区块链技术的原理、现状及未来前景介绍

区块链技术的原理、现状及未来前景介绍

区块链技术作为金融科技领域的一项重要创新，自2009年比特币诞生以来，经历了从数字货币到分布式账本技术的快速发展。本文将从记账科技的千年演化讲起，深入探讨区块链技术的诞生背景、发展历程及其在各个领域的应用前景。

记账科技的千年演化

记账科技的发展历程可以追溯到公元前3500年，经历了从简单账本到复式账本，再到数字化账本和分布式账本的演变。这一演变过程与人类文明的发展密不可分，特别是在商业贸易、计算技术、数据处理和分析手段等领域取得了重大突破。

单式账本（公元前3500年-15世纪）

最早的账本是“库辛泥板”，于公元前3500-前3000年在美索不达米亚的乌鲁克城被发现。这种单条记录的记账方法虽然简单易用，但容易出错且容易被篡改。

复式账本（15世纪-20世纪中期）

14世纪意大利文艺复兴时期，复式记账法应运而生。1494年，意大利数学家卢卡·帕乔利首次系统地描述了复式记账法，这一方法基于会计恒等式（资产=负债+权益），确保每笔交易都按照该恒等式进行记录。复式记账法解决了单个记账人对本地账本可信的问题，但仍然无法解决多交易方不同账本的可信和互通问题。

数字化账本（20世纪中期-21世纪初）

随着计算机技术的发展，数字化账本应运而生。1951年，全世界第一台商用计算机UNIVAC被用于美国人口普查局。数字化账本不仅提高了记账效率，还避免了人工书写的错误。数据库技术的发明进一步推动了数字化账本的发展，从网状数据库到关系型数据库，再到大数据和NoSQL技术，都与记账息息相关。

分布式账本（2009年至今）

2009年1月，基于区块链结构的比特币网络问世，标志着分布式账本技术的诞生。分布式账本技术由多方共同维护，通过分布式系统的思想来实现，解决了中心化账本模式的诸多问题。2015年底，三十家金融、科技领域的巨头企业成立了超级账本项目，致力于打造一个开源、满足企业级应用的分布式账本科技生态。

分布式记账与区块链

分布式记账问题由来已久。自以电子计算机为主要记账手段的数字化账本诞生以来，商业活动参与者首先要寻找一个多方均能信任的第三方来记账，确保交易记录的准确。然而，随着商业活动的规模越来越大，商业过程愈加动态和复杂，很多场景下难以找到符合要求的第三方记账方（例如供应链领域动辄涉及来自多个行业的数百家参与企业）。这就需要交易各方探讨在多方分布式场景下进行协同记账的可能性。

实际上，可以很容易设计出一个简单粗暴的分布式记账结构，如下图所示方案（一）。多方均允许对账本进行任意读写，一旦发生新的交易即追加到账本上。这种情况下，如果参与多方均诚实可靠，则该方案可以正常工作；但是一旦有参与方恶意篡改已发生过的记录，则无法确保账本记录的正确性。

为了防止有参与者对交易记录进行篡改，需要引入一定的验证机制。很自然地，可以借鉴信息安全领域的数字摘要（Digital Digest）技术，从而改进为方案（二）。每次当有新的交易记录被追加到账本上时，参与各方可以使用Hash算法对完整的交易历史计算数字摘要，获取当前交易历史的“指纹”。此后任意时刻，每个参与方都可以对交易历史重新计算数字摘要，一旦发现指纹不匹配，则说明交易记录被篡改过。同时，通过追踪指纹改变位置，可以定位到被篡改的交易记录。

方案（二）可以解决账本记录防篡改的问题，然而在实际生产应用时，仍存在较大缺陷。由于每次追加新的交易记录时需要从头对所有的历史数据计算数字摘要，当已存在大量交易历史时，数字摘要计算成本将变得很高。而且，随着新交易的发生，计算耗费将越来越大，系统扩展性很差。

