【概述】

区块链是一种去中心化的、分布式的、数字账本系统，它用于记录众多设备之间的交易，任何的记录都不应该被更改，每个节点都可以独立地、相对简单地验证和进行交易审计。

 

它是通过使用密码学中的几个概念如数字签名和哈希函数来实现的。区块链结合了以下两个概念：

 

1.       给出一些数据，很容易计算出数据的校验和。

通过设计一些专门的哈希函数来计算这个校验和。这些函数设计成返回一个具有相同长度的值，这个值不依赖于输入的长度，被称为哈希值，或者说是消息摘要。

这些函数必须满足如下要求：给定相同的输入，必须返回相同的输出（哈希值/消息摘要）。

2.       除了哈希值之外，一个块通常还包含一个时间戳和一些有效数据。每个数据块都使用一个数字签名，可以用来检测自签名后数据的变化。当创建新的数据块时，新创建的块也会包含前一个块的哈希值。

 

在大多数情况下，区块链是点对点方式进行管理的。所有的节点都遵循一个共同的协议，该协议规定了节点间应该如何相互通信，如何创建和验证一个新的区块。一旦记录下来，任何给定区块中的数据都不能再轻易改变。更改这个块意味着它之后的所有块也需要更改。

 

这种修改的代价很高，一般需要大多数节点同意甚至所有节点同意才能做到，这要看具体的区块链协议是如何规定的。

 

从设计上来说，区块链是安全的。区块链技术特别适合应用在对记录正确性有严格要求的领域，比如医疗记录，身份管理，食品追溯和投票系统等等。

 

区块链是由Stuart Haber和Scott Stornetta于1991年发明的，是一种保证数字记录完整性的手段。Haber和Stornetta在1995年推出了世界上第一个商业区块链：Surety。

 

2008年，中本聪在《比特币：点对点电子现金系统》（Bitcoin: A Peer to Peer Electronic Cash System）一书中，将Haber和Stornetta的两篇论文作为参考，创建了一个公共交易记账系统，也就是加密货币-比特币系统。比特币成为了第一个解决重复消费问题的数字货币，它不再需要权威机构或中央服务器的确认就可以完成交易。比特币的设计开创了新一代区块链应用的先河。

 

随着交易量的不断增加，区块链系统的数据也越来越大，2014年8月，比特币区块链文件大小达到20GB，这些数据包含了这个系统内网络上发生的所有交易记录，2015年1月，比特币区块链的规模已经发展到近30GB，2016年1月至2017年1月，比特币区块链的规模从50GB增长到100GB。到2020年初，账本规模已经超过200GB。

 

【主要概念】

区块链数据库采用点对点网络和分布式时间戳服务器自主管理。它们通过由集体的自我利益驱动来进行大规模协作认证。这样的设计有利于创造出稳健的工作流程。

 

区块链的使用消除了数字资产无限重复性的特性。它能够保证每个价值单位只转移一次，这解决了长期以来的重复消费问题。

 

区块链可以被描述为一种价值交换协议，区块链可以用来维护产权。当交换协议放生以后，区块链就保存一个交易记录，可以以此为凭据进行强制合同执行。

 

【区块】

每个区块包含一批有效的交易数据，这些交易数据经过哈希以后编码成梅克尔树，每个区块包括区块链中前一个区块的哈希值，这一规则把所有的区块连接起来形成了一条链，这个规则可以用来确认了前一个区块的完整性，一直可以验证到到最初的创世区块。

 

有些时候，由于各种因素比如网络的延迟，可能同时产生不同的区块，这样就会形成临时的分叉。

 

为了解决这个问题，每个区块链都有一个指定的算法对不同版本的记录区块进行打分，得分较高的区块可以被选入。没有被选中的区块被称为孤儿区块。区块链系统只保留所知道的数据库中得分最高的版本。每当一个节点收到一个得分较高的版本（通常是添加了一个新区块的旧版本），就会扩展或覆盖自己的数据库，并将改进后的版本重新传送给相邻节点。

 

