区块链的概念特征及核心技术解析

相关概念

区块链（Blockchain）技术起源于化名为中本聪（Satoshi Nakamoto）的技术极客在2008年发表的奠基性论文《比特币：一种点对点电子现金系统》。狭义上来讲，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，并通过密码学等方式保证数据不可篡改和不可伪造的去中心化的互联网公开账本。广义上来讲，区块链是利用链式数据区块结构验证和存储数据，利用分布式的共识机制和数学算法集体生成和更新数据，利用密码学保证了数据的传输和使用安全，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的基础架构与分布式计算范式。区块链是共识算法、非对称加密算法、分布式存储技术、P2P网络技术等计算机技术在互联网时代的创新应用模式，区块链数据由所有节点共同维护，每个参与维护节点都能复制获得一份完整记录的拷贝，可以实现在没有中央权威机构的弱信任环境下，分布式地建立一套信任机制，保障系统内数据公开透明、可溯源和难以被非法篡改。经过近几年的发展，区块链的相关概念不断丰富，目前主要涉及以下重要概念。

共识机制。“共识机制”指形成共同认识或达成一致意见的运作方式、方法和规则。区块链共识机制保证了以去中心化方式维护分布式数据库数据的一致性。区块链中常用的共识机制主要包括以下几大类：工作量证明机制、权益证明机制、股份授权证明机制和验证池机制等。区块链共识机制主要由相应的共识算法来实现。

时间戳。时间戳（Timestamp）通常是一个字符序列，唯一地标识某一刻的时间。具体而言，它是一个能表示一份数据在某个特定时间之前已经存在的、完整的和可验证的“标记”。区块链中的时间戳是将某一时间内发生的所有事件在区块链数据库中进行唯一的、不可更改的记录。

智能合约。智能合约的概念最早在 1994 年被学者 Nick Szabo定义为一套以数字形式定义的承诺，包括合约参与方可以在上面执行这些承诺的协议。区块链的出现深化了智能合约定义。具体而言，智能合约是由事件驱动的、具有状态的、运行在可复制的共享区块链数据账本上的一段计算机代码程序。该程序代码是现实世界中合约和规则的算法实现，能够实现主动或被动的处理数据，控制和管理各类链上智能资产等功能。

公有链。公有链通常是指是无官方组织及管理机构，无中心服务器，全世界任何人、任何节点按照系统规则自由接入网络，参与记账和共识过程并开展工作，且记账等活动信息可以得到有效确认的区块链。公有链通过密码学保证数据转移不可篡改，利用密码学验证以及共识机制，在互为陌生的网络环境中建立共识，从而形成去中心化的信用机制。公有链主要适用于加密数字货币、面向大众的电子商务、互联网金融等应用场景，公有链的典型代表是比特币和以太坊。

联盟链。联盟链是一种需要注册许可的区块链，仅限于联盟成员参与，加入需要申请和身份验证，并提供对参与成员的管理、认证、授权、监控、审计等全套安全管理功能。联盟链上的读写权限、参与记账权限按联盟的规则来制定，整个网络由成员机构共同维护，网络接入一般通过成员机构的网关节点接入，共识过程由预先选好的节点控制。一般来说，联盟链适合于行业机构间的交易、结算或清算等应用场景。联盟链对交易的确认时间、每秒交易数都与公有链有较大的区别，对安全和性能的要求也比公有链高。联盟链的典型代表是Hyperledger 项目。

私有链。私有链一般是指建立在某个企业或私有组织内部的区块链系统，只供该企业或私有组织使用。私有链的运作规则根据该企业或者私有组织的具体要求进行设定，应用场景包括数据库管理、办公审批、财务审计、企业或私有组织的预算和执行等，私有链的价值体现在提供安全、可塑源、不可篡改的相关数据服务。私有链通常只存在理论中。

侧链。侧链（Sidechains）实质上不是特指某个区块链，该名词是相对与主链来说的。侧链是指遵守侧链协议的区块链。侧链协议是指可以让某一数字资产安全地从主链转移到其他区块链，又可以从其他区块链安全地返回主链的一种协议。

跨链。跨链是区块链之间互通性的一种技术解决方案，可以实现让数据信息甚至价值跨过链和链之间的障碍，进行直接的流通。跨链技术的作用和意义在于极大程度的促进了区块链之间互通性。不论对于公有链还是私有链，跨链技术都是实现价值互联网的关键，它能够打通各个区块链形成的信息孤岛，是区块链向外拓展和连接的桥梁。

