区块链技术及特色应用

常广炎 蔡蓉

摘要：区块链如今成为科技领域最热门的话题，主要在于其解决的关键问题是交易的信任和安全问题。解决了信任问题，就能解決非常多的社会问题，让数据领域更加透明。区块链技术正在赋能实体经济，打造互联互通的产业新生态，对我国发展数字经济，创新政府治理和公共服务模式具有重要意义。本文就区块链核心技术及发展路径进行了阐释，并给出区块链特色应用实例及应用中面临的挑战和未来区块链技术发展展望。

关键词：区块链；SHA256；非对称加密；数字签名

1、区块链技术架构

区块链是去中心化的分布式账本数据库。是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法、智能合约等计算机技术的新型应用模式，是多种技术的集成创新。具有透明可信、防伪造、防篡改、可追溯等特点的数据链，是一种构建在点对点网络上的分布式存储数据库，它具有去中心化的、集体维护、可编程性、数据可信等特征。被视为下一代全球信用认证和价值互联网的基础。从系统架构上看，区块链可分为核心层、服务层和用户层，如图1-1所示。

1.1 区块链的存储结构

区块是一块存储空间，可以存储数据。链是哈希指针，用来指向前一个区块位置的指针，同时也是位置数据的哈希值。区块和区块链构成，如图1-2、图1-3所示。

1.2 区块链核心技术

1.2.1 分布式账本

分布式账本包括分布式存储、节点运算、时序服务及账本记录四部分。分布式存储提供区块链运行产生的各种类型数据的写入及查询功能；节点运算提供区块链运行的计算能力支持，包括虚拟机技术、云计算技术等；时序服务提供区块链的行为或数据一致性时序，一般选择特定的时序机制；账本记录提供区块链分布式数据的存储机制，每个节点记录都是完整的账目，每个节点都可参与并监督交易的合法性，同时共同为其他用户作证。

1.2.2 对等网络

对等网（P2P）是区块链底层拓扑结构，区块链中的各个网络节点采用对等网络协议进行组织，各结点之间可高效安全通信、具有点对点通信多播功能及结点信息和状态的及时获取。

1.2.3 智能合约

智能合约是一套可以自动化执行一些预先设定好的规则和条款。一个合约就是一个存储在区块链里的应用小程序，代码就是法律，不可以篡改，透明可信，在系统上无须第三方的参与便可自动执行。

1.2.4 密码学应用

区块链中使用安全散列算法SHA256、非对称加密、数字签名等密码学应用来确保数据安全。区块链通过安全散列算法SHA256（哈希算法）对一个交易区块中的交易信息进行加密。SHA256是美国国家安全局（NSA）设计的一系列密码散列函数，将任何一串数据输入到SHA256将得到一个256位的Hash值（散列值），正向计算（由输入数据计算其对应的Hash值）十分容易；但知道Hash值，却很难（基本不可能）计算出原来的输入值。

区块链中使用非对称加密和数字签名技术来确保账户和数据传送安全。非对称加密是指使用一对秘钥，一个用来加密，一个用来解密，而且公钥是公开的，私钥是自己保存的（公钥加密，私钥解密）。数字签名和手写签名功能非常类似，基本要求是无法伪造、容易论证和不可抵赖。数字签名是他人无法伪造的一段数字串信息，该信息只有发送者才能产生，是对信息发送者发送信息真实性的一个有效证明（私钥加密，公钥解密）。

1.2.5 共识机制

共识机制是在一个时间段内对事物的前后顺序达成共识的一种算法。共识机制犹如国家的法律，维系着区块链世界正常运转。在区块链中有工作量证明、权益证明和股份授权证明三种共识机制。

工作量证明机制PoW（proof-of-work）是第一代共识机制，是比特币的基础。是依赖机器算力来获取记账权（挖矿），按劳取酬，这里的劳动就是为区块链网络提供的计算服务，提供这种计算服务的过程就是“挖矿”，矿工们争着计算出区块的哈希特定唯一值，率先算出区块唯一哈希的矿工会得到这个区块的奖励，多劳多得。

