区块链技术

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区块链技术指南 狭义来讲,区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构, 并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本。 区块链 区块链 广义来讲,区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算方式 [6] 。
本书作者 邹均:中关村区块链产业联盟专家、服务合约( Service contract)方向博士,关注 与实践区块链技术与应用。擅长云计算、大数据、软件定义存储。现为海纳云CTO,曾 任BM澳洲金融行业首席软件架构师、多个云计算公司高管,是融智北京高端外国专 家。在国际会议期刊发表论文20余篇,获2015年澳中校友会ICT和媒体类别杰出校友 奖,区块链相关论文获2016年 IEEE ICWS最佳博士论文奖。 张海宁: VMware中国研发中心云原生应用首席架构师,西蒙弗雷泽大学计算 机科学硕士,多年软件全栈开发经验, Harbor企业级容器 Registry开源项目负责人 Cloud Foundry中国社区最早的技术布道师之一,国内最早的iOs开发者。在 VMware 公司先后负责开源PaS平台 Cloud Foundry、大数据虚拟化、软件定义存储ⅤSAN等 领域的技术布道和解决方案推广。目前着重关注区块链、容器和云计算等领域的硏 究和开发工作。之前曾担任邛BM资深软件工程师、Sun公司资深解决方案架构师等 职务 唐屹:广州大学教授、理学博士,专注于区块链安全与应用、网络信息安全、分布 式计算等,为国外知名安全公司开发过椭圆曲线密码软件,获密码科技进步二等奖(省 部级)。主持或参与完成多项国家级或省部级自然科学基金与人才计划等重点项目。 李磊:合肥工业大学副教授, Macquarie大学博士。擅长数据挖掘、社会计算、智 能计算。获20l1年澳洲最优博士论文提名,并多次担任IEEE国际会议的程序委员会委 员及组织者。在社会计算和区块链等领域发表论文40余篇,被引用350余次。 刘天喜:深圳拓邦股份有限公司总经理助理,高级工程师、北京大学博士。在移动 通信、集成电路、移动互联网、物联网等领域深耕多年,擅长技术产业研究、行业分析 和战略规划,主导或参与中国工程院、中央网信办、工信部、国资委等十余项产业研究 课题。发表学术论文10余篇。 陈晖:区块链PⅣk开源项目发起人和主要开发者、巴比特网站专栏作者与区块链技 术版版主。对网络与通信技术有深入实践与研究,十余年的软件研发和项目管理经验。 通过深度实践以比特币为代表的数字加密货币领域,率先提出“区块链+网络通信”将 最大化发挥区块链革命性价值的观点,并着力以开放开源项目的形式推动区块链与网络 通信领域融合的技术创新和应用发展。 曲烈: Macquarie大学博士,曾任 Macquarie大学研究员、助教。从事信息安全、 密码学、区块链、服务计算以及信息系统等领域的研究。多次在国际知名会议和期刊发 表论文,并受邀宣讲。 郑晓明:中国电信云计算分公司工程师、 Macquarie大学博士,专注于云计算、云 存储、监控系统、推荐系统、模式识别等,近期硏究区块链相关技术 序一:什么是区块链 2015年是国外区块链的元年,世界许多重大组织,包括高盛、花旗银行、英国央 行、美国央行等机构纷纷在区块链上面投资。大量的投资从2015年10月开始便进入了 区块链,原因是在《华尔街日报》刊登一篇的文章,里面报道区块链经过了多次的实验 和验证,许多金融机构证实了区块链是一个颠覆性的技术。之前华尔街日报甚至宣称, 区块链是最近500年以来在金融领域最重要的突破。而这500年来有多少科技上的突 破,但华尔街日报却说区块链是人类历史上在金融领域最大的突破。