区块链：起源、原理及应用_有了区块链之后,当一个用户想要进行历史交易的验证时,可以通过一系列基于密码学与

【下图】比特币区块链交易的具体流程示意

区块链技术作为比特币的基础性技术，具有高度透明、去中心化、去信任、集体维护（不可更改）、匿名等性质。这些性质体现了分布式自治的理念，逐渐受到拥有创新意识的金融机构的广泛关注。DAC（Distributed Autonomous Corporation）翻译为分布式自治机构。所谓DAC，就是通过一系列公开公正的规则，以无人干预和管理的情况下自主运行的组织机构。这些规则往往会以开源软件的形式出现，每个人可以通过支付手段获得不定形式的回报，分享收益，参与系统的成长。比如，比特币、纳斯达克的新平台以及其他应用就是典型的DAC。

自2009 年中本聪提出比特币概念，比特币起初因为其高度的隐蔽性和不可追踪性受到了“黑市丝绸之路”用户的青睐，后期又频繁被当作赎金来使用。虽然博得了眼球，但比特币至今仍没有成为一种主流货币，过高的波动性和各国监管层对其复杂的态度抑制了比特币的发展。但其背后的数据结构—区块链却得到了快速的的发展。作为一种基于开源软件和建构上的P2P网络，在和货币相关的例如交易支付等领域，相比传统网络的支持方式，区块链可以为这些领域带来多种优秀特点。这些优点包括：去中心化、无须信任系统、去中介化、不可篡改、加密安全性。这些优点的叠加可以解决两个长期存在于加密数字货币行业的问题：“双花”问题和“拜占庭”将军问题。

去中心化：区块链是一个由各矿工节点记账维持，并储存在全球范围内各个去中心化节点的公开账本，因为每个节点和矿工都必须遵循同一记账交易规则，而该规则基于密码算法而非信用，同时每笔交易需要网络内其他用户的批准，所以不需要一套第三方中介结构（比如说银行）或信任机构背书。在传统的中心化网络中，对一个中心节点（例如支付中介第三方）实行有效攻击即可破坏整个系统，而在一个去中心化的例如区块链的网络中，攻击单个节点无法控制或破坏整个网络，掌握网内50%的节点只是获得控制权的开始而已。

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，因此其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。与之相反，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。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很容易被追溯，导致被其他节点的排斥，从而限制了相关不法行为的产生和施行。

“双花”问题：加密数字货币和其他数字资产一样，如同可以将一个文件以附件形式保存并发送任意多次，具有无限可复制性的缺陷。如果没有一个中心化的机构，我们无法确认一笔数字现金或资产是否已经被花掉或提取。为了解决“双花”问题，可以信赖的第三方需要保留交易总帐从而保证每笔现金或资产只被花费或提取过一次。在区块链中，每一个区块都包含了上一个区块的哈希值，从创始区块开始连接到当前区块从而形成块链。每一个区块都要确保按照时间顺序在上个区块之后产生，否则前一个区块的哈希值是未知的。同时，由于区块链中所有交易都要进行对外广播，所以只有当包含在最新区块中的所有交易都是独一无二且之前从未发生过，其他节点才会认可该区块。因此在区块链中，“双花”变的非常困难。

“拜占庭将军”问题：拜占庭问题的核心问题是当战场上多个将军互相并不信任彼此（存在叛徒）时，互相相隔甚远无法碰头，但却要保证进攻时间一致，所以某种分布式远程协调沟通机制尤为重要。如果每个将军向其他九个将军派出一名信使，也就是10 个将军每个派出了9 名信使，即为总计90 次的传输，每个将军会分别收到9 条信息，可能每一封都附着不同的进攻时间。此外，部分将军会答应超过一个的攻击时间，故意背叛发起人，所以他们将重新广播超过一条的信息链。这个系统迅速变成不可靠信息和攻击时间相互矛盾的混合体。区块链通过为发送信息加入了成本，也就是基于计算一个随机哈希算法得到遗传64 位的随机数字和字母组成的字符串的“工作量证明”，并加入了一个随机元素以保证在一个时间只有一个将军可以进行广播，解决了这个问题。

