2.1 区块链技术研究缘由

区块链之所以获得全球的关注，原因在于区块链技术可以带来社会迫切需要的去中介化信任机制，改变社会的各种应用的计算范式，并为社会带来巨大的效益。根据Gartner的研究预测，Blockchain将在未来5～10年迎来爆发式发展，并得到实际应用。图2-1为2016年7月Gartner发布的最新的未来技术的预测图，其中区块链技术（Blockchain）就包含在其中。为了让大家清楚为什么要研究区块链技术，首先让我们从分析区块链技术的第一个用例——比特币入手。对比特币的初步了解，将有助于我们了解区块链技术的重要性。

2.1.1 区块链用例描述：比特币

互联网上的电子商务，几乎都需要借助金融机构作为可信赖的第三方来处理电子支付信息。而比特币的出现，可以摆脱第三方的限制，完全依靠算法来确保交易的可靠性。它完全不同于传统的物物交换、基于金银的贵金属交换、基于政府信用背书的纸币作为流通货币的交换、基于政府信用背书的电子货币交换，而是完全依赖于算法本身的可靠性，将引领一种新的交易范式。

假设有A、B、C三个人正在使用比特币，并希望通过比特币进行交易。他们需要解决三个问题：第一是来源问题，即如何获得比特币；第二是解决怎么交易比特币问题；第三是怎么保证交易安全可靠，怎么确认获得的比特币是真的，也就是解决防伪防欺诈的问题。下面我们来看中本聪的设计是如何解决这些问题的。

1．怎么获取比特币（来源问题）

A、B以及C获取比特币的来源有两种途径，分别为：按照中本聪的想法，第一种方法可以比较形象地表示为挖金矿，自己当矿工，通过算力挖比特币；第二种办法是通过交易或者别人捐赠获得比特币。

（1）当矿工获取比特币

中本聪挖到了世界上第一个比特币区块，也被称之为“创世区块”，从而得到了50个比特币的挖矿奖励。每个区块（Block，账本）的创建者都将得到相应的比特币。就像现实世界中的矿产资源有限、矿的优劣程度也不同一样，中本聪对应制定了如下的挖矿规则：前21万个区块的初始值为50个比特币，即前面21万个区块的创建者每创建一个新的区块均可以得到50个比特币。这可以通俗地理解为前21万个区块为最优质矿。产生到第21万个区块之后，每个区块的创建者只能得到25个比特币。依此类推，第42万个区块创建后，区块里初始只有12.5个比特币。也就是说，随着优质矿被挖走，矿产质量越来越差，价值也越来越低。矿产终究有挖完的一天，所以最后比特币的钱总数会停留在2100万个。矿挖完了，但是交易永远都不会停止，因此，区块会不断地创建下去，只不过后面那些挖矿的人即使创建一个区块，也不会再得到比特币的挖矿奖励，但可以获取区块中所有交易的交易费用。

根据中本聪的设计，世界上约每10分钟就会产生一个新的区块，不管这个区块是否有交易，都会约每10分钟产生一个。如果有很多矿工想去挖矿（挖矿算力增加），则算法会动态地调高出块的难度来保证出块节奏稳定在大约10分钟出一块。所以，通过挖矿得到比特币不是一件十分容易的事情。如果在这十分钟内有1万人在挖矿，那也只有一个幸运者能够获得该矿，并得到系统所给予的挖矿奖励。当然，世界上发生在这10分钟内的大部分交易，会记在这个区块里面。到一定时间后（2140年），所有矿产都挖完了，后面每一次挖矿（创建Block）将不会有任何收益，这将会影响矿工的积极性。因此，中本聪也规定，对于一些非常复杂的交易会收取交易费，这个交易费用将会用于奖励挖矿者。这在一定程度上也提升了矿工的积极性。

回到前面的描述，A、B、C三人要想获得比特币，首先要成为矿工去挖矿，获得比特币系统给予他们的奖励（每挖出一个最优质矿将获得50个比特币，挖到一个次优质矿将得到25比特币，依此类推）。

