京东区块链技术研究报告.pdf

京 东 区 块链技术白皮书 1 序 区块链技术推动价值大数据的高效、可信流动 “ 技术引领，正道成功” ！ 这是京东集团董事局主席刘强东先生在 2017 年 618 购物节期间，对外界正式发布的京东未来发展战略。在过去的十 四 年中，京东用了很长的时间证明自己是一家成功 的 零售公司；现在，京东正在用实践证明自己也是一家 领先 的技术公司。京东集团正在全面 迈向 技术转型，引领第四次零售革命的全面升级。京东对于技术领域的投入，尤其是针对 AI（人工智能）， Big Data（大数据）， Cloud（云计算）等新兴领域的投入，加速了京东向全社会提供“零售即服务 Retail as a Service, RaaS ”的零售基础设施服务的步伐。 区块链作为分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术的集成应用，在京东所在的零售领域有着非常多的结合场景。尤其是其去中心化以及新型信用体系的建立方式，对于京东在技术转型方面的战略愿景，以及在消费者心中长期所建立起来的正道形象非常匹配。目前，区块链的发展势头，将在技术领域成为云计算、大数据、及人工智能之后，并列于移动互联网从中心到边缘、 5G 物联网等新一代信息技术，共同引发并推动新一轮的技术创新和产业变革。 为推动区块链技术的发 展和京东集团各种业务场景的结合，运用区块链技术推动价值大数据的记录、流动和交换，京东集团 联合了 内部 各 职能、技术、及业务体系，开展区块链技术和应用发展趋势专题研究，编撰形成了京东区块链技术白皮书（ 2018）。白皮书总结了区块链核心关键技术在京东集团的发展现状和方向，分享了京东集团各个业务落地实践的典型应用案例，为业界区块链技术发展路线图和标准化路线图提出了相关建议。白皮书内容详实、分析透彻，落地场景扎实，具有相当好的参考价值。在发布白皮书的同时，我们期待与业界有识之士共同努力，积极把握区块链发展趋势和规律 ，营造良好正道的技术发展环境，京 东 区 块链技术白皮书 2 加速推动区块链技术的发展和各种应用场景的落地结合。 京东集团首席技术官 张晨 京 东 区 块链技术白皮书 3 前言 区块链技术将引领互联网数据存储与交换的巨变，开启信任经济时代。 自去年开始，区块链技术独立于比特币，逐渐进入科技公司和人民群众的视野，引发了广泛关注与大量讨论。学术界和工业界普遍认为区块链技术是下一代数字经济的基石，可以极大的推动数据的可信存储、商业协同、数据可信的交换和分享，以及随之诞生的新兴商业模式。 伴随着每一家公司对于区块链技术的追逐和不懈探索，我们也留意到一些过热的泡沫和技术噱 头的杂音，同时现有区块链的开源平台也暴露出读写性能、模块标准化、应用灵活支持、监管和法律认可、安全和隐私保护等多个方面亟待改善之处。除此之外，区块链领域的人才稀缺也极大抑制着我们对于这项技术的规模化应用。 京东集团拥有全渠道零售和端到端供应链的高质量大数据，区块链技术天然可以解决京东业务场景中多个主体的信息记录与分享，可信数据交换与传递的业务诉求。早在 2016年，京东集团就 全面 启动了区块链技术在京东业务场景中的应用探索与研发实践，先后在数据 交易 、供应链管理、金融科技等领域落地了不同的区块链应用，过程中积累了 大量的区块链部署经验与底层技术 研发 能力。 历经几年 时间的应用 和探索 ， 京东认为区块链技术在以下三个方向存在巨大 的应用 机会，引领数字经济的变革 建 立社会化共享的可信数据库 区块链的 技术 本质 是 一种 去中心化 、 面向 业务 、 跨主体 、 健壮 与安全的 分布式 状态机 。 其本身的 存储数据 、 共 有 数据 、分布式、防 篡改 与保护 隐私、 数字化合约 等 5项核心特征。