【下图】区块链技术的特点

区块链的原理：去中心化的分布式记账系统

区块链技术的核心是所有当前参与的节点共同维护交易及数据库，它使交易基于密码学原理而不基于信任，使得任何达成一致的双方，能够直接进行支付交易，不需第三方的参与。

从技术上来讲，区块是一种记录交易的数据结构，反映了一笔交易的资金流向。系统中已经达成的交易的区块连接在一起形成了一条主链，所有参与计算的节点都记录了主链或主链的一部分。一个区块包含以下三部分：交易信息、前一个区块形成的哈希散列、随机数。交易信息是区块所承载的任务数据，具体包括交易双方的私钥、交易的数量、电子货币的数字签名等；前一个区块形成的哈希散列用来将区块连接起来，实现过往交易的顺序排列；随机数是交易达成的核心，所有矿工节点竞争计算随机数的答案，最快得到答案的节点生成一个新的区块，并广播到所有节点进行更新，如此完成一笔交易。

【下图】区块和区块链的组成

【下图】交易实现、区块链形成的步骤

区块链本质上是一个去中心化的巨大账本数据库，作为比特币的底层技术，区块链是由一串使用密码学相关联所产生的数据块组成，每一个数据块中包含了多次比特币网络有效确认（一次有效交易检验被称为一次确认）的信息。随着交易不断产生，矿工不断验证交易创造新的区块来记录最新的交易，这个帐本会一直增长延长。这些区块按照时间顺序线性补充到原有的区块链上。每一个节点（每台通过钱包的客户端口连接到区块链网络上的电脑）都有一份完整的已有区块链备份记录，而这些都是通过进行数据验证算法解密的矿工网络自动完成。区块链上保留有所有关于每个节点和节点上比特币余额的信息，这些信息也被记录在完整的区块链上。公共式区块链帐本完全对外公开，这意味着区块链信息可以通过特定地址在区块链浏览器上（例如www.blockchain.info）进行查询。

新区块的生成将奖励矿工新的电子货币，还可以通过设置交易费用来奖励挖矿这种提供算力的行为，系统通过这样的方式完成电子货币的发行，这也让矿工有利可图，成为了矿工挖矿的主要动机。

有了区块链之后，当一个用户想要进行历史交易的验证时，可以通过一系列基于密码学与数据结构学的运算追踪交易所属的区块，从而完成验证。此外，对于随机数答案难度的调整可以控制新区块的生成速度；私钥的保密性可以保证和实现匿名交易；对于历史交易数据的剪枝可以实现硬盘空间的回收：经过中本聪的测算，经过完全剪枝的区块链数据一年只生成4.2MB的数据量。

区块链的硬件：挖矿提供强大的计算能力支持与安全保证

区块链系统同任何一个数字系统一样，都离不开计算机硬件的支持。去除了第三方机构的同时，也无法得到第三方机构提供的硬件支持。区块链集体记账的特点要求每个支持交易的节点都能够为系统提供计算能力，由此提出了一种鼓励节点竞相提供计算能力的机制——挖矿。

每个节点接收到交易信息以后，生成新的区块并计算该区块的随机数答案，最快得到答案的节点将促成这笔交易的实现，完成交易的区块记录，并将该区块广播至所有节点。同时该节点将有可能获得一枚新的电子货币作为奖励。由于其过程很像矿工挖矿，因此节点提供算力的过程也叫作挖矿。通过挖矿，可以强制性保证块链中的数据按时间顺序存储，保持比特币网络的中立性，且允许比特币网络上不同的计算机对系统状态达成一致。

【下图】第三方机构支持的硬件系统与区块链硬件系统的对比

2016年1月，支持比特币运行的区块链的计算能力已经达到了800,000,000Gh/s，代表每秒能够进行8×10[18]次运算，全球Top500的超级计算机的算力加在一起都远远不及这个数量级。区块链矿机网络的强大运算能力也让人们认识到区块链技术背后群体力量汇聚之后的超级力量。

