imtoken钱包下载2.0安卓版|区块链技术的优势

作者： imtoken钱包下载2.0安卓版

2024-03-09 17:49:07

什么是区块链？区块链本身具有哪些技术特点和应用价值？ - 知乎

什么是区块链？区块链本身具有哪些技术特点和应用价值？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册职场职场困惑区块链什么是区块链？区块链本身具有哪些技术特点和应用价值？关注者5被浏览9,728关注问题写回答邀请回答好问题添加评论分享4 个回答默认排序螃蟹哥炒币关注区块链是一种近年来备受关注的技术，在金融、物流、医疗等多个领域都有广泛的应用。本文将深入探讨区块链是什么，区块链的价值和应用前景有哪些，同时也分析其局限性。我们将从技术特点、应用场景等各个方面进行细致的解析，旨在全面而深入地了解区块链技术。区块链的定义和技术特点区块链是一种分布式账本技术，它的特点在于去中心化、不可篡改、安全可靠以及可追溯。区块链技术采用了一种分布式共识机制，通过多方的验证和认可来确保数据的可信度和完整性。首先，区块链的去中心化是指没有集中的第三方机构来掌控和管理数据，所有的参与者通过对等的节点来协同维护分布式账本。这种机制使得区块链能够突破现有的中心化体系的限制，实现更加普惠的数据共享。其次，区块链的不可篡改性是指一旦数据被写入区块链，就不能被篡改或删除。因为区块链上的每条记录都会被加密、指纹、签名等多种数据安全技术所保护，同时区块链的分布式共识机制也保证了数据的一致性和准确性。另外，区块链还具有安全可靠和可追溯的特点。区块链上的所有交易记录都被记录在分布式账本上，任何人都可以随时查看数据，这可以有效提高数据的透明度和公信力。且所有交易都是基于密钥签名的，这可以保证交易的安全性和隐私性。区块链的应用场景和价值区块链技术具有广泛的应用前景，尤其在金融、物流、医疗、知识产权等领域有着潜力巨大的应用。在金融领域，区块链技术可以实现跨境汇款、融资和交易等多种功能。例如，通过区块链技术，可以实现无人值守的智能合约，自动化执行交易流程，减少人力成本和时间成本。同时，区块链技术可以有效预防金融诈骗和洗钱等金融犯罪行为，提高了金融交易的安全性。在物流领域，区块链技术可以实现物品的全程追溯。区块链技术可以记录物品的来源、生产时间、运输路线等信息，确保物品的质量和安全性。同时，区块链技术还可以提高物流效率，降低物流成本，提高物流供应链可持续性。在医疗领域，区块链技术可以实现病历的共享和医疗数据的安全存储。目前，医疗行业存在着病历信息孤岛和医疗数据难以传递的问题，使用区块链技术可以将数据共享和存储在一个无中心化且安全可靠的平台上，保证了数据的完整性和安全性，提高了医疗服务的质量和效率。在知识产权领域，区块链技术可以实现数字版权、溯源查询等多种功能。区块链技术可以将知识产权和数字版权的信息记录在分布式账本上，确保信息的安全和可追溯性，有效保护了知识产权和数字版权的权益。区块链的局限性和挑战然而，区块链技术也存在一些局限性和挑战。首先，区块链技术的普及和应用面临着一定的技术门槛和成本问题。目前区块链技术的操作和维护还需要一定的技术知识和资金投入，对于小型企业和个人而言，存在一定的门槛和挑战。其次，区块链技术的可扩展性和性能也是需要关注的问题。随着区块链应用场景的不断扩展和数据量的不断增加，区块链技术所面临的问题也愈发复杂。例如在比特币区块链网络中，存在着交易速度较慢、交易费用过高等问题。此外，区块链技术的安全性也需要更加关注和保证。尽管区块链技术具有很高的安全性和不可篡改性，但是目前已经出现了多种攻击和漏洞。因此，区块链的安全性需要逐步提高和完善。总结总之，区块链技术是一种崭新的技术，具有广泛的应用价值和前景。同时，我们也需要考虑到区块链技术所面临的局限性和挑战。在实践过程中，需要根据具体场景和需求，合理评估区块链技术的可行性和有效性，推动区块链技术的标准化和规范化，提高其稳定性和可持续性。发布于 2023-11-08 09:07赞同 2添加评论分享收藏喜欢收起中科基大数据数智转型，智慧大脑，有我，不再烦恼！关注区块链技术是一种具有改变世界的颠覆性技术，2016年麦肯锡发布的报告中指出区块链是继蒸汽机、电力、信息和互联网之后最有可能触发颠覆性革命浪潮的核心技术”，北京航空航天大学蔡维德教授曾说过：如果银行采用区块链技术，那么每年将会节省2.2万亿美元的资金！”，这能看出区块链所蕴含的巨大潜力。大多数人对区块链的认识源自于比特币”，正是因为有区块链技术的支撑，比特币才在全世界范围内大行其道，那么到底区块链技术有哪些显著的优势呢？用一句话概括就是：用较低成本解决了陌生人之间的信任问题！具体有以下几点：一、去中心化。区块链技术可以看作是一种分布式账本”，大家人手一本，并且所有账本的内容是一样的，而记账的过程也全都是在大家共同的监管之下完成的，公开透明，所以不存在作弊”问题，因此应用区块链技术的交易过程可以大大减少人力和其他成本，举个好理解一些的例子，比如我们在某宝买了一件商品，那么我们买卖双方都要通过支付宝进行交易，假如支付宝有问题（比如卷款跑路、拿了钱不承认或者外界影响因素）那么我们的钱就损失了，但如果采用区块链技术那么我们买卖双方都生成完成了这笔交易就行了，并且不用担心任何其他问题。二、不可篡改。区块链技术决定了这种账本的内容一旦形成则不可更改，因此我们可以完全相信账本的内容，这就是区块链的可信任性”。假如有人想偷偷修改一下自己手里的账本，但是不要忘了大家人手一本，你就改你只能改你自己手里的账本，别人的是改不了的，因此你的修改就会被认为是非法和无效的，也就是说已经形成的账目，任何人都无法修改。三、安全性。区块链采用加密算法，确保未得到授权的情况下不能访问账户中的数据信息，这保证了账户中的数据信息可以长期保存。区块链技术使得交易过程无需再为信任而付出额外的成本，大大降低了交易的复杂性，所以区块链技术可以推广到所有的数字化领域，并为我们的社会带来巨大的改变。但是区块链技术同时也存在很多的缺点，不过随着技术的发展，这些缺点都将会被一一克服，届时区块链技术将如同网络一样渗入我们生活工作的方方面面。区块链本质上是一个分布式的公共账本，将各个区块连成一个链条。我们可以将其定义为一个系统，它让一组互联的电脑安全地共同维护一份帐本，每台计算机就是一个数据库(服务器)，中间无需第三方服务器。所以，区块链不是一种特定的软件，就像“数据库”这个三个字表现的意思一样，它是一种特定技术的设计思想。就像TCP/IP协议和普通人之间的关系，普通人完全不需要知道什么是互联网底层的TCP/IP协议，只要享受互联网提供的服务就行。普通人和区块链基本上没什么关系，除非是准备从事这方面的创业。比于传统的中心化方案，区块链技术主要有以下三个特征：1、区块链的核心思想是去中心化在区块链系统中，任意节点之间的权利和义务都是均等的，所有的节点都有能力去用计算能力投票，从而保证了得到承认的结果是过半数节点公认的结果。即使遭受严重的黑客攻击，只要黑客控制的节点数不超过全球节点总数的一半，系统就依然能正常运行，数据也不会被篡改。2、区块链最大的颠覆性在于信用的建立理论上说，区块链技术可以让微信支付和支付宝不再有存在价值。《经济学人》对区块链做了一个形象的比喻：简单地说，它是“一台创造信任的机器”。区块链让人们在互不信任并没有中立中央机构的情况下，能够做到互相协作。打击假币和金融诈骗未来都不需要了。3、区块链的集体维护可以降低成本在中心化网络体系下，系统的维护和经营依赖于数据中心等平台的运维和经营，成本不可省略。区块链的节点是任何人都可以参与的，每一个节点在参与记录的同时也来验证其他节点记录结果的正确性，维护效率提高，成本降低。可应用的领域：一、金融领域区块链能够提供信任机制，具备改变金融基础架构的潜力，各类金融资产如股权、债券、票据、仓单、基金份额等都可以被整合到区块链技术体系中，成为链上的数字资产，在区块链上进行存储、转移和交易。区块链技术的去中心化，能够降低交易成本，使金融交易更加便捷、直观和安全。区块链技术与金融业相结合，必然会创造出越来越多的业务模式，服务场景、业务流程和金融产品，从而给金融市场、金融机构、金融服务及金融业态发展带来更多影响。随着区块链技术的改进及区块链技术与其他金融科技的结合，区块链技术将逐步适应大规模金融场景的应用。二、公共服务领域传统的公共服务依赖于有限的数据维度，获得的信息可能不够全面且有一定的滞后性。区块链不可篡改的特性使链上的数字化证明可信度极高，在产权、公证及公益等领域都可以以此建立全新的认证机制，改善公共服务领域的管理水平。公益流程中的相关信息如捐赠项目、募集明细、资金流向、受助人反馈等，均可存放于区块链上，在满足项目参与者隐私保护及其他相关法律法规要求的前提下，有条件地进行公开公示，方便公众和社会监督。三、信息安全领域利用区块链可追溯、不可篡改的特性，可以确保数据来源的真实性，同时保证数据的不可伪造性，区块链技术将从根本上改变信息传播路径的安全问题。区块链对于信息安全领域体现在以下三点：一、用户身份认证保护二、数据完整性保护三、有效阻止DDoS攻击区块链的分布式存储架构则会令黑客无所适从，已经有公司着手开发基于区块链的分布式互联网域名系统，绝除当前DNS注册弊病的祸根，使网络系统更加干净透明。四、物联网领域区块链+物联网，可以让物联网上的每个设备独立运行，整个网络产生的信息可以通过区块链的智能合约进行保障。a)安全性传统物联网设备极易遭受攻击，数据易受损失且维护费用高昂。物联网设备典型的信息安全风险问题包括，固件版本过低、缺少安全补丁、存在权限漏洞、设备网络端口过多、未加密的信息传输等。区块链的全网节点验证的共识机制、不对称加密技术及数据分布式存储将大幅降低黑客攻击的风险。b)可信性传统物联网由中心化的云服务器进行管控，因设备的安全性和中心化服务器的不透明性，用户的隐私数据难以得到有效保障。而区块链是一个分布式账簿，各区块既相互联系又有各自独立的工作能力，保证链上信息不会被随意篡改。因此，分布式账本可以为物联网提供信任、所有权记录、透明性和通信支持。c)效益性受限于云服务和维护成本，物联网难以实现大规模商用。传统物联网实现物物通信是经由中心化的云服务器。该模式的弊端是，随着接入设备的增多，服务器面临的负载也更多，需要企业投入大量资金来维持物联网体系的正常运转。而区块链技术可以直接实现点对点交易，省略了中间其他中介机构或人员的劳务支出，可以有效减少第三方服务所产生的费用，实现效益最大化。五、供应链领域供应链由众多参与主体构成，存在大量交互协作，信息被离散地保存在各自的系统中，缺乏透明度。信息的不流畅导致各参与主体难以准确地了解相关事项的实时状况及存在问题，影响供应链的协同效率。当各主体间出现纠纷时，举证和追责耗时耗力。区块链可以使数据在各主体之间公开透明，从而在整个供应链条上形成完整、流畅、不可篡改的信息流。这可以确保各主体及时发现供应链系统运行过程中产生的问题，并有针对性地找到解决方案，进而提升供应链管理的整体效率。发布于 2023-11-13 15:28赞同 1添加评论分享收藏喜欢收起

区块链技术有哪些优点? - 知乎

区块链技术有哪些优点? - 知乎切换模式写文章登录/注册区块链技术有哪些优点?臾凉故梦　　区块链技术有哪些优点?区块链是目前一个比较热门的新概念，蕴含了技术与金融两层概念。从技术角度来看，这是一个牺牲一致性效率且保证最终一致性的的分布式的数据库，当然这是比较片面的。从经济学的角度来看，这种容错能力很强的点对点网络，恰恰满足了共享经济的一个必须要求——低成本的可信环境。下面一起来看看区块链技术有哪些优点?　　1、分布式去中心化　　由于区块链中每个节点和矿工都必须遵循同一记账交易规则，而这个规则是基于密码算法而不是信用，同时每笔交易需要网络内其他用户的批准，所以去中心化的交易系统不需要一套第三方中介结构或信任机构背书。　　而在目前，不管是传统的交易系统，还是第三方交易系统，都是基于中央账簿的体系中，中央账簿就扮演着信息保管员的角色，每笔交易需要第三方中介或者信任机构背书，这属于中心化的交易网络。　　2、无须信任系统　　区块链网络中，通过算法的自我约束，任何恶意欺骗系统的行为都会遭到其他节点的排斥和抑制，因此，区块链系统不依赖中央权威机构支撑和信用背书。　　传统的信用背书网络系统中，参与人需要对于中央机构足够信任，随着参与网络人数增加，系统的安全性下降。和传统情况相反，区块链网络中，参与人不需要对任何人信任，但随着参与节点增加，系统的安全性反而增加，同时数据内容可以做到完全公开。　　3、不可篡改和加密安全性　　区块链采取单向哈希算法，同时每个新产生的区块严格按照时间线形顺序推进，时间的不可逆性导致任何试图入侵篡改区块链内数据信息的行为都很容易被追溯，导致被其他节点的排斥，从而可以限制相关不法行为。　　举个栗子吧，这样大家就容易明白了。比如说转账，我现在要转账给苏老板，但是，如果我通过中央银行的中央账簿体系来转账(高度中心化)，这里面就会产生两个问题：第一，我转账给苏老板，他说没有收到，我找央行，它不解决这个问题，我就没有办法解决了;第二，就是对中心本身的信任问题，从技术上，央行的中央账簿可以看到转账的信息细节，如果由于某种原因账簿对信息进行了篡改，转账方和接受方是无法感知的。　　这些问题怎么解决?区块链技术将有可能提供答案。假如不管央行是否愿意，我们把这个中心即央行改造一下，让很多很多人去参与这个中心的工作，变成去中心化或者多中心化，并且互相监督来保证中心不可能去篡改我们的信息，如果篡改了我们马上就能知道。同时，这个改造过的中心是安全的，因为篡改者需要修改超过半数的系统节点数据才能真正的篡改数据。这种篡改的代价极高，导致几乎不可能。　　另外，这个中心上的“账簿”(区块)是公开且广泛分布的，即任何人都可以下载一份拷贝。除了用户身份受到加密保护，这个系统完全透明。最后，这个系统不依赖于这个中心(中央权威机构)支撑和信用背书。这样，一个去中心化、安全可靠、高效透明的系统就形成了。　　总之，区块链的基本思想就是基于这个思路：用民主化的方式替代单一的服务中心。看了这篇文章你明白了区块链技术有哪些优点了吗?编辑于 2020-10-22 09:38区块链(Blockchain)赞同 2添加评论分享喜欢收藏申请

区块链的优点和缺点都有哪些？ - 知乎

区块链的优点和缺点都有哪些？ - 知乎切换模式写文章登录/注册区块链的优点和缺点都有哪些？矩阵元技术为了数据的流动，致力于构建下一代计算架构！随着区块链热潮席卷全球，社会各界对区块链的关注度也越来越高，一方面期待区块链为各个行业乃至整个人类社会带来惊喜蜕变，一方面也对这项新技术能否真正解决当前及未来面临的多重难题存在些许担忧。凡事都是有两面性，区块链也不例外，有无可比拟的优势也有亟待完善的不足，今天我们就来盘点一下区块链的优点和缺点。区块链的优点1、高安全性区块链采用去中心化分布式记账方式，系统中各个节点同时参与数据变动记录，每个节点都保留一份相同且完整的账本，单个节点被摧毁不会影响整个账本及记录的完整性，极大地提高了数据的安全性。2、高透明性公有区块链系统是开放的，由其中所有具有维护功能的节点共同维护，除了交易各方的私有信息被加密外，任何人都可以通过公开的接口查询区块链数据和开发相关应用，因此整个系统信息高度透明。3、高自治性区块链采用基于协商一致的规范和协议（比如一套既定算法），使各参与方在不需要信任任何人的环境下进行自由安全的交易，由过去对“人”的信任进化为对机器“算法”的信任，排除人为干扰因素达到高度自治。4、不可篡改性一旦信息经过验证并添加至区块链，就会永久存储起来，生成按照时间先后顺序标记且难以可篡改的数据记录，既能保证数据的可追溯性，又能极大减少不同时间点不同节点数据造假的情况。区块链的缺点1、隐私保护难题原生区块链技术不具备隐私保护能力，在区块链公有链上，每个参与者都能拥有完整的数据备份，所有交易数据公开透明，如果知道某个参与者的账户就很容易获取其每一笔交易记录和推断其拥有的财产数目，不利于个人隐私保护。2、不可篡改、撤销不可篡改、撤销既是区块链的优点也是区块链的缺点。区块链技术一大特点就是不可逆转、不可伪造，即：交易一旦发起便不可撤销，私钥一旦丢失就无法在对账户进行任何操作。不像现实生活中，部分情况银行卡转错账了还能撤回，银行卡丢了还能去挂失补办。3、交易确认延迟性区块链中交易确认存在延迟性。以比特币为例，比特币每次交易的确认时间大约10分钟，6次确认的话需要一个小时。尽管后续出现的其他数字货币系统交易效率有所提升，但和支付宝双十一25.6万笔/秒的峰值相比，仍有差距。4、适应监管要求区块链的去中心、自治化的特点淡化了国家监管的概念，然而所有的创新，都需要符合监管要求。对区块链的监管，一定程度上能加速区块链的落地应用，保证区块链技术的良性发展。区块链作为一项创新技术，未来发展前景十分广阔。在区块链落地应用过程中，需要充分运用新思路、新方法来发挥其优势，弥补其不足，才能最大限度发掘区块链价值，推动区块链与各行业乃至整个人类社会的协同进步。更多精彩区块链内容，欢迎关注矩阵元微信公众号：矩阵元。发布于 2018-06-26 09:44金融区块链(Blockchain)比特币 (Bitcoin)赞同 6添加评论分享喜欢收藏申请

区块链的好处 - IBM 区块链 | IBM

区块链的优点

区块链可以提高整个业务网络中的数据信任度、安全性、透明度和可追溯性，并节省成本和提高效率。

建立信任并提高底线

业务区块链使用共享且不可篡改的账本，只有获得许可的成员才能访问该账本。网络成员控制每个组织或成员可以看到哪些信息，以及每个组织或成员可以采取哪些行动。区块链有时也被称为“无信任”网络 — 不是因为业务伙伴之间彼此不信任，而是因为他们不必相互信任。

这种信任建立在区块链的增强安全性、更高的透明度和即时可追溯性基础之上的。除信任问题外，区块链还能带来更多的商业利益，包括通过提高速度、效率和自动化来节省成本。通过大大减少文书工作和错误，区块链显著降低了管理费用和交易成本，并减少或消除了第三方或中间人验证交易的需要。

深入研究：了解有关区块链技术的更多信息

区块链的五个重要好处

增强安全性

您的数据是敏感且关键的，区块链可以大大改变您查看关键信息的方式。通过创建无法篡改且端到端加密的记录，区块链有助于防止欺诈和未经授权的活动。隐私问题也可以在区块链上得以解决，解决方式包括匿名个人数据以及限制访问权限等。信息存储在整个计算机网络上，而不是单个服务器上，这使得黑客很难查看数据。