基于这些特征，部署跨主体间的区块链联盟链节点和桥接， 用 区块链技术搭建一张社会化的共享数据存储网络，有机会以 客观的 技术手段 来解决 跨主体京 东 区 块链技术白皮书 4 的信任 问题 。 提升交易效率，降低交易成本 得益于上链 数据本身具备多个交易主体相互背书和相互校验的特质，基于区块链智能合约等多种模式的商业交易可以大幅降低数据核实的环节和成本，同时又能保证商业 交易的风险降低， 交易 更具确定性 。传统中心化的交易方式将发生改变，数据和价值的传递或转移将变得更为顺畅。 推动供应链创新 伴随着中国政府将供应链创新与应用上升为国家战略和居民消费的不断升级，供应链风险控制和供应链透明度提升的诉求不断攀升。区块链技术可以搭建供应链全流程节点共同维护的联盟链，在联盟链中建立数据维护的参与规则与激励机制，鼓励供应链节点中的企业参与和维护供应链数据 ，促进供应链数据的协同和互通，进而提升 整条 供应链的透明度 ， 同时也 可 为消费者购买商品 的 溯源和防伪提供技术支持。 京东在区块链技术的创新与实践过程中，逐渐认知到区块链并不单纯是一种技术，而是一种社会化的“共识信任”理念，这种理念鼓励人们在互联网中建立一套可以被监督并且拥有治理规则的系统 ，而推广这一社会化理念不能依靠一家之力，而需要协同盟友共赢未来。我们 积极 拥抱 区块链 技术 带来的变革， 同时也期待将我们实践和应用区块链技术的经验分享出来，与合作伙伴一同解决区块链应用和推广中仍未解决的问题，基于以上，京东集团组织和编写 京东区块链技术白皮书。不同于区块链研究领域内的其它白皮书，这份白皮书没有过多阐述区块链技术的宏观环境和解决方案，而是立足于区块链技术平台本身，以一个实践者的角度，结合京东潜在的区块链应用场景，给出区块链技术研发和应用的建议和经验分享，期待携手合作伙伴共建区块链技术生态，落地更多的区块链“杀手级”应用。京东正在京 东 区 块链技术白皮书 5 积极筹备开放支撑自身落地应用的区块链 BaaS 平台，帮助政府、物流商、品牌商、金融机构等合作伙伴组件适用的区块链技术平台，伴随着 BaaS 平台的开放和技术应用的不断积累，京东区块链技术团队将持续更新这份 白皮书，以便补足现在版本中未涉及或存在缺陷的部分。同时，京东集团各技术、业务部门也会针对自身的应用场景和实践经验，陆续对区块链技术进行垂直领域的深入解读。 京东的目标 是 以 区块链 为“ 链接器 ” ，结合 自身 在云计算、 大数据、人工智能 、物联网 等新技术上积累 的 经验 ， 构建一体化的智慧供应链 体系、 零售网络 和金融科技 ，拉近商品与客户的距离 ，在无界零售的集团战略指引下 ， 全面开放自身的区块链技术积累，与您共赢未来！ 欢迎各界合作伙伴来信交流指正！ yjd 2018 年 03 月 京 东 区 块链技术白皮书 6 编委会 成员 顾问 : 张晨 裴健 于 永利 杨海明 主要作者 : 林世洪 孙海波 黄海泉 王义 张伟 仉良 朴成林 张作义 迟楠 刘文婧 周晓健 翟欣磊 视觉设计： 崔伟 京 东 区 块链技术白皮书 7 目录 序 . 1 前言 . 3 1. 区块链技术简介 . 10 1.1. 什么是区块链 . 11 1.2. 区块链有哪些特点 . 12 1.3. 区块链适合解决哪些问题 . 12 1.4. 区块链发展面临的挑战 . 15 2. 区块链典型应用场景 . 20 2.1. 供应链领域 . 20 2.2. 金融领域 . 21 2.3. 政务及公共服务领域 . 22 2.4. 其他领域 . 23 3. 京东区块链架构体系 . 25 3.1. 设计原则 . 26 3.2. 设计方法 . 27 3.3. 账本协议 . 29 3.3.1. 账本状态 . 30 3.3.2. 