闪电网络。闪电网络是针对现有加密数字货币频繁小额交易场景中交易延迟大等问题提供的安全的链下交易解决技术方案。闪电网络主要包括了序列到期可撤销合约（RSMC）和哈希时间锁定合约（HTLC）两个核心机制，其本质上是使用了哈希时间锁定智能合约来安全地进行零确认交易的机制，通过设置巧妙的“智能合约”，使得用户能在闪电网络上进行未确认的交易。RSMC 保障了两个个体之间的直接交易可以在链下完成。HTLC 保障了任意两个个体之间的转账都可以通过一条“支付”通道来完成。

核心技术

区块链主要涉及的核心技术包括共识算法、非对称加密算法、分布式存储技术、P2P 网络技术。

共识算法。区块链作为一种分布式系统，是由多个主机节点通过异步通信方式组成的网络集群，其节点之间需要进行状态复制以保证主机达成一致状态共识。因此，区块链必须解决分布式场景下各节点达成一致性的问题，共识算法则可以用于保证系统中不同节点数据在不同程度下的一致性和正确性。根据区块链类型的不同划分，共识算法主要可以分为两大类。一类是用于公链场景的共识算法，主要包括工作量证明算法 POW、股权证明算法 POS 和委托权益证明算法 DPOS。例如比特币采用通过求解 Hash256 数学难题的方式，即工作量证明POW 算法，保证账本数据在全网中形成正确、一致的共识。另外一类是用于联盟链场景的共识算法，主要包括拜占庭容错算法 PBFT 和RAFT 等。共识算法之间并无优劣之分，共识算法的使用与应用场景高度相关，随着不同场景需求，对于共识算法效率和安全的需求也有所不同，选择合适的共识算法和调整共识算法以用于合适的场景才是最优选择。

非对称加密算法。非对称加密算法主要用公钥和私钥对数据的存储和传输的加密和解密。非对称加密技术在区块链的应用场景主要包括信息加密、数字签名和登录认证等。区块链系统中涉及到非对称加密算法主要有 RSA、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）。在区块链系统中，基于非对称加密算法生成公钥和私钥的密钥对，公钥用于数据信息加密，对应私钥用于对数据解密。反之，用私钥加密的数据信息进行数字签名，对应的公钥进行解密，即验签。以比特币底层区块链技术为例，比特币交易过程中，公钥通过哈希函数转化为地址用于接受比特币，私钥用于比特币支付时的交易签名，从而确认支付者在该时刻对所交易的比特币将拥有所有权。

分布式存储技术。分布式存储相关技术源于分布式存储系统对于数据分散存储过程中使用的技术，包括分布式存储、分布式计算、CAP理论、一致性算法等，该技术用于解决分布式系统的数据存储、备份、容错和一致性等问题。区块链作为一种分布式存储系统，运用了分布式存储技术。区块链基于分布式存储技术将数据分散存储在多***立的节点上，每一个节点都参与了区块链的记账与存储，因此避免了数据集中存储模式下可能出现的服务器崩溃风险问题。区块链的高容错能力确保系统内所有内置业务都能从运行开始一直保持稳定延续，极大保证了区块链系统的可靠性。

P2P 网络技术。P2P 是英文 Peer-to-peer（对等）的简称，因此P2P 网络技术又被称为点对点网络技术。P2P 网络技术是区块链系统中连接各对等节点的组网技术。P2P 网络作为分布式网络，网络上的各个节点可以直接相互访问而无需经过中间实体，同时共享自身拥有的资源，包括存储能力、网络连接能力、处理能力等。在区块链技术出现之前，P2P 网络技术已经在网络视频、网络语音、搜索、下载等多种应用领域得到广泛应用。区块链技术应用中的各节点通信和交互即是运用了较为成熟的 P2P 网络技术。因此，P2P 网络技术是区块链的核心技术之一。

主要特征

去中心化。从治理上来说，区块链没有中心化的组织或者机构，任意节点之间的权利和义务是均等的，区块链通过共识机制防止少数人控制整个区块链系统，因此区块链是治理去中心化。从架构上来说，区块链是基于点对点的对等网络，任一节点的损坏或者失去都会不影响整个系统的运作，系统具有极好的健壮性，因此区块链是架构去中心化。从存储上来说，区块链是一种分布式存储技术，数据被分布存储在所有节点并达成共识，并不存在某一中心掌握存储权，因此区块链同时也是存储去中心化。