深入研究：何为区块链安全性？

更大的透明度

如果没有区块链，每个组织都必须保留一个单独的数据库。由于区块链使用分布式账本，导致交易和数据在多个位置采取完全相同的方式进行记录。所有具有访问权限的网络参与者都能同时查看相同的信息，从而实现信息的完全透明性。所有交易记录均不可篡改，并带有时间和日期戳。这使成员能够查看交易的整个历史记录，并几乎消除了任何欺诈机会。

即时可追溯性

区块链创建了审计追溯机制，用于记录每一步旅程中的资产来源。在消费者担心产品的环境或人权问题的行业中，或者在受到假货和欺诈困扰的行业中，这将有助于提供证据。使用区块链，企业可以直接与客户共享有关产品源头的数据。可追溯性数据还可以揭示任何供应链的弱点 — 当货物在装货码头等待运输时。

提高效率和速度

涉及大量纸质工作的传统流程非常耗时，容易出现人为错误，并且通常需要第三方介入。通过使用区块链来简化这些流程，可以更快、更高效地完成交易。凭据可与详细的交易记录一起存储在区块链上，消除了对交换纸质文件的需求。无需协调多个账本，从而显著加快清算和结算速度。

自动化

交易甚至可以通过“智能合约”实现自动化，从而提高您的效率并进一步加快流程。一旦满足预先指定的条件，就会自动触发交易或下一步流程。智能合约可以减少人为干预以及对第三方验证合同条款是否已得到满足的依赖性。例如，在保险行业，一旦客户提供了所有必要的凭证提出索赔，索赔就可以自动得到处理和支付。

深入研究：何为智能合约？

各行各业如何受益于区块链

区块链在供应链和食物链中的好处

通过区块链在贸易伙伴之间建立信任、提供端到端的可视性、简化流程、更快地解决问题，所有这些都有助于建立更强大、更具弹性的供应链和更好的业务关系。此外，参与者还可以迅速采取行动来应对中断事件。在食品行业，区块链可以帮助确保食品安全和新鲜，并减少浪费。如果食品发生污染，可以在几秒内而不是几天内追溯到其来源。

了解供应链区块链

银行业和金融行业区块链的好处

金融机构使用区块链取代旧流程和文书工作可以获得很多好处，例如消除摩擦和延迟以及提高整个行业的运营效率，包括全球贸易、贸易融资、清算和结算、消费者银行业务、贷款和其他交易。

了解金融服务区块链

医疗保健区块链的好处

医疗保健是饱受数据泄露困扰的行业，区块链可以帮助该行业提高患者数据的安全性，同时使提供方、付款方和研究人员更容易共享记录。访问控制权仍掌握在患者手中，从而增加了信任度。

了解医疗保健区块链

医药区块链的好处

当医药产品在供应链中移动时，每一个行动都将被记录。由此产生的审计跟踪日志意味着医药产品可以从源头追溯到药房或零售商，这有助于防止造假，并使制造商能够在几秒钟内找到需要召回的产品。

了解生命科学区块链

政府区块链的好处

区块链可以帮助政府更智慧的工作和更快速的创新。公民和政府机构之间安全的数据共享可以增加信任度，同时为监管合规、合同管理、身份管理和公民服务提供不可篡改的审计跟踪。

查看政府区块链的实践应用

保险区块链的好处

保险公司正在使用区块链和智能合约来自动化手动和纸张密集型流程，例如承保和理赔结算，以提高速度和效率，并降低成本。区块链提供速度更快且可以验证的数据交换，有助于减少欺诈和滥用。

了解有关保险区块链的更多信息

区块链（Blockchain）简介（科普） - 知乎

区块链（Blockchain）简介（科普） - 知乎切换模式写文章登录/注册区块链（Blockchain）简介（科普）jack区块链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、利用密码学的技术保证数据传输和访问控制的安全、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范式。目前，区块链被很多大型机构称为彻底改变业务乃至机构运作模式的重大突破性技术。在金融、物联网、公益慈善、医疗健康、供应链等领域，越来越多的企业机构开始探索区块链在行业中的应用前景，规划基于区块链技术的数据流通路线图。区块链兴起与演变之路区块链技术起源于化名为“中本聪（Satoshi Nakamoto）的学者在 2008 年发表的奠基性论文《比特币：一种点对点电子现金系统》。文章提出，希望可以创建一套“基于密码学原理而非基于信用“的电子支付系统，任何人可以在不知道对方背景信息的情况下进行交易，且不需要第三方的介入。这篇文章催生了比特币，标志着人类社会的货币体系的全新实验。众所周知，比特币在没有任何中心化机构运营和管理的情况下，多年来运行非常稳定。其原因就在于比特币的发行方式都是由程序和加密算法预先设定后，在全世界的多个节点上运行，没有任何人和机构可以篡改，不受任何单一用户控制。后来，人们把这种基于密码学与分布式存储的底层技术抽象提取出来，称之为区块链技术。2013 年，19 岁的 Vitalik Buterin 发布了题为“以太坊白皮书：下一代智能合约与去中心化应用平台”的白皮书，提出基于通用的编程语言来创建各种各样的分布式应用，被称为“世界计算机”。2015 年，Linux 基金会发起 Hyperledger（“超级账本”）开源项目，众多金融机构及 IBM、英特尔等巨头加入合作。2016 年起，区块链技术开始从加密数字货币向更多应用场景扩展，引发了全球区块链应用浪潮。2016 年底，区块链技术首次被列入国务院《“十三五”国家信息化规划》，2017年工信部发布中国首个区块链标准《区块链参考架构》。区块链根据应用场景和设计不同，主要分为公有链、联盟链和私有链：（1）公有链：以比特币、以太坊和所有数字货币为代表，各个节点可以自由进入或退出区块链网络；（2）联盟链：各个节点通常代表实体组织机构或个人，通常需要经过授权后加入或退出网路。由于各机构间通常存在相关利益，因此需要各方共同参与和维护；（3）私有链：各个节点的准入和退出权限均由内部控制，通常是在特定机构内用于内部数据管理与审计。区块链主要优势特点现有的区块链技术主要包含以下四个特点：（1）去中心化：无需第三方介入，实现点对点的交易、协调和协作。在区块链系统中，没有任何一个机构或个人可以实现对全局数据的控制，而任一节点停止工作都不会影响系统整体运作，这种去中心化的网络将极大地提升数据安全性。（2）不可篡改性：区块链利用加密技术来验证与存储数据、利用分布式共识算法来新增和更新数据，区块链需要各节点参与验证交易和出块；修改任一数据需要变更所有后续记录，修改单节点数据难度极大。（3）公开透明与可溯源性：写入的区块内容将备份复制到各节点中，各节点都拥有最新的完整数据库拷贝且所有的记录信息都是公开的，任何人通过公开的接口都可查询区块数据。区块链中的每一笔交易通过链式存储固化到区块数据中，同时通过密码学算法对所有区块的所有交易记录进行叠加式 HASH 摘要处理，因此可追溯到任何一笔交易历史。（4）集体维护性：区块链去中心化的特征决定了它的集体维护性。传统中心化机构通常要身兼三职：数据存储者、数据管理者和数据分析者，区块链则以对等的方式由各参与方共同维护，各方权责明确，无需向第三方机构让渡权利，实现共同协作。区块链核心关键技术从技术角度来讲，区块链并不是一个全新的技术，而是集成了多种现有技术进行的组合式创新，涉及到以下几个方面：（1）共识机制：常用的共识机制主要有 PoW、PoS、DPoS、PBFT、PAXOS、DPOP等。由于区块链系统中没有一个中心，因此需要有一个预设的规则来指导各方节点在数据处理上达成一致，所有的数据交互都要按照严格的规则和共识进行；2）密码学技术：密码学技术是区块链的核心技术之一，目前的区块链应用中采用了很多现代密码学的经典算法，主要包括：哈希算法、对称加密、非对称加密、数字签名等。● HASH 摘要算法：HASH 算法的目的是针对不同输入，产生一个唯一的固定长度的输出。HASH 算法有 3 个特点：一是不同的输入数据产生的输出数据必定不同；二是输入数据的微小变动会导致输出的较大不同；三是给定已知输出数据，无法还原出原始的输入数据。常用的 SHA-256 算法就是针对任意长的数据数列输出 256 位数据，实际使用中 SHA256 用于对区块链的每个区块数据进行 HASH 摘要后防止篡改, 同时结合 Merkle Tree 数据结构实现部分区块数据的 HASH 值验证。● 对称加密算法：对称加密算法利用加密密钥对原始数据进行加密处理，然后将加密后的密文发送给接收者，接收者利用同一密钥及相同算法的逆算法对密文进行解密，才能使其恢复成原始数据。在对称加密算法中，使用的密钥只有一个，发收信双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密，这就要求解密方事先必须知道加密密钥。区块链技术中常用的对称加密算法有 AES。● 非对称加密算法：非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥（Public Key）和私有密钥（Private Key）。公开密钥与私有密钥是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。其实现机密信息交换的基本过程是：甲方生成一对密钥并将其中的一把作为公用密钥向其它方公开；得到该公用密钥的乙方使用该密钥对机密信息进行加密后再发送给甲方；甲方再用自己保存的另一把专用密钥对加密后的信息进行解密。● 数字签名算法：区块链技术中使用到的数字签名技术用于验证信息的完整性和真实性，基本流程如下：发送者将需要签名的原始数据进行 HASH 摘要，然后对摘要信息用私钥加密后与原始数据一起传送给接收者。接收者只有用发送者的公钥才能解密被加密的摘要信息，然后用同样 HASH 函数对收到的原文产生一个摘要信息，如果与解密的摘要信息对比相同则说明收到的信息是完整的，在传输过程中没有被修改，否则说明信息被修改过，因此数字签名能够验证信息的完整性。此外，信息发送者拥有私钥且不公开，因此只有发送者本人才能构造基于其私钥的签名信息，可以确保签名真实性。ECDSA 是区块链技术中常用的数字签名技术。（3）分布式存储：区块链是一种点对点网络上的分布账本，每个参与的节点都将独立完整地存储写入区块数据信息。分布式存储区别于传统中心化存储的优势主要体现在两个方面：一、每个节点上备份数据信息，避免了由于单点故障导致的数据丢失。二、每个节点上的数据都独立存储，有效规避了恶意篡改历史数据。（4）智能合约：智能合约允许在没有第三方的情况下进行可信交易，只要一方达成了协议预先设定的目标，合约将会自动执行交易，这些交易可追踪且不可逆转。具有透明可信、自动执行、强制履约的优点。区块链未来发展趋势面对区块链技术带来的机遇与挑战，全球各行各业都在进行积极布局，试图通过这一“组合式创新”技术改变原有的业务与管理模式，构建一个多方参与、安全信任的新型生态体系。区块链的未来发展趋势主要体现在以下几个方面：（1）产业渗透：虽然区块链的底层架构源于比特币，但作为一种通用技术，区块链正加速从数字货币向其他领域渗透，和各行各业创新融合。目前，金融服务、数字资产、慈善公益等行业纷纷投入到区块链应用的探索中，利用日志存证、信息追溯等特点，改变行业内原有的交易不公开透明等问题。相信在未来，区块链将在更多的领域发挥作用。诸如医疗健康等涉及到大规模数据交互的行业，必将通过区块链技术实现数据的可信交易，破除现有的利益壁垒，打造一个全新的数据行业内外安全共享生态体系；（2）多中心化：区块链的核心并不是“为了去中心化而抛弃中心化管理”，而是构建多方信任机制。在未来，随着跨链技术的不断发展，区块链的架构将演变为多方共同参与的可信任体系。即在多方信息不对称、背景不清晰的情况下，构建多方赖以信任与合作的新生态。未来在多中心化和去中心化之间，将会存在一个中间区域，而不同区块链系统根据特定场景需求，将呈现不同的非中心化程度。（3）技术融合：以云计算、大数据、物联网为代表的新一代信息技术正渗透进各行各业。未来区块链的发展必将以技术融合为切入点，共同解决单一技术的不足与难点，扩大应用场景，降低应用成本。以区块链与物联网结合为例，物联网是互联网在实体经济中的延伸，通过计算机技术实现物品与物品之间的信息交换与通信。区块链系统是典型的点对点网络，具有分布式异构特征，天然适合于在物联网中建立各主体的共识机制，制定交互规则，构建去中心化控制的交易网络。因此，如何通过区块链与其他技术的融合，实现产业创新，将成为区块链未来发展的重要课题。（4）标准规范：企业应用在未来将是区块链的主战场，联盟链将成为主流方向。与公有链不同，在企业级应用中，人们不仅关注通过软件和算法来构建信任基础，更重要的是如何从用户体验与业务需求出发，构建一套基于共识机制、权限管理、智能合约等多维度的生态规则。面对不断演进的区块链技术，同步考虑相应的技术标准和法律法规，增加区块链的可信程度，建立区块链的应用准则加强监管，防范风险。发布于 2020-07-25 13:53赞同 7添加评论分享喜欢收藏申请

什么是区块链技术？ - IBM Blockchain

什么是区块链技术？

区块链是一种不可篡改的共享账本，用于记录交易、跟踪资产和建立信任

区块链的优点

区块链成功从这里开始

IBM《区块链傻瓜书》现已发行第 3 版，已向超过 6.8 万名读者介绍了区块链。

内容：

区块链基础

区块链如何运作

区块链的实践应用：用例

由 Linux 基金会主导的 Hyperledger 项目

第一次区块链应用的十个步骤

区块链技术概述

区块链定义：区块链是一个共享的、不可篡改的账本，旨在促进业务网络中的交易记录和资产跟踪流程。资产可以是有形的（如房屋、汽车、现金、土地），也可以是无形的（如知识产权、专利、版权、品牌）。几乎任何有价值的东西都可以在区块链网络上跟踪和交易，从而降低各方面的风险和成本。

为什么区块链很重要：业务运营依靠信息。信息接收速度越快，内容越准确，越有利于业务运营。区块链是用于传递这些信息的理想之选，因为它可提供即时、共享和完全透明的信息，这些信息存储在不可篡改的账本上，只能由获得许可的网络成员访问。区块链网络可跟踪订单、付款、帐户、生产等信息。由于成员之间共享单一可信视图，因此，您可采取端到端方式查看交易的所有细节，从而增强信心，提高效率并获得更多的新机会。

区块链的关键元素

分布式账本技术

所有网络参与者都有权访问分布式账本及其不可篡改的交易记录。借助这个共享账本，交易只需记录一次，从而消除了传统业务网络中典型的重复工作。

不可篡改的记录

当交易被记录到共享账本之后，任何参与者都不能更改或篡改相关信息。如果交易记录中有错误，则必须添加新交易才能撤消错误，这两个交易随后都是可视的。

智能合约

为了加快交易速度，区块链上存储了一系列自动执行的规则，称为 "智能合约" 。智能合约可以定义企业债券转让的条件，包括有关要支付的旅行保险的条款等等。

区块链如何运作

每个交易发生时，都会被记录为一个数据“区块”

这些交易表明资产的流动情况，资产可以是有形的（如产品），也可以是无形的（如知识产权）。数据区块可以记录您选择的信息：人、事、时、地、数甚至条件（例如食品运输温度）。

每个区块都与其前后的区块连接

随着资产从一地移至另一地或所有权的变更，这些数据区块形成了数据链。数据区块可以确认交易的确切时间和顺序，通过将数据区块安全地链接在一起，可以防止任何数据区块被篡改或在两个现有数据区块之间插入其他数据区块。

交易以区块形式组合成不可逆的链：区块链

每添加一个数据区块都会增强对前一个区块的验证，从而也增强对整条区块链的验证。因此，篡改区块链很容易就会被发现，这也是不可篡改性的关键优势所在。这不但消除了恶意人员进行篡改的可能性，还建立了您和其他网络成员可以信任的交易账本。

区块链技术的优点

需要改变的方面：运营人员常常在保留重复记录和执行第三方验证等方面浪费精力。记录保存系统容易受到欺诈和网络攻击的威胁。有限的透明度会延缓数据验证速度。随着物联网的到来，交易量呈爆炸式激增。所有这些因素都会影响开展业务的速度并侵蚀利润，因此我们需要更好的方法。于是区块链闪亮登场。

更高的信任度

通过使用区块链技术，作为会员制网络中的一员，您可以确信自己收到准确、及时的数据，并且您的机密区块链记录只能与您特别授予访问权限的网络成员共享。

更高的安全性

所有的网络成员都需要就数据准确性达成共识，并且所有经过验证的交易都将永久记录在案，不可篡改。没有人可以删除交易，即便是系统管理员也不例外。

更高的效率

通过在网络成员之间共享分布式账本，可避免在记录对账方面浪费时间。为了加快交易速度，区块链上存储了一系列自动执行的规则，称为“智能合约”。

区块链基础知识五分钟简介

深入了解区块链技术的基础知识：数据块中如何包含代表任何有价值事物的数据，它们如何在不可篡改的数据链中按时间顺序连接在一起，以及区块链与比特币等加密货币之间有何差异。

了解区块链的分散性质如何使其有别于传统的记录保存，探索许可区块链在商业交易中的价值，以及区块链如何使信任和透明度达到新的水平。

食品行业只是通过区块链技术实现转型的行业之一。了解如何在保护网络参与者数据的前提下，追溯食品的种植、收获、运输和加工的时间、地点和方式。

区块链之所以能建立信任，是因为它代表了真实的共享记录。每个人都能相信的数据将有助于推动其他新技术的发展，从而能大幅提高效率、透明度和置信度。

区块链网络的类型

可采用多种方式建立区块链网络。它们可以是公有、私有、许可式区块链网络，或由联盟建立。

公有区块链网络

公有区块链是任何人都可以加入和参与的区块链，如比特币。缺点可能包括需要大量计算能力，交易的私密性极低或根本没有私密性可言，以及安全性较弱。而这些都是区块链的企业用例的重要考虑因素。

私有区块链网络

私有区块链网络与公有区块链网络相似，也是分散的点对点网络。但是，在私有区块链网络中，由一个组织负责管理网络，控制谁获准参与网络，并执行共识协议，维护共享账本。这有助于显著提高参与者之间的信任和信心，具体取决于用例。私有区块链可在企业防火墙后运行，甚至可在企业内部托管。

许可式区块链网络

建立私有区块链的企业通常也会建立许可式区块链网络。需要注意的是，公有区块链网络也可以成为许可式网络。这种模式对获准参与网络和执行特定交易的人员施加限制。参与者需要获得邀请或许可才能加入。

联盟区块链

多个组织可以分担维护区块链的责任。这些预先挑选的组织决定谁可以提交交易或访问数据。如果所有参与者都必须获得许可才能参与，并且对区块链共担责任，那么对于企业而言，联盟区块链是理想之选。

区块链安全性

区块链网络的风险管理系统

在构建企业区块链应用时，必须制定全面的安全战略，通过使用网络安全框架、保证服务以及最佳实践，缓解攻击和欺诈带来的风险。

了解有关区块链安全性的更多信息

区块链用例和应用

IBM Food Trust 通过从海洋一直到超市和餐馆全程跟踪捕捞的每一批海鲜，帮助 Raw Seafoods 增强整个食品供应链的信任度。

INBLOCK 发行了基于 Hyperledger Fabric 的 Metacoin 加密货币，旨在更迅速、更方便、更安全地开展数字资产交易。

利用区块链技术，实现变革性的医疗成果

IBM Blockchain Platform 帮助生态系统改变确保信任、数据来源和效率的方式，从而改善患者治疗和组织盈利能力。

阅读：实现变革性的医疗成果 (PDF, 188 KB)