从理论上讲，没有某个区块是不可修改的。

 

区块链通常是将新区块的得分添加到旧区块上，并给予新区块扩展的激励，而不是覆盖旧区块。

 

因此，当更多的区块链区块被建立时，一个条目被取代的概率会呈指数级下降，最终变得非常低。例如，比特币使用的是工作证明系统，其中累积工作证明最多的链被网络认为是有效的链。

 

在区块链内，计算是以冗余方式进行的，而不是传统的隔离和并行方式。

 

【区块创建时间】

区块时间是指网络在区块链中生成一个新区块所需的平均时间。有些区块链每五秒就会创建一个新的区块。

在加密货币中，这实际上就是交易发生的时间，所以更短的区块创建时间意味着更快的交易。 以太币的区块创建时间被设定为14到15秒，而比特币的区块创建时间平均为10分钟。

 

【硬分叉】

硬分叉是指规则的改变，在这种情况下，按照旧规则验证的区块会在新规则下视为无效。

硬分差的结果会导致产生一条新的区块链：

如果一组节点继续使用旧的规则，而其他节点使用新规则，就会出现永久性的分裂。

例如，以太链通过硬叉来"整顿"The DAO中的投资者，而The DAO曾因其代码中存在的漏洞被黑客入侵。在这种情况下，硬分叉导致了以太链的分裂，形成了以太链和以太经典链。在2014年，Nxt 社区有5000NXT被盗，Nxt社区被要求考虑硬分叉，以减轻被盗取的影响。

最终，硬分叉提议被否决，经过谈判和支付赎金后，追回了部分资金。

 

另外，为了防止永久性的分叉，使用新规则的节点要恢复到旧规则，就像2013年3月12日比特币分叉的情况。

 

【去中心化】

通过在点对点网络上存储数据，区块链消除了数据被集中保管的一系列风险。 去中心化的区块链使用临时消息传递和分布式网络系统。

 

点对点区块链网络可以杜绝计算机破解者可以利用的中心化漏洞点，它没有中心化系统可能导致整个系统失效的中心点。区块链的安全方法包括了公钥密码学的应用。

公钥（一个长长的、随机的数字字符串）是区块链上的地址。在网络上发送的有价值的代币被记录为属于该地址。

私钥就像一个密码，它让其所有者可以访问他们的数字资产或以其他方式与区块链支持的各种功能进行交互。

存储在区块链上的数据一般被认为是不可破坏的。

 

去中心化系统中的每个节点都有一个区块链的副本。数据质量由海量的数据库复制和计算信任共识来维持。没有一个集中式的 "官方 "副本存在，没有一个用户比其他用户更受 "信任"。

 

交易通过系统向网络广播。消息是以最佳共识为基础传递的。通过共识机制验证有效交易，并添加到构建的区块中，然后将完成的区块广播给其他节点。

区块链使用各种时间戳方案，如工作证明（proof-of-work）等，并将修改序列化。替代性的共识方法包括风险证明（proof-of-stake），权威证明（proof-of-authority）。

去中心化区块链的增长伴随着同样的中心化的风险，因为处理大量数据所需的计算机资源变得更加昂贵。只有少数节点才可能提供如此昂贵的资源。

 

【开放性】

与一些传统的所有权记录相比，开放的区块链更加方便用户查看，虽然开放的区块链对公众开放，但仍然需要物理访问才能查看。由于所有早期的区块链都是无权限的，因此在区块链的定义上产生了争议。这场争论中的一个焦点是，一个由中央权威机构授权的验证者的私有系统是否应该被视为区块链。

 

私有链的支持者认为，"区块链 "一词可以适用于任何将数据分批包含时间戳的区块的数据结构，这些区块链作为数据库中的多版本并发控制（MVCC）的分布式版本，正如MVCC防止两个事务同时修改数据库中的单一对象一样，区块链也防止两个事务在区块链中修改同一个区块。

 

