區塊鏈(數據結構)

區塊鏈是分散式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的新型套用模式。區塊鏈（Blockchain），是比特幣的一個重要概念，它本質上是一個去中心化的資料庫，同時作為比特幣的底層技術，是一串使用密碼學方法相關聯產生的數據塊，每一個數據塊中包含了一批次比特幣網路交易的信息，用於驗證其信息的有效性（防偽）和生成下一個區塊。

比特幣白皮書英文原版其實並未出現 blockchain 一詞，而是使用的 chain of blocks。最早的比特幣白皮書中文翻譯版中，將 chain of blocks 翻譯成了區塊鏈。這是“區塊鏈”這一中文詞最早的出現時間。

國家網際網路信息辦公室2019年1月10日發布《區塊鏈信息服務管理規定》，自2019年2月15日起施行。

基本介紹

• 中文名：區塊鏈
• 外文名：Blockchain
• 特點：數字資產的另外一種權益
• 目的：用於驗證其信息的有效性（防偽）
• 類型：公有鏈,聯合鏈,私有鏈等
• 領域：金融，物聯網，保險，公益領域等

起源

區塊鏈起源於比特幣，2008年11月1日，一位自稱中本聰(Satoshi Nakamoto)的人發表了《比特幣:一種點對點的電子現金系統》一文，闡述了基於P2P網路技術、加密技術、時間戳技術、區塊鏈技術等的電子現金系統的構架理念，這標誌著比特幣的誕生。兩個月後理論步入實踐，2009年1月3日第一個序號為0的創世區塊誕生。幾天后2009年1月9日出現序號為1的區塊，並與序號為0的創世區塊相連線形成了鏈，標誌著區塊鏈的誕生。

近年來，世界對比特幣的態度起起落落，但作為比特幣底層技術之一的區塊鏈技術日益受到重視。在比特幣形成過程中，區塊是一個一個的存儲單元，記錄了一定時間內各個區塊節點全部的交流信息。各個區塊之間通過隨機散列(也稱哈希算法)實現連結，後一個區塊包含前一個區塊的哈希值，隨著信息交流的擴大，一個區塊與一個區塊相繼接續，形成的結果就叫區塊鏈。

發展歷程

2008年由中本聰第一次提出了區塊鏈的概念，在隨後的幾年中，區塊鏈成為了電子貨幣比特幣的核心組成部分：作為所有交易的公共賬簿。通過利用點對點網路和分散式時間戳伺服器，區塊鏈資料庫能夠進行自主管理。為比特幣而發明的區塊鏈使它成為第一個解決重複消費問題的數字貨幣。比特幣的設計已經成為其他應用程式的靈感來源。

2014年，"區塊鏈2.0”成為一個關於去中心化區塊鏈資料庫的術語。對這個第二代可程式區塊鏈，經濟學家們認為它是一種程式語言，可以允許用戶寫出更精密和智慧型的協定。因此，當利潤達到一定程度的時候，就能夠從完成的貨運訂單或者共享證書的分紅中獲得收益。區塊鏈2.0技術跳過了交易和“價值交換中擔任金錢和信息仲裁的中介機構”。它們被用來使人們遠離全球化經濟，使隱私得到保護，使人們“將掌握的信息兌換成貨幣”，並且有能力保證智慧財產權的所有者得到收益。第二代區塊鏈技術使存儲個人的“永久數字ID和形象”成為可能，並且對“潛在的社會財富分配”不平等提供解決方案。

2016年1月20日，中國人民銀行數字貨幣研討會宣布對數字貨幣研究取得階段性成果。會議肯定了數字貨幣在降低傳統貨幣發行等方面的價值，並表示央行在探索發行數字貨幣。中國人民銀行數字貨幣研討會的表達大大增強了數字貨幣行業信心。這是繼2013年12月5日央行五部委發布關於防範比特幣風險的通知之後，第一次對數字貨幣表示明確的態度。