（2）通过交易或者捐赠获得比特币

当然，要想获得比特币，去当矿工挖矿不是唯一的途径，也可以通过交易或者捐赠获得。假如B是一个猎人，A可以花0.5个比特币购买B的一头野猪，一旦这个交易完成，B就从A那里得来0.5个比特币。又如A有比较多的比特币，为了做慈善，可以为社会进行捐赠，比如给壹基金捐赠100个比特币等，这时候壹基金就从A那里获得了100个比特币。

2．怎么交易比特币

通过比特币进行交易，其实和传统的商品交易没有本质上的区别。唯一不同的是，通过人民币或者美元进行交易既可以通过电子形式（比如通过转账）完成，也可以直接使用钞票（人民币或者美元）去购买所需要的商品。而通过比特币进行交易，只能使用电子形式进行，也就是只能通过在账本中进行登记和计算的方式来完成交易。假如B有100个比特币，A有2000个比特币，A花了0.5个比特币从B那里购买了一头野猪，在账本中记录下了这笔交易。B的钱包就会根据账本信息在B的账户余额增加0.5个比特币，变成100.5个比特币；而A的钱包根据账本信息在A的账户余额减少0.5个比特币，变成1999.5个比特币。从这里可以看出，比特币所有的交易都体现在账本里面。

3．怎么确保交易安全可靠

现实中的面对面交易，一手交钱一手交货，只要钱不是假币，整个交易将会很顺利，并且双方都会很满意，可以马上完成交易。现实中的电子交易有中央银行的CA中心（国家机器）作为信用背书者，CA会确认电子交易双方的真实性（CA会证明A、B、C是实实在在存在的真实交易者），并且防止他们抵赖（比如：A下了购买B的野猪的订单，但是对购买行为不承认；或者B收到了A购买野猪的钱，但是不承认已经收到，拒绝通过物流运输野猪给A；等）。比特币交易系统不一样，它没有任何组织（欧盟发行的欧元）或者国家（美国发行的美元、中国发行的人民币）来背书，交易安全完全需要依靠技术手段本身来解决，比如依靠各种加密手段、验证手段、算法等。具体可以归纳为如下几点。

（1）如何确保比特币是真实的

比特币与现实中的美元或者人民币不一样。现实货币的真假可以通过银行或借助验钞机等方式来判别真假，而比特币是一种虚拟货币，无法通过识别水印或者特殊标记、制作材料等来进行判断，其真实性的判断依据是它的来源是否真实。人们获取比特币只有挖矿（创建账本）和通过交易或者接受捐赠获得两种方式。所以判断比特币是否真实，只需判断其是否有真实的来龙去脉，是否被“双花”过。比如在上面的例子中，当B获得A的0.5个比特币的时候，他怎么确认是真的呢？首先比特币区块链采用密码学的非对称加密公钥系统的签名来保证A的交易来自于A，同时A的比特币有来龙去脉。就像前节所述的，A的比特币要么是自己挖矿挖来的，要么是别人转给的，总之A的比特币不能凭空产生，其来源可以被验证。

（2）如何防止重复支付（“双花”）

在传统的面对面交易中，如果D只有1000元人民币，那么他用这1000元人民币购买了一个手机后，就不可能再用这1000元人民币去购买自行车，因为这1000元人民币在购买手机的时候就已经支付给了手机销售商。同样，在传统的电子商务交易中，如果D的电子银行账户中只有1000元人民币余额，那么当D在某个时间同时下单购买价值1000元人民币的手机和价值1000元人民币的自行车的时候，交易中心会确认哪一笔买卖在前、哪一笔买卖在后，如果购买手机的时间在前，交易中心会通知数据库转账1000元人民币给手机销售商的银行账户，通过数据库的锁定机制，钱就不可能再支付到自行车销售商的账号里，也就是说也不可能出现重复支付的问题。但是在比特币的交易系统里面，由于没有中心化信任机构，因此，交易需要广播给参与账本的所有人，需要所有人进行确认，这就需要一定的时间来完成。可能“D购买价值1000元手机”的交易还没有确认完，“D购买价值1000元的自行车”的交易就已经开始确认了。于是就有可能出现两笔交易同时有效的现象（即“双花”）。但实际上D只有1000元，却购买了价值2000元的东西。这是比特币交易体系里面一个不能容忍的现象，因此需要借助“共识机制”来解决该类问题，从而确保交易的先后顺序、确认哪一笔交易是有效的，等等。比特币采用工作量证明机制来保证不能出现“双花”。B只要看到A转给他的0.5个比特币有6个以上的区块进行了确认，就可以有很大把握确认这0.5个比特币不可能被A“双花”。