反对者说，私有链类似于传统的企业数据库，不支持去中心化的数据验证，而且这样的系统不能防止操作者篡改和修改。" 《计算机世界》的Nikolai Hampton说，"许多内部区块链解决方案将不过是繁琐的数据库"，"在没有明确的安全模型的情况下，私有的区块链应该接受质疑。"

 

【不需要批准】

一个开放的、无权限或公共的区块链网络的巨大优势在于，不需要对不良行为者进行防范，也不需要访问控制，这意味着，无需他人的批准，就可以将应用添加到网络中，将区块链作为传输层。

 

比特币和其他加密货币目前通过工作证明来确保其区块链的安全。为了构建区块链，比特币使用了Hashcash拼图。 虽然Hashcash是由Adam Back在1997年设计的， 但最初的想法是由Cynthia Dwork和Moni Naor以及Eli Ponyatovski在1992年的论文 "通过处理或打击垃圾邮件进行定价"中首次提出的。

 

金融公司目前没有动力去考虑去中心化的区块链。

 

2016年，对区块链相关项目的风险投资在美国开始减弱，但在中国却出现了增加。"

 

比特币和许多其他加密货币都使用开放的区块链。

 

【私有区块链】

私有块链使用一个访问控制层来管理谁可以访问网络。与公共区块链网络不同，私有区块链网络上的验证者由网络所有者审查。

 

【私有区块链的缺点】

Nikolai Hampton在《计算机世界》中指出，"不需要对私有区块链进行'51%'的攻击，因为私有区块链的创建者已经控制了100%的区块创建资源。如果你可以攻击或破坏私人企业服务器上的区块链创建工具，你可以有效地控制他们100%的网络，并随心所欲地改变交易。" 这就像2007-08年的金融危机或债务危机期间得情况类似。因为在金融危机中，政治上有权势的群体会做出有利于所在群体的决策，而牺牲其他群体的利益。 而"比特币区块链受到大规模的工作证明保护。任何私有区块链都不太可能试图使用千兆的计算能力来保护记录，这既费时又费钱。" 他还表示，"在私有区块链内部也不存在'竞争'，没有任何激励措施来更快地发现区块。这意味着许多内部区块链解决方案将不过是繁琐的数据库。"

 

【区块链分析】

随着比特币、以太币、Litecoin和其他加密货币的普及，对公共区块链的分析变得越来越重要，一个区块链如果是公开的，只要有技术能力，任何人都可以进入这个区块链进行观察和分析。

 

对于许多加密货币、加密货币交易所和银行来说，交易的追踪一直是一个问题。 一个指责加密货币的重要原因是"启用区块链的加密货币使毒品、武器、洗钱等非法黑市交易有成为合法的可能。"

这种看法认为加密货币是私有的、不可追踪的，因此会导致许多使用者将其用于非法目的。

其实，并非真的如此，现在有专门的科技公司提供区块链追踪服务，让加密货币交易所、执法部门和银行之间更清楚地了解到加密货币基金和非官方加密货币交易所的情况。

 

一些人认为，这种发展会导致犯罪分子优先使用Monero等新的加密货币，这里就有个关于区块链数据的公开可得性和个人隐私的问题。这也是加密货币领域乃至最终在区块链领域的一个关键争论点。

 

【区块链的使用】

区块链技术可以被整合到多个领域。目前，区块链的主要用途是作为加密货币的分布式账本，最著名的是比特币。到2016年年底，有一些运营性产品从概念验证开始成熟。但是到目前为止，企业界并不愿意将区块链作为业务结构的核心。

 

【加密货币】

大多数加密货币都使用区块链技术来记录交易的。例如，比特币网络和以太币网络都是基于区块链。2018年5月8日，Facebook确认将开设一个新的区块链小组，该小组将由此前负责Messenger的David Marcus负责。Facebook计划中的加密货币平台Libra于2019年6月18日正式宣布。

 

【智能合约】

基于区块链的智能合约是指可以部分或完全执行或强制执行的合同，这里面不需要人的交互。智能合约的主要目标之一是自动托管。国际货币基金组织的一项工作人员讨论报告称，基于区块链技术的智能合约可能会减少道德风险，并在总体上优化合约的使用。但 "目前还没有出现可行的智能合约系统。" 由于缺乏广泛的使用，其法律地位尚不明确。