区块链系统的安全性是通过挖矿形成的强大算力保证的。由于每笔交易都是通过盖时间戳的方式顺序链接的，当一个人想要伪造一笔交易时，他不仅需要伪造该笔交易对应的区块，还需要伪造该区块之后所链接的所有区块。如果伪造者计算机的算力不能支持它伪造区块的速度超过区块链增长的速度，那么伪造的区块就马上会被发现并被弃用。

【下图】比特币区块链的计算能力

中国东北的一家挖矿工厂拥有2500台矿机，每个月支持矿机计算的电费就达到了40万人民币，尽管工厂内有制冷系统，但是室内温度还是达到了40度。随着区块链矿机网络计算能力的增强，矿机挖矿的难度也在增大。挖矿行业已经成为了一个完全竞争的市场，挖矿的难度和中彩票相当，没人可以轻易地、连续地将新块加入到块链中。同时，这也意味着区块链的安全性越来越高，通过伪造区块的方式伪造交易变得几乎不可能。2014年的CES展会上，蝴蝶公司展示了最新的挖矿机，该机器的运算能力达到了600GH/s。

【下图】左-东北一家挖矿工厂；右-2014年CES 展会上展出的挖矿机

区块链是群体智慧、互联网思维的技术实现

区块链所指代的两个概念容易让人混淆：一是支持比特币运行的区块链，该区块链在2013年9月就达到了1PH/s的计算能力，意味着它成为了全球最大的算力网络，它的强大算力体现了群体智慧的力量；二是根据区块链技术重新构建的区块链，这个区块链可能是私有的、部分公开的或是完全公开的。

节点的竞争式计算实现了群体智慧的生物逻辑

1994年，凯文?凯利的著作《失控》首次出版，外界评价它为互联网发展的“先知预言”。书中描述的一个重要观点是：蜂群、蚁群等生物群体是由单个生物组成的“超级有机体”，单个生命体的智慧虽然微乎其微，但是其汇聚形成的“超级有机体”的群体智慧力量大到能够覆盖并维系整个族群生活的方方面面，保证种群的繁衍。

群体智慧就是这样一种大自然赋予的生命逻辑，群体通过一种简单的规则联系起来，每个个体看似微不足道，但是汇聚起来的智慧和力量却无比强大，往往强大到能够超越种群自身智力上或身体结构上的限制，整个系统的运行看似混乱却保持着惊人的和谐。长久以来，人们利用自然逻辑创造机器、输入机器、产生灵感的例子，已经不胜枚举，如根据蝙蝠超声定位发明了超声波雷达，根据鸟飞行的姿态发明了飞机等等，又如根据生物的神经网创造的人工神经网络，根据细胞的排列创造的元胞自动机等等。群体智慧同这些应用一样源于自然，不同的是，群体智慧更多的是一种创新的哲学，是“长尾理论”“共享式经济”“互联网思维”等思想和理论的基础：即去中心化，强调共享，强调群体自身的智慧与力量。

【下图】从自然现象中启发的创新思想

在虚拟的数字世界中，“机器的智慧”体现在计算能力上。区块链技术中节点的集体竞争式计算由于其独特的计算方式（不断生成随机字符串直到获得正确答案），因此竞争式的计算也能达到分布式计算所产生的合作效果，单个节点的计算能力得以汇聚成系统的超强计算能力。2016年比特币的区块链的计算能力已经达到了每秒能够进行8×10[18]次运算，而号称世界运行最快的计算机，美国用于核武器研发的蓝色基因/L超级计算机每秒能进行2.8×10[14]次运算，区块链的计算能力约为世界上最快的单台计算机的计算能力的28,000倍。

区块链的集体式计算从技术上实现了群体智慧的逻辑，由个体汇聚而成的“超级计算系统”的计算能力超越了个体的限制。有技术人员甚至认为，互联网时代将从以信息为基础的“数字时代”进入以算力为基础的“计算时代”。

