专家讲座▏区块链（一）——概述

关于作者

梅一多博士，计算机高级工程师职称，博士。 西安交通大学计算机科学学士，北京交通大学博士后，上海市青年拔尖人才获得者，佐治亚理工学院访问学者，中国科学院访问学者，桐乡市委常委中共中央局副局长（驻乌镇镇）。

梅一多博士拥有十余年人工智能、云计算、大数据系统的高校研究和企业实践工作经历。 曾在互联网公司、世界500强企业总部（联想集团总部、浦发银行总部）从事人工智能、大数据、云计算等前沿技术研发和管理工作。 主持和参与了多项企业级人工智能、云计算和大数据项目的研发，创造了可观的经济效益。 主持省部级科研项目2项，参与国家863、自然科学基金、省部级重点研究项目10余项，与团队共发表SCI、EI收录论文60余篇。

一、什么是区块链

2008年比特币全网公认的区块选择采用，一位名叫中本聪的学者通过密码学邮件群发表了论文《比特币：一种点对点电子现金系统》（Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System），首次正式提出区块链技术的概念，该技术综合利用了密码学、对等网络、分布式存储等多种技术。

事实上，中本聪提出了基于P2P网络技术、数学、密码学技术、算法和经济模型的电子现金系统的架构概念，并于2009年1月制作了该系统的第一个序号。创世块为0，并且比特币从此诞生。 但此时，人们并没有关注区块链这个概念。 直到比特币系统得到安全维护和运行多年，人们才开始挖掘支撑比特币系统的底层技术——区块链技术。

目前，尚未形成业界公认的区块链定义。 狭义的区块链概念是指共享账本。 具体来说，数据块按照时间顺序以链的形式组合成特定的数据结构，并有密码学保证。 不可篡改和不可伪造的去中心化共享账本可以在系统内安全地存储简单、顺序和可验证的数据。 区块链的广义概念是指一种基础设施和分布式计算范式，具体是利用加密的链式区块结构来验证和存储数据，利用分布式节点共识算法产生和更新数据，利用自动化脚本代码形成一种新的去中心化基础设施和分布式通过智能合约编程和操作数据的计算范式。

区块链是由一系列数据块（blocks，Blocks）按时间顺序通过密码学的方法连接起来形成一条链（即数据库）。 数据块之间的连接由密码方法保护。 数据库由网络中的所有节点共同存储和维护，因此不可伪造、难以篡改，有效地解决了复杂系统中主体之间的信任问题。 其结构如下图所示。

在比特币的应用场景中，每个区块数据记录了一定时间范围内参与节点发出的系统交易数据信息（图中Trans）。 这些交易信息包括发送方和接收方的身份、交易金额、交易时间和其他附加信息。 每个数据块除了上面的交易数据外，还包含了块ID、时间戳（图中的Timestamp）、与前一个块的连接关系（图中的Reference）等其他信息，从而使它们相互连接成一个记录全网所有历史交易信息的链。 这些数据块实时广播到整个共享网络。 一旦确认并加入链中，它们是不可否认的，难以篡改，从而保证了整个数据库的透明性和可靠性。

图区块链组成

2. 区块链的特点

由于综合运用了密码学、点对点网络、分布式存储等多种技术，区块链具有许多优秀的特性，使其成为未来去中心化基础设施和分布式计算范式的有力竞争者。 区块链的特点集中在分布性、去中心化、定时性、集体维护性、可编程性、安全可靠性、普适性等方面。 分布式去中心化特点：区块链数据生成、验证、记录、存储、维护和传输的全过程基于分布式技术，采用纯数学方法建立分布式节点间的互信关系，不需要传统架构由中心组织维护，形成分布式、去中心化、可信的分布式系统； 其次，时序特性：区块链存储数据采用带有时间戳的链式结构，增加了时间维度属性，天然可验证可追溯； 集体维护特点：为了鼓励分布式节点的参与，区块链系统采用特定的经济激励机制，保证分布式系统中的参与节点共同验证数据区区块，并选择特定的节点向区块链中添加新区块通过共识算法的区块链； 可编程特性：“软件正在吞噬世界”，区块链技术可以提供灵活的脚本代码系统，支持区块链参与者创建智能合约、货币和各种去中心化应用； 安全可信特性：区块链的数据采用非对称密码学加密，利用分布式系统中各参与节点的工作量证明等共识算法形成的强大算力，可抵御外部攻击，确保区块链数据安全可靠不可篡改、不可伪造，安全性高； 普适性：区块链技术是一种去中心化的基础设施，可以在金融、政治、经济、科技等各个领域带来革命性的变化。

1.权力下放

区块链数据的验证、记账、存储、维护、传输等过程均基于分布式系统结构，采用纯数学方法而非中心化机构在分布式节点间建立信任关系，从而形成一个去中心化、可靠的分布式系统。相信。 需要指出的是，分布式和去中心化是不同的概念。 其实分布式也可以是集中式的，比如同一公司的多个远程机房； 集中也可以分散，比如要求所有选民去同一个地方进行全民投票。 下图是中心化和去中心化的示意图。