 

【金融服务】

金融行业正在把分布式账本技术应用在银行业的主要业务领域，而根据2016年9月IBM的一项研究报告，这种情况的实施比预期的要快。

 

银行之所以对这项技术感兴趣，是因为它有可能加快后台结算系统的速度。

 

瑞银等银行正在开设新的研究实验室，专门研究区块链技术，以探索如何将区块链应用于金融服务中，以提高效率和降低成本。

 

德国一家银行Berenberg认为，区块链是一项 "被过度炒作的技术"，虽然已经有了大量的 "概念验证"，但仍然存在重大的挑战，成功的案例寥寥无几。

 

2018年12月，Bitwala推出了欧洲首个受监管的区块链银行解决方案，用户可以在德国银行账户的安全和便利性下，在一个地方同时管理他们的比特币和欧元存款。该银行账户由总部位于柏林的solarisBank托管。

 

区块链还催生了初始代币发行（ICOs）以及一个新的数字资产类别，即安全代币发行（STO），有时也被称为数字安全发行（DSO）。一些公司在这一领域开展了业务，为合规的代币化、私人STO和公共STO提供服务。

 

【视频游戏】

2017年11月推出了一款区块链游戏CryptoKitties。该游戏在2017年12月成为头条新闻，当时一个cryptokitty角色--游戏内的虚拟宠物--以超过10万美元的价格出售。CryptoKitties说明了以太币网络上游戏的可扩展性， 结果在以太币网络上造成了严重的拥堵，当时大约30%的以太币交易都来自这款游戏。

 

CryptoKitties还展示了区块链如何用于游戏资产（数字资产）的目录编排。

 

【供应链】

有一些行业组织正在努力将区块链应用于供应链物流和供应链管理。

 

Everledger是IBM基于区块链的跟踪服务的首批客户之一。

 

沃尔玛和IBM正在进行一项试验，使用区块链支持的系统进行供应链监控---区块链的所有节点都由沃尔玛管理，并位于IBM云上。

 

Hyperledger Grid为区块链供应链解决方案开发开放组件。

 

【域名】

区块链域名是区块链的另一种使用方式。区块链域名与普通域名不同，区块链域名完全是域名所有者的资产，只能由所有者通过私钥来控制，区块链域名为不想被审查的网站提供了一种解决方案，客观上实现了言论自由机制，因为除了私钥持有者之外，没有任何机构或个人可以干预和控制域名。

同样的，区块链域名也是取代传统钱包地址的更好选择，因为人们可以很容易地记住域名，并使用它来接收支付。

 

【其他用途】

区块链技术可以用来创建一个永久的、公开的、透明的分布式账本系统，并用于汇总销售数据，跟踪数字资产的使用情况，并向内容创作者（如无线用户或音乐人）支付费用。

2017年，IBM两家公司ASCAP和PRS for Music合作，在音乐发行领域采用区块链技术。

Imogen Heap的Mycelia服务也被提出来作为基于区块链的替代方案，这可以让艺术家们更好地控制他们的歌曲和相关数据如何在粉丝和其他音乐人之间进行流通。

 

在采用区块链之后，保险行业有了新的分配方式，如点对点保险、参数化保险和小额保险等，共享经济和物联网也将从区块链中受益，因为它们涉及到多方协作。

 

在线投票是区块链的另一个应用。

 

美国博物馆和图书馆服务研究所正在研究区块链在图书馆中的应用，并获得了美国博物馆和图书馆服务研究所的资助。

 

其他设计还包括：

 

l  Hyperledger是Linux基金会为支持基于区块链的分布式账本而进行的跨行业合作，该倡议下的项目包括Hyperledger Burrow(由Monax公司负责)和Hyperledger Fabric(由IBM公司牵头)。

l  Quorum，摩根大通公司的私有区块链，具有私有存储，用于合约应用。

l  Tezos，去中心化投票。

l  Proof of Existence，一种在线服务，可以验证计算机文件在特定时间的存在。

【区块链类型】

目前，区块链网络至少有四种类型--公共区块链、私有区块链、联合体区块链和混合区块链。

 

