区块链现状与未来发展趋势

山东省农村信用社联合社 刘文杰 刘保汛 刘亚军

0 引言

从2013年到2015年，网络犯罪的成本翻了两番，但大部分网络犯罪并未被发现。高德纳报告称，到2019年，网络犯罪的成本预计将达到2万亿美元。对于世界上所有公司来说，网络犯罪有可能成为最大的威胁。2014年渣打银行(Standard Chartered)在中国青岛的一宗欺诈案中损失了约2亿美元。银行和金融机构使用基于区块链的技术来降低风险和防止网络欺诈。例如，渣打银行正在与星展集团（东南亚最大的银行）合作开发一个使用区块链的电子发票分类账。纳斯达克(Nasdaq)宣布推出基于区块链的数字分类技术的计划，该技术将有助于提高其股票管理能力。

区块链可以在物联网和智能系统的开发中发挥关键作用，因为我们可以通过跟踪记录交换的数据来跟踪单个设备的历史。它可以使智能设备充当独立代理，可以自动执行多个事务[1]。例如，智能家电与其他的家用电器竞争，能够使洗衣机、恒温器、洗碗机和智能照明在适当的时间运行，以尽量减少当前电网价格的电费。

1 区块链的相关介绍

1.1 区块链

区块链是一个事务数据库，它包含了过去执行的所有事务的信息，使用的是比特币协议。它创建了数字分类账的交易，允许网络上的所有参与者以一种安全的方式编辑分类账，并且在分布式网络上共享。

区块链元数据通过比特币核心客户端[2]存储在谷歌的数据库(LevelDB)中。如果将区块链假设为垂直栈，将块放在彼此的顶端，那么最底部的块将作为堆栈的基础。块与块之间是相互链接的，后一个块指向链中的前一个块。单个块由哈希标识来区分，该哈希值使用安全加密哈希算法(SHA-256)生成。一个块只有一个父节点，但是可以有多个子节点，每个子块引用同一个父块，因此在前面的块哈希字段中包含了相同的哈希值。每个块在其自己的标识中包含父块的哈希值，从而将单个块与父块链接起来的哈希值序列创建了一个指向第一个块的大链，这就称之为创世区块。

在区块链中，2009年创建的第一个块被称为“创世区块”。它是所有新创建的块的共同祖先，如果向后遍历，将在最后到达创世区块。创世区块被编码在比特币客户端软件中，不能被篡改。所有节点都知道生成块的哈希值和结构。在比特币核心客户端中，可以看到静态编码的创世区块，可以查找精确的块哈希值。创世区块的一些细节，包括最新交易和所有新创建的块、高度、它的下一块以及字节的大小等[3]。

1.2 比特币

1.2.1 比特币

比特币是一种分散的加密货币，由系统中所有参与节点按规定的速率生成。一段时间内产生的比特币链被称为区块链。它可以用来搜索在比特币地址之间的网络上发生的任何过去的交易。当创建一个新的事务块时，它就会被添加到区块链。新的交易记录不断被添加到比特币的公共分类账中，这个过程被称为比特币挖掘，即为“挖矿”。

比特币的认证性是指，BitID是一种分散式认证协议，允许用户与比特币进行连接。BitID使用比特币钱包和二维码提供服务或平台接入点。比特币具有完整性和不可抵赖性，完整性是指比特币使用数字签名，保证交易不能在以后进行修改，确保其完整性。不可抵赖性是指发送消息的人必须持有私钥，因此拥有比特币，发送方需要在前面的哈希值和目标公钥上签名。

比特币优点：一是快速和便宜，使用比特币钱包进行的交易速度很快，交易费用也很低；二是去中心化即为分散的注册表，比特币是分散式的，没有中介完全控制，因此中介或银行无法将比特币从你手中夺走，也没有任何退款；三是具有安全支付信息，比特币交易使用公钥和私钥，当一个比特币被发送时，该事务将由公共密钥和私有密钥共同签署，从而创建一个证书。

1.2.2 工作流程

比特币交易使用的是椭圆曲线数字签名加密算法(ECDSA)，以确保只有合法拥有者才能获得资金[4]。当一个比特币被发送时，它会附加新的所有者的公钥即交易信息并且签署发送者的私钥。发送方的消息签名来验证此消息是真实的，并且每个人都保留了事务历史记录，因此可以很容易的验证消息的真实性。每个比特币都与当前所有者的公共ECDSA密钥有关。比特币交易所是连接互联网的机器，它允许把现金作为纸质收据或将钱转移到区块链上的公钥来交换比特币。它使用非对称加密算法来加密和解密数据，如图1所示。首先通过操作系统产生256位的随机数作为私钥，比特币私钥用256位的二进制形式来表示，利用哈希算法SHA-256以及Base58进行转换。然后形成长度为50个字符的私钥给用户，比特币公钥则运用椭圆曲线算法Secp256k1得到65个字节的随机数，公钥生成比特币的交易地址的运算过程为：利用哈希算法SHA-256 以及RIPEMD160生成摘要结果即含有20字节长度的hash160结果，然后利用SHA-256 哈希算法，Base58转换成比特币地址，该地址含有33 字符的长度[5]。