图中心化与去中心化示意图

2、公开透明

区块链系统的公开性和数据透明性是其信任的基础。 除加密后的账户隐私信息外，其他数据对所有人或参与者开放。 数据记录可通过公共接口查询，信息高度透明。 大量区块链程序开源，全网所有节点均可查询数据和规则。

3.自治

区块链采用固定共识的共识算法，让整个系统中的所有节点都可以在没有任何信任背书的环境下进行可信的数据交换，让对“人”和机构的信任变成对机器和数学的信任。 算法信任，任何人都无法干扰系统的正确运行。

4.安全可靠

区块链的安全包括两个方面：数据安全和系统安全。 区块链技术利用非对称密码学原理对数据进行加密，利用共识算法形成的强大算力抵御外部攻击，保证区块链数据不可篡改、不可伪造，具有较高的数据安全性。 区块链采用链式结构和时间戳。 所有数据都有一个序列和时间戳。 区块链采用共识机制实现竞争数据的读写权。 系统管理员没有读写数据的权限。 它不能像普通数据库那样随意插入或删除，所以一般认为区块链中的数据是不可篡改的。 如果数据需要修改，只能通过添加数据注释来操作，但所有操作都记录在区块链数据库中，只是更新后的数据最终显示出来。 以比特币区块链为例，只有控制了51%的算力才能实现数据篡改，但比特币区块链的算力惊人，数据篡改的成本远大于可能获得的收益。 参与者试图篡改数据的概率极低，因此区块链中的数据是安全的。 如果一个节点遇到网络问题、硬件故障、软件错误或被黑客控制，不会影响其他节点和整个系统。 在排除故障并完成数据同步后，可以随时将问题节点添加到系统中继续工作。 因此，每个节点都可以有选择地下线进行日常维护，同时保证整个系统的不间断工作。 微软、谷歌、阿里巴巴等世界知名互联网公司都曾多次出现宕机，但比特币系统运行8年从未出现过宕机。 目前，比特币市值已超过150亿美元，单价在1000美元左右。 该系统被世界上无数顶级黑客攻击过，但它是坚不可摧的。 因此，可以说区块链技术创造了人类历史上最稳定、最安全的计算机系统。

3. 区块链分类

区块链可以分为公共区块链和私有区块链。 目前大部分应用主要集中在公链，但由于其对网络技术的依赖和特殊属性，其适用领域仍然有限。 未来的研究或开发也应该关注私有区块链。 私有区块链节点不向公众开放。 只有经过特别许可的节点才能加入，所有节点都是保密和可信的。

私有链分为全封闭和半开放私有链。 全封闭私有链是指只有加入节点的人才可以查询相关信息，主要应用于金融公司、银行、电力等领域。 半公有私链提供可以被无关第三方查询的节点，典型的是政府信息公开或彩票节点。 私有区块链通过一定的加密技术公开节点中的部分公开信息，其他加密信息由拥有彼此密钥的人使用。 由于私链可控节点数量少，节点可以使用大型服务器和高速网络比特币全网公认的区块选择采用，一定程度上保证了私链的交易速度。 目前欧美很多大公司都在开发私有链，比如Linux Foundation、R3等。

4. 区块链发展趋势

自2008年诞生以来，区块链技术已经走过了十年的发展历程。 区块链主要经历了V1版点对点网络交易、V2版智能合约、V3版数字货币经济等几个主要阶段。 其中，V1版本以可编程数字加密货币系统为特征，V2版本以可编程金融系统为特征，V3版本以可编程社会为特征。

区块链的应用趋势大致可以分为：扩大应用范围，逐步从数字货币和金融领域向非金融和传统领域渗透和扩散； 区块链本身的技术在快速演进，性能不断提升，互联互通更加广泛。 ; 目前是基于公有链，未来会逐步过渡到联盟链/私有链； 区块链的安全问题会越来越显着，需要基于技术和管理的统筹考虑，提供安全防护解决方案； 区块链的专利和人才竞争逐渐升温； 遵守法律法规对于区块链的健康发展至关重要。

5、商业价值

区块链是分布式账本。 通过分布式数据库，实现多节点冗余和去中心化，还可以实现联锁加密。 利用可追溯、不可篡改、共识机制等特性，区块链形成了网络信任的基础，也为智能合约提供了可信的执行环境，实现了合约的自动化、智能化执行。 因此，区块链解决了网络环境下的信任和价值传递问题。 针对区块链的这些独特能力，有人评论说大数据是生产资料，区块链技术改变的是生产关系。

在应用领域方面，全球区块链项目主要应用于金融、通讯、基础设施、文化娱乐、能源、教育等领域； 中国区块链项目主要分布在金融、通信、传媒、基础设施、文化娱乐、能源、医疗、农业等领域。 可以预见，未来区块链技术将在物联网、共享经济、跨境支付等领域有着广泛的应用场景。

（未完待续）

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2017年