这可能是因为岀现 了一个新的货币媒介,而每一次新货币媒介出现,都会引发社会和经济上的重大改革。 2016年1月,英国首席科学家建议英国政府把区块链技术列为英国国家战略,这是 区块链历史上一个重大突破,原因是基于华尔街以及金融机构对区块链的评价。但自从 2016年1月以后,区块链的评价是基于科学历史悠久的英国官方的评价。从各样指标来 看,英国在科学上的建树经常是排名第二,仅次于美国。而世界科学排名第二的英国甚 至把区块链列为国家战略,表示区块链的重要性毋庸置疑,而且有深远的影响。能够成 为国家战略必须在科学上被验证过,另外还必须带来巨大的商业价值,两者都不可缺少 才能成为国家战略。笔者曾在2016年3月拜访英国首席科学家,他们认为,区块链可 以在各行各业使用,带来行业公平,例如:诚实报税、政府监管、反洗钱、国家安全等。 2016年可以说是中国区块链元年,因为在2016年区块链在中国受到极大的重视 首先是1月的时候,人民银行宣布要使用数字货币。然后在30日以后,许多中国的组织 单位就开始投资区块链。中国许多大学也开始研究区块链技术,大型金融机构都纷纷表 态成立区块链团队来研究区块链,区块链的讨论班以及硏讨会如雨后春笋一般大量涌现。 但到底什么是区块链?笔者在2015年开始研究区块链,就发现了一件事情:学生 们在实验,提岀来的区块链模型、算法,或者架构都是有偏差的,而且有时候偏差甚 大,例如,在设计私有区块链的时候把公有区块链的全部思想搬过来。结果不像私有区 块链,但也不像原来的公有区块链。另外发觉很多人对相关的算法不熟悉,所以有的时 候会有一些错误的看法,例如拜占庭将军的问题是一门专门的学问,而区块链只是用了 个近似的算法,若是把两者混为一谈,就会让人感到迷惑。 再加上在讨论区块链时,有时候会有情绪化、宗教化或者政治化的言语岀现,原 来在数字货币领域,数字货币的先锋常带有一些政治思想,如无政府主义。再加上原来 的数字货币过去有洗钱、犯罪的记录,所以在讨论时,有时候会失去焦点。这一点在英 国首席科学家的报告里也有提出来,他们认为应该重视区块链,把区块链当做一门科学 技术来看,而且是一门有助于经济的科学技术,而不是吹捧任何政治思想,或传递宗教 概念。 笔者从今年初开始多次提出应该以系统工程角度来发展区块链技术,例如基于云 计算、软件工程、数据库等系统工程技术来开发区块链,区块链不只是一个加密技术 或是数字货币,而是一门系统工程。区块链不是某些特殊政治思想的乌托邦,或洗钱 的工具,而是一门科学家和工程师可以研究的系统工程,而且这项技术可以成为国家战 略,改变各行各业的流程以及基础设施。英国首席科学家已经做出这样的判断,英国央 行也做出了类似的决定,英国政府已经派了两位部长来领导这项计划,这就是我们所期 待的。 所以我非常高兴像邹均、张海宁、唐屹、李磊、刘天喜、陈晖、曲烈、郑晓明这些 年轻的学者们开始书写区块链技术,因为现在市面上有关区块链的书都是在讲解区块链 的概念及应用场景,但是今天描述区块链技术的书却很少。我们希望读者能多了解区块 链技术,多发展区块链技术,并且加以应用。只有我们了解区块链技术之后,才能真正 理解区块链的意义,而不会随波逐流,人云亦云,并且有自己的判断,希望读者们能够 认真读这本书,了解区块链技术,相信必定会大有收获。 蔡维德 美国亚利桑那州立大学荣誉教授,北航区块链实验室主任 序二:区块链——未来已来, 只是尚未流行 比特币诞生于2008年美国次贷危机的末期。在比特币白皮书,即中本聪的论文 《比特币:一种点对点的电子现金系统》中,还没有“区块链”这个词,只有“区块” ( Block)和“链”( Chain)。一些人为这种超越主权、不会滥发的虚拟数宇货币而欢欣 鼓舞,开始积极投入到挖矿、炒币中,甚至发行自己的数字货币进行筹资(ICO),俗 称“币圈”。而另一些人,包括很多专家和学者,则专注于比特币底层技术,对区块链 ( Blockchain)技术和应用进行深入地研究,考虑能否将这个技术加以改进,运用到更多 的领域中去,俗称“链圈”。 