图1 比特币非对称加密运算过程

比特币交易不需要第三方，因为它公开发行了区块链的分类账。用户使用计算机运行相应的软件，称为比特币矿商，最终形成一个网络来维护区块链。在网络上运行软件的所有计算机都在竞争解决密码难题，其中包含来自多个交易的数据。第一个解决难题的矿工可以得到一些新的比特币，并且相应的事务块被添加到现有的区块链。每个难题的难度水平与比特币矿商的数量成正比。因为比特币的货币基础无法扩大，因此比特币一旦被广泛使用，将经历严重的通货紧缩[6]。

1.2.3 比特币的先进性

首先是多重签名特性，比特币交易使用的是基于堆栈，由左向右处理的一种脚本语言。比特币网络的标准交易被称为单个签名交易，因为它只需要所有者的其中一个签名，但是比特币也支持复杂的交易，需要多于一个人的签名，所以它支持多重签名事务。然后是锁定时间特性，它使得交易在某个时间之前不允许进入网络。例如微支付通道，就同时使用了多重签名以及锁定时间技术。比特币的多重签名钱包也有可能增加资金的安全性，能够应用于多种场景，比如公司治理、资产管理以及担保决策等。

比特币交易需要一个时间窗口，才能确认这是一个事务，现在比特币交易有望从数字货币中快速交易。使用标记地址也称为绿色地址方法，该方法可以减少对比特币交易的确认时间。标记地址使用比特币自己的通信通道时，各方可以建立信任。在一个大型的点对点网络中使用了拜占庭共识协议[7]，网络中的所有进程都应该达成一致。

2008年，中本聪发明了比特币协议，描述了比特币数字货币的设计，发表了《比特币:点对点电子现金系统》的研究论文[8]。在文中讨论了在不通过金融机构渠道的情况下，直接从一方到另一方的点对点电子现金转移。以太坊是一个基于公共区块链的分布式计算平台，能够运行智能应用程序，不需要停机或者第三方干扰。以太坊提供了一种分散的虚拟机，称为以太坊虚拟机(EVM)，它可以使用一种名为Ether的加密货币来执行点对点协议[9]。

2 区块链的发展

普华永道(PwC)的报告显示，区块链正在以前所未有的速度被探索和采用。在2016年的新兴技术报告中，Gartner提出了技术成熟度曲线，如图2所示，区块链处于技术萌芽期，现在已经达到了所膨胀预期的顶峰值，但是区块链成为主流应用仍然需要5到10年的发展时间。

图2 技术成熟度曲线

区块链将多个事务存储在一个集中的分布式账簿中，所有的参与方和活动都可以通过一个分散的网络进行管理。在市场上有数十种发行分类账的产品，目前比特币最受欢迎。纳斯达克宣布推出区块链数字账簿技术计划，该技术将有助于扩大和增强其股票管理能力。Bitfinex是总部位于香港的世界领先的比特币交易所，该交易所是最先进的加密货币交易所之一，提供融资融券交易、高级订货单类型以及低风险回报的保证金融资[10]。

3 结束语

如图3所示，目前金融市场与区块链的结合，主要集中在清算和结算、股票和债券发行、支付、以及参考数据四个领域，可以自发的产生企业征信，记录整个金融过程，提供统一的凭证，所以区块链金融市场前景广阔。

图3 区块链金融应用示意图

区块链可以作为一个分类账或记录员来处理由物联网产生的数十亿的交易。区块链通过点对点的分散化机制，改变了金融底层的基础服务架构。区块链在技术层面上实现了去中心化的信任，解决了各方交易的信任问题。区块链具有P2P消息传递协议和安全共享分布式数据，能够促进价值交换互联网数字货币的发展。

区块链有可能重塑资本市场行业，对商业模式产生影响，能够降低风险、节省成本和资本[11]。采用区块链技术将会有显著的好处，并减少财务机构需要维护的账簿的数量，并确保更精确的审计跟踪。随着设备成本的不断下降以及计算能力的飞速提高，在物联网和提供安全等方面，区块链将会有很大的发展前景。

[1]梅兰妮·斯万.区块链——新经济蓝图及导读[M].北京：新星出版社,2016.

[2]郁莲,邓恩艳.区块链技术[J].中国计算机学会通讯,2017,13(5)：10-15.

[3]Rodrigues R,Druschel P.Peer-to-peer systems[J].ACM,2010,53(10)：72-82.

[4]Don Johnson,Alfred Menezes.The elliptic curve digital signature algorithm(ECDSA)[J].International Journal of Information Security,2001,1(1)：36-63.

[5]陈华锋.高速SHA-256算法实现[J].浙江大学学报(理学版),2009(6).

[6]Blockchain Monitoring Website[OL].available：https：//blockchain.info/,January 8,2016.

[7]范捷,易乐天,舒继武.拜占庭系统技术研究综述[J].软件学报,2013,24(6)：1346-1360.

[8]Nakamoto S.Bitcoin：a peer-to-peer electronic cash system[OL].available：https：//bitcoin.org/bitcoin.pdf,2009.

[9]Ethereum White Paper.A next-generation smart contract and decentralized application platform[OL].available：https：//github.com/ethereum/wiki/wiki/WhitePaper,November 12,2015.

[10]庄晔.区块链技术对金融业的主要潜在影响[N].环球市场信息导报,2016,5(25).

[11]徐明星.区块链重塑世界经济[M].北京：中信出版社,2016.