区块链技术的应用体现了互联网思维的新高度

近几年，国内掀起了互联网投资热潮，互联网各个领域的创业项目层出不穷，根据CVSource投中数据终端显示，2015年互联网行业融资案例1,105例，其中披露金额286.14亿美元，环比增长316.28%。2014年7月，中国国务院颁布了《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》把“互联网+”列入“十三五”规划产业的发展主线，提出拓展网络经济空间，发展分享经济，促进互联网和经济社会融合发展。实施国家大数据战略，推进数据资源开放共享。

“互联网思维”最早由百度公司提出后，其对于产品的创新和指导意义越来越多的被业界、学者所认可，“互联网思维”这个词也演变成了多个不同的解释。任何一种解释，都会强调互联网思维中最重要的三个方面：“开放式”“自主化”“体验化”。区块链技术的 “去中心化”“高度透明”“集体维护”正好体现了“开放式”“自主化”的互联网特征。

与之前国内外的一些互联网产品重视互联网思维在功能创新上的应用不同，区块链是从底层技术上对于互联网思维的一种应用，目的是从互联网的生态逻辑层面承载更多功能，而不是简单创造更好的用户体验吸引更多用户，颠覆性更强，受益范围更广。

【下图】区块链与普通互联网创新的对比

区块链技术的创新和应用

按时间顺序记录事件的特点创新了数据库的形式

从应用角度看，区块链技术是维护一个不断增长的数据记录的分布式数据库技术，数据除了交易数据还可以有其他表现形式。区块链集体维护数据库的技术特点，不同于以往任何一种数据库形式。以往的数据库可分为关系型数据库和非关系型数据库（NoSQL），两者各有特点：关系型数据库是最原始的数据库形式，是基于实体关系模型建立的，代表有Oracle、MySQL、Microsoft SQL Server等；随着WEB2.0和SNS的兴起，传统关系数据库在处理数据上暴露了很多难以克服的问题，而非关系型的数据库由于其自身的特点得到了迅速发展，代表有Hbase、MongoDB、oracle BDB等。区块链对于数据库的创新不同于以往任何一种数据库形式，它是一种分布式的、集体维护的、按照时间顺序将事件数据排列的“时间轴数据库”。

【下图】数据库技术的发展及其特征

区块链在多个领域存在颠覆式应用价值

经历多年的发展，区块链技术发展日新月异，区块链已经超越了数字货币领域，在多个方面都拓展出了其独特的应用价值，并且已经表现出了可以重塑社会各个方面及运作方式的潜力。根据区块链科学研究所(Institute for Blockchain Studies)创始人Melanie Swan（梅兰妮.斯万）的观点，目前由区块链技术所带来的已有和将有的革新主要分为三类：区块链1.0、2.0、以及3.0。1.0对应的是数字货币，这方面的应用和现金有关，包含例如货币转移、汇兑和支付系统等。2.0 对应的是智能合约，这方面的应用主要在经济、市场、金融领域等，但其可延伸范围比简单的现金转移要宽广，可以涵盖例如股票、债券、期货、贷款、按揭、产权、智能合约和智能合约等。3.0 则对应的是超越货币、金融、市场以外的应用，主要在政府、健康、科学、文化和艺术方面。

比特币所需颠覆的是央行的货币发行权和主权国家对货币的控制权，我们认为货币发行替代官方货币方面，比特币区块链会面临不可逾越的限制。同时因为隐蔽性强、不可追踪的特点，比特币往往和外汇转移、恐怖组织融资、逃税等有紧密联系。这种联系也让各国监管层对其颇为警惕。从创立初至今比特币持续的高波动性也不利于其成为一种稳定的储蓄性货币。但我们认为，基于比特币区块链上衍生出的货币转移、汇兑和支付等1.0技术，因为可以解决目前很多现有相关运营模式的痛点，会在政府监管下获得持续发展，甚至被政府所采用以提升效率。同时，各大咨询公司的分析和产业内投资的趋势表明，近年来产业内已经将区块链技术和比特币分离，投入了更加独立的关注、分析、发展、和推广。智能合约相关技术的发展更是迅速，成为了业内公认区块链通往未来颠覆性创新的钥匙。区块链2.0应用的核心在于智能合约，随着智能合约的发展加快，区块链技术在物联网、金融市场交易、网络安全、公共记录、金融市场等多个领域会大显身手，改进目前各个领域的服务流程，甚至颠覆这些行业内的传统商业模式。