七年之后,以2015年10月美国《经济学人》杂志发表的《信任的机器》( The trust Machine)的封面文章为标志,大家意识到,作为比特币底层技术的“链”,其价值远大 于比特币本身。区块链可以让人们在没有中央权威机构监督的情况下,对彼此的互相协 作建立起信心。简单来说,它是一台创造信任的机器。华尔街开始热捧区块链。 Gartner 发布的2016年技术炒作曲线图表明,当前区块链正处于期望的最高点,即“过度期望 期”,这也意味着在未来不久的一段时间,区块链将坠入“期望幻灭期”。人们对区块链 的过度期望,实际暗示着对其存在很多误解,其中最典型的有三个,因为其关键词的首 字母都是D,所以笔者将其归纳为“3D误区”。 误区一—区块链是一种颠覆性( Disruptive)的新技术 首先,区块链不是一项新技术,而是一个新的技术组合。其关键技术,包括P2P动 态组网、基于密码学的共享账本、共识机制(拜占庭将军问题,即一种分布式场景下的 致性问题)、智能合约等技术,都是已经有十年以上的老技术了。但是,中本聪将这些 技术很巧妙地组合在一起,并在此基础上引入了完善的激励机制,用经济学原理来解决 传统技术无法解决的问题 其次,这个技术组合虽然有其独到的创新之处,但并非是颠覆性技术,是现有技术 的有力补充。目前大部分人已经认同,区块链是“价值互联网”的基础协议,从这个角 度看,其地位与当前“信息互联网”的HTTP协议相当,两者都是建立在TCPP协议 之上的应用层协议,同是互联网的两大基础协议。因而,两者是互补而非颠覆的关系。 最后,这个技术组合,并未颠覆现有业务,而是引入了新的思想,去改善和改造现 有业务模式,从而为大众提供更好的、普惠的服务。《华尔街日报》在2015年1月曾发 表题为《比特币与数字货币的颠覆性革命》的文章,认为比特币的数字货币发行机制可 能“颠覆”目前各国央行的法定货币发行模式,这算是最接近“颠覆”性的区块链案例。 而实际上,比特币在经过8年多的发展后,虽然总市值发展到了100亿美元,但在全 球经济活动中的比重还是微不足道。与此同时,也确实有一些国家的央行,如英国和中 国,在考虑摈弃比特币的挖矿机制后,通过借鉴数字货币的一些机制,在一定范围内实 现可跟踪、可追溯、数字化的法定货币。 误区二—区块链就是去中心化( Decentralized)的 首先,很多人认为 Decentralized是区块链的核心特征,并将其翻译为“去中心化”。 然而这个最早由国内“币圈”所做出的翻译,多少有一点主观和政治化的色彩。作为软 件系统的网络架构一般有三种模式:单中心、多中心、分布式。单词 Decentralized只是 表明不是单中心模式,可能为多中心或弱中心,也可能是分布式的。所以在中国台湾地 区,大多将 Decentralized翻译为“分散式的”而不是“去中心化的”。 其次,在中本聪的整篇论文中并没有提到过 Decentralized,而只有Peer-to-Peer (P2P)。在2016年6月召开的W3C区块链标准会议上,以太坊的核心开发团队 EthCore 就明确表示,不再使用 Decentralized这个词,而是用P2P、 Secure、 Serverless这类纯技 术性词语。 最后, The dao事件表明,完全去中心化是不可行的。 The dao是一个基于以太 坊公有链的众筹项目,它在短时间内就募集了价值1.6亿美元的数字货币,成为史上最 大的众筹项目。然而由于其智能合约的漏洞,导致 The dao被黑客攻击并转移走价值 6000万美元的数字货币,最后不得不黯然落幕。在挽回这个损失的过程中,原有的去中 心化机制未能解决问题,最后还是通过“集中式”的方式,强制以太坊进行“硬分叉 完成交易回滚。但这也导致了以太坊社区的分裂,产生了ETH和ETC这两种同源却又 不同价格的数字货币,给以太坊生态系统带来了很多负面影响。此次事件之后,很多人 对区块链的“去中心化”进行了反思。