了解 Golden State Foods 如何利用区块链的不可篡改性，跟踪供应链中的货物，帮助保障食品质量。

Vertrax 和 Chateau Software 推出了第一个基于 IBM Blockchain Platform 的多云区块链解决方案，旨在帮助防止大宗石油和天然气分销的供应链中断。

Home Depot 采用 IBM Blockchain 技术，获取有关发货和收货的共享可信信息，从而减少供应商争议并加速解决争议。

行业区块链

行业领军企业使用 IBM Blockchain 消除摩擦，建立信任，实现新的价值。选择细分行业以了解详细信息。

供应链

医疗保健

政府

零售

媒体和广告

石油和天然气

电信

制造

保险

金融服务

旅游和交通运输 (PDF, 340 KB)

区块链常见问题解答

区块链和比特币有何区别？

比特币是一种不受监管的数字货币。比特币使用区块链技术作为其交易账本。

这段视频说明了两者之间的差异。

IBM Blockchain Platform 与 Hyperledger 有何关系？

IBM Blockchain Platform 由 Hyperledger 技术提供支持。

这种区块链解决方案可以帮助任何开发人员顺利转变为区块链开发人员。

请访问 Hyperledger 网站以了解详细信息。

了解有关 Hyperledger 的更多信息

我可以在自己期望的任何云上进行部署吗？

IBM Blockchain Platform 软件经过优化处理，可以部署在 Red Hat 最先进的企业级 Kubernetes 平台 Red Hat® OpenShift® 之上。

这意味着您可以更灵活地选择在何处部署区块链网络组件，无论是本地、公有云还是混合云架构。

信息图：在自己选择的云环境中进行部署

我需要更多详细信息。可从哪里获得？

如需更详细地了解区块链网络的运作方式以及使用方法，请阅读《分布式账本简介》(Introduction to Distributed Ledgers)。

学习 IBM Developer 上的区块链教程，了解更多信息

探索 IBM Blockchain Platform 的功能，这是唯一完全集成的企业级区块链平台，旨在帮助您加速多机构业务网络的开发、治理和运营。

立即注册，下载 IBM Blockchain Platform 白皮书 (PDF, 616 KB)

获取有关 Hyperledger Fabric 的详细信息，了解其独到之处、为何对业务网络至关重要以及如何开始使用。

访问 IBM Developer 上的 Hyperledger 页面

这份开发人员快速入门指南解释了如何使用 IBM Blockchain Platform Starter Plan 构建入门级区块链网络并开始编写代码。

查看开发人员快速入门指南

区块链解决方案

IBM Blockchain 解决方案

IBM Blockchain Platform 属于领先的 Hyperledger Fabric 平台。区块链创新者可充分利用这一平台，通过 Red Hat® OpenShift® 在任何计算环境中构建、运营、管理和发展区块链解决方案。

了解有关 IBM Blockchain Platform 的信息

区块链咨询

作为顶级区块链服务提供商，IBM Blockchain Services 拥有丰富的专业知识，可帮助您基于最佳技术构建强大的解决方案。超过 1,600 名区块链专家使用来自 100 多个实时网络的洞察，帮助您构建和发展。

了解有关区块链咨询的信息

所有 IBM Blockchain 解决方案

采用 IBM Blockchain 解决方案是区块链取得成功的最佳捷径。 IBM 融合了各种网络，使您能够轻松让其他成员加入，共同推动食品供应、供应链、贸易融资、金融服务、保险以及媒体和广告等领域的转型。

查看我们快速发展的区块链解决方案

区块链技术资源

通过艺术诠释区块链技术

我们请来五位对区块链技术知之甚少的艺术家，创作有关区块链主要优点的艺术作品。查看他们的作品，然后在我们最新网络研讨会系列 Blockparty 中，从 IBM 客户和业务合作伙伴那里了解更多信息。

区块链技术博客

网络上有关区块链技术的内容并不缺乏。但对于 100 多万的读者来说，IBM Blockchain Pulse 博客是区块链思想领导力和洞察分析最值得信赖的来源之一。

区块链技术播客

戴上耳机，通过聆听区块链创新者的知识来充实自我。了解区块链技术如何帮助个人重新获得对身份的控制权限、消除全球贫困和减少污染等难题。

区块链技术用例

通过了解创新者如何使用区块链技术 IBM Blockchain Platform 变革业务来获得启发。您可以加入现有的区块链网络，也可以与我们合作创建您自己的区块链网络。

客户成功案例

了解我们的客户如何运用 IBM Blockchain 区块链技术，对组织进行革新，从而获得切实可行的业务成果。

区块链技术后续步骤

浏览我们的参考指南，更深入地了解区块链的各个方面，包括运作方式、使用方法以及实施注意事项。

区块链技术主题

区块链技术的优点

智能合约

面向企业的区块链

区块链安全性

社会公益区块链

区块链和物联网

Hyperledger

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不同行业如何使用区块链？

区块链技术具有哪些功能？

区块链技术包含哪些关键组件？

区块链的工作原理是什么？

区块链网络有哪些类型？

什么是区块链协议？

区块链技术是如何发展的？

区块链技术有哪些好处？

比特币与区块链之间有什么区别？

数据库与区块链之间有什么区别？

区块链与云有什么区别？

什么是区块链即服务？

什么是 AWS 区块链服务？

什么是区块链技术？

区块链技术是一种高级数据库机制，允许在企业网络中透明地共享信息。区块链数据库将数据存储在区块中，而数据库则一起链接到一个链条中。数据在时间上是一致的，因为在没有网络共识的情况下，您不能删除或修改链条。因此，您可以使用区块链技术创建不可改变的分类账，以便跟踪订单、付款、账户和其他交易。系统内置的机制可以阻止未经授权的交易条目并在这些交易的共享视图中创建一致性。

为什么区块链很重要？

传统数据库技术为记录金融交易带来了很多难题。例如，在房地产销售领域。在交换资金后，房地产的所有权将转移给买方。买卖双方中的任何一方均可记录货币交易，但任何一方的来源均不可信。即便卖方已收款，也可轻松声称他们未收款；同样，即便买方未付款，也可辩称他们已付款。

为了避免潜在的法律问题，需要一个可信的第三方负责监督和验证交易。这种中央机构的存在，不仅会使交易复杂化，还会造成单点漏洞。如果该中央数据口遭到入侵，双方都有可能蒙受损失。

区块链通过创建去中心化的防篡改系统来记录交易，可以缓解此类问题。在房地产交易场景中，区块链可分别为买方和卖方创建一个分类账。所有交易都必须获得双方批准，并将在双方的分类账中实时更新。历史交易中的任何损坏都会导致整个分类账损坏。区块链技术的这些属性以使其用于各个行业部类，包括比特币 (Bitcoin) 等数字货币的创造。

不同行业如何使用区块链？

区块链是一种新兴技术，很多行业都以创新方式采用了此技术。我们将在以下小节中介绍不同行业中的一些使用案例：

能源

多家能源公司使用区块链技术创建点对点能源交易平台，并简化可再生能源的获得。例如，考虑以下用途：

多家基于区块链的能源公司创建了交易平台，用于个人之间的电力销售。拥有太阳能电池板的业主使用此平台将其多余的太阳能销售给邻居。该流程大部分是自动化的：智能电表创建交易，区块链则记录交易。

借助基于区块链的众筹计划，用户可在缺乏能源获得途径的社区内赞助和拥有太阳能电池板。在太阳能电池板建好后，赞助商还可以向这些社区收取租金。

金融

传统金融系统（如银行和证券交易所）使用区块链服务来管理在线支付、账户和市场交易。例如，新加坡交易所（Singapore Exchange Limited）是一家在整个亚洲提供金融交易服务的投资控股公司，该公司使用区块链技术构建了更高效的跨行支付账户。通过采用区块链，该公司解决了多个难题，包括数千项金融交易的批处理和手动对账。

媒体和娱乐

多家媒体和娱乐公司使用区块链系统来管理版权数据。版权验证对于艺术家的公平补偿至关重要。需要多次交易才能记录版权内容的销售或转让。日本索尼音乐娱乐公司（Sony Music Entertainment Japan）使用区块链服务使数字版权管理更加高效。该公司成功使用区块链策略提高了版权处理效率并降低了成本。

零售

多家零售公司使用区块链跟踪商品在供应商与买家之间的转移。例如，Amazon 零售为一套分布式分类账技术系统申请了专利，该系统使用区块链技术来验证并确保在该平台上销售的所有商品均为正品。Amazon 卖家可以通过允许参与者（如制造商、快递公司、分销商、最终用户和二级用户）向证书颁发机构注册后将事件添加到分类账，映射其全球供应链。

区块链技术具有哪些功能？

区块链技术具有以下主要功能：

去中心化

区块链中的去中心化是指将控制权和决策权从中心化实体（个人、组织或团体）转让给分布式网络。去中心化区块链网络使用透明度来减少对参与者之间取得信任的需要。这些网络还以削弱网络功能性的方式，阻止参与者彼此施加权力或控制。

不可变性

不可变性是指某些内容不能更改或改变。一旦某个参与者将交易记录到共享分类账中，则任何参与者均不能篡改该交易。如果某个交易记录包含错误，则您必须添加新交易以修正错误，并且整个网络均可看见这两个交易。

共识

区块链系统将建立关于参与者就记录交易达成共识的规则。仅当网络中的大部分参与者都同意时，才能记录新交易。

区块链技术包含哪些关键组件？

区块链架构包含以下主要组件：

分布式分类账

分布式分类账是区块链网络中用于存储交易的共享数据库，如团队中的每个人均可编辑的共享文件。在大多数共享文本编辑者中，任何拥有编辑权限的人员均可删除整个文件。但分布式分类账技术对于谁能编辑以及如何编辑具有严格规则。一旦条目已被记录，您就无法删除它们。

智能合约

很多公司使用智能合约来自行管理业务合约，而不需要第三方的帮助。智能合约是存储在区块链系统上的程序，这些程序将在符合预先确定的条件时自动运行。这些程序将运行条件语句检查，以便能够放心地完成交易。例如，某家物流公司可能拥有一份智能合约，约定一旦商品抵达港口将自动进行付款。

公钥加密

公钥加密是一种安全功能，用于唯一标识区块链网络中的参与者。此机制将为网络成员生成两组密钥。一组密钥是公钥，对于网络中的每个人都是公用的。另一组密钥是私钥，对于每个成员都是唯一的。私钥与公钥配合使用，解锁分类账中的数据。

例如，John 和 Jill 是网络中的两个成员。John 记录了一项交易，并用其私钥进行了加密。Jill 可以使用其公钥解密该交易。通过这种方式，Jill 可以确信 John 进行了该交易。如果 John 的私钥已被篡改，则 Jill 的公钥不会发挥作用。

区块链的工作原理是什么？

虽然区块链的底层机制非常复杂，我们将通过以下步骤提供简要概述。区块链软件可以自动执行以下大部分步骤：

第 1 步 – 记录交易

区块链交易显示实体资产或数字资产从区块链网络中的一方向另一方的转移。该交易以区块的形式记录，可能包括如下细节：

谁参与了该交易？

交易期间发生了什么情况？

交易是在何时进行的？

交易是在哪里进行的？

为什么进行该交易？

交换了多少资产？

交易期间符合多少前提条件？

第 2 步 – 达成共识

分布式区块链网络中的大多数参与者必须就已记录的交易是有效的达成一致。根据网络类型，达成协议的规则可能有所不同，但通常是在网络开始建立时就制定好的。

第 3 步 – 将区块链接起来

一旦参与者达成了共识，会将区块链中的交易写入区块，区块就相当于分类账账簿中的页面。连同交易一起，还会将一个加密哈希附加到新区块。该哈希作为将区块链接在一起的链条。如果有意或无意修改了区块的内容，则该哈希值也将更改，这将提供一种检测数据篡改的方式。

因此，区块将与链条安全地链接在一起，且您无法编辑它们。每增加一个区块，都会强化前一个区块的验证，因而也会强化整个区块链的验证。这就像是堆砌木块建塔一样。您只能在前一层木块之上堆叠木块，如果您从塔的中间取出一个木块，则整座塔将垮塌。

第 4 步 – 共享分类账

该系统会将中心分类账的最新副本分发给所有参与者。

区块链网络有哪些类型？

有四种主要类型的去中心化或分布式区块链网络：

公有区块链网络

公有区块链无需权限，任何人均可加入它们。此类区块链的所有成员享有读取、编辑和验证区块链的平等权限。人们主要将公有区块链用于交换和挖掘加密货币，如比特币、以太坊 (Ethereum) 和莱特币 (Litecoin)。

私有区块链网络

一个组织可以控制多个私有区块链，又称为托管式区块链。该机构决定谁能成为成员，以及他们在该网络中拥有哪些权限。私有区块链只是部分去中心化，因为它们具有访问限制。Ripple 就是一个私有区块链的示例，它是一个面向企业的数字货币交换网络。

混合区块链网络

混合区块链结合了私有网络和公有网络的元素。公司可随公有系统一起建立私有、基于权限的系统。通过这种方法，公司可以控制对区块链中存储的特定数据的访问，同时保持其余数据处于公开状态。公司使用智能合约允许公有成员检查私有交易是否已经完成。例如，混合区块链可以授予对数字货币的公有访问权限，同时保持银行拥有的货币处于私有状态。

联盟区块链网络

联盟区块链网络由一组组织负责监管。多家预先选择的组织共同承担维护区块链及确定数据访问权限的职责。对于其中很多组织拥有共同目标并可通过共担责任而获益的行业，通常更喜欢联盟区块链网络。例如，全球航运业务网络联盟 (Global Shipping Business Network Consortium) 是一个非营利性区块链联盟，该联盟致力于实现航运业数字化，以及加强海运业运营商之间的合作。

什么是区块链协议？

术语区块链协议一词是指可用于应用程序开发的不同类型的区块链平台。每种区块链协议都采用基本区块链原则来适应特定行业或应用需求。以下小节提供了一些区块链协议的示例：

Hyperledger Fabric

Hyperledger Fabric 是一个开源项目，包含一套工具和库。企业可以使用它来迅速有效地构建私有区块链应用程序。它是一种模块化通用框架，提供独特的身份管理和访问控制功能。这些功能使其非常适合各种应用，如供应链的跟踪和追踪、贸易金融、忠诚度和奖励，以及金融资产的清算结算。

以太坊

以太坊是一种去中心化开源区块链平台，人们可以将其用于构建公有区块链应用程序。企业以太坊 (Ethereum Enterprise) 专为企业使用案例而设计。

Corda

Corda 是一种专为企业而设计的开源区块链项目。借助 Corda，您可以构建可互操作的区块链网络，用于在严格保密的情况下进行交易。企业可以使用 Corda 的智能合约技术直接进行有价值的交易。其大部分用户是金融机构。

Quorum

Quorum 是一种源自以太坊的开源区块链协议。该协议专为在两种区块链网络中使用而设计：私有区块链网络，其中只有一个成员拥有所有节点；或者联盟区块链网络，其中包含多个成员，每个成员拥有该网络的一部分。

区块链技术是如何发展的？

区块链技术起源于 1970 年代末，当时一位名为 Ralph Merkle 的计算机科学家申请了哈希树（又名 Merkle 树）的专利。这些树是一种计算机科学结构，通过使用加密将区块链接起来，用于存储数据。在 1990 年代末，Stuart Haber 和 W. Scott Stornetta 使用 Merkle 树实现了无法篡改文档时间戳的系统。这是区块链历史上的首个实例。

该技术一直在不断发展，已经经过以下三代：

第一代 – 比特币和其他虚拟货币

2008 年，一个仅知道名字为中本聪 (Satoshi Nakamoto) 的匿名个人或团体，概述了区块链技术的现代形态。中本聪的比特币区块链理念将 1 MB 信息区块用于比特币交易。比特币区块链系统的很多功能，即便是今天也仍处于区块链技术的中心地位。

第二代 – 智能合约

在第一代加密货币出现后的几年，开发人员开始考虑加密货币以外的区块链应用。例如，以太坊的发明者们决定在资产转让交易中使用区块链技术。他们的重要贡献就是智能合约功能。

第三代 – 未来

随着众多公司发现和实现新应用，区块链技术也在不断发展和成长。很多公司正在解决规模和计算能力的限制，在正在进行的区块链革命中，潜在机会是无限的。

区块链技术有哪些好处？

区块链技术可为资产交易管理带来很多好处。我们将在以下小节中列出其中部分好处：

高级安全功能

区块链系统可以提供现代数字交易所需的高级安全和信任功能。对于有人会操纵底层软件为自己生成假币的恐惧始终存在。但区块链使用加密、去中心化和共识三项原则，创建了高度安全、几乎不可能篡改的底层软件系统。不会有单点故障，并且单个用户也无法更改交易记录。

更高的效率

企业间交易可能需要大量时间，还会造成运营瓶颈，尤其是在涉及合规和第三方监管机构时。区块链中的透明度和智能合约可使此类业务交易更快捷、更高效。

更快捷的审计

企业必须能以可审计的方式，安全地生成、交换、归档和重建电子交易。区块链记录按时间顺序不可变，这意味着所有记录均始终按时间顺序排列。这样的数据透明使得审计过程更加快捷。

比特币与区块链之间有什么区别？

比特币与区块链可以互换使用，但它们是两种不同的事物。由于比特币是区块链技术的早期应用，人们无意间开始使用比特币来指代区块链，因而造成了这种误用。但除比特币外，区块链技术还有很多应用。

比特币是一种在没有任何中心化控制的情况下运营的数字货币。最初创建比特币的目的在于在线进行金融交易，但现在已被视为可转换为任何其他全球货币（如美元或欧元）的数字资产。公有比特币区块链网络将创建和管理中心分类账。

比特币网络

公有分类账记录所有比特币交易，而世界各地的众多服务器则保存此分类账的副本。这些服务器就像银行。只是每个银行仅了解其客户兑换的资金，而比特币服务器则了解世界上的每一笔比特币交易。

任何拥有闲置计算机的人员均可搭建一台此类服务器，称为节点。这就像是开设您自己的比特币银行，而不是银行账户。

比特币挖矿

在公有比特币网络上，成员通过求解加密方程来创建新区块，以挖掘加密货币。该系统将向该网络公开广播每一笔新交易，并在各节点间共享这一信息。每十分钟左右，挖矿者会将这些交易收集到一个新区块中，再将这些新区块永久添加到区块链中，该区块链就像比特币的最终账簿。

由于软件进程的复杂性，因此挖矿需要大量计算资源，并且需要很长时间。作为交换，挖矿者可以赚取少量加密货币。挖矿者相当于记录交易并收取交易费用的现代职员。

该网络上的所有参与者都将使用区块链加密技术，就谁拥有哪些比特币达成共识。

数据库与区块链之间有什么区别？

区块链是一种特殊类型的数据库管理系统，拥有比常规数据库更多的功能。我们将在下面的列表中介绍传统数据库与区块链之间的一些重要区别：

区块链去中心化控制，而不会破坏现有数据中的信任。这在其他数据库系统中是不可能实现的。

参与交易的公司无法共享其整个数据库。但在区块链网络中，每家公司都拥有其分类账副本，并且该系统将自动维护两份分类账之间的一致性。

虽然在大多数数据库系统中，您都可以编辑或删除数据，但在区块链中，您只能插入数据。

区块链与云有什么区别？

术语云一词是指可以在线访问的计算服务。您可以通过云访问软件即服务 (SaaS)、产品即服务 (PaaS) 和基础设施即服务 (IaaS)。云提供商负责管理其硬件和基础设施，并为您提供通过互联网访问这些计算资源的权限。他们还会提供更多其他资源，而不只是数据库管理。如果您想加入公有区块链网络，则需提供您的硬件资源，用于存储您的分类账副本。您也可以将云上的服务器用于此目的。有些云提供商也在云上提供完整的区块链即服务 (BaaS)。