为了解决可扩展性的问题，需要进一步改进为方案（三）。注意到任何一次摘要实际上已经确保了从头开始到摘要位置的完整历史，当新的交易发生后，实际上需要进行增加验证的只是新的交易，即增量部分。因此，计算摘要的过程可以改进为对旧的摘要值再加上新的交易内容进行验证。这样就既解决了防篡改问题，又解决了可扩展性问题。

实际上，读者可能已经注意到，方案（三）中的账本结构正是一个区块链结构（如下图所示）。可见，从分布式记账的基本问题出发，可以自然推导出区块链结构，这也说明了在分布式场景下的记账问题中，区块链结构是一个简洁有效的天然答案。

比特币的诞生与意义

2008年10月31日，化名Satoshi Nakamoto的人在metzdowd密码学邮件列表中提出了比特币的设计白皮书《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》，并在2009年公开了最初的实现代码。首个比特币是UTC时间2009年1月3日18:15:05生成。比特币网络在无人管理的情况下，已经在全球范围内7*24小时运行超过9年时间，成功处理了几百万笔交易，甚至支持过单笔1.5亿美金的交易。更为难得的是，比特币网络从未出现过重大的系统故障。

比特币网络目前由数千个核心节点参与构成，不需要任何中心化的支持机构参与，纯靠分布式机制支持了稳定上升的交易量。比特币首次真正从实践意义上实现了安全可靠的去中心化数字货币机制，这也是它受到无数金融科技从业者热捧的根本原因。

作为一种概念货币，比特币主要是希望解决已有货币系统面临的几个核心问题：

• 被掌控在单一机构手中，容易被攻击。
• 自身的价值无法保证，容易出现波动。
• 无法匿名化交易，不够隐私。

在前文中也探讨过，要实现一套数字货币机制，最关键的还是要建立一套完善的交易记录系统，以及形成一套合理的货币发行机制。这个交易记录系统要能准确、公正地记录发生过的每一笔交易，并且无法被恶意篡改。对比已有的银行系统，可以看出，现有的银行机制作为金融交易的第三方中介机构，有代价地提供了交易记录服务。如果参与交易的多方都完全相信银行的记录（数据库），就不存在信任问题。可是如果是更大范围（甚至跨多家银行）进行流通的货币呢？哪家银行的系统能提供完全可靠不中断的服务呢？唯一可能的方案是一套分布式账本。这个账本可以被所有用户自由访问，而且任何个体都无法对所记录的数据进行恶意篡改和控制。为了实现这样一个前所未有的账本系统，比特币网络巧妙地设计了区块链结构，提供了可靠、无法被恶意篡改的数字货币账本功能。

比特币网络中，货币的发行是通过比特币协议来规定的。货币总量受到控制，发行速度随时间自动进行调整。既然总量一定，那么单个比特币的价值会随着越来越多的经济实体认可比特币而水涨船高。发行速度的自动调整则避免出现通胀或者滞涨的情况。

另一方面，也要冷静地看到，作为社会学实验，比特币已经获得了巨大的成功，特别是基于区块链技术，已经出现了许多颇有价值的商业场景和创新技术。但这绝不意味着比特币自身必然能够进入到未来的商业体系中。

区块链的三次热潮

从比特币诞生之日（2009年1月）算起，区块链已在全世界掀起了三次热潮。

第一波热潮出现在2013年左右。比特币项目上线后，很长一段时间里并未获得太多关注。直到比特币价格发生暴涨，各种加密货币项目纷纷出现，隐藏在其后的区块链结构才首次引发大家的兴趣。2014年起，区块链这个术语开始频繁出现，但更多集中在加密货币和相关技术领域；

第二波热潮出现在2016年前后。以区块链为基础的分布式账本技术被证实在众多商业领域存在应用价值。尤其2015年10月《经济学人》封面文章《信任机器》中，正式指出区块链在构建分布式账本平台中的重要作用，更多实验性应用出现。下半年更是出现了“初始代币发行（Initial Coin Offering，ICO）”等新型融资募集形式。这一时期，区块链技术自身也有了突破，首个大规模公有智能合约引擎——以太坊项目正式上线；首个面向企业应用的联盟分布式账本——超级账本项目，在众多企业巨头的支持下也正式成立。