2016年12月20日，數字貨幣聯盟——中國FinTech數字貨幣聯盟及FinTech研究院正式籌建。

如今，比特幣仍是數字貨幣的絕對主流，數字貨幣呈現了百花齊放的狀態，常見的有bitcoin、litecoin、dogecoin、dashcoin，除了貨幣的套用之外，還有各種衍生套用，如以太坊Ethereum、Asch等底層套用開發平台以及NXT，SIA，比特股，MaidSafe，Ripple等行業套用。

類型

公有區塊鏈

公有區塊鏈（Public Block Chains)是指：世界上任何個體或者團體都可以傳送交易，且交易能夠獲得該區塊鏈的有效確認，任何人都可以參與其共識過程。公有區塊鏈是最早的區塊鏈，也是套用最廣泛的區塊鏈，各大bitcoins系列的虛擬數字貨幣均基於公有區塊鏈，世界上有且僅有一條該幣種對應的區塊鏈。

聯合（行業）區塊鏈

行業區塊鏈（Consortium Block Chains)：由某個群體內部指定多個預選的節點為記賬人，每個塊的生成由所有的預選節點共同決定（預選節點參與共識過程），其他接入節點可以參與交易，但不過問記賬過程(本質上還是託管記賬，只是變成分散式記賬，預選節點的多少，如何決定每個塊的記賬者成為該區塊鏈的主要風險點），其他任何人可以通過該區塊鏈開放的API進行限定查詢。

私有區塊鏈

私有區塊鏈（Private Block Chains)：僅僅使用區塊鏈的總賬技術進行記賬，可以是一個公司，也可以是個人，獨享該區塊鏈的寫入許可權，本鏈與其他的分散式存儲方案沒有太大區別。傳統金融都是想實驗嘗試私有區塊鏈，而公鏈的套用例如bitcoin已經工業化，私鏈的套用產品還在摸索當中。

特徵

去中心化。區塊鏈技術不依賴額外的第三方管理機構或硬體設施，沒有中心管制，除了自成一體的區塊鏈本身，通過分散式核算和存儲，各個節點實現了信息自我驗證、傳遞和管理。去中心化是區塊鏈最突出最本質的特徵。

開放性。區塊鏈技術基礎是開源的，除了交易各方的私有信息被加密外，區塊鏈的數據對所有人開放，任何人都可以通過公開的接口查詢區塊鏈數據和開發相關套用，因此整個系統信息高度透明。

獨立性。基於協商一致的規範和協定(類似比特幣採用的哈希算法等各種數學算法)，整個區塊鏈系統不依賴其他第三方，所有節點能夠在系統內自動安全地驗證、交換數據，不需要任何人為的干預。

安全性。只要不能掌控全部數據節點的51%，就無法肆意操控修改網路數據，這使區塊鏈本身變得相對安全，避免了主觀人為的數據變更。

匿名性。除非有法律規範要求，單從技術上來講，各區塊節點的身份信息不需要公開或驗證，信息傳遞可以匿名進行。

架構模型

一般說來，區塊鏈系統由數據層、網路層、共識層、激勵層、契約層和套用層組成。

區塊鏈基礎架構模型

其中，數據層封裝了底層數據區塊以及相關的數據加密和時間戳等基礎數據和基本算法；網路層則包括分散式組網機制、數據傳播機制和數據驗證機制等；共識層主要封裝網路節點的各類共識算法；激勵層將經濟因素集成到區塊鏈技術體系中來，主要包括經濟激勵的發行機制和分配機制等；契約層主要封裝各類腳本、算法和智慧型契約，是區塊鏈可程式特性的基礎；套用層則封裝了區塊鏈的各種套用場景和案例。該模型中，基於時間戳的鏈式區塊結構、分散式節點的共識機制、基於共識算力的經濟激勵和靈活可程式的智慧型契約是區塊鏈技術最具代表性的創新點。