账本操作集 . 31 京 东 区 块链技术白皮书 8 3.3.3. 合约指令集 . 31 3.4. 组件模型 . 31 3.4.1. 共识网络 . 32 3.4.2. 账本 . 33 3.4.3. 持久化存储 . 33 3.4.4. 合约引擎 . 33 3.5. 服务平台 . 33 3.5.1. 区块链网关 . 34 3.5.2. 区块链节点服务 . 34 3.5.3. 区块链共识网络 . 35 3.5.4. 工具 . 35 3.5.5. 部署架构 . 35 4. 京东区块链的特点 . 37 4.1. 性能 . 37 4.2. 功能 . 37 4.3. 安全 . 37 4.4. 合约 . 37 4.5. 合规 . 37 5. 共创信任经济时代 . 39 京 东 区 块链技术白皮书 9 6. 术语解释 . 41 参考文献 . 43 京 东 区 块链技术白皮书 10 1. 区块链 技术 简介 上 世纪 70 年 代以来，随着密码学技术、 分布 式 网络 、 共识 算法 以 及 硬件 存储计算能力的 飞 速发展， 通过 技术手段实现 多 主体间共识 机制建立 的条件日趋成熟 ，为 解决 多 主体环境下的中介 机构 信任 风险、 降低 交易成本、提升 协同 效率提 供 了全新的解决思路。 中本聪于 2008 年发表了名为比特币：一种点对点式的电 子现金系统（ Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System）的论文， 详细描述了如何创建一套去中心化的电子交易体系 。 这种体系不需要创建在交易双方相互信任的基础之上 ，首 次通过技术手段 实现了交易 主 体间共识机制的建立 ，而 “ 区块链 ” 技术 正 是 构成 这种电子 交易 体系 的基础技术 。 图 比特币工作原理示意 以太坊 （ Ethereum） 是 继 比特币之后 的又一个开创 性的 区块链 项目 ，于 2013 年末发布白皮书 。以太坊开创性 地 将 智能合约（ Smart Contracts） 和 区块链结合起来 ， 在 交易主体间共识机制建立的基础上，通过 自动 触发 可 执行的电子合约， 解决了 交易 主体间 承诺履行京 东 区 块链技术白皮书 11 的 问题， 有 效推动了 区 块链 产 业化应用 的进一 步 发 展 。 近 年来， 区块链 技术 的不断发展 和 随之而来的数字货币热潮， 引发了 从 极客到 IT 技术圈 、 金融 领域 、 产业 经济 、 政府 和公共 组织 、媒体 舆论 等 的广泛关注 ，围绕 区块链 技术 研究、 产业 化应用 、政策 监管 等开 展 了广泛而 有益地 探索实践。区 块链技术 的 成熟应用 尚 需 时日 ， 但 它所带来的 多 主体 共识协同 机制 的 思想，将对社会 治理 和 商业 运作产生深刻的影响。 1.1. 什么 是区 块 链 区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数 据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。 简单 来 讲 ， 在 区块链系统中， 每 过一段时间 ， 各 参与 主体产生的 交 易数据 会 被打包成一个数据区块， 数据 区块按照时间 顺序 依次排列 ， 形 成数据区 块 的 链 条 ，各参与主 体 拥有同样的 数据 链条， 且 无法单方面篡改 ，任何 信息的修改只有经过 约定 比例的主体同意方可进行，并且只能添加新的信息，无法删除或修改旧的信息，从而实现多主体 间 的信息共享和一致决策， 确保各 主体 身份 和 主体间交易 信息 的不可篡改 、 公开透明 。 