基于技术的信任。区块链技术的信任机制是基于现代密码学、共识机制、公开透明等原理，区块链系统中的节点可以在不了解对方基本信息的条件下进行可信任的信息交换，满足了信息安全需求。这样的技术体系让用户在没有统一中心节点背书的情况下达成共识和产生信任，几乎完全消除了系统内价值交换过程中的摩擦成本，降低了系统运营成本并提高了效率。

数据不可篡改和可追溯。由于区块链技术将系统创建以来的所有交易行为都明文记录在区块中，数据记录不能被篡改或删除，因此交易双方的信息交换活动都可以被查询和追踪。这种完全透明的数据管理体系为审计查账、操作日志记录、物流追踪等操作提供了值得信赖的追踪捷径。

系统和数据的高可靠性。从技术角度来看，区块链本质是分布式数据库系统。通过分布式数据存储的形式，让区块链网络中的每个参与节点都能获得一份完整数据库的拷贝。区块链数据由所有节点共同维护，每个参与维护节点都能复制获得一份完整记录的拷贝。除非同时控制整个系统中超过51%的节点，否则单个节点上对数据库的修改是无效的，也无法影响其他节点上的数据内容。因此参与系统中的节点越多、计算能力越强，系统中的数据安全性越高。

高拓展性和包容性。基于区块链技术建立起来的数据库未来有望形成若干个全球范围内的巨型数据库（公有链），人类所有的价值交换活动（包括登记、开户、支付、交易、清算等）都可以在这些数据库内完成，业务模式具有极高的拓展性和包容性。

发展历程

业界倾向于将区块链发展分为三个阶段，分别是区块链 1.0，区块链 2.0 和区块链 3.0。到目前为止，区块链的发展主要经历了两个阶段，即以比特币为代表的区块链 1.0 和以智能合约为代表的区块链2.0，目前正在逐步走向区块链 3.0 阶段。

第一阶段：区块链 1.0（2008 年-2012 年）。区块链 1.0 阶段起始于 2008 年比特币白皮书的诞生，其主要特征是以比特币为代表的加密数字货币以及相关金融基础设施的应用，包括支付清算设施，跨境支付设施等。比如 Ripple 提供了比较成熟的跨境支付区块链解决方案，实现跨境支付电讯费免付，降低了交易成本。

第二阶段，区块链 2.0（2013 年至今）。区块链 2.0 阶段起始于2013 年具有智能合约功能的公有链平台以太坊项目，该阶段主要特征是区块链技术应用超出了加密数字货币和金融基础设施的范畴，并在金融领域得以更加广泛的运用，表现形式为可编程金融。区块链2.0 阶段的应用主要特征有：一是主要集中于特定对象，如合同的双方。二是交易内容主要特定数字资产的所有权或其他权益。例如，数字货币与智能合约相结合，产生了对金融领域更广泛的场景和流程进行优化的应用，包括资产数字化，以及股票债券等权益证明的登记、转让、流通等。三是交易范围还比较局限、频次较低、领域较窄。例如，纳斯达克推出区块链私人股权市场 Linq，专为企业家和风险投资者提供私人股权转让和出售服务。区块链 2.0 的典型代表是以太坊，以太坊是一个可编程且图灵完备的区块链，允许任何人通过其系统内的智能合约建立和运行去中心化应用。

第三阶段：区块链 3.0。当前，业界对区块链 3.0 阶段具体时间划分并无统一认识，但有一点可以确定的是业界已纷纷开始提前布局区块链 3.0。通常而言，区块链 3.0 阶段被认为是基于区块链技术且更为复杂的智能合约超越了货币、金融领域的范畴，在社会各行各业包括政府、医疗、文化、司法、物流等各个领域的深入应用，表现形式为可编程的社会经济活动。区块链 3.0 主要有以下几个特征：一是产品的表现形式主要是应用，包括实体产品和知识付费等其他虚拟产品。二是参与方为不特定的多数对象，而非特定的小范围人群。三是市场中的交易行为会更加广泛，面向全行业、全社会。区块链 3.0 时代的应用主要体现为行业应用，例如在政府、健康、科学、工业、文化和艺术等领域的应用。区块链 3.0 技术应用可以解决各行业信任问题，提高社会经济的运转效率，从而真正实现由信息互联网向价值互联网的转变。