核心技術

分散式賬本

分散式賬本指的是交易記賬由分布在不同地方的多個節點共同完成，而且每一個節點記錄的是完整的賬目，因此它們都可以參與監督交易合法性，同時也可以共同為其作證。

跟傳統的分散式存儲有所不同，區塊鏈的分散式存儲的獨特性主要體現在兩個方面：一是區塊鏈每個節點都按照塊鏈式結構存儲完整的數據，傳統分散式存儲一般是將數據按照一定的規則分成多份進行存儲。二是區塊鏈每個節點存儲都是獨立的、地位等同的，依靠共識機制保證存儲的一致性，而傳統分散式存儲一般是通過中心節點往其他備份節點同步數據。沒有任何一個節點可以單獨記錄賬本數據，從而避免了單一記賬人被控制或者被賄賂而記假賬的可能性。也由記賬節點足夠多，理論上講除非所有的節點被破壞，否則賬目就不會丟失，從而保證了賬目數據的安全性。

非對稱加密

存儲在區塊鏈上的交易信息是公開的，但是賬戶身份信息是高度加密的，只有在數據擁有者授權的情況下才能訪問到，從而保證了數據的安全和個人的隱私。

共識機制

共識機制就是所有記賬節點之間怎么達成共識，去認定一個記錄的有效性，這既是認定的手段，也是防止篡改的手段。區塊鏈提出了四種不同的共識機制，適用於不同的套用場景，在效率和安全性之間取得平衡。

區塊鏈的共識機制具備“少數服從多數”以及“人人平等”的特點，其中“少數服從多數”並不完全指節點個數，也可以是計算能力、股權數或者其他的計算機可以比較的特徵量。“人人平等”是當節點滿足條件時，所有節點都有權優先提出共識結果、直接被其他節點認同後並最後有可能成為最終共識結果。以比特幣為例，採用的是工作量證明，只有在控制了全網超過51%的記賬節點的情況下，才有可能偽造出一條不存在的記錄。當加入區塊鏈的節點足夠多的時候，這基本上不可能，從而杜絕了造假的可能。

智慧型契約

智慧型契約是基於這些可信的不可篡改的數據，可以自動化的執行一些預先定義好的規則和條款。以保險為例，如果說每個人的信息（包括醫療信息和風險發生的信息）都是真實可信的，那就很容易的在一些標準化的保險產品中，去進行自動化的理賠。在保險公司的日常業務中，雖然交易不像銀行和證券行業那樣頻繁，但是對可信數據的依賴是有增無減。因此，筆者認為利用區塊鏈技術，從數據管理的角度切入，能夠有效地幫助保險公司提高風險管理能力。具體來講主要分投保人風險管理和保險公司的風險監督。

套用

金融領域

區塊鏈在國際匯兌、信用證、股權登記和證券交易所等金融領域有著潛在的巨大套用價值。將區塊鏈技術套用在金融行業中，能夠省去第三方中介環節，實現點對點的直接對接，從而在大大降低成本的同時，快速完成交易支付。

比如Visa推出基於區塊鏈技術的 Visa B2B Connect，它能為機構提供一種費用更低、更快速和安全的跨境支付方式來處理全球範圍的企業對企業的交易。要知道傳統的跨境支付需要等3-5天，並為此支付1-3%的交易費用。Visa 還聯合 Coinbase 推出了首張比特幣借記卡，花旗銀行則在區塊鏈上測試運行加密貨幣“花旗幣”。

物聯網和物流領域

區塊鏈在物聯網和物流領域也可以天然結合。通過區塊鏈可以降低物流成本，追溯物品的生產和運送過程，並且提高供應鏈管理的效率。該領域被認為是區塊鏈一個很有前景的套用方向。

區塊鏈通過結點連線的散狀網路分層結構，能夠在整個網路中實現信息的全面傳遞，並能夠檢驗信息的準確程度。這種特性一 定程度上提高了物聯網交易的便利性和智慧型化。區塊鏈+大數據的解決方案就利用了大數據的自動篩選過濾模式，在區塊鏈中建立信用資源，可雙重提高交易的安全性，並提高物聯網交易便利程度。為智慧型物流模式套用節約時間成本。區塊鏈結點具有十分自由的進出能力，可獨立的參與或離開區塊鏈體系，不對整個區塊鏈體系有任何干擾。區塊鏈 +大數據解決方案就利用了大數據的整合能力，促使物聯網基礎用戶拓展更具有方向性，便於在智慧型物流的分散用戶之間實現用戶拓展。