权益证明机制PoS（Proof-of-Stake）是根据你持有加密货币的数量和时间，谁持币的数量多、时间长，谁就有更大的机率获得记账权。

股份授权证明机制DPOS（ Delegated Proof of Stake）指持币者投出一定数量代表，代理他们进行验证和记账，类似于董事会投票方式。

1.2.6 跨链技术

跨链技术是解决两个或多个不同链上的资产以及功能状态不能互相传递、转移、交换的问题。跨链技术能够增加区块链的可拓展性，能够从根本上解决不同公链/侧链之间交易困难产生的“数据孤岛”问题。目前主流的跨链技术包括公证人机制、侧链/中继、哈希锁定、分布式私钥控制等。

2、区块链技术发展路径

在近十年的发展历程中，区块链技术给政治、经济、社会都带来了很大的影响。区块链的发展阶段分为区块链1.0、区块链2.0、区块链3.0时代。

2.1 区块链1.0时代

区块链1.0又称可编程货币，数据层以区块为单位的链状数据块结构即通过加盖时间戳将系统中的数据块有序链接，并通过密码学等手段技术处理以首尾相连的方式有序联系在一起。由于每个区块都与前一个区块相连，随着长度的增加，要修改区块链的交易信息就必须将以前的所有信息进行重构，这几乎是不可能的事情，由此保证了账本的信息安全。

比特币的诞生是区块链1.0时代的标志。2008年11月1日自称日裔美国人的中本聪发表了篇名为《比特币：一种点对点式的电子现金系统》的论文，打开了区块链时代的大门，2009年初比特币系统上线运行。区块链1.0时代最显著的应用是数字货币和支付，出现了以比特币为代表的一系列虚拟货币，如莱特币、瑞波币等，这一时期的区块链在金融领域掀起一股巨浪。

2.2 区块链2.0时代

区块链2.0又称可编程资产，是智能合约开发和应用的时代，最早由密碼学家尼克.萨博于1995年提出智能合约这一概念。2014年俄罗斯程序员Vitalik Buterin受比特币启发开发出以太坊，智能合约才被广泛的应用，以太坊是区块链2.0的代表，掀起了区块链2.0应用的浪潮。以太坊是一个开源的具有智能合约功能的公共区块链平台，通过其专用加密货币（以太币）提供去中心化的以太虚拟机来处理点对点合约，为用户提供非常丰富的API，可以在其上快速开发各种区块链应用，应用范围已经超越货币，延伸至期货、贷款、抵押、产权、众筹等，目前，以太坊上已有200多个应用。

2.3 区块链3.0时代

区块链3.0又称可编程社会，指在社会领域下的应用场景实现，为各行各业提供去中心化的解决方案，能够对每一个互联网中代表价值的信息进行产权确认、计量和存储，实现资产在区块链上可被追踪、控制和交易，是区块链全面应用的时代。区块链3.0构成价值互联网的内核，由此构建一个大规模协作社会。以EOS为代表第三代区块链技术开创了区块链社会化应用的序幕，EOS是由Block.one公司开发的高性能区块链底层操作系统。

3、区块链特色应用

3.1 在政务服务方面

政府利用区块链，建立分布式账本，可将政务领域的数据公之于众，推进政府数据开放，同时行政机构可破除“信息孤岛”实现电子政务数据互联互通，实现数据共享。雄安新区的“链上雄安”项目，实现区块链+工程资金管理、区块链+政务管理、“千年秀林”实现区块链+数字森林；贵州“区块链+精准扶贫”让三千亿扶贫基金有的放矢，使贫困人口识别、资金、管理、监督、政策等各个环节纳入区块链。北京海淀区将区块链技术运用于“一网通办”即不动产登记与用电过户一并办理，区块链技术打通了政务服务和公共服务之间的数据壁垒。广东省佛山市禅城区利用区块链技术实现佛山市禅城区的IMI身份认证系统，实现材料“零提交”、办事“零跑腿”。