重要价值

从技术的角度，区块链是一种整合共识算法、非对称加密算法、分布式存储技术、P2P 网络技术等的互联网应用技术体系，可以实现数据记录、数据存储管理及数据传播方式的变革，推动了信息互联网向价值互联网的转变，区块链技术本身有望成为与超文本传输协议HTTP 同等重要的价值传输协议。从市场应用的角度，区块链的去中心化、透明、不可篡改的特征从技术上解决了信任问题，在一定程度上实现了去中介化，从而有助于降低中介机构存在导致的交易成本。此外，区块链能够减少商业摩擦，降低信任成本，有助于经济活动开展。总得来看，可以从以下方面阐述区块链的重要价值。

一是有望实现去中介化降低中介成本。区块链是一种去中心化的分布式账本。首先，去中心化实现了点对点的交易，分布式账本保证了交易能够快速反应在每个交易参与者的账本中，实现了交易与清算的同步，因此，区块链消除了中心化的清算组织等交易中介存在的必要性，降低了交易中介带来的成本。以金融行业为例，区块链技术将对金融行业基础设施产生极大冲击。银行支付清算系统、证券清算登记系统、跨国的汇兑结算系统等中心化的系统的交易费高昂且效率低下，区块链去中介化和交易清算同步能够极大提高支付清算效率，有助于经济活动的开展。其次，区块链保证了数据记录全网公开透明和不可篡改，从技术上解决了信任问题，成为人与人之间在不需要互信的前提下进行大规模协作的有效信任工具，在一定程度上替代了信任中介，从而有助于减少信任中介的成本消耗，帮助社会削减中介成本。

二是不可篡改的时间戳可解决数据追踪与信息防伪问题。区块链技术为我们的信息防伪与数据追踪提供了革新手段。在当今社会中，从假冒红酒、劣质奶源、高仿奢侈品，到会计套票、虚假财务数据乃至地下钱庄交易等，大量伪造的信息与数据充斥着整个市场。由于信息与数据在传递过程中发生了多次转手与交换，很多时候这些信息的真伪都无从考证。区块链中的数据区块顺序相连构成了一个不可篡改的数据链条，时间戳为所有的数据信息贴上一套不可伪造的真实标签，可以实现数据交易记录全网透明、不可篡改和可追溯，有助于解决数据追踪与信息防伪问题，这对于现实生活中打击假冒伪劣产品和伪造虚假信息有着极其重要的意义。此外，区块链技术中记录可追溯和不可篡改的特征为构建诚信社会提供了除法律法规外的一种技术工具。随着区块链技术的日趋成熟，区块链技术有助于重塑社会信任体系，降低社会经济活动信任成本，使社会管理更加高效和低成本。

三是有效解决关键数据保护和授权访问问题。以用户隐私数据保护为例，当前用户隐私数据保护面临着重大安全问题。2018 年 3 月，Facebook 公司 5000 万用户数据遭到泄露引发全球对个人隐私数据保护的重大关注。用户隐私数据保护和授权访问体现在对用户数据的获取、使用和审计等方面，区块链底层技术哈希算法、加密技术以及电子签名应用能够将用户隐私数据进行映射后加密存储于区块链，任何个人和组织访问用户隐私数据的时候都需要获得该用户授权，只有经过该用户授权后，其他个人和机构才能有权利对数据进行访问和使用，且任何访问和授权都会有可审计的记录，因此，区块链可较好解决目前信息化应用突出的信息保护和授权访问问题。

四是灵活的可编程特性有助于规范现有市场秩序。当今社会的市场秩序仍不够规范，在进行转移资产时，无法保证所转移资产可在未来的使用过程中不偏离最初资产所规定的用途和方向。例如，政府对农业进行的补贴、慈善机构的善款被挪作他用。区块链技术的可编程特性，可以在资产或价值转移的过程中将一段代码写入智能合约以此来规定资产未来的用途和范围，从而有效解决扶贫资金被挪用滥用、贪污侵占等问题。区块链可编程特性还可以帮助互联网以智能合约的方式与真实世界里的资产进行交互，更好的规范市场秩序。

五是有助于实现商业组织形态的重构和社会协作方式变革。区块链去中心化、数据不可篡改、可追溯等特征使得区块链成为信任机器，建立了商业活动中个体与个体之间的信任，从而有助于商业活动去中介化，实现商业组织形态重构。此外，根据罗纳德·科斯对于企业存在原因是为了降低市场交易成本费用的论述，基于区块链共识算法和智能合约编程构建的信任关系的数字交易活动有望将市场交易费用极大的降低，这对企业这种制度安排带来了冲击，即企业这种组织结构在一些条件下有可能将会消失。区块链作为信任机器有助于实现个体与个体之间的大规模协作、自主组织、自主治理，最终形成全新的社会协作方式和商业模式，甚至是引发生产关系变革。