什么是区块链即服务？

区块链即服务 (BaaS) 是第三方在云上提供的一种托管式区块链服务。您可以开发区块链应用程序和数字服务，而云提供商则提供基础设施和区块链构建工具。您要做的就是自定义现有区块链技术，以便更快捷、更高效地采用区块链。

什么是 AWS 区块链服务？

AWS 区块链服务提供多种专门构建的工具，以满足您的要求。您可以使用这些服务构建从中心化分类账数据库（维护不可变的交易记录）到多方、完全托管式区块链网络（帮助消除中介机构）的一切。AWS 拥有众多来自合作伙伴的经过验证的区块链解决方案，可为所有主要区块链协议提供支持，包括 Hyperledger、Corda、以太坊、Quorum 等。因此，您可以借助 AWS 更轻松、更快捷、更高效地开发区块链和分类账应用程序。部分有用的 AWS 区块链服务如下：

Amazon Quantum Ledger Database（QLDB）是一种完全托管式分类账数据库，提供了一个透明、不可变、可以加密方式验证的交易日志。它包含一个内置日志，用于存储每个准确且已排序的数据更改条目。该日志为仅追加型，这意味着用户可以向该日志添加数据，但不能覆盖或删除数据。

Amazon Managed Blockchain 是一种完全托管式服务，让您可以使用 Hyperledger Fabric 和以太坊轻松加入公有网络或创建和管理可扩展的私有网络。立即创建 AWS 账户开始使用区块链。

“什么是 Amazon Managed Blockchain？”视频

什么是 AWS 上的区块链？

如何理解区块链技术的本质的？它和传统技术相比又有什么样的优势？ - 知乎

如何理解区块链技术的本质的？它和传统技术相比又有什么样的优势？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册互联网信息技术（IT）互联网金融比特币 (Bitcoin)区块链(Blockchain)如何理解区块链技术的本质的？它和传统技术相比又有什么样的优势？目前关于区块链技术的解析有很多，如何理解区块链技术的本质的？它和传统技术相比又有什么样的优势？关注者94被浏览19,964关注问题写回答邀请回答好问题添加评论分享14 个回答默认排序徐明星OKCoin&OKLink创始人兼CEO 关注把区块链叫做一种技术其实是不合适的，将其理解为一种设计思想可能更好一些。它需要叠加很多种技术，比如当年的迅雷下载，把各种下载技术进行了叠加，然后利用P2P技术下载等这些技术。区块链的本质是一个分布式总账本。比如银行的体系也是账本，有一整套的信息系统来存储存取、贷款、汇兑等各种交易信息。区块链有几个关键词：1、分布式：账本并不是仅仅存放在一个地方，而是存放在很多地方。2、总账本：能通过网络确定你不一定是一个机器存储的总账本，但是至少可以从这个网络里获取这个总账本。3、去中心化：“分布式”并不是一般的分布式，而是去中心化的分布式。没有人可以控制和篡改它，它的记帐规则是按照一些设计的数学方法所有权利来记账的。怎样检验，怎样使用，都是按照一个公开的方法来完成的，所以本质上就是个账本。那么会有人说一个账本有什么了不起的？谁都有账本，公司也有账本，很多人也都有账本。比如我们国家的中央银行下面有各个商业银行。但是由于国家权利有所划分，人民银行其实是不知道每个商业银行有哪些客户的，商业银行之间也是不知道的，所以它们可以称为分散的账本。所以直到今天，比如说各种反洗钱是不好追查的、支付宝跟财富通的支付壁垒，支付宝跟微信的支付壁垒等。开放的分布式总账本的好处，一方面是保护隐私，比如现在使用密码学的方法；第二个方面针对双方需要看到对方的账目的需求，可以在不泄漏隐私的情况下实现相互信任。所以用分布式的总账本本质上是提升社会经济活动当中的信任度，来降低这种成本，这不是一件简单的事情。当前整个全世界的金融体系，都是因为不相信才有的。为什么要有审计呢？是因为怕你做假账。为什么要有投资银行呢？是因为资产跟资金之间互相不相信，恐怕信息不对称。为什么有人专门管证券、有三方存管、有券商，为什么要有这些分工呢？因为都是互相不信任，需要引入一些环节来解决这里面的问题。所以说区块链技术分布式总账本的本质是能够解决经济活动中环节之间的不信任问题。比如说上交所是以国家信用为主的，没有人会怀疑上交所造假，那么区块链可能在那边用途并不大。包括国内的银行，都是以国家信用为主。然而西方银行就不一样了，美国银行是会倒闭的，比如雷曼兄弟，因此哪家银行有区块链技术，客户可能就更愿意去使用它。所以说，区块链本身是解决经济活动中的信任问题，如果不存在信任问题的地方，它就不需要区块链来解决。编辑于 2016-05-12 12:11赞同 305 条评论分享收藏喜欢收起maxdeath信息论博士，区块链博士后关注区块链的本质是一种“能够将信任从某个【可信第三方】向【诚实大多数】转移的方法”。和传统技术相比，也就是和使用【可信第三方】的方式相比，有如下优势：1，【可信第三方】很贵——要可信第三方提供担保是很贵的，如果你做企业也许会有感觉，而个人可能没有概念。比如，你去淘宝淘到了便宜的东西，你并不觉得其中有多少钱贡献给了马云爸爸。然而，无论是淘宝还是支付宝，其实提供的也就是个可信第三方的作用。理论上来讲，这些用区块链都能代替。2，找不到【可信第三方】——并不是所有的时候都能找到【可信第三方】，腾讯和苹果要是想在打赏上分成，这个时候苹果和腾讯互相都不信对方会不会黑钱，他们找谁做第三方？谁有资格做他们的第三方？3，找【可信第三方】太麻烦了——其实，生活中有很多很多由于信任问题无法解决，却又找不到【可信第三方】的事情，而通常情况下，这种事情就被我们因为嫌麻烦而忽略了。简单说，你买了个耳机不想要了，想卖，楼里论坛上贴广告贴了一个月了也没人买，这个时候，你想的不是去淘宝开个店而是想算了不折腾了。而这些，如果有朝一日区块链取代了【可信第三方】，一个智能合约就能帮你搞定。以上，其实都是区块链应用可以借鉴的思路。发布于 2017-05-23 22:31赞同 83 条评论分享收藏喜欢

区块链技术研究综述：原理、进展与应用

主管单位：中国科学技术协会

主办单位：中国通信学会

ISSN 1000-436X CN 11-2102/TN

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通信学报, 2020, 41(1): 134-151 doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2020027

综述

区块链技术研究综述：原理、进展与应用

曾诗钦1, 霍如2,3, 黄韬1,3, 刘江1,3, 汪硕1,3, 冯伟4

1 北京邮电大学网络与交换国家重点实验室，北京 100876

2 北京工业大学北京未来网络科技高精尖创新中心，北京 100124

3 网络通信与安全紫金山实验室，江苏南京 211111

4 工业和信息化部信息化和软件服务业司，北京 100846

Survey of blockchain:principle,progress and application

ZENG Shiqin1, HUO Ru2,3, HUANG Tao1,3, LIU Jiang1,3, WANG Shuo1,3, FENG Wei4

1 State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China

2 Beijing Advanced Innovation Center for Future Internet Technology,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China

3 Purple Mountain Laboratories,Nanjing 211111,China

4 Department of Information Technology Application and Software Services,Beijing 100846,China

通讯作者: 霍如，huoru@bjut.edu.cn

修回日期: 2019-12-12

网络出版日期: 2020-01-25

基金资助:

国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目. 2015AA015702未来网络操作系统发展战略研究基金资助项目. 2019-XY-5

Revised: 2019-12-12

Online: 2020-01-25

Fund supported:

The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program). 2015AA015702The Development Strategy Research of Future Network Operating System. 2019-XY-5

作者简介 About authors

曾诗钦（1995-），男，广西南宁人，北京邮电大学博士生，主要研究方向为区块链、标识解析技术、工业互联网

。

霍如（1988-），女，黑龙江哈尔滨人，博士，北京工业大学讲师，主要研究方向为计算机网络、信息中心网络、网络缓存策略与算法、工业互联网、标识解析技术等。

。

黄韬（1980-），男，重庆人，博士，北京邮电大学教授，主要研究方向为未来网络体系架构、软件定义网络、网络虚拟化等。

。

刘江（1983-），男，河南郑州人，博士，北京邮电大学教授，主要研究方向为未来网络体系架构、软件定义网络、网络虚拟化、信息中心网络等。

。

汪硕（1991-），男，河南灵宝人，博士，北京邮电大学在站博士后，主要研究方向为数据中心网络、软件定义网络、网络流量调度等。

。

冯伟（1980-），男，河北邯郸人，博士，工业和信息化部副研究员，主要研究方向为工业互联网平台、数字孪生、信息化和工业化融合发展关键技术等

。

摘要

区块链是一种分布式账本技术，依靠智能合约等逻辑控制功能演变为完整的存储系统。其分类方式、服务模式和应用需求的变化导致核心技术形态的多样性发展。为了完整地认知区块链生态系统，设计了一个层次化的区块链技术体系结构，进一步深入剖析区块链每层结构的基本原理、技术关联以及研究进展，系统归纳典型区块链项目的技术选型和特点，最后给出智慧城市、工业互联网等区块链前沿应用方向，提出区块链技术挑战与研究展望。

关键词：

区块链

;

加密货币

;

去中心化

;

层次化技术体系结构

;

技术多样性

;

工业区块链

Abstract

Blockchain is a kind of distributed ledger technology that upgrades to a complete storage system by adding logic control functions such as intelligent contracts.With the changes of its classification,service mode and application requirements,the core technology forms of Blockchain show diversified development.In order to understand the Blockchain ecosystem thoroughly,a hierarchical technology architecture of Blockchain was proposed.Furthermore,each layer of blockchain was analyzed from the perspectives of basic principle,related technologies and research progress in-depth.Moreover,the technology selections and characteristics of typical Blockchain projects were summarized systematically.Finally,some application directions of blockchain frontiers,technology challenges and research prospects including Smart Cities and Industrial Internet were given.

Keywords：

blockchain

;

cryptocurrency

;

decentralization

;

hierarchical technology architecture

;

technology diversity

;

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本文引用格式

曾诗钦, 霍如, 黄韬, 刘江, 汪硕, 冯伟. 区块链技术研究综述：原理、进展与应用. 通信学报[J], 2020, 41(1): 134-151 doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020027

ZENG Shiqin. Survey of blockchain:principle,progress and application. Journal on Communications[J], 2020, 41(1): 134-151 doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020027

1 引言

2008年，中本聪提出了去中心化加密货币——比特币（bitcoin）的设计构想。2009年，比特币系统开始运行，标志着比特币的正式诞生。2010—2015 年，比特币逐渐进入大众视野。2016—2018年，随着各国陆续对比特币进行公开表态以及世界主流经济的不确定性增强，比特币的受关注程度激增，需求量迅速扩大。事实上，比特币是区块链技术最成功的应用场景之一。伴随着以太坊（ethereum）等开源区块链平台的诞生以及大量去中心化应用（DApp,decentralized application）的落地，区块链技术在更多的行业中得到了应用。

由于具备过程可信和去中心化两大特点，区块链能够在多利益主体参与的场景下以低成本的方式构建信任基础，旨在重塑社会信用体系。近两年来区块链发展迅速，人们开始尝试将其应用于金融、教育、医疗、物流等领域。但是，资源浪费、运行低效等问题制约着区块链的发展，这些因素造成区块链分类方式、服务模式和应用需求发生快速变化，进一步导致核心技术朝多样化方向发展，因此有必要采取通用的结构分析区块链项目的技术路线和特点，以梳理和明确区块链的研究方向。

区块链涵盖多种技术，相关概念易混淆，且应用场景繁多，为此，已有相关综述主要从技术体系结构、技术挑战和应用场景等角度来梳理区块链的最新进展、技术差异和联系，总结技术形态和应用价值。袁勇等[1]给出了区块链基本模型，以比特币为例将非许可链分为数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层；邵奇峰等[2]结合开源项目细节，对比了多种企业级区块链（许可链）的技术特点；Yang等[3]总结了基于区块链的网络服务架构的特点、挑战和发展趋势；韩璇等[4]系统性归纳了区块链安全问题的研究现状；Ali等[5]总结了区块链在物联网方面的应用研究进展、趋势。上述文献虽然归纳得较为完整，但是都没有从许可链与非许可链共性技术的角度进行通用的层次结构分析，没有体现出区块链技术与组网路由、数据结构、同步机制等已有技术的关联性，且缺少对区块链项目的差异分析。本文则对有关概念进行区分，探讨了通用的层次化技术结构及其与已有技术的关联性，并针对该结构横向分析相关学术研究进展；根据分层结构对比部分区块链项目的技术选型；最后以智慧城市场景、边缘计算和人工智能技术为代表介绍区块链应用研究现状，给出区块链技术挑战与研究展望。

2 相关概念

随着区块链技术的深入研究，不断衍生出了很多相关的术语，例如“中心化”“去中心化”“公链”“联盟链”等。为了全面地了解区块链技术，并对区块链技术涉及的关键术语有系统的认知，本节将给出区块链及其相关概念的定义，以及它们的联系，更好地区分易使人混淆的术语。

2.1 中心化与去中心化

中心化（centralization）与去中心化（decentralization）最早用来描述社会治理权力的分布特征。从区块链应用角度出发，中心化是指以单个组织为枢纽构建信任关系的场景特点。例如，电子支付场景下用户必须通过银行的信息系统完成身份验证、信用审查和交易追溯等；电子商务场景下对端身份的验证必须依靠权威机构下发的数字证书完成。相反，去中心化是指不依靠单一组织进行信任构建的场景特点，该场景下每个组织的重要性基本相同。

2.2 加密货币

加密货币（cryptocurrency）是一类数字货币（digital currency）技术，它利用多种密码学方法处理货币数据，保证用户的匿名性、价值的有效性；利用可信设施发放和核对货币数据，保证货币数量的可控性、资产记录的可审核性，从而使货币数据成为具备流通属性的价值交换媒介，同时保护使用者的隐私。

加密货币的概念起源于一种基于盲签名（blind signature）的匿名交易技术[6]，最早的加密货币交易模型“electronic cash”[7]如图1所示。

图1

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图1

“electronic cash”交易模型

交易开始前，付款者使用银行账户兑换加密货币，然后将货币数据发送给领款者，领款者向银行发起核对请求，若该数据为银行签发的合法货币数据，那么银行将向领款者账户记入等额数值。通过盲签名技术，银行完成对货币数据的认证，而无法获得发放货币与接收货币之间的关联，从而保证了价值的有效性、用户的匿名性；银行天然具有发放币种、账户记录的能力，因此保证了货币数量的可控性与资产记录的可审核性。

最早的加密货币构想将银行作为构建信任的基础，呈现中心化特点。此后，加密货币朝着去中心化方向发展，并试图用工作量证明（PoW,poof of work）[8]或其改进方法定义价值。比特币在此基础上，采用新型分布式账本技术保证被所有节点维护的数据不可篡改，从而成功构建信任基础，成为真正意义上的去中心化加密货币。区块链从去中心化加密货币发展而来，随着区块链的进一步发展，去中心化加密货币已经成为区块链的主要应用之一。

2.3 区块链及工作流程

一般认为，区块链是一种融合多种现有技术的新型分布式计算和存储范式。它利用分布式共识算法生成和更新数据，并利用对等网络进行节点间的数据传输，结合密码学原理和时间戳等技术的分布式账本保证存储数据的不可篡改，利用自动化脚本代码或智能合约实现上层应用逻辑。如果说传统数据库实现数据的单方维护，那么区块链则实现多方维护相同数据，保证数据的安全性和业务的公平性。区块链的工作流程主要包含生成区块、共识验证、账本维护3个步骤。

1) 生成区块。区块链节点收集广播在网络中的交易——需要记录的数据条目，然后将这些交易打包成区块——具有特定结构的数据集。

2) 共识验证。节点将区块广播至网络中，全网节点接收大量区块后进行顺序的共识和内容的验证，形成账本——具有特定结构的区块集。

3) 账本维护。节点长期存储验证通过的账本数据并提供回溯检验等功能，为上层应用提供账本访问接口。

2.4 区块链类型

根据不同场景下的信任构建方式，可将区块链分为2类：非许可链（permissionless blockchain）和许可链（permissioned blockchain）。

非许可链也称为公链（public blockchain），是一种完全开放的区块链，即任何人都可以加入网络并参与完整的共识记账过程，彼此之间不需要信任。公链以消耗算力等方式建立全网节点的信任关系，具备完全去中心化特点的同时也带来资源浪费、效率低下等问题。公链多应用于比特币等去监管、匿名化、自由的加密货币场景。

许可链是一种半开放式的区块链，只有指定的成员可以加入网络，且每个成员的参与权各有不同。许可链往往通过颁发身份证书的方式事先建立信任关系，具备部分去中心化特点，相比于非许可链拥有更高的效率。进一步，许可链分为联盟链（consortium blockchain）和私链（fully private blockchain）。联盟链由多个机构组成的联盟构建，账本的生成、共识、维护分别由联盟指定的成员参与完成。在结合区块链与其他技术进行场景创新时，公链的完全开放与去中心化特性并非必需，其低效率更无法满足需求，因此联盟链在某些场景中成为实适用性更强的区块链选型。私链相较联盟链而言中心化程度更高，其数据的产生、共识、维护过程完全由单个组织掌握，被该组织指定的成员仅具有账本的读取权限。

3 区块链体系结构

根据区块链发展现状，本节将归纳区块链的通用层次技术结构、基本原理和研究进展。

现有项目的技术选型多数由比特币演变而来，所以区块链主要基于对等网络通信，拥有新型的基础数据结构，通过全网节点共识实现公共账本数据的统一。但是区块链也存在效率低、功耗大和可扩展性差等问题，因此人们进一步以共识算法、处理模型、交易模式创新为切入点进行技术方案改进，并在此基础上丰富了逻辑控制功能和区块链应用功能，使其成为一种新型计算模式。本文给出如图2 所示的区块链通用层次化技术结构，自下而上分别为网络层、数据层、共识层、控制层和应用层。其中，网络层是区块链信息交互的基础，承载节点间的共识过程和数据传输，主要包括建立在基础网络之上的对等网络及其安全机制；数据层包括区块链基本数据结构及其原理；共识层保证节点数据的一致性，封装各类共识算法和驱动节点共识行为的奖惩机制；控制层包括沙盒环境、自动化脚本、智能合约和权限管理等，提供区块链可编程特性，实现对区块数据、业务数据、组织结构的控制；应用层包括区块链的相关应用场景和实践案例，通过调用控制合约提供的接口进行数据交互，由于该层次不涉及区块链原理，因此在第 5节中单独介绍。