前上交所总工、 Chinaledger联盟技术委员会主 任白硕则认为“去中心化不是区块链的本质特征”。万向控股副董事长兼执行董事肖风 则进一步阐述“区块链的核心是分布式而不是去中心”。 误区三—区块链交易存在很大的延迟(Deay) 在使用比特币进行支付时,一般需要10分钟才能完成一次支付确认。如果要保证 支付交易的不可逆转,通常需要等待连续的6个数据块完全确认,这至少需要1个小时 的确认时间。而我们通常使用的银行网银支付和第三方支付,通常都是秒级完成的。与 之相比,使用区块链的比特币支付实在太慢。 然而,我们再考虑一下跨境支付的场景,当我们使用Swit完成一次跨境汇款时, 通常需要3~5个工作日,对方才能收到相应的款项。而使用比特币进行跨境汇款,仅 仅需要一个小时就能收到汇款。如此比较起来,比特币支付已经是非常快了。 为什么有两个完全不同的结论?因为,对于比特币支付来说,支付确认过程即是清 算和结算的过程。如果把支付过程和清结算过程作为一个整体,来比较两类支付的延迟 时间,使用区块链进行交易还是很快的。区块链交易的本质,是大幅减少了交易后的处 理工作,消除了大量的人工干预过程,从而提高了交易效率。 通常我们把区块链分为公有链、私有链、联盟链三种,比特币和以太坊都属于公有 链范畴。在数字货币之外的场景中,尤其是在金融领域中引人区块链技术,将面临很多 问题。如何引入以及引入哪种区块链,还存在许多权衡决策方面的障碍。 第一,主流金融机构难以接纳公有链。R3发布最新硏究报告,证明公有区块链不 可作为金融机构解决方案。2016年 Swift发布白皮书指出,当前世界主流金融机构无法 接纳公有区块链。对于这些金融机构而言,需要的是一个自主可控的系统,而公有链显 然做不到这点。 第二,私有链与公有链架构差异大。笔者曾仔细分析了以太坊和超级账本这两个典 型区块链的模块结构,发现两者差异巨大。很多公有链的核心模块,如挖矿、PoW共识、 原生货币等,在私有链环境中是完全不必要的,甚至是有害的。与此同时,公有链系统 中还缺失一些诸如身份认证、权限管理等在私有链中必要的模块。以太坊创始人Ⅴ talik 也曾坦言,只有5%的以太坊程序可被金融领域使用。° 第三,私有链和联盟链还很不成熟。目前,以比特币和以太坊为代表的公有链相对 比较成熟,而私有链和联盟链则远远不够成熟。开源而且好用的联盟链,更是不存在。 目前全球影响力最大的开源联盟链,是 Linux基金会下面的超级账本( Hyperledger)项 目,目前已有95个成员单位。旗下的 Fabric子项目是以IBM捐献出的 Open blockchain 为主体搭建而成的,目前还处在0.6版的快速迭代过程中,到0.8将是 Alpha版,而0.9 则是Beta版,再经过3个RC版本之后,才会进入相对成熟的1.0版 想要找到或研发出一个成熟稳定的、适合金融领域的联盟链底层系统,还任重道 远,需要很多仁人志士的共同努力,踏踏实实地投入到区块链的基础研究中去。 在目前已出版的区块链书籍中,有很多都冠以“革命”、“重塑”、“重新定义世界” 等煽动性词语作为书名,这更像是一种口号,而非切合实际的研究。我很高兴地看到, 还有像邹均、张海宁、唐屹、李磊、刘天喜、陈晖、曲烈、郑晓明等这些硏究者们,在 踏踏实实地研究区块链底层技术,用普实的话语来介绍和普及区块链技术,让更多的人 了解和接受区块链技术,实实在在地让人们了解区块链技术特征和特点,以及在现阶段 环境下的不足,如何去改善这些不足等。知已知彼,方能百战不殆。世上没有“银弹” 没有哪一种技术能解决所有的问题。 希望读者们能够通过本书,深入地了解区块链技术。也只有深入了解其底层运作机 制和原理,才能更好地灵活运用该技术,取得理想的效果 未来已来,只是尚未流行,我辈仍需多努力。 张斌,联动优势科技有限公司CEO ⊙参见《金融电子化(2016.5)》P60,《区块链技术在金融领域的应用解析》

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