3.2 在健康医疗方面

建立有时间戳的通用记录存储库，利用区块链加密、透明、不可篡改的特性，看病换医院不用反复检查，用药价格透明、安全放心，也不用为报销医保反复折腾。阿里巴巴与常州市医联体合作，用区块链打造中国医疗场景落地实施的第一个应用。

3.3 在食品安全方面

“中兴云链”由中兴农业与同济大学合作开发出我国首个基于区块链技术的有机食品溯源与防伪系统、首个区块链DAPP“米恋”；“步步鸡”是众安科技的区块链养殖领域的应用，在安徽、河南、贵州、陕西、甘肃地得到广泛推广；“中粮橙链”区块链+电子商务优秀案例，5万斤拥有自己“身份证”的“链橙”在中粮旗下“我买网”平台上市，半小时即被秒杀一空。

3.4 在教育信用体系建设方面

在教育领域存在信用体系缺失的问题，基于区块链去中心化、可验证、防篡改的存储系统，可以保证存放于区块链系统中的学习记录、学历证书的真实性，使得学历验证更加安全、高效。同时有助于学生与社会用人需求的无缝衔接，促进学校和企业在人才培养上高效精准合作。

4、当前区块链应用面临的挑战

4.1 技术成熟度有待提高

从区块链系统性能上看，区块链上进行交易的吞吐量不高，难以满足高频次业务需求；从生态上看，我国在区块链开源平台上缺少话语权和影响力较弱，缺乏相关的开发、集成和运维体系，标准缺失；从监管上看，区块链技术本身的特点使得违法犯罪行为难追踪、责任认定困难等，使监管手段带来挑战，需加强区块链监管力度，建立健全监管机制；从成本上看，区块链作为一种新兴的应用，一个优秀的区块链应用项目从底层实现到应用落实，各环节需要投入大量的成本。

4.2 行业专业人才相对稀缺

区块链技术包含数据库、网络通讯、操作系统、密码学、数学、金融等多学科，同时也跨多个领域，是多学科技术集成的应用。区块链底层系统架构设计人才要掌握多项交叉学科的专业技能，我国目前在交叉学科方面存在短板，区块链专业人才十分稀缺。

4.3 相关法律法规有待完善

区块链发展讯速，但对区块链技术的治理、监管和标准等仍不健全。在区块链系统中，没有为整个系统承担责任的中心机构，缺乏中心化的法律实体，使得传统法律规则难以在事后对区块链系统进行监管。

5、对区块链技术的未来展望

区块链被公认为是一种构建人类信任共同体、保障网络空间安全的技术。其应用场景从最初的“数字货币”加速向民生、政务、商业、产业等多领域延伸扩展。基于区块链的去中心化、分布式账本、智能合约、难以篡改时间戳这四大特征，使区块链将成为互联网2.0版，成为未来价值互联网的TCP/ IP、一种传输价值的基础协议，推动互联网从信息互联网到价值互联网的飞跃。未来，数字资产的创设和转移，智能合约的发布和执行，将促使区块链的数字网络进入前所未有的价值互联网，区块链将成为一种商业模式、社会结构的基础设施，人类将建立一种新型的组织架构，从而深刻影响未来每个人的生活，它最终的影响范围和深度会远远超出人们的想象。

参考文献：

[1] 杜均 .《区块链+：从全球50个案例看区块链的应用与未来》.机械工业出版社 . 2018.11

[2] 井底望天.《区块链与产业创新》.人民邮电出版社 . 2018.12

作者简介：

常广炎，中共辽宁省委党校，硕士，教授，研究方向：大数据应用；

蔡蓉，中共辽宁省委党校，硕士，副教授，研究方向：企业管理。