3.1 网络层

网络层关注区块链网络的基础通信方式——对等（P2P,peer-to-peer）网络。对等网络是区别于“客户端/服务器”服务模式的计算机通信与存储架构，网络中每个节点既是数据的提供者也是数据的使用者，节点间通过直接交换实现计算机资源与信息的共享，因此每个节点地位均等。区块链网络层由组网结构、通信机制、安全机制组成。其中组网结构描述节点间的路由和拓扑关系，通信机制用于实现节点间的信息交互，安全机制涵盖对端安全和传输安全。

图2

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图2

区块链层次化技术结构

1) 组网结构

对等网络的体系架构可分为无结构对等网络、结构化对等网络和混合式对等网络[9]，根据节点的逻辑拓扑关系，区块链网络的组网结构也可以划分为上述3种，如图3所示。

图3

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图3

区块链组网结构

无结构对等网络是指网络中不存在特殊中继节点、节点路由表的生成无确定规律、网络拓扑呈现随机图状的一类对等网络。该类网络结构松散，设计简洁，具有良好的容错性和匿名性，但由于采用洪泛机制作为信息传播方式，其可扩展性较差。典型的协议有Gnutella等。

结构化对等网络是指网络中不存在特殊中继节点、节点间根据特定算法生成路由表、网络拓扑具有严格规律的一类对等网络。该类网络实现复杂但可扩展性良好，通过结构化寻址可以精确定位节点从而实现多样化功能。常见的结构化网络以DHT （distributed hash table）网络为主，典型的算法有Chord、Kademlia等。

混合式对等网络是指节点通过分布式中继节点实现全网消息路由的一类对等网络。每个中继节点维护部分网络节点地址、文件索引等工作，共同实现数据中继的功能。典型的协议有Kazza等。

2) 通信机制

通信机制是指区块链网络中各节点间的对等通信协议，建立在 TCP/UDP 之上，位于计算机网络协议栈的应用层，如图4所示。该机制承载对等网络的具体交互逻辑，例如节点握手、心跳检测、交易和区块传播等。由于包含的协议功能不同（例如基础链接与扩展交互），本文将通信机制细分为3个层次：传播层、连接层和交互逻辑层。

传播层实现对等节点间数据的基本传输，包括2 种数据传播方式：单点传播和多点传播。单点传播是指数据在2个已知节点间直接进行传输而不经过其他节点转发的传播方式；多点传播是指接收数据的节点通过广播向邻近节点进行数据转发的传播方式，区块链网络普遍基于Gossip协议[10]实现洪泛传播。连接层用于获取节点信息，监测和改变节点间连通状态，确保节点间链路的可用性（availability）。具体而言，连接层协议帮助新加入节点获取路由表数据，通过定时心跳监测为节点保持稳定连接，在邻居节点失效等情况下为节点关闭连接等。交互逻辑层是区块链网络的核心，从主要流程上看，该层协议承载对等节点间账本数据的同步、交易和区块数据的传输、数据校验结果的反馈等信息交互逻辑，除此之外，还为节点选举、共识算法实施等复杂操作和扩展应用提供消息通路。

图4

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图4

区块链网络通信机制

3) 安全机制

安全是每个系统必须具备的要素，以比特币为代表的非许可链利用其数据层和共识层的机制，依靠消耗算力的方式保证数据的一致性和有效性，没有考虑数据传输过程的安全性，反而将其建立在不可信的透明P2P网络上。随着隐私保护需求的提出，非许可链也采用了一些网络匿名通信方法，例如匿名网络Tor（the onion router）通过沿路径的层层数据加密机制来保护对端身份。许可链对成员的可信程度有更高的要求，在网络层面采取适当的安全机制，主要包括身份安全和传输安全两方面。身份安全是许可链的主要安全需求，保证端到端的可信，一般采用数字签名技术实现，对节点的全生命周期（例如节点交互、投票、同步等）进行签名，从而实现许可链的准入许可。传输安全防止数据在传输过程中遭到篡改或监听，常采用基于TLS的点对点传输和基于Hash算法的数据验证技术。

4) 研究现状

目前，区块链网络层研究主要集中在3个方向：测量优化、匿名分析与隐私保护、安全防护。

随着近年来区块链网络的爆炸式发展以及开源特点，学术界开始关注大型公有链项目的网络状况，监测并研究它们的特点，研究对象主要为比特币网络。Decker等[11]设计和实现测量工具，分析传播时延数据、协议数据和地址数据，建模分析影响比特币网络性能的网络层因素，基于此提出各自的优化方法。Fadhil等[12]提出基于事件仿真的比特币网络仿真模型，利用真实测量数据验证模型的有效性，最后提出优化机制 BCBSN，旨在设立超级节点降低网络波动。Kaneko 等[13]将区块链节点分为共识节点和验证节点，其中共识节点采用无结构组网方式，验证节点采用结构化组网方式，利用不同组网方式的优点实现网络负载的均衡。

匿名性是加密货币的重要特性之一，但从网络层视角看，区块链的匿名性并不能有效保证，因为攻击者可以利用监听并追踪 IP 地址的方式推测出交易之间、交易与公钥地址之间的关系，通过匿名隐私研究可以主动发掘安全隐患，规避潜在危害。Koshy 等[16,17]从网络拓扑、传播层协议和作恶模型3个方面对比特币网络进行建模，通过理论分析和仿真实验证明了比特币网络协议在树形组网结构下仅具备弱匿名性，在此基础上提出 Dandelion 网络策略以较低的网络开销优化匿名性，随后又提出 Dandelion++原理，以最优信息理论保证来抵抗大规模去匿名攻击。

区块链重点关注其数据层和共识层面机制，并基于普通网络构建开放的互联环境，该方式极易遭受攻击。为提高区块链网络的安全性，学术界展开研究并给出了相应的解决方案。Heilman 等[18]对比特币和以太坊网络实施日蚀攻击（eclipse attack）——通过屏蔽正确节点从而完全控制特定节点的信息来源，证实了该攻击的可行性。Apostolaki等[19]提出针对比特币网络的 BGP（border gateway protocal）劫持攻击，通过操纵自治域间路由或拦截域间流量来制造节点通信阻塞，表明针对关键数据的沿路攻击可以大大降低区块传播性能。

3.2 数据层

区块链中的“块”和“链”都是用来描述其数据结构特征的词汇，可见数据层是区块链技术体系的核心。区块链数据层定义了各节点中数据的联系和组织方式，利用多种算法和机制保证数据的强关联性和验证的高效性，从而使区块链具备实用的数据防篡改特性。除此之外，区块链网络中每个节点存储完整数据的行为增加了信息泄露的风险，隐私保护便成为迫切需求，而数据层通过非对称加密等密码学原理实现了承载应用信息的匿名保护，促进区块链应用普及和生态构建。因此，从不同应用信息的承载方式出发，考虑数据关联性、验证高效性和信息匿名性需求，可将数据层关键技术分为信息模型、关联验证结构和加密机制3类。

1) 信息模型

区块链承载了不同应用的数据（例如支付记录、审计数据、供应链信息等），而信息模型则是指节点记录应用信息的逻辑结构，主要包括UTXO （unspent transaction output）、基于账户和键值对模型3种。需要说明的是，在大部分区块链网络中，每个用户均被分配了交易地址，该地址由一对公私钥生成，使用地址标识用户并通过数字签名的方式检验交易的有效性。

UTXO是比特币交易中的核心概念，逐渐演变为区块链在金融领域应用的主要信息模型，如图5所示。每笔交易（Tx）由输入数据（Input）和输出数据（Output）组成，输出数据为交易金额（Num）和用户公钥地址（Adr），而输入数据为上一笔交易输出数据的指针（Pointer），直到该比特币的初始交易由区块链网络向节点发放。

图5

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图5

UTXO信息模型

基于账户的信息模型以键值对的形式存储数据，维护着账户当前的有效余额，通过执行交易来不断更新账户数据。相比于UTXO，基于账户的信息模型与银行的储蓄账户类似，更直观和高效。

不管是UTXO还是基于账户的信息模型，都建立在更为通用的键值对模型上，因此为了适应更广泛的应用场景，键值对模型可直接用于存储业务数据，表现为表单或集合形式。该模型利于数据的存取并支持更复杂的业务逻辑，但是也存在复杂度高的问题。

2) 关联验证结构

区块链之所以具备防篡改特性，得益于链状数据结构的强关联性。该结构确定了数据之间的绑定关系，当某个数据被篡改时，该关系将会遭到破坏。由于伪造这种关系的代价是极高的，相反检验该关系的工作量很小，因此篡改成功率被降至极低。链状结构的基本数据单位是“区块（block）”，基本内容如图6所示。

图6

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图6

基本区块结构

区块由区块头（Header）和区块体（Body）两部分组成，区块体包含一定数量的交易集合；区块头通过前继散列（PrevHash）维持与上一区块的关联从而形成链状结构，通过MKT（MerkleTree）生成的根散列（RootHash）快速验证区块体交易集合的完整性。因此散列算法和 MKT 是关联验证结构的关键，以下将对此展开介绍。

散列（Hash）算法也称为散列函数，它实现了明文到密文的不可逆映射；同时，散列算法可以将任意长度的输入经过变化得到固定长度的输出；最后，即使元数据有细微差距，变化后的输出也会产生显著不同。利用散列算法的单向、定长和差异放大的特征，节点通过比对当前区块头的前继散列即可确定上一区块内容的正确性，使区块的链状结构得以维系。区块链中常用的散列算法包括SHA256等。

MKT包括根散列、散列分支和交易数据。MKT首先对交易进行散列运算，再对这些散列值进行分组散列，最后逐级递归直至根散列。MKT 带来诸多好处：一方面，对根散列的完整性确定即间接地实现交易的完整性确认，提升高效性；另一方面，根据交易的散列路径（例如 Tx1：Hash2、Hash34）可降低验证某交易存在性的复杂度，若交易总数为N，那么MKT可将复杂度由N降为lbN。除此之外，还有其他数据结构与其配合使用，例如以太坊通过MPT（Merkle Patricia tree）——PatriciaTrie 和MerkleTree混合结构，高效验证其基于账户的信息模型数据。

此外，区块头中还可根据不同项目需求灵活添加其他信息，例如添加时间戳为区块链加入时间维度，形成时序记录；添加记账节点标识，以维护成块节点的权益；添加交易数量，进一步提高区块体数据的安全性。

3) 加密机制

由上述加密货币原理可知，经比特币演变的区块链技术具备与生俱来的匿名性，通过非对称加密等技术既保证了用户的隐私又检验了用户身份。非对称加密技术是指加密者和解密者利用2个不同秘钥完成加解密，且秘钥之间不能相互推导的加密机制。常用的非对称加密算法包括 RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）等。对应图5，Alice 向 Bob 发起交易 Tx2，Alice使用Bob的公钥对交易签名，仅当Bob使用私钥验证该数字签名时，才有权利创建另一笔交易，使自身拥有的币生效。该机制将公钥作为基础标识用户，使用户身份不可读，一定程度上保护了隐私。

4) 研究现状

数据层面的研究方向集中在高效验证、匿名分析、隐私保护3个方面。

高效验证的学术问题源于验证数据结构（ADS,authenticated data structure），即利用特定数据结构快速验证数据的完整性，实际上 MKT 也是其中的一种。为了适应区块链数据的动态性（dynamical）并保持良好性能，学术界展开了研究。Reyzin等[20]基于AVL树形结构提出AVL+，并通过平衡验证路径、缺省堆栈交易集等机制，简化轻量级节点的区块头验证过程。Zhang等[21]提出GEM2-tree结构，并对其进行优化提出 GEM2כ-tree 结构，通过分解单树结构、动态调整节点计算速度、扩展数据索引等机制降低以太坊节点计算开销。

区块数据直接承载业务信息，因此区块数据的匿名关联性分析更为直接。Reid等[22]将区块数据建模为事务网络和用户网络，利用多交易数据的用户指向性分析成功降低网络复杂度。Meiklejohn等[23]利用启发式聚类方法分析交易数据的流动特性并对用户进行分组，通过与这些服务的互动来识别主要机构的比特币地址。Awan 等[24]使用优势集（dominant set）方法对区块链交易进行自动分类，从而提高分析准确率。

隐私保护方面，Saxena等[25]提出复合签名技术削弱数据的关联性，基于双线性映射中的Diffie-Hellman假设保证计算困难性，从而保护用户隐私。Miers 等[26]和 Sasson 等[27]提出 Zerocoin 和Zerocash，在不添加可信方的情况下断开交易间的联系，最早利用零知识证明（zero-knowledge proof）技术隐藏交易的输入、输出和金额信息，提高比特币的匿名性。非对称加密是区块链数据安全的核心，但在量子计算面前却显得“捉襟见肘”，为此Yin等[28]利用盆景树模型（bonsai tree）改进晶格签名技术（lattice-based signature），以保证公私钥的随机性和安全性，使反量子加密技术适用于区块链用户地址的生成。

3.3 共识层

区块链网络中每个节点必须维护完全相同的账本数据，然而各节点产生数据的时间不同、获取数据的来源未知，存在节点故意广播错误数据的可能性，这将导致女巫攻击[29]、双花攻击[30]等安全风险；除此之外，节点故障、网络拥塞带来的数据异常也无法预测。因此，如何在不可信的环境下实现账本数据的全网统一是共识层解决的关键问题。实际上，上述错误是拜占庭将军问题（the Byzantine generals problem）[31]在区块链中的具体表现，即拜占庭错误——相互独立的组件可以做出任意或恶意的行为，并可能与其他错误组件产生协作，此类错误在可信分布式计算领域被广泛研究。

状态机复制（state-machine replication）是解决分布式系统容错问题的常用理论。其基本思想为：任何计算都表示为状态机，通过接收消息来更改其状态。假设一组副本以相同的初始状态开始，并且能够就一组公共消息的顺序达成一致，那么它们可以独立进行状态的演化计算，从而正确维护各自副本之间的一致性。同样，区块链也使用状态机复制理论解决拜占庭容错问题，如果把每个节点的数据视为账本数据的副本，那么节点接收到的交易、区块即为引起副本状态变化的消息。状态机复制理论实现和维持副本的一致性主要包含2个要素：正确执行计算逻辑的确定性状态机和传播相同序列消息的共识协议。其中，共识协议是影响容错效果、吞吐量和复杂度的关键，不同安全性、可扩展性要求的系统需要的共识协议各有不同。学术界普遍根据通信模型和容错类型对共识协议进行区分[32]，因此严格地说，区块链使用的共识协议需要解决的是部分同步（partial synchrony）模型[33]下的拜占庭容错问题。

区块链网络中主要包含PoX（poof of X）[34]、BFT（byzantine-fault tolerant）和 CFT（crash-fault tolerant）类基础共识协议。PoX 类协议是以 PoW （proof of work）为代表的基于奖惩机制驱动的新型共识协议，为了适应数据吞吐量、资源利用率和安全性的需求，人们又提出PoS（proof of stake）、PoST （proof of space-time）等改进协议。它们的基本特点在于设计证明依据，使诚实节点可以证明其合法性，从而实现拜占庭容错。BFT类协议是指解决拜占庭容错问题的传统共识协议及其改良协议，包括PBFT、BFT-SMaRt、Tendermint等。CFT类协议用于实现崩溃容错，通过身份证明等手段规避节点作恶的情况，仅考虑节点或网络的崩溃（crash）故障，主要包括Raft、Paxos、Kafka等协议。

非许可链和许可链的开放程度和容错需求存在差异，共识层面技术在两者之间产生了较大区别。具体而言，非许可链完全开放，需要抵御严重的拜占庭风险，多采用PoX、BFT类协议并配合奖惩机制实现共识。许可链拥有准入机制，网络中节点身份可知，一定程度降低了拜占庭风险，因此可采用BFT类协议、CFT类协议构建相同的信任模型[35]。

限于篇幅原因，本节仅以 PoW、PBFT、Raft为切入进行3类协议的分析。

1) PoX类协议

PoW也称为Nakamoto协议，是比特币及其衍生项目使用的核心共识协议，如图7所示。

图7

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图7

PoW协议示意

该协议在区块链头结构中加入随机数Nonce，并设计证明依据：为生成新区块，节点必须计算出合适的 Nonce 值，使新生成的区块头经过双重SHA256 运算后小于特定阈值。该协议的整体流程为：全网节点分别计算证明依据，成功求解的节点确定合法区块并广播，其余节点对合法区块头进行验证，若验证无误则与本地区块形成链状结构并转发，最终达到全网共识。PoW是随机性协议，任何节点都有可能求出依据，合法区块的不唯一将导致生成分支链，此时节点根据“最长链原则”选择一定时间内生成的最长链作为主链而抛弃其余分支链，从而使各节点数据最终收敛。

PoW协议采用随机性算力选举机制，实现拜占庭容错的关键在于记账权的争夺，目前寻找证明依据的方法只有暴力搜索，其速度完全取决于计算芯片的性能，因此当诚实节点数量过半，即“诚实算力”过半时，PoW便能使合法分支链保持最快的增长速度，也即保证主链一直是合法的。PoW是一种依靠饱和算力竞争纠正拜占庭错误的共识协议，关注区块产生、传播过程中的拜占庭容错，在保证防止双花攻击的同时也存在资源浪费、可扩展性差等问题。

2) BFT类协议

PBFT是 BFT经典共识协议，其主要流程如图8 所示。PBFT将节点分为主节点和副节点，其中主节点负责将交易打包成区块，副节点参与验证和转发，假设作恶节点数量为f。PBFT共识主要分为预准备、准备和接受3个阶段，主节点首先收集交易后排序并提出合法区块提案；其余节点先验证提案的合法性，然后根据区块内交易顺序依次执行并将结果摘要组播；各节点收到2f个与自身相同的摘要后便组播接受投票；当节点收到超过2f+1个投票时便存储区块及其产生的新状态[36]。

图8

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图8

PBFT协议示意

PBFT 协议解决消息传播过程的拜占庭容错，由于算法复杂度为 O(n2)且存在确定性的主节点选举规则，PBFT 仅适用于节点数量少的小型许可链系统。

3) CFT类协议

Raft[37]是典型的崩溃容错共识协议，以可用性强著称。Raft将节点分为跟随节点、候选节点和领导节点，领导节点负责将交易打包成区块，追随节点响应领导节点的同步指令，候选节点完成领导节点的选举工作。当网络运行稳定时，只存在领导节点和追随节点，领导节点向追随节点推送区块数据从而实现同步。节点均设置生存时间决定角色变化周期，领导节点的心跳信息不断重置追随节点的生存时间，当领导节点发生崩溃时，追随节点自动转化为候选节点并进入选举流程，实现网络自恢复。

Raft协议实现崩溃容错的关键在于领导节点的自选举机制，部分许可链选择降低可信需求，将拜占庭容错转换为崩溃容错，从而提升共识速度。

4) 奖惩机制

奖惩机制包括激励机制与惩罚策略，其中激励机制是为了弥补节点算力消耗、平衡协议运行收益比的措施，当节点能够在共识过程中获得收益时才会进行记账权的争夺，因此激励机制利用经济效益驱动各共识协议可持续运行。激励机制一般基于价值均衡理论设计，具有代表性的机制包括PPLNS、PPS等。为了实现收益最大化，节点可能采用不诚实的运行策略（如扣块攻击、自私挖矿等），损害了诚实节点的利益，惩罚策略基于博弈论等理论对节点进行惩罚，从而纠正不端节点的行为，维护共识可持续性。