2.1.2 区块链需要研究哪些关键技术

区块链将成为未来计算范式的一个基石。为了促进区块链技术的发展，到底需要研究哪些关键技术呢？通过前面的分析，我们对区块链有了一个大概的了解，区块链关键技术的研究应该包含如下几个方面。

（1）区块链共识机制

为了确保交易的有效性，区块链主要是通过交易参与者对账本中交易的统一确认来完成的。因此需要研究不同的应用场景所需要的各种共识机制，比如，也有解决强一致性问题共识机制，也有解决“最终一致性”问题的共识机制，如工作量证明PoW、权益证明PoS、股份授权证明DPoS等。目前，各种共识机制都存在缺点，例如比特币的PoW机制存在高耗能、无用功和性能低下的问题，而PoS则存在安全性低的问题。随着应用的不断丰富以及复杂化，如何寻找满足各种不同应用场景需求的，更高效、更安全的共识机制是业界需要持续关注的问题。

（2）区块链的安全与隐私保护技术

与传统的计算范式完全不同，区块链不再借助中心化机构来确保信用可靠，其安全性完全通过技术手段来解决。因此，研究区块链的安全性保障显得至关重要，包括数字加密技术、数字签名、身份认证、授权鉴权、隐私保护、审计追溯、防止网络安全攻击等技术。

（3）区块链的存储技术

区块链是一个由众多的区块（Block）组成的相互关联的账本链。随着区块链数据的增加，区块链的数据如何在云计算环境下进行高效存取，如何确保存储与计算效率，存储在文件系统还是数据库，如何存储在分布式数据库或者分布式文件系统，如何提升区块链的查询效率，什么数据存放在链上、什么数据存放在链下的数据库，如何压缩区块链的数据以节省空间等问题，都是区块链存储必须关心的问题。

（4）区块链的通信技术研究

区块链主要是运行在分布式环境下。如何高效地同步数据？如何提升通信的可靠性？如何防止DDoS攻击？如何提升广播效率？如何对通信进行有效验证？这些问题都是区块链在通信过程中需要研究的。

（5）区块链的智能合约

最主要的是要研究提供智能合约的计算引擎，通常是虚拟机的技术。这其中包括虚拟机的效率、安全机制、图灵完备性、高级语言编译器、智能合约形式化证明、智能合约的升级、治理机制等。随着区块链3.0应用的需要，还需要研究能够满足人类社会管理所需的、更为复杂的、具有语意功能的复杂应用算法库以及算法组合机制等。

（6）区块链的应用体系

比特币是区块链技术的一个成功应用，但它仅仅是一种虚拟货币支付体系的应用。其实区块链技术还可以应用到社会的各个方面。区块链技术发展可以分成三个阶段：1.0阶段、2.0阶段和3.0阶段。这些在第1章有过讲解，这里不再赘述。

（7）区块链技术标准

一项技术要想实现产业化，形成生态产业链，标准化是其必经之路。区块链技术也不例外。目前区块链技术在国内外尚未形成统一的标准。区块链技术及其具体的应用过程会涉及各种技术标准，逐步开发与区块链相关的技术标准，将有助于实现区块链技术的成熟，从而令它成为一个可以工业化、可以应用到实体经济的、真正意义上的实用技术。