈的跟蹤服務的首批客戶之一。

沃爾瑪和IBM正在進行一項試驗，使用區塊鏈支持的系統進行供應鏈監控---區塊鏈的所有節點都由沃爾瑪管理，并位于IBM云上。

Hyperledger Grid為區塊鏈供應鏈解決方案開發開放組件。

【域名】

區塊鏈域名是區塊鏈的另一種使用方式。區塊鏈域名與普通域名不同，區塊鏈域名完全是域名所有者的資產，只能由所有者通過私鑰來控制，區塊鏈域名為不想被審查的網站提供了一種解決方案，客觀上實現了言論自由機制，因為除了私鑰持有者之外，沒有任何機構或個人可以干預和控制域名。

同樣的，區塊鏈域名也是取代傳統錢包地址的更好選擇，因為人們可以很容易地記住域名，并使用它來接收支付。

【其他用途】

2017年，IBM兩家公司ASCAP和PRS for Music合作，在音樂發行領域采用區塊鏈技術。

Imogen Heap的Mycelia服務也被提出來作為基于區塊鏈的替代方案，這可以讓藝術家們更好地控制他們的歌曲和相關數據如何在粉絲和其他音樂人之間進行流通。

在采用區塊鏈之后，保險行業有了新的分配方式，如點對點保險、參數化保險和小額保險等，共享經濟和物聯網也將從區塊鏈中受益，因為它們涉及到多方協作。

在線投票是區塊鏈的另一個應用。

美國博物館和圖書館服務研究所正在研究區塊鏈在圖書館中的應用，并獲得了美國博物館和圖書館服務研究所的資助。

其他設計還包括：

l??Hyperledger是Linux基金會為支持基于區塊鏈的分布式賬本而進行的跨行業合作，該倡議下的項目包括Hyperledger Burrow(由Monax公司負責)和Hyperledger Fabric(由IBM公司牽頭)。

l??Quorum，摩根大通公司的私有區塊鏈，具有私有存儲，用于合約應用。

l??Tezos，去中心化投票。

l??Proof of Existence，一種在線服務，可以驗證計算機文件在特定時間的存在。

【區塊鏈類型】

目前，區塊鏈網絡至少有四種類型--公共區塊鏈、私有區塊鏈、聯合體區塊鏈和混合區塊鏈。

【公共區塊鏈】

一個公共區塊鏈沒有訪問限制。任何有互聯網連接的人都可以向其發送交易，也可以成為驗證者（即參與共識協議的執行）。通常來說，這類網絡會使用股權證明或工作證明算法，或者兩者兼有。

比較出名公共區塊鏈有比特幣區塊鏈和以太幣區塊鏈。

【私有區塊鏈】

私有區塊鏈是有權限管理系統的，除非得到網絡管理員的邀請或者批準，否則不能加入。參與者和驗證者的訪問都是受限制的。

【混合區塊鏈】

混合區塊鏈具有中心化和去中心化的雙重特點，根據中心化和去中心化分別用在哪一部分，這些混合區塊鏈的具體工作方式會有所不同。

【側鏈】

側鏈是對與主區塊鏈并行運行的區塊鏈分布式賬本系統的稱謂。來自主區塊鏈的條目（通常代表數字資產）可以與側鏈相連；這使得側鏈可以獨立于主區塊鏈運行（例如，通過使用備用的記錄保存手段、備用的共識算法等）。

【學術研究】

2014年10月，麻省理工學院比特幣俱樂部在麻省理工學院校友的資助下，為麻省理工學院的本科生提供了100美元的比特幣使用權。Catalini和Tucker在2016年研究的采用率顯示，那些在早期給予某項新技術但被要求延遲訪問的人，往往會拒絕接受這項技術。

【使用的動機】

研究人員對采用區塊鏈技術的動機進行了廣泛的調查。Janssen等人還提供了一個分析框架，但是，后來Koens & Poll指出，采用區塊鏈技術在很大程度上受到了非技術因素的驅動。

【合作】

商業和管理領域的學者們已經開始研究區塊鏈在支持協作方面的作用。有學者認為，區塊鏈既能促進合作（即防止機會主義行為），也能促進協調（即溝通和信息共享）。

這得益于區塊鏈的可靠性、透明度、記錄的可追溯性和信息的不可更改性。

區塊鏈以一種不同于傳統的合同使用方式和關系規范的方式促進合作：

l??與合同相反，區塊鏈不直接依賴法律系統來執行協議。

【內部審計】

區塊鏈的使用前提是這套系統可以幫助審計師能夠識別和找出交易相關的風險并暴露出來。

內部審計師協會已確定內部審計師需要應對這一變革性技術，也就是需要有新的方法來識別威脅和風險，并制定審計計劃。內部審計基金會的研究報告《區塊鏈與內部審計》對這些因素進行了評估，美國注冊會計師協會概述了區塊鏈給審計師帶來的新變化。

【工作證明機制下的區塊鏈的能源使用情況】

國際清算銀行批評了工作證明機制下的公共區塊鏈的高能耗問題。美國加州大學伯克利分校國際計算機科學研究所的Nicholas Weaver研究了區塊鏈的在線安全性，以及工作證明機制公共區塊鏈的能耗問題，發現區塊鏈的在線安全性不夠，并且對能源消耗過大會導致能源供應不足。2018年比特幣使用了31-45太瓦時的電力，共產生了17-22.9萬噸二氧化碳。

【期刊】

2015年9月，第一份專門研究加密貨幣和區塊鏈技術的同行評議學術期刊《Ledger》宣布出版。其創刊號于2016年12月出版，該期刊涵蓋了數學、計算機科學、工程、法律、經濟學和哲學等與比特幣等加密貨幣相關的各個方面。

【小結】

本文對于區塊鏈技術的主要概念，使用案例，類型和學術研究狀況做了簡要的探討，希望能對區塊鏈相關業務開發有指導和借鑒作用。

區塊鏈

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