5) 研究现状

随着可扩展性和性能需求的多样化发展，除了传统的BFT、CFT协议和PoX协议衍生研究，还产生了混合型协议（Hybrid）——主要为 PoX类协议混合以及PoX-BFT协议混合。因此本节从PoX类、BFT类以及Hybrid类协议归纳共识层研究进展。

如前文所述，PoX类协议的基本特点在于设计证明依据，使诚实节点可以证明其合法性，从而实现拜占庭容错。uPoW[38]通过计算有意义的正交向量问题证明节点合法性，使算力不被浪费。PoI （proof-of-importance）[39]利用图论原理为每个节点赋予重要性权重，权重越高的节点将越有可能算出区块。PoS（poof-of-stake）为节点定义“币龄”，拥有更高币龄的节点将被分配更多的股份（stake），而股份被作为证明依据用于成块节点的选举。Ouroboros[40]通过引入多方掷币协议增大了选举随机性，引入近乎纳什均衡的激励机制进一步提高PoS 的安全性。PoRep（proof-of-replication）[41]应用于去中心化存储网络，利用证明依据作为贡献存储空间的奖励，促进存储资源再利用。

BFT协议有较长的发展史，在区块链研究中被赋予了新的活力。SCP[42]和Ripple[43]基于联邦拜占庭共识[44]——存在交集的多池（确定规模的联邦）共识，分别允许节点自主选择或与指定的节点构成共识联邦，通过联邦交集达成全网共识。Tendermint[45]使用Gossip通信协议基本实现异步拜占庭共识，不仅简化了流程而且提高了可用性。HotStuff[46]将BFT与链式结构数据相结合，使主节点能够以实际网络时延及 O(n)通信复杂度推动协议达成一致。LibraBFT[47]在HotStuff的基础上加入奖惩机制及节点替换机制，从而优化了性能。

Hybrid 类协议是研究趋势之一。PoA[48]利用PoW产生空区块头，利用PoS决定由哪些节点进行记账和背书，其奖励由背书节点和出块节点共享。PeerCensus[49]由节点团体进行拜占庭协议实现共识，而节点必须基于比特币网络，通过 PoW 产出区块后才能获得投票权力。ByzCoin[50]利用PoW的算力特性构建动态成员关系，并引入联合签名方案来减小PBFT的轮次通信开销，提高交易吞吐量，降低确认时延。Casper[51]则通过PoS的股份决定节点构成团体并进行BFT共识，且节点可投票数取决于股份。

3.4 控制层

区块链节点基于对等通信网络与基础数据结构进行区块交互，通过共识协议实现数据一致，从而形成了全网统一的账本。控制层是各类应用与账本产生交互的中枢，如果将账本比作数据库，那么控制层提供了数据库模型，以及相应封装、操作的方法。具体而言，控制层由处理模型、控制合约和执行环境组成。处理模型从区块链系统的角度分析和描述业务/交易处理方式的差异。控制合约将业务逻辑转化为交易、区块、账本的具体操作。执行环境为节点封装通用的运行资源，使区块链具备稳定的可移植性。

1) 处理模型

账本用于存储全部或部分业务数据，那么依据该数据的分布特征可将处理模型分为链上（on-chain）和链下（off-chain）2种。

链上模型是指业务数据完全存储在账本中，业务逻辑通过账本的直接存取实现数据交互。该模型的信任基础建立在强关联性的账本结构中，不仅实现防篡改而且简化了上层控制逻辑，但是过量的资源消耗与庞大的数据增长使系统的可扩展性达到瓶颈，因此该模型适用于数据量小、安全性强、去中心化和透明程度高的业务。

链下模型是指业务数据部分或完全存储在账本之外，只在账本中存储指针以及其他证明业务数据存在性、真实性和有效性的数据。该模型以“最小化信任成本”为准则，将信任基础建立在账本与链下数据的证明机制中，降低账本构建成本。由于与公开的账本解耦，该模型具有良好的隐私性和可拓展性，适用于去中心化程度低、隐私性强、吞吐量大的业务。

2) 控制合约

区块链中控制合约经历了2个发展阶段，首先是以比特币为代表的非图灵完备的自动化脚本，用于锁定和解锁基于UTXO信息模型的交易，与强关联账本共同克服了双花等问题，使交易数据具备流通价值。其次是以以太坊为代表的图灵完备的智能合约，智能合约是一种基于账本数据自动执行的数字化合同，由开发者根据需求预先定义，是上层应用将业务逻辑编译为节点和账本操作集合的关键。智能合约通过允许相互不信任的参与者在没有可信第三方的情况下就复杂合同的执行结果达成协议，使合约具备可编程性，实现业务逻辑的灵活定义并扩展区块链的使用。

3) 执行环境

执行环境是指执行控制合约所需要的条件，主要分为原生环境和沙盒环境。原生环境是指合约与节点系统紧耦合，经过源码编译后直接执行，该方式下合约能经历完善的静态分析，提高安全性。沙盒环境为节点运行提供必要的虚拟环境，包括网络通信、数据存储以及图灵完备的计算/控制环境等，在虚拟机中运行的合约更新方便、灵活性强，其产生的漏洞也可能造成损失。

4) 研究现状

控制层的研究方向主要集中在可扩展性优化与安全防护2个方面。

侧链（side-chain）在比特币主链外构建新的分类资产链，并使比特币和其他分类资产在多个区块链之间转移，从而分散了单一链的负荷。Tschorsch等[52]利用Two-way Peg机制实现交互式跨链资产转换，防止该过程中出现双花。Kiayias 等[53]利用NIPoPoW机制实现非交互式的跨链工作证明，并降低了跨链带来的区块冗余。分片（sharding）是指不同节点子集处理区块链的不同部分，从而减少每个节点的负载。ELASTICO[54]将交易集划分为不同分片，每个分片由不同的节点集合进行并行验证。OmniLedger[55]在前者的基础上优化节点随机选择及跨切片事务提交协议，从而提高了切片共识的安全性与正确性。区别于 OmniLedger，PolyShard[56]利用拉格朗日多项式编码分片为分片交互过程加入计算冗余，同时实现了可扩展性优化与安全保障。上述研究可视为链上处理模型在加密货币场景下的可扩展性优化方案。实际上，链下处理模型本身就是一种扩展性优化思路，闪电网络[57]通过状态通道对交易最终结果进行链上确认，从而在交易过程中实现高频次的链外支付。Plasma[58]在链下对区块链进行树形分支拓展，树形分支中的父节点完成子节点业务的确认，直到根节点与区块链进行最终确认。

一方面，沙盒环境承载了区块链节点运行条件，针对虚拟机展开的攻击更为直接；另一方面，智能合约直接对账本进行操作，其漏洞更易影响业务运行，因此控制层的安全防护研究成为热点。Luu等[59]分析了运行于EVM中的智能合约安全性，指出底层平台的分布式语义差异带来的安全问题。Brent 等[60]提出智能合约安全分析框架 Vandal，将EVM 字节码转换为语义逻辑关，为分析合约安全漏洞提供便利。Jiang 等[61]预先定义用于安全漏洞的特征，然后模拟执行大规模交易，通过分析日志中的合约行为实现漏洞检测。

4 技术选型分析

区别于其他技术，区块链发展过程中最显著的特点是与产业界紧密结合，伴随着加密货币和分布式应用的兴起，业界出现了许多区块链项目。这些项目是区块链技术的具体实现，既有相似之处又各具特点，本节将根据前文所述层次化结构对比特币、以太坊和超级账本Fabric项目进行分析，然后简要介绍其他代表性项目并归纳和对比各项目的技术选型及特点。

4.1 比特币

比特币是目前规模最大、影响范围最广的非许可链开源项目。图9为比特币项目以账本为核心的运行模式，也是所有非许可链项目的雏形。比特币网络为用户提供兑换和转账业务，该业务的价值流通媒介由账本确定的交易数据——比特币支撑。为了保持账本的稳定和数据的权威性，业务制定奖励机制，即账本为节点产生新的比特币或用户支付比特币，以此驱动节点共同维护账本。

图9

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图9

比特币运行模式

比特币网络主要由2种节点构成：全节点和轻节点。全节点是功能完备的区块链节点，而轻节点不存储完整的账本数据，仅具备验证与转发功能。全节点也称为矿工节点，计算证明依据的过程被称为“挖矿”，目前全球拥有近 1 万个全节点；矿池则是依靠奖励分配策略将算力汇集起来的矿工群；除此之外，还有用于存储私钥和地址信息、发起交易的客户端（钱包）。

1) 网络层

比特币在网络层采用非结构化方式组网，路由表呈现随机性。节点间则采用多点传播方式传递数据，曾基于Gossip协议实现，为提高网络的抗匿名分析能力改为基于Diffusion协议实现[33]。节点利用一系列控制协议确保链路的可用性，包括版本获取（Vetsion/Verack）、地址获取（Addr/GetAddr）、心跳信息（PING/PONG）等。新节点入网时，首先向硬编码 DNS 节点（种子节点）请求初始节点列表；然后向初始节点随机请求它们路由表中的节点信息，以此生成自己的路由表；最后节点通过控制协议与这些节点建立连接，并根据信息交互的频率更新路由表中节点时间戳，从而保证路由表中的节点都是活动的。交互逻辑层为建立共识交互通道，提供了区块获取（GetBlock）、交易验证（MerkleBlock）、主链选择（CmpctBlock）等协议；轻节点只需要进行简单的区块头验证，因此通过头验证（GetHeader/Header）协议和连接层中的过滤设置协议指定需要验证的区块头即可建立简单验证通路。在安全机制方面，比特币网络可选择利用匿名通信网络Tor作为数据传输承载，通过沿路径的层层数据加密机制来保护对端身份。

2) 数据层

比特币数据层面的技术选型已经被广泛研究，使用UTXO信息模型记录交易数据，实现所有权的简单、有效证明，利用 MKT、散列函数和时间戳实现区块的高效验证并产生强关联性。在加密机制方面，比特币采用参数为Secp256k1的椭圆曲线数字签名算法（ECDSA,elliptic curve digital signature algorithm）生成用户的公私钥，钱包地址则由公钥经过双重散列、Base58Check 编码等步骤生成，提高了可读性。

3) 共识层

比特币采用 PoW 算法实现节点共识，该算法证明依据中的阈值设定可以改变计算难度。计算难度由每小时生成区块的平均块数决定，如果生成得太快，难度就会增加。该机制是为了应对硬件升级或关注提升引起的算力变化，保持证明依据始终有效。目前该阈值被设定为10 min产出一个区块。除此之外，比特币利用奖惩机制保证共识的可持续运行，主要包括转账手续费、挖矿奖励和矿池分配策略等。

4) 控制层

比特币最初采用链上处理模型，并将控制语句直接记录在交易中，使用自动化锁定/解锁脚本验证UTXO模型中的比特币所有权。由于可扩展性和确认时延的限制，比特币产生多个侧链项目如Liquid、RSK、Drivechain等，以及链下处理项目Lightning Network等，从而优化交易速度。

4.2 以太坊

以太坊是第一个以智能合约为基础的可编程非许可链开源平台项目，支持使用区块链网络构建分布式应用，包括金融、音乐、游戏等类型；当满足某些条件时，这些应用将触发智能合约与区块链网络产生交互，以此实现其网络和存储功能，更重要的是衍生出更多场景应用和价值产物，例如以太猫，利用唯一标识为虚拟猫赋予价值；GitCoin，众筹软件开发平台等。

1) 网络层

以太坊底层对等网络协议簇称为DEVP2P，除了满足区块链网络功能外，还满足与以太坊相关联的任何联网应用程序的需求。DEVP2P将节点公钥作为标识，采用 Kademlia 算法计算节点的异或距离，从而实现结构化组网。DEVP2P主要由3种协议组成：节点发现协议RLPx、基础通信协议Wire和扩展协议Wire-Sub。节点间基于Gossip实现多点传播；新节点加入时首先向硬编码引导节点（bootstrap node）发送入网请求；然后引导节点根据Kademlia 算法计算与新节点逻辑距离最近的节点列表并返回；最后新节点向列表中节点发出握手请求，包括网络版本号、节点ID、监听端口等，与这些节点建立连接后则使用Ping/Pong机制保持连接。Wire子协议构建了交易获取、区块同步、共识交互等逻辑通路，与比特币类似，以太坊也为轻量级钱包客户端设计了简易以太坊协议（LES,light ethereum subprotocol）及其变体PIP。安全方面，节点在RLPx协议建立连接的过程中采用椭圆曲线集成加密方案（ECIES）生成公私钥，用于传输共享对称密钥，之后节点通过共享密钥加密承载数据以实现数据传输保护。

2) 数据层

以太坊通过散列函数维持区块的关联性，采用MPT实现账户状态的高效验证。基于账户的信息模型记录了用户的余额及其他 ERC 标准信息，其账户类型主要分为2类：外部账户和合约账户；外部账户用于发起交易和创建合约，合约账户用于在合约执行过程中创建交易。用户公私钥的生成与比特币相同，但是公钥经过散列算法Keccak-256计算后取20 B作为外部账户地址。

3) 共识层

以太坊采用 PoW 共识，将阈值设定为 15 s产出一个区块，计划在未来采用PoS或Casper共识协议。较低的计算难度将导致频繁产生分支链，因此以太坊采用独有的奖惩机制——GHOST 协议，以提高矿工的共识积极性。具体而言，区块中的散列值被分为父块散列和叔块散列，父块散列指向前继区块，叔块散列则指向父块的前继。新区块产生时，GHOST 根据前 7 代区块的父/叔散列值计算矿工奖励，一定程度弥补了分支链被抛弃时浪费的算力。

4) 控制层

每个以太坊节点都拥有沙盒环境 EVM，用于执行Solidity语言编写的智能合约；Solidity语言是图灵完备的，允许用户方便地定义自己的业务逻辑，这也是众多分布式应用得以开发的前提。为优化可扩展性，以太坊拥有侧链项目 Loom、链下计算项目Plasma，而分片技术已于2018年加入以太坊源码。

4.3 超级账本Fabric

超级账本是Linux基金会旗下的开源区块链项目，旨在提供跨行业区块链解决方案。Fabric 是超级账本子项目之一，也是影响最广的企业级可编程许可链项目；在已知的解决方案中，Fabric 被应用于供应链、医疗和金融服务等多种场景。

1) 网络层

Fabric 网络以组织为单位构建节点集群，采用混合式对等网络组网；每个组织中包括普通节点和锚节点（anchor peer），普通节点完成组织内的消息路由，锚节点负责跨组织的节点发现与消息路由。Fabric网络传播层基于Gossip实现，需要使用配置文件初始化网络，网络生成后各节点将定期广播存活信息，其余节点根据该信息更新路由表以保持连接。交互逻辑层采用多通道机制，即相同通道内的节点才能进行状态信息交互和区块同步。Fabric 为许可链，因此在网络层采取严苛的安全机制：节点被颁发证书及密钥对，产生PKI-ID进行身份验证；可选用 TLS 双向加密通信；基于多通道的业务隔离；可定义策略指定通道内的某些节点对等传输私有数据。

2) 数据层

Fabric的区块中记录读写集（read-write set）描述交易执行时的读写过程。该读写集用于更新状态数据库，而状态数据库记录了键、版本和值组成的键值对，因此属于键值对信息模型。一方面，散列函数和 MerkleTree 被用作高效关联结构的实现技术；另一方面，节点还需根据键值验证状态数据库与读写集中的最新版本是否一致。许可链场景对匿名性的要求较低，但对业务数据的隐私性要求较高，因此Fabric 1.2版本开始提供私有数据集（PDC,private data collection）功能。

3) 共识层

Fabric在0.6版本前采用PBFT 共识协议，但是为了提高交易吞吐量，Fabric 1.0 选择降低安全性，将共识过程分解为排序和验证2种服务，排序服务采用CFT类协议Kafka、Raft（v1.4之后）完成，而验证服务进一步分解为读写集验证与多签名验证，最大程度提高了共识速度。由于Fabric针对许可链场景，参与方往往身份可知且具有相同的合作意图，因此规避了节点怠工与作恶的假设，不需要奖惩机制调节。

4) 控制层

Fabric 对于扩展性优化需求较少，主要得益于共识层的优化与许可链本身参与节点较少的前提，因此主要采用链上处理模型，方便业务数据的存取；而 PDC 中仅将私有数据散列值上链的方式则属于链下处理模型，智能合约可以在本地进行数据存取。Fabric 节点采用模块化设计，基于 Docker构建模块执行环境；智能合约在Fabric中被称为链码，使用GO、Javascript和Java语言编写，也是图灵完备的。

4.4 其他项目

除了上述3种区块链基础项目外，产业界还有许多具有代表性的项目，如表1所示。

5 区块链应用研究

区块链技术有助于降低金融机构间的审计成本，显著提高支付业务的处理速度及效率，可应用于跨境支付等金融场景。除此之外，区块链还应用于产权保护、信用体系建设、教育生态优化、食品安全监管、网络安全保障等非金融场景。

根据这些场景的应用方式以及区块链技术特点，可将区块链特性概括为如下几点。1) 去中心化。节点基于对等网络建立通信和信任背书，单一节点的破坏不会对全局产生影响。2) 不可篡改。账本由全体节点维护，群体协作的共识过程和强关联的数据结构保证节点数据一致且基本无法被篡改，进一步使数据可验证和追溯。3) 公开透明。除私有数据外，链上数据对每个节点公开，便于验证数据的存在性和真实性。4) 匿名性。多种隐私保护机制使用户身份得以隐匿，即便如此也能建立信任基础。5) 合约自治。预先定义的业务逻辑使节点可以基于高可信的账本数据实现自治，在人-人、人-机、机-机交互间自动化执行业务。

鉴于上述领域的应用在以往研究中均有详细描述，本文将主要介绍区块链在智慧城市、边缘计算和人工智能领域的前沿应用研究现状。

表1

代表性区块链项目

技术选型CordaQuorumLibraBlockstackFilecoinZcash控制合约Kotlin,JavaGOMoveClarity非图灵完备非图灵完备非图灵完备执行环境JVMEVMMVM源码编译源码编译源码编译处理模型链上链上/链下（私有数据）链上链下（虚拟链）链下（IPFS）链上奖惩机制——Libra coinsStacks tokenFilecoinZcash/Turnstiles共识算法Notary 机制/RAFT,BFT-SMaRtQuorum-Chain,RAFTLibraBFTTunable Proofs,proof-of-burnPoRep,PoETPoW信息模型UTXO基于账户基于账户基于账户基于账户UTXO关联验证结构散列算法MKT散列算法MPT散列算法MKT散列算法Merklized Adaptive Radix Forest (MARF)散列算法MKT散列算法MKT加密机制Tear-offs机制、混合密钥基于EnclaveSHA3-256/EdDSA基于Gaia/Blockstack AuthSECP256K1/BLSzk-SNARK组网方式混合型结构化混合型无结构结构化/无结构无结构通信机制AMQP1.0/单点传播Wire/GossipNoise-ProtocolFramework/GossipAtlas/GossipLibp2p/GossipBitcoin-Core/Gossip安全机制Corda加密套件/TLS证书/HTTPSDiffie-HellmanSecure BackboneTLSTor区块链类型许可链许可链许可链非许可链非许可链非许可链特点只允许对实际参与给定交易的各方进行信息访问和验证功能基于以太坊网络提供公共交易和私有交易2种交互渠道稳定、快速的交易网络剔除中心服务商的、可扩展的分布式数据存储设施，旨在保护隐私数据激励机制驱动的存储资源共享生态基于比特币网络提供零知识证明的隐私保护应用场景金融业务平台分布式应用加密货币互联网基础设施文件存储与共享加密货币