公共服務領域

區塊鏈在公共管理、能源、交通等領域都與民眾的生產生活息息相關，但是這些領域的中心化特質也帶來了一些問題，可以用區塊鏈來改造。區塊鏈提供的去中心化的完全分散式DNS服務通過網路中各個節點之間的點對點數據傳輸服務就能實現域名的查詢和解析，可用於確保某個重要的基礎設施的作業系統和固件沒有被篡改，可以監控軟體的狀態和完整性，發現不良的篡改，並確保使用了物聯網技術的系統所傳輸的數據沒用經過篡改。

數字著作權領域

通過區塊鏈技術，可以對作品進行鑒權，證明文字、視頻、音頻等作品的存在，保證權屬的真實、唯一性。作品在區塊鏈上被確權後，後續交易都會進行實時記錄，實現數字著作權全生命周期管理，也可作為司法取證中的技術性保障。例如，美國紐約一家創業公司Mine Labs開發了一個基於區塊鏈的元數據協定，這個名為Mediachain的系統利用IPFS檔案系統，實現數字作品著作權保護，主要是面向數字圖片的著作權保護套用。

保險領域

在保險理賠方面，保險機構負責資金歸集、投資、理賠，往往管理和運營成本較高。通過智慧型契約的套用，既無需投保人申請，也無需保險公司批准，只要觸發理賠條件，實現保單自動理賠。一個典型的套用案例就是LenderBot, 是 2016 年由區塊鏈企業 Stratumn、德勤與支付服務商 Lemonway 合作推出，它允許人們通過 Facebook Messenger 的聊天功能，註冊定製化的微保險產品， 為個人之間交換的高價值物品進行投保，而區塊鏈在貸款契約中代替了第三方角色。

公益領域

區塊鏈上存儲的數據，高可靠且不可篡改，天然適合用在社會公益場景。公益流程中的相關信息，如捐贈項目、募集明細、資金流向、受助人反饋等，均可以存放於區塊鏈上，並且有條件地進行透明公開公示，方便社會監督。

面臨的挑戰

從實踐進展來看，區塊鏈技術在商業銀行的套用大部分仍在構想和測試之中，距離在生活、生產中的運用還有很長的路，而要獲得監管部門和市場的認可也面臨不少困難，主要有:

(一)受到現行觀念、制度、法律制約。區塊鏈去中心化、自我管理、集體維護的特性顛覆了人們生產生活方式，淡化了國家、監管概念，衝擊了現行法律安排。對於這些，整個世界完全缺少理論準備和制度探討。即使是區塊鏈套用最成熟的比特幣，不同國家持有態度也不相同，不可避免阻礙了區塊鏈技術的套用與發展。解決這類問題，顯然還有很長的路要走。

(二)在技術層面，區塊鏈尚需突破性進展。區塊鏈套用尚在實驗室初創開發階段，沒有直觀可用的成熟產品。比之於網際網路技術，人們可以用瀏覽器、APP等具體應用程式，實現信息的瀏覽、傳遞、交換和套用，但區塊鏈明顯缺乏這類突破性的應用程式，面臨高技術門檻障礙。再比如，區塊容量問題，由於區塊鏈需要承載複製之前產生的全部信息，下一個區塊信息量要大於之前區塊信息量，這樣傳遞下去，區塊寫入信息會無限增大，帶來的信息存儲、驗證、容量問題有待解決。

(三)競爭性技術挑戰。雖然有很多人看好區塊鏈技術，但也要看到推動人類發展的技術有很多種，哪種技術更方便更高效，人們就會套用該技術。比如，如果在通信領域套用區塊鏈技術，通過發信息的方式是每次發給全網的所有人，但是只有那個有私鑰的人才能解密打開信件，這樣信息傳遞的安全性會大大增加。同樣，量子技術也可以做到，量子通信——利用量子糾纏效應進行信息傳遞——同樣具有高效安全的特點，近年來更是取得了不小的進展，這對於區塊鏈技術來說，就具有很強的競爭優勢。