【公共区块链】

一个公共区块链没有访问限制。任何有互联网连接的人都可以向其发送交易，也可以成为验证者（即参与共识协议的执行）。通常来说，这类网络会使用股权证明或工作证明算法，或者两者兼有。

 

比较出名公共区块链有比特币区块链和以太币区块链。

 

【私有区块链】

私有区块链是有权限管理系统的，除非得到网络管理员的邀请或者批准，否则不能加入。参与者和验证者的访问都是受限制的。

 

【混合区块链】

混合区块链具有中心化和去中心化的双重特点，根据中心化和去中心化分别用在哪一部分，这些混合区块链的具体工作方式会有所不同。

 

【侧链】

侧链是对与主区块链并行运行的区块链分布式账本系统的称谓。来自主区块链的条目（通常代表数字资产）可以与侧链相连；这使得侧链可以独立于主区块链运行（例如，通过使用备用的记录保存手段、备用的共识算法等）。

 

【学术研究】

2014年10月，麻省理工学院比特币俱乐部在麻省理工学院校友的资助下，为麻省理工学院的本科生提供了100美元的比特币使用权。Catalini和Tucker在2016年研究的采用率显示，那些在早期给予某项新技术但被要求延迟访问的人，往往会拒绝接受这项技术。

 

【使用的动机】

研究人员对采用区块链技术的动机进行了广泛的调查。Janssen等人还提供了一个分析框架，但是，后来Koens & Poll指出，采用区块链技术在很大程度上受到了非技术因素的驱动。

 

【合作】

商业和管理领域的学者们已经开始研究区块链在支持协作方面的作用。有学者认为，区块链既能促进合作（即防止机会主义行为），也能促进协调（即沟通和信息共享）。

 

这得益于区块链的可靠性、透明度、记录的可追溯性和信息的不可更改性。

 

区块链以一种不同于传统的合同使用方式和关系规范的方式促进合作：

l  与合同相反，区块链不直接依赖法律系统来执行协议。

l  与关系规范的使用相反，区块链不需要信任体系，也不需要协作者之间有直接联系。

 

【内部审计】

内部审计需要对组织效率进行有效的监督，这需要对现有信息的获取方式进行变革。

区块链的使用前提是这套系统可以帮助审计师能够识别和找出交易相关的风险并暴露出来。

内部审计师协会已确定内部审计师需要应对这一变革性技术，也就是需要有新的方法来识别威胁和风险，并制定审计计划。内部审计基金会的研究报告《区块链与内部审计》对这些因素进行了评估，美国注册会计师协会概述了区块链给审计师带来的新变化。

 

【工作证明机制下的区块链的能源使用情况】

国际清算银行批评了工作证明机制下的公共区块链的高能耗问题。美国加州大学伯克利分校国际计算机科学研究所的Nicholas Weaver研究了区块链的在线安全性，以及工作证明机制公共区块链的能耗问题，发现区块链的在线安全性不够，并且对能源消耗过大会导致能源供应不足。2018年比特币使用了31-45太瓦时的电力，共产生了17-22.9万吨二氧化碳。

 

【期刊】

2015年9月，第一份专门研究加密货币和区块链技术的同行评议学术期刊《Ledger》宣布出版。其创刊号于2016年12月出版，该期刊涵盖了数学、计算机科学、工程、法律、经济学和哲学等与比特币等加密货币相关的各个方面。

 

该期刊要求作者在提交的论文中以数字方式签署一个文件哈希值，然后将其连带时间戳放到比特币区块链上，同时要求作者在论文的第一页写上个人的比特币地址，以避免作者以后不认账。

 

【小结】

本文对于区块链技术的主要概念，使用案例，类型和学术研究状况做了简要的探讨，希望能对区块链相关业务开发有指导和借鉴作用。