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5.1 智慧城市

智慧城市是指利用 ICT 优化公共资源利用效果、提高居民生活质量、丰富设施信息化能力的研究领域，该领域包括个人信息管理、智慧医疗、智慧交通、供应链管理等具体场景。智慧城市强调居民、设施等各类数据的采集、分析与使能，数据可靠性、管理透明化、共享可激励等需求为智慧城市带来了许多技术挑战。区块链去中心化的交互方式避免了单点故障、提升管理公平性，公开透明的账本保证数据可靠及可追溯性，多种匿名机制利于居民隐私的保护，因此区块链有利于问题的解决。Hashemi等[62]将区块链用于权限数据存储，构建去中心化的个人数据接入控制模型；Bao等[63]利用区块链高效认证和管理用户标识，保护车主的身份、位置、车辆信息等个人数据。

5.2 边缘计算

边缘计算是一种将计算、存储、网络资源从云平台迁移到网络边缘的分布式信息服务架构，试图将传统移动通信网、互联网和物联网等业务进行深度融合，减少业务交付的端到端时延，提升用户体验。安全问题是边缘计算面临的一大技术挑战，一方面，边缘计算的层次结构中利用大量异构终端设备提供用户服务，这些设备可能产生恶意行为；另一方面，服务迁移过程中的数据完整性和真实性需要得到保障。区块链在这种复杂的工作环境和开放的服务架构中能起到较大作用。首先，区块链能够在边缘计算底层松散的设备网络中构建不可篡改的账本，提供设备身份和服务数据验证的依据。其次，设备能在智能合约的帮助下实现高度自治，为边缘计算提供设备可信互操作基础。Samaniego等[64]提出了一种基于区块链的虚拟物联网资源迁移架构，通过区块链共享资源数据从而保障安全性。Stanciu[65]结合软件定义网络（SDN）、雾计算和区块链技术提出分布式安全云架构，解决雾节点中SDN控制器流表策略的安全分发问题。Ziegler等[66]基于 Plasma 框架提出雾计算场景下的区块链可扩展应用方案，提升雾计算网关的安全性。

5.3 人工智能

人工智能是一类智能代理的研究，使机器感知环境/信息，然后进行正确的行为决策，正确是指达成人类预定的某些目标。人工智能的关键在于算法，而大部分机器学习和深度学习算法建立于体积庞大的数据集和中心化的训练模型之上，该方式易受攻击或恶意操作使数据遭到篡改，其后果为模型的不可信与算力的浪费。此外，数据采集过程中无法确保下游设备的安全性，无法保证数据来源的真实性与完整性，其后果将在自动驾驶等场景中被放大。区块链不可篡改的特性可以实现感知和训练过程的可信。另外，去中心化和合约自治特性为人工智能训练工作的分解和下放奠定了基础，保障安全的基础上提高计算效率。Kim等[67]利用区块链验证联合学习框架下的分发模型的完整性，并根据计算成本提供相应的激励，优化整体学习效果。Bravo-Marquez 等[68]提出共识机制“学习证明”以减轻PoX类共识的计算浪费，构建公共可验证的学习模型和实验数据库。

6 技术挑战与研究展望

6.1 层次优化与深度融合

区块链存在“三元悖论”——安全性、扩展性和去中心化三者不可兼得，只能依靠牺牲一方的效果来满足另外两方的需求。以比特币为代表的公链具有较高的安全性和完全去中心化的特点，但是资源浪费等问题成为拓展性优化的瓶颈。尽管先后出现了PoS、BFT等共识协议优化方案，或侧链、分片等链上处理模型，或Plasma、闪电网络等链下扩展方案，皆是以部分安全性或去中心化为代价的。因此，如何将区块链更好地推向实际应用很大程度取决于三元悖论的解决，其中主要有2种思路。

1) 层次优化

区块链层次化结构中每层都不同程度地影响上述3种特性，例如网络时延、并行读写效率、共识速度和效果、链上/链下模型交互机制的安全性等，对区块链的优化应当从整体考虑，而不是单一层次。

网络层主要缺陷在于安全性，可拓展性则有待优化。如何防御以 BGP 劫持为代表的网络攻击将成为区块链底层网络的安全研究方向[19]。信息中心网络将重塑区块链基础传输网络，通过请求聚合和数据缓存减少网内冗余流量并加速通信传输[69]。相比于数据层和共识层，区块链网络的关注度较低，但却是影响安全性、可拓展性的基本因素。

数据层的优化空间在于高效性，主要为设计新的数据验证结构与算法。该方向可以借鉴计算机研究领域的多种数据结构理论与复杂度优化方法，寻找适合区块链计算方式的结构，甚至设计新的数据关联结构。实际上相当一部分项目借鉴链式结构的思想开辟新的道路，例如压缩区块空间的隔离见证、有向无环图（DAG）中并行关联的纠缠结构（Tangle），或者Libra项目采用的状态树。

共识机制是目前研究的热点，也是同时影响三元特性的最难均衡的层次。PoW牺牲可拓展性获得完全去中心化和安全性，PoS高效的出块方式具备可扩展性但产生了分叉问题，POA结合两者做到了3种特性的均衡。以此为切入的Hybrid类共识配合奖惩机制的机动调节取得了较好效果，成为共识研究的过渡手段，但是如何做到三元悖论的真正突破还有待研究。

控制层面是目前可扩展性研究的热点，其优势在于不需要改变底层的基础实现，能够在短期内应用，集中在产业界的区块链项目中。侧链具有较好的灵活性但操作复杂度高，分片改进了账本结构但跨分片交互的安全问题始终存在，而链下处理模型在安全方面缺少理论分析的支撑。因此，三元悖论的解决在控制层面具有广泛的研究前景。

2) 深度融合

如果将层次优化称为横向优化，那么深度融合即为根据场景需求而进行的纵向优化。一方面，不同场景的三元需求并不相同，例如接入控制不要求完全去中心化，可扩展性也未遇到瓶颈，因此可采用BFT类算法在小范围构建联盟链。另一方面，区块链应用研究从简单的数据上链转变为链下存储、链上验证，共识算法从 PoW 转变为场景结合的服务证明和学习证明，此外，结合 5G 和边缘计算可将网络和计算功能移至网络边缘，节约终端资源。这意味着在严格的场景建模下，区块链的层次技术选型将与场景特点交叉创新、深度融合，具有较为广阔的研究前景。

6.2 隐私保护

加密货币以匿名性著称，但是区块链以非对称加密为基础的匿名体系不断受到挑战。反匿名攻击从身份的解密转变为行为的聚类分析，不仅包括网络流量的IP聚类，还包括交易数据的地址聚类、交易行为的启发式模型学习，因此大数据分析技术的发展使区块链隐私保护思路发生转变。已有Tor网络、混币技术、零知识证明、同态加密以及各类复杂度更高的非对称加密算法被提出，但是各方法仍有局限，未来将需要更为高效的方法。此外，随着区块链系统的可编程化发展，内部复杂性将越来越高，特别是智能合约需要更严格、有效的代码检测方法，例如匿名性检测、隐私威胁预警等。

6.3 工业区块链

工业区块链是指利用区块链夯实工业互联网中数据的流通和管控基础、促进价值转换的应用场景，具有较大的研究前景。

工业互联网是面向制造业数字化、网络化、智能化需求，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的重要基础设施。“工业互联网平台”是工业互联网的核心，通过全面感知、实时分析、科学决策、精准执行的逻辑闭环，实现工业全要素、全产业链、全价值链的全面贯通，培育新的模式和业态。

可以看到，工业互联网与物联网、智慧城市、消费互联网等场景应用存在内在关联，例如泛在连接、数据共享和分析、电子商务等，那么其学术问题与技术实现必然存在关联性。区块链解决了物联网中心管控架构的单点故障问题，克服泛在感知设备数据的安全性和隐私性挑战，为智慧城市场景的数据共享、接入控制等问题提供解决方法，为激励资源共享构建了新型互联网价值生态。尽管工业互联网作为新型的产业生态系统，其技术体系更复杂、内涵更丰富，但是不难想象，区块链同样有利于工业互联网的发展。

“平台+区块链”能够通过分布式数据管理模式，降低数据存储、处理、使用的管理成本，为工业用户在工业 APP 选择和使用方面搭建起更加可信的环境，实现身份认证及操作行为追溯、数据安全存储与可靠传递。能够通过产品设计参数、质量检测结果、订单信息等数据“上链”，实现有效的供应链全要素追溯与协同服务。能够促进平台间数据交易与业务协同，实现跨平台交易结算，带动平台间的数据共享与知识复用，促进工业互联网平台间互联互通。

当然，工业是关乎国计民生的产业，将区块链去中心化、匿名化等特性直接用于工业互联网是不可取的，因此需要研究工业区块链管理框架，实现区块链的可管可控，在一定范围内发挥其安全优势，并对工业互联网的运转提供正向激励。

7 结束语

区块链基于多类技术研究的成果，以低成本解决了多组织参与的复杂生产环境中的信任构建和隐私保护等问题，在金融、教育、娱乐、版权保护等场景得到了较多应用，成为学术界的研究热点。比特币的出现重塑了人们对价值的定义，伴随着产业界的呼声，区块链技术得到了快速发展，而遵循区块链层次化分析方法，能够直观地区别各项目的技术路线和特点，为优化区块链技术提供不同观察视角，并为场景应用的深度融合创造条件，促进后续研究。未来的发展中，区块链将成为更为基础的信任支撑技术，在产业互联网等更广阔的领域健康、有序地发展。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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区块链技术发展现状与展望

2016

... 区块链涵盖多种技术，相关概念易混淆，且应用场景繁多，为此，已有相关综述主要从技术体系结构、技术挑战和应用场景等角度来梳理区块链的最新进展、技术差异和联系，总结技术形态和应用价值.袁勇等[1]给出了区块链基本模型，以比特币为例将非许可链分为数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层；邵奇峰等[2]结合开源项目细节，对比了多种企业级区块链（许可链）的技术特点；Yang等[3]总结了基于区块链的网络服务架构的特点、挑战和发展趋势；韩璇等[4]系统性归纳了区块链安全问题的研究现状；Ali等[5]总结了区块链在物联网方面的应用研究进展、趋势.上述文献虽然归纳得较为完整，但是都没有从许可链与非许可链共性技术的角度进行通用的层次结构分析，没有体现出区块链技术与组网路由、数据结构、同步机制等已有技术的关联性，且缺少对区块链项目的差异分析.本文则对有关概念进行区分，探讨了通用的层次化技术结构及其与已有技术的关联性，并针对该结构横向分析相关学术研究进展；根据分层结构对比部分区块链项目的技术选型；最后以智慧城市场景、边缘计算和人工智能技术为代表介绍区块链应用研究现状，给出区块链技术挑战与研究展望. ...

区块链技术发展现状与展望

2016

企业级区块链技术综述

2019

企业级区块链技术综述

2019

A survey on blockchain-based internet service architecture:requirements,challenges,trends,and future

2019

区块链安全问题:研究现状与展望

2016

区块链安全问题:研究现状与展望

2016

Applications of blockchains in the Internet of things:a comprehensive survey

2019

Blind signature system

1984

... 加密货币的概念起源于一种基于盲签名（blind signature）的匿名交易技术[6]，最早的加密货币交易模型“electronic cash”[7]如图1所示. ...

How to make a mint:the cryptography of anonymous electronic cash

1997

... 加密货币的概念起源于一种基于盲签名（blind signature）的匿名交易技术[6]，最早的加密货币交易模型“electronic cash”[7]如图1所示. ...

Proofs of work and bread pudding protocols

1999

... 最早的加密货币构想将银行作为构建信任的基础，呈现中心化特点.此后，加密货币朝着去中心化方向发展，并试图用工作量证明（PoW,poof of work）[8]或其改进方法定义价值.比特币在此基础上，采用新型分布式账本技术保证被所有节点维护的数据不可篡改，从而成功构建信任基础，成为真正意义上的去中心化加密货币.区块链从去中心化加密货币发展而来，随着区块链的进一步发展，去中心化加密货币已经成为区块链的主要应用之一. ...

P2P 关键技术研究综述

2010

... 对等网络的体系架构可分为无结构对等网络、结构化对等网络和混合式对等网络[9]，根据节点的逻辑拓扑关系，区块链网络的组网结构也可以划分为上述3种，如图3所示. ...

P2P 关键技术研究综述

2010

Epidemic algorithms for replicated database maintenance

1988

... 传播层实现对等节点间数据的基本传输，包括2 种数据传播方式：单点传播和多点传播.单点传播是指数据在2个已知节点间直接进行传输而不经过其他节点转发的传播方式；多点传播是指接收数据的节点通过广播向邻近节点进行数据转发的传播方式，区块链网络普遍基于Gossip协议[10]实现洪泛传播.连接层用于获取节点信息，监测和改变节点间连通状态，确保节点间链路的可用性（availability）.具体而言，连接层协议帮助新加入节点获取路由表数据，通过定时心跳监测为节点保持稳定连接，在邻居节点失效等情况下为节点关闭连接等.交互逻辑层是区块链网络的核心，从主要流程上看，该层协议承载对等节点间账本数据的同步、交易和区块数据的传输、数据校验结果的反馈等信息交互逻辑，除此之外，还为节点选举、共识算法实施等复杂操作和扩展应用提供消息通路. ...

Information propagation in the bitcoin network

2013

... 随着近年来区块链网络的爆炸式发展以及开源特点，学术界开始关注大型公有链项目的网络状况，监测并研究它们的特点，研究对象主要为比特币网络.Decker等[11]设计和实现测量工具，分析传播时延数据、协议数据和地址数据，建模分析影响比特币网络性能的网络层因素，基于此提出各自的优化方法.Fadhil等[12]提出基于事件仿真的比特币网络仿真模型，利用真实测量数据验证模型的有效性，最后提出优化机制 BCBSN，旨在设立超级节点降低网络波动.Kaneko 等[13]将区块链节点分为共识节点和验证节点，其中共识节点采用无结构组网方式，验证节点采用结构化组网方式，利用不同组网方式的优点实现网络负载的均衡. ...

Locality based approach to improve propagation delay on the bitcoin peer-to-peer network

2017

DHT clustering for load balancing considering blockchain data size

2018

An analysis of anonymity in bitcoin using P2P network traffic

2014

Deanonymisation of clients in bitcoin P2P network

2014

Dandelion:redesigning the bitcoin network for anonymity

2017

... 匿名性是加密货币的重要特性之一，但从网络层视角看，区块链的匿名性并不能有效保证，因为攻击者可以利用监听并追踪 IP 地址的方式推测出交易之间、交易与公钥地址之间的关系，通过匿名隐私研究可以主动发掘安全隐患，规避潜在危害.Koshy 等[16,17]从网络拓扑、传播层协议和作恶模型3个方面对比特币网络进行建模，通过理论分析和仿真实验证明了比特币网络协议在树形组网结构下仅具备弱匿名性，在此基础上提出 Dandelion 网络策略以较低的网络开销优化匿名性，随后又提出 Dandelion++原理，以最优信息理论保证来抵抗大规模去匿名攻击. ...

Dandelion++:lightweight cryptocurrency networking with formal anonymity guarantees

2018

Eclipse attacks on Bitcoin’s peer-to-peer network

2015

... 区块链重点关注其数据层和共识层面机制，并基于普通网络构建开放的互联环境，该方式极易遭受攻击.为提高区块链网络的安全性，学术界展开研究并给出了相应的解决方案.Heilman 等[18]对比特币和以太坊网络实施日蚀攻击（eclipse attack）——通过屏蔽正确节点从而完全控制特定节点的信息来源，证实了该攻击的可行性.Apostolaki等[19]提出针对比特币网络的 BGP（border gateway protocal）劫持攻击，通过操纵自治域间路由或拦截域间流量来制造节点通信阻塞，表明针对关键数据的沿路攻击可以大大降低区块传播性能. ...

Hijacking bitcoin:routing attacks on cryptocurrencies

2017

... 网络层主要缺陷在于安全性，可拓展性则有待优化.如何防御以 BGP 劫持为代表的网络攻击将成为区块链底层网络的安全研究方向[19].信息中心网络将重塑区块链基础传输网络，通过请求聚合和数据缓存减少网内冗余流量并加速通信传输[69].相比于数据层和共识层，区块链网络的关注度较低，但却是影响安全性、可拓展性的基本因素. ...

Improving authenticated dynamic dictionaries,with applications to cryptocurrencies

2017

... 高效验证的学术问题源于验证数据结构（ADS,authenticated data structure），即利用特定数据结构快速验证数据的完整性，实际上 MKT 也是其中的一种.为了适应区块链数据的动态性（dynamical）并保持良好性能，学术界展开了研究.Reyzin等[20]基于AVL树形结构提出AVL+，并通过平衡验证路径、缺省堆栈交易集等机制，简化轻量级节点的区块头验证过程.Zhang等[21]提出GEM2-tree结构，并对其进行优化提出 GEM2כ-tree 结构，通过分解单树结构、动态调整节点计算速度、扩展数据索引等机制降低以太坊节点计算开销. ...

GEM^2-tree:a gas-efficient structure for authenticated range queries in blockchain

2019

An analysis of anonymity in the bitcoin system

2011

... 区块数据直接承载业务信息，因此区块数据的匿名关联性分析更为直接.Reid等[22]将区块数据建模为事务网络和用户网络，利用多交易数据的用户指向性分析成功降低网络复杂度.Meiklejohn等[23]利用启发式聚类方法分析交易数据的流动特性并对用户进行分组，通过与这些服务的互动来识别主要机构的比特币地址.Awan 等[24]使用优势集（dominant set）方法对区块链交易进行自动分类，从而提高分析准确率. ...

A fistful of bitcoins:characterizing payments among men with no names

2013

Blockchain transaction analysis using dominant sets

2017

Increasing anonymity in bitcoin

2014

... 隐私保护方面，Saxena等[25]提出复合签名技术削弱数据的关联性，基于双线性映射中的Diffie-Hellman假设保证计算困难性，从而保护用户隐私.Miers 等[26]和 Sasson 等[27]提出 Zerocoin 和Zerocash，在不添加可信方的情况下断开交易间的联系，最早利用零知识证明（zero-knowledge proof）技术隐藏交易的输入、输出和金额信息，提高比特币的匿名性.非对称加密是区块链数据安全的核心，但在量子计算面前却显得“捉襟见肘”，为此Yin等[28]利用盆景树模型（bonsai tree）改进晶格签名技术（lattice-based signature），以保证公私钥的随机性和安全性，使反量子加密技术适用于区块链用户地址的生成. ...

Zerocoin:anonymous distributed e-cash from bitcoin

2013

Zerocash:decentralized anonymous payments from bitcoin

2014

A anti-quantum transaction authentication approach in blockchain

2018

The sybil attack

2002

... 区块链网络中每个节点必须维护完全相同的账本数据，然而各节点产生数据的时间不同、获取数据的来源未知，存在节点故意广播错误数据的可能性，这将导致女巫攻击[29]、双花攻击[30]等安全风险；除此之外，节点故障、网络拥塞带来的数据异常也无法预测.因此，如何在不可信的环境下实现账本数据的全网统一是共识层解决的关键问题.实际上，上述错误是拜占庭将军问题（the Byzantine generals problem）[31]在区块链中的具体表现，即拜占庭错误——相互独立的组件可以做出任意或恶意的行为，并可能与其他错误组件产生协作，此类错误在可信分布式计算领域被广泛研究. ...