【下图】超越货币领域的部分区块链应用

区块链技术可以全方位改善金融市场环境

除了为比特币数字货币提供交易平台以外，区块链技术可以大幅改善，甚至颠覆现有数字货币以外的各种资产交易系统，在例如金融衍生品、外汇、私人股权、能源信用挂钩投资品等资产的清算结算等交易后市场程序中大显身手。区块链技术可以为这些市场程序带来更快的速度，更短的结算周期，更低价的费用，以及更强的安全性。

更快的速度方面：目前美国证券市场内普遍的结算审核所需时间是2到3天，区块链技术的应用有望将结算审核时间从小时级降低至分钟级、甚至是秒级，从而将结算风险降低99%，同时降低资金成本和系统性风险。区块链中交易确认和结算为同时进行，节点交易受系统确认后自动写入分布式账本，并同时更新其他所有节点对应的分布式账本，自动化的运作机制可以大幅缩短结算所用周期。

更低的费用上：在目前的结算机制下，要想达到更短的结算周期，大幅增加的结算成本和初始投入开支是必须。根据美国托管信托和清算公司（DTCC）和波士顿咨询（BCG）的测算，如果将美国证券市场内交易所结算常规周期从T+3变为T+2，初始投资需要5.5亿美元，3年的投资周期内部收益率为18%。如果将结算周期从T+3变成T+1，初始投资需要17.7亿美元，5年的理想化（交易量持续增加）投资周期内部收益率为14%。区块链技术的出现为更加效率快速缩减结算周期提供了可能。缩减交易中间程序方面，根据奥纬（Oliver Wyman）的估算，目前数字证券（例如OTC权益）全球每年交易流程各种中间人程序加总要浪费650 到800亿美元，区块链可以大幅省去类似中间程序，从而节省大笔费用，而这笔巨额费用就是相关区块链产业的市场空间。

安全性方面：除了更快的处理速度，更短的清算周期降低了风险以外，区块链技术融入智能合约技术，可以程序化处理复杂的衍生品交易，将清算变的更为标准化、自动化。区块本身时间线形堆进的特点可以帮助监管层鉴别发现违规操作，同时智能合约可以将合规检查变自动化，从清算之初就将违规的可能性降为最低。区块链技术24小时不间断运转的特点也可以将泛州间交易所数据互换处理变得更为稳定和值得信赖。近日，韩国交易所（KRX）宣布将创建一个使用区块链技术的场外交易平台(OTC)，交易所代表称，“交易所希望这个系统有助于场外交易商节约成本和减少寻找交易对手的精力花费，从而让交易更便捷。”

除了证券交易结算以外，区块链还可以用来注册并发行数字资产拥有权。目前，纳斯达克正在和Chain 进行紧密的合作，利用区块链技术建设私有公司股权交易系统，发行和转移私有公司的股票份额。之所以选择从私有股权交易系统开始，主要是因为私有股权的发行和交易目前仍主要依赖于人工（律师）的手动处理（Excel），区块链技术可以大幅提升程序自动化。智能合约则可以将众多复杂的衍生品交易条款写入区块链技术支持的注册发行程序中，当交易发生时区块链网络可以迅速地进行正确执行。许多其他交易所，例如纳斯达克的竞争对手纽交所目前也对区块链技术表达出了浓厚的兴趣。“区块链技术，不断重新定义的不仅仅是发行交易领域的运作方式，同时还有整个全球金融经济体系。纳斯达克的目标是在这一转折点式的发展机遇中，充当重要角色”— 纳斯达克CEO Bob Greifeld如是说。2015年11月，纳斯达克和Chain合作的区块链技术新项目Linq 已利用基于区块链的发行交易平台完成了第一笔私募股权交易。

原文http://blog.163.com/chengaoming266@126/blog/static/2708303520165138594897/