随着更多商业项目开始落地，从2017年开始至今，众多互联网领域的资本开始关注区块链领域，人才缺口持续加大，区块链已经俨然成为继人工智能后的又一资本热点。

分析这三次热潮可以看出，每一次热潮的出现都与金融行业对区块链技术的深化应用密切相关。这也表明金融行业对信息科技成果始终保持了较高的敏感度。

潜在的商业价值

商业行为的典型模式为：交易的多方通过协商和执行合约，完成交易过程。区块链擅长的正是如何在多方之间达成合约，并确保合约的顺利执行。

根据类别和应用场景不同，区块链所体现的特点和价值也不同。从技术角度，一般认为，区块链具有如下特点：

• 分布式容错性：分布式网络极其鲁棒，能够容忍部分节点的异常状态；
• 不可篡改性：一致提交后的数据会一直存在，不可被销毁或修改；
• 隐私保护性：密码学保证了数据隐私，即便数据泄露，也无法解析。

随之带来的业务特性将可能包括：

• 可信任性：区块链技术可以提供天然可信的分布式账本平台，不需要额外第三方中介机构参与；
• 降低成本：跟传统技术相比，区块链技术可能带来更短的时间、更少的人力，降低维护成本；
• 增强安全：区块链技术将有利于安全、可靠的审计管理和账目清算，减少犯罪风险。

区块链并非凭空诞生的新技术，更像是技术演化到一定程度突破应用阈值后的产物，因此，其商业应用场景也跟促生其出现的环境息息相关。对于基于数字方式的交易行为，区块链技术能潜在地降低交易成本、加快交易速度，同时能提高安全性。能否最终带来成本的降低，将是一项技术能否被深入应用的关键。

所有跟信息、价值（包括货币、证券、专利、版权、数字商品、实际物品等）、信用等相关的交换过程，都将可能从区块链技术中得到启发或直接受益。但这个过程绝不是一蹴而就的，可能需要较长时间的探索和论证。具体的商业应用案例可以参考本书后续的应用场景章节。

目前，区块链技术已经得到了众多金融机构和商业公司的关注，包括大量金融界和信息技术界的领军性企业和团体。典型企业组织如下所列（排名不分先后）。

• Visa国际组织
• 美国纳斯达克证券交易所（Nasdaq）
• 高盛投资银行（Goldman Sachs）
• 花旗银行（Citi Bank）
• 美国富国银行（Wells Fargo）
• 中国人民银行
• 中国浦发银行
• 日本三菱日联金融集团
• 瑞士联合银行
• 德意志银行
• 美國的證券集中保管結算公司（DTCC）
• 全球同业银行金融电讯协会（SWIFT）
• 国际商业机器公司（IBM）
• 微软（Microsoft）
• 英特尔（Intel）
• 思科（Cisco）
• 埃森哲（Accenture）

Gartner在2017年的报告《Forecast: Blockchain Business Value, Worldwide, 2017-2030》中预测：“区块链带来的商业价值在2025年将超过1760亿美金，2030年将超过3.1万亿美金（the business value-add of blockchain will grow to slightly more than 3.1 trillion by 2030）”。

小结

区块链思想诞生于数字货币长达三十多年的发展过程中，它支持了首个自带信任、防篡改的分布式记录系统——比特币网络。这也第一次让大家意识到，除了互联网这样的尽力而为（不保证可信）的基础设施外，基于区块链技术还将可能打造一个实现彼此信任的基础网络设施。

当然，从应用角度讲，比特币也只是基于区块链技术的一种金融应用。区块链技术其实还能带来更通用的计算能力和商业价值。本书后续章节将介绍更多的商业应用案例，并介绍开源界打造的更多区块链平台项目，包括以太坊和超级账本等项目。这些开源项目加速释放了区块链技术的威力，为更多更复杂的区块链应用场景提供了技术支持。