Double-spending fast payments in bitcoin

2012

The byzantine generals problem

1982

Consensus in the age of blockchains

... 状态机复制（state-machine replication）是解决分布式系统容错问题的常用理论.其基本思想为：任何计算都表示为状态机，通过接收消息来更改其状态.假设一组副本以相同的初始状态开始，并且能够就一组公共消息的顺序达成一致，那么它们可以独立进行状态的演化计算，从而正确维护各自副本之间的一致性.同样，区块链也使用状态机复制理论解决拜占庭容错问题，如果把每个节点的数据视为账本数据的副本，那么节点接收到的交易、区块即为引起副本状态变化的消息.状态机复制理论实现和维持副本的一致性主要包含2个要素：正确执行计算逻辑的确定性状态机和传播相同序列消息的共识协议.其中，共识协议是影响容错效果、吞吐量和复杂度的关键，不同安全性、可扩展性要求的系统需要的共识协议各有不同.学术界普遍根据通信模型和容错类型对共识协议进行区分[32]，因此严格地说，区块链使用的共识协议需要解决的是部分同步（partial synchrony）模型[33]下的拜占庭容错问题. ...

Consensus in the presence of partial synchrony

1988

... 比特币在网络层采用非结构化方式组网，路由表呈现随机性.节点间则采用多点传播方式传递数据，曾基于Gossip协议实现，为提高网络的抗匿名分析能力改为基于Diffusion协议实现[33].节点利用一系列控制协议确保链路的可用性，包括版本获取（Vetsion/Verack）、地址获取（Addr/GetAddr）、心跳信息（PING/PONG）等.新节点入网时，首先向硬编码 DNS 节点（种子节点）请求初始节点列表；然后向初始节点随机请求它们路由表中的节点信息，以此生成自己的路由表；最后节点通过控制协议与这些节点建立连接，并根据信息交互的频率更新路由表中节点时间戳，从而保证路由表中的节点都是活动的.交互逻辑层为建立共识交互通道，提供了区块获取（GetBlock）、交易验证（MerkleBlock）、主链选择（CmpctBlock）等协议；轻节点只需要进行简单的区块头验证，因此通过头验证（GetHeader/Header）协议和连接层中的过滤设置协议指定需要验证的区块头即可建立简单验证通路.在安全机制方面，比特币网络可选择利用匿名通信网络Tor作为数据传输承载，通过沿路径的层层数据加密机制来保护对端身份. ...

Bitcoin and beyond:a technical survey on decentralized digital currencies

2016

... 区块链网络中主要包含PoX（poof of X）[34]、BFT（byzantine-fault tolerant）和 CFT（crash-fault tolerant）类基础共识协议.PoX 类协议是以 PoW （proof of work）为代表的基于奖惩机制驱动的新型共识协议，为了适应数据吞吐量、资源利用率和安全性的需求，人们又提出PoS（proof of stake）、PoST （proof of space-time）等改进协议.它们的基本特点在于设计证明依据，使诚实节点可以证明其合法性，从而实现拜占庭容错.BFT类协议是指解决拜占庭容错问题的传统共识协议及其改良协议，包括PBFT、BFT-SMaRt、Tendermint等.CFT类协议用于实现崩溃容错，通过身份证明等手段规避节点作恶的情况，仅考虑节点或网络的崩溃（crash）故障，主要包括Raft、Paxos、Kafka等协议. ...

Blockchains consensus protocols in the wild

2017

... 非许可链和许可链的开放程度和容错需求存在差异，共识层面技术在两者之间产生了较大区别.具体而言，非许可链完全开放，需要抵御严重的拜占庭风险，多采用PoX、BFT类协议并配合奖惩机制实现共识.许可链拥有准入机制，网络中节点身份可知，一定程度降低了拜占庭风险，因此可采用BFT类协议、CFT类协议构建相同的信任模型[35]. ...

Practical byzantine fault tolerance and proactive recovery

2002

... PBFT是 BFT经典共识协议，其主要流程如图8 所示.PBFT将节点分为主节点和副节点，其中主节点负责将交易打包成区块，副节点参与验证和转发，假设作恶节点数量为f.PBFT共识主要分为预准备、准备和接受3个阶段，主节点首先收集交易后排序并提出合法区块提案；其余节点先验证提案的合法性，然后根据区块内交易顺序依次执行并将结果摘要组播；各节点收到2f个与自身相同的摘要后便组播接受投票；当节点收到超过2f+1个投票时便存储区块及其产生的新状态[36]. ...

In search of an understandable consensus algorithm

2015

... Raft[37]是典型的崩溃容错共识协议，以可用性强著称.Raft将节点分为跟随节点、候选节点和领导节点，领导节点负责将交易打包成区块，追随节点响应领导节点的同步指令，候选节点完成领导节点的选举工作.当网络运行稳定时，只存在领导节点和追随节点，领导节点向追随节点推送区块数据从而实现同步.节点均设置生存时间决定角色变化周期，领导节点的心跳信息不断重置追随节点的生存时间，当领导节点发生崩溃时，追随节点自动转化为候选节点并进入选举流程，实现网络自恢复. ...

Proofs of useful work

2017

... 如前文所述，PoX类协议的基本特点在于设计证明依据，使诚实节点可以证明其合法性，从而实现拜占庭容错.uPoW[38]通过计算有意义的正交向量问题证明节点合法性，使算力不被浪费.PoI （proof-of-importance）[39]利用图论原理为每个节点赋予重要性权重，权重越高的节点将越有可能算出区块.PoS（poof-of-stake）为节点定义“币龄”，拥有更高币龄的节点将被分配更多的股份（stake），而股份被作为证明依据用于成块节点的选举.Ouroboros[40]通过引入多方掷币协议增大了选举随机性，引入近乎纳什均衡的激励机制进一步提高PoS 的安全性.PoRep（proof-of-replication）[41]应用于去中心化存储网络，利用证明依据作为贡献存储空间的奖励，促进存储资源再利用. ...

Comparative analysis of blockchain consensus algorithms

2018

Ouroboros:a provably secure proof-of-stake blockchain protocol

2017

Tight proofs of space and replication

A vademecum on blockchain technologies:when,which,and how

2019

... BFT协议有较长的发展史，在区块链研究中被赋予了新的活力.SCP[42]和Ripple[43]基于联邦拜占庭共识[44]——存在交集的多池（确定规模的联邦）共识，分别允许节点自主选择或与指定的节点构成共识联邦，通过联邦交集达成全网共识.Tendermint[45]使用Gossip通信协议基本实现异步拜占庭共识，不仅简化了流程而且提高了可用性.HotStuff[46]将BFT与链式结构数据相结合，使主节点能够以实际网络时延及 O(n)通信复杂度推动协议达成一致.LibraBFT[47]在HotStuff的基础上加入奖惩机制及节点替换机制，从而优化了性能. ...

A survey on consensus mechanisms and mining strategy management in blockchain networks

2019

Formal modeling and verification of a federated byzantine agreement algorithm for blockchain platforms

2019

An overview of blockchain technology:architecture,consensus,and future trends

2017

HotStuff:BFT consensus in the lens of blockchain

2019

Libra critique towards global decentralized financial system

2019

Proof of activity:extending bitcoin’s proof of work via proof of stake

... Hybrid 类协议是研究趋势之一.PoA[48]利用PoW产生空区块头，利用PoS决定由哪些节点进行记账和背书，其奖励由背书节点和出块节点共享.PeerCensus[49]由节点团体进行拜占庭协议实现共识，而节点必须基于比特币网络，通过 PoW 产出区块后才能获得投票权力.ByzCoin[50]利用PoW的算力特性构建动态成员关系，并引入联合签名方案来减小PBFT的轮次通信开销，提高交易吞吐量，降低确认时延.Casper[51]则通过PoS的股份决定节点构成团体并进行BFT共识，且节点可投票数取决于股份. ...

Bitcoin meets strong consistency

Enhancing bitcoin security and performance with strong consistency via collective signing

2016

Casper the friendly finality gadget

Bitcoin and beyond:a technical survey on decentralized digital currencies

2016

... 侧链（side-chain）在比特币主链外构建新的分类资产链，并使比特币和其他分类资产在多个区块链之间转移，从而分散了单一链的负荷.Tschorsch等[52]利用Two-way Peg机制实现交互式跨链资产转换，防止该过程中出现双花.Kiayias 等[53]利用NIPoPoW机制实现非交互式的跨链工作证明，并降低了跨链带来的区块冗余.分片（sharding）是指不同节点子集处理区块链的不同部分，从而减少每个节点的负载.ELASTICO[54]将交易集划分为不同分片，每个分片由不同的节点集合进行并行验证.OmniLedger[55]在前者的基础上优化节点随机选择及跨切片事务提交协议，从而提高了切片共识的安全性与正确性.区别于 OmniLedger，PolyShard[56]利用拉格朗日多项式编码分片为分片交互过程加入计算冗余，同时实现了可扩展性优化与安全保障.上述研究可视为链上处理模型在加密货币场景下的可扩展性优化方案.实际上，链下处理模型本身就是一种扩展性优化思路，闪电网络[57]通过状态通道对交易最终结果进行链上确认，从而在交易过程中实现高频次的链外支付.Plasma[58]在链下对区块链进行树形分支拓展，树形分支中的父节点完成子节点业务的确认，直到根节点与区块链进行最终确认. ...

Non-interactive proofs of proof-of-work

A secure sharding protocol for open blockchains

2016

OmniLedger:a secure,scale-out,decentralized ledger via sharding

2018

PolyShard:coded sharding achieves linearly scaling efficiency and security simultaneously

A survey on the scalability of blockchain systems

2019

Scalable funding of bitcoin micropayment channel networks

2017

Making smart contracts smarter

2016

... 一方面，沙盒环境承载了区块链节点运行条件，针对虚拟机展开的攻击更为直接；另一方面，智能合约直接对账本进行操作，其漏洞更易影响业务运行，因此控制层的安全防护研究成为热点.Luu等[59]分析了运行于EVM中的智能合约安全性，指出底层平台的分布式语义差异带来的安全问题.Brent 等[60]提出智能合约安全分析框架 Vandal，将EVM 字节码转换为语义逻辑关，为分析合约安全漏洞提供便利.Jiang 等[61]预先定义用于安全漏洞的特征，然后模拟执行大规模交易，通过分析日志中的合约行为实现漏洞检测. ...

Vandal:a scalable security analysis framework for smart contracts

2018

ContractFuzzer:fuzzing smart contracts for vulnerability detection

2018

Decentralized user-centric access control using pubsub over blockchain

2017

... 智慧城市是指利用 ICT 优化公共资源利用效果、提高居民生活质量、丰富设施信息化能力的研究领域，该领域包括个人信息管理、智慧医疗、智慧交通、供应链管理等具体场景.智慧城市强调居民、设施等各类数据的采集、分析与使能，数据可靠性、管理透明化、共享可激励等需求为智慧城市带来了许多技术挑战.区块链去中心化的交互方式避免了单点故障、提升管理公平性，公开透明的账本保证数据可靠及可追溯性，多种匿名机制利于居民隐私的保护，因此区块链有利于问题的解决.Hashemi等[62]将区块链用于权限数据存储，构建去中心化的个人数据接入控制模型；Bao等[63]利用区块链高效认证和管理用户标识，保护车主的身份、位置、车辆信息等个人数据. ...

Pseudonym management through blockchain:cost-efficient privacy preservation on intelligent transportation systems

2019

Hosting virtual IoT resources on edge-hosts with blockchain

2016

... 边缘计算是一种将计算、存储、网络资源从云平台迁移到网络边缘的分布式信息服务架构，试图将传统移动通信网、互联网和物联网等业务进行深度融合，减少业务交付的端到端时延，提升用户体验.安全问题是边缘计算面临的一大技术挑战，一方面，边缘计算的层次结构中利用大量异构终端设备提供用户服务，这些设备可能产生恶意行为；另一方面，服务迁移过程中的数据完整性和真实性需要得到保障.区块链在这种复杂的工作环境和开放的服务架构中能起到较大作用.首先，区块链能够在边缘计算底层松散的设备网络中构建不可篡改的账本，提供设备身份和服务数据验证的依据.其次，设备能在智能合约的帮助下实现高度自治，为边缘计算提供设备可信互操作基础.Samaniego等[64]提出了一种基于区块链的虚拟物联网资源迁移架构，通过区块链共享资源数据从而保障安全性.Stanciu[65]结合软件定义网络（SDN）、雾计算和区块链技术提出分布式安全云架构，解决雾节点中SDN控制器流表策略的安全分发问题.Ziegler等[66]基于 Plasma 框架提出雾计算场景下的区块链可扩展应用方案，提升雾计算网关的安全性. ...

Blockchain based distributed control system for edge computing

2017

Integration of fog computing and blockchain technology using the plasma framework

2019

Blockchained on-device federated learning

2018

... 人工智能是一类智能代理的研究，使机器感知环境/信息，然后进行正确的行为决策，正确是指达成人类预定的某些目标.人工智能的关键在于算法，而大部分机器学习和深度学习算法建立于体积庞大的数据集和中心化的训练模型之上，该方式易受攻击或恶意操作使数据遭到篡改，其后果为模型的不可信与算力的浪费.此外，数据采集过程中无法确保下游设备的安全性，无法保证数据来源的真实性与完整性，其后果将在自动驾驶等场景中被放大.区块链不可篡改的特性可以实现感知和训练过程的可信.另外，去中心化和合约自治特性为人工智能训练工作的分解和下放奠定了基础，保障安全的基础上提高计算效率.Kim等[67]利用区块链验证联合学习框架下的分发模型的完整性，并根据计算成本提供相应的激励，优化整体学习效果.Bravo-Marquez 等[68]提出共识机制“学习证明”以减轻PoX类共识的计算浪费，构建公共可验证的学习模型和实验数据库. ...

Proof-of- learning:a blockchain consensus mechanism based on machine learning competitions

2019

基于命名数据网络的区块链信息传输机制

2018

基于命名数据网络的区块链信息传输机制

2018

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区块链是一种安全共享的去中心化的数据账本。区块链技术支持一组特定的参与方共享数据。借助过区块链云技术服务，可以轻松收集、集成和共享多个来源的交易数据。数据被细分为多个共享区块，并以加密哈希形式的唯一标识符链接在一起。

区块链通过单一信息源确保数据完整性，消除数据重复，提高数据安全性。

在区块链系统中，未经法定人数许可，数据将无法更改，这一特点有助于防范欺诈和数据篡改。换言之，区块链账本可以共享，但不能更改。如果有一方尝试更改数据，区块链所有参与方都将收到警报，知晓哪一方试图更改数据。

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区块链技术如何运作？

您可以将区块链视为交易的历史记录。每个区块都按顺序“连接”到前一个区块，并且在对等网络中不可更改记录。加密信任和保证技术将唯一标识符或数字指纹应用于每笔交易。

区块链具备信任、责任、透明和安全性。这使许多类型的组织和贸易伙伴能够访问和共享数据，这种现象称为第三方、基于共识的信任。

所有参与者都在一个不可否认的分散、高度可扩展和有弹性的记录机制中维护每笔交易的加密记录。区块链不需要任何额外的开销或中介。拥有去中心化的单一信息源，意味着在可能彼此不完全信任的各方之间执行可信业务互动的情况下降低成本。在大多数企业使用的许可型区块链中，参与者有权参与网络，并且每个参与者都维护每个交易的加密记录。

任何需要安全、实时、可共享的交易记录的公司或集团都可以从这种独特的技术中受益。没有单一位置可以存储所有内容，从而提高安全性和可用性，不会出现中央漏洞。

以下定义有助于您进一步理解区块链和区块链的底层技术以及使用场景。

去中心化信任：

很多企业之所以采用区块链技术而不是其他数据存储技术，主要原因就是区块链不依赖中央权威就能保证数据完整性，即基于可靠数据实现去中心化信任。

区块：

区块链顾名思义就是将数据存储在区块中，然后每一个区块都与前一个区块连接，组成链状结构。区块链技术仅支持添加（附加）新的区块，一旦添加到区块链后，您就无法修改或删除任何区块。

共识算法：

共识算法负责区块链系统内的规则执行。当各参与方为区块链设置规则后，共识算法将确保各方遵守这些规则。

区块链节点：

区块链节点负责存储数据区块，是区块链中的存储单元，可保持数据同步和始终处于最新状态。任意节点都可以快速确定是否有区块发生了变更。当一个新的全节点加入区块链网络时，它会下载当前链上所有区块的副本。而当新节点与其他节点同步并更新至最新的区块链版本后，它可以像其他节点一样接收任意的新区块。

区块链节点可分为两大类：

全节点存储区块链的完整副本。

轻节点仅存储最新区块且可在用户需要时请求较旧的区块。

区块链傻瓜宝典 (PDF)

三种区块链类型

公共区块链：

任何人都可以不受限制地加入公共或无许可区块链网络。绝大多数类型的加密货币都在由规则或共识算法控制的公共区块链上运行。

许可或专有区块链：

专有或许可区块链允许企业控制哪些人可以访问区块链数据，即只有获得授权的用户才能访问特定数据集。Oracle Blockchain Platform 就属于许可区块链。

联合或联盟区块链。

区块链网络的共识流程（挖掘流程）由一组预选的节点或预选数量的利益相关方密切控制。

区块链的优势 — 业务价值

未来几年，区块链技术应用有望大幅增长。它被普遍认为是一项极具革命性、颠覆性的创新技术，可通过卓越的效率、可靠性和安全性革新现有业务流程。

区块链技术可凭借强大的业务优势，从以下方面为企业赋能：

提供可靠的共享数据，在各方之间建立信任

消除数据孤岛，即通过去中心化的，在一个网络中共享并支持获许可方访问的账本将数据集成到一个系统中

为数据赋予高度安全性

降低对第三方中介的需求

创建可在所有参与方之间共享的实时、防篡改记录

参与方可确保商业流中产品的真实性和完整性

无缝跟踪和追踪整个供应链中的商品和服务

通过 Oracle Blockchain Platform 确保食品安全

区块链 IoT 合作伙伴关系

区块链已不再是一项新兴技术。事实上，区块链与人工智能 (AI)、物联网 (IoT) 以及机器学习等技术结合，继续推进解决方案并满足业务需求。这些关键技术合作关系可帮助用户从数据中获得重要洞察。

传统的 IT 系统无法处理来自 IoT 的海量数据。这种海量、高速、多样化的数据会导致企业系统不堪重负，导致无法基于可信数据及时做出合理决策。对此，区块链的分布式账本技术可通过更高的安全性和透明度来应对这些可扩展性挑战。

什么是 Hyperledger？

Hyperledger 是由 Linux 基金会启动的开源项目，旨在促进区块链技术全球协作，其主要目的是开发可解决企业可扩展性、性能和安全性问题的开源区块链实施。Hyperledger 拥有一个中立的开放成员社区，其中社区成员为 Hyperledger Fabric 积极贡献开发代码，而 Hyperledger Fabric 成为了许多企业区块链项目的基础。

Oracle 是 Hyperledger 成员，Oracle Blockchain 解决方案也基于 Hyperledger Fabric 构建，因此可充分利用开源力量，确保与核心协议互操作。

Hyperledger 生态系统实现增长

Oracle Blockchain Platform 入门

注：为免疑义，本网页所用以下术语专指以下含义：

Oracle专指Oracle境外公司而非甲骨文中国。

相关Cloud或云术语均指代Oracle境外公司提供的云技术或其解决方案。

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