区块链 发展到今天，已经 涌现出 许多形形色色的 区块链 项目， 我们 梳理 了这些区块链项目 在技术上的共性 ： 区块 、 账户 、 共识 、智能合约 这 4 个 主要部分 构成 了目前的区块链 系统的 通用模型。 通过 链式结构记录变更历史 ，这部分 被称为 “ 区块 ” 通过 非对称 密钥对表示参与者身份 ，以某种 形式的状态数据库记录当前 的信息， 这部分被称为 “ 账户 ” (注 ： 以太坊 、 Fabric 为代表 的 是账户模型，而 比特币 是 UTXO 模型 ) 通过链上编码 定义参与者 之间的承诺，这部分被称为 “ 智能 合约 ” 京 东 区 块链技术白皮书 12 通过某种 算法 在 多 节点 之间 达成 状态 一 致 ， 这个 过程被称为 “ 共识 ” 1.2. 区 块链 有 哪些 特点 从技术构成 的角度 来 观察 区块链 有助于 我们 揭开 它 的神秘面纱， 实事求是 地 分析 区块链， 并 揭示 它 的本质特点 ，理解其 价值 发挥 的 内在 逻辑。 如 前所述， 区块链并不是 一个全新的 技术 ， 而是结合 了多种 现有 技术 进行的 组合 式 创新 ， 是 一种新 形式 的分布式 加 密存储 系统 。 区块链本质 上 是一种 健壮和安全 的分布式状态机 ， 典型 的技术构成 包括 共识 算法 、 P2P通讯、密码学、 数据库 技术和 虚拟机。 这 也 构成 了 区块链必不可少 的 5 项核心能力 ： 存储数据 源自数据库 技术和 硬件存储 计算 能力的发展，随着时间的累积，区块 链 的大小也在持续上升，成熟的 硬件 存储 计算 能力 ， 便 得多 主体间同时 大 量存储相同数据 成 为可能 共 有 数据 源自 共识 算法 ，参与 区块链的各个主体通过 约定 的 决策 机制 自动 达成共识， 共享 同一 份可 信 的 数据 账本 分布式 源自 P2P 通讯 技术 ，实现各 主体间点对点的 信息 传输 防 篡改 与保护 隐私 源自 密码学 运用， 通过公钥私钥 、 哈希算法等密码学工具，确保各 主体身 份 和共有信息的 安全 数字化合约 源自 虚拟机 技术 ，将 生成的 跨主 体的数字化智能合约 写 入区块链系统，通过预设的触发条件， 驱动数字 合约的执行 1.3. 区块链 适合 解决哪些问题 我们通过对比 分 析 、 研究国内外 各领域的 典型 应用 案例 及相关参考 文献 ， 并 结合自身 研发和 应用实践， 获得 了 一些 有助于 在 业务中 推广 应用区块链的经验 ， 并 推荐 以下 特点 的 应用场景 或 问题 ， 应该 积极考虑 尝试 区块链 技术 ： 京 东 区 块链技术白皮书 13 1、 业务开展 需要进行 跨主体协作 当需要为开展 跨主体的业务 建设 IT 系统时， 传统的 解决 方案 通常 是两种思路 。要么 建立和 运营一个中心化的 系统来 处理各个参与方的 业务 需求 ，业务 数据 由 中心化 的 组织维护； 要么采用 SOA 架构 ， 由 各个参与方发布 服务 接口 ，并 相互调用，数据 仍然维护 在 各个 参与方 。如果采用 中心化的方案，若是 业务 的 参与方之间 是相对独立平等 的， 要 开发 建设一个中心化系统 是很 困难的， 包括 协调、 立项 、 成本分摊等 问题 。 如果采用 SOA 的方案 ， 则技术 实践上比较复杂， 技术方案缺少 通用性， 难以支持 复杂的 业务 。 此外 ，从数据的角度来看，无论 是中心化的方案还是 SOA， 都难以 实现数据 防篡改。 在业务 参与方之间相对独立平等的跨主体业务 协作的 场景 下 ， 利用区块链 的共有 数据 、防篡改 、 分布式 和数字化 合约的特点， 能够把一些以往 需要 在业务 层面 协调 解决的 问题 ， 放到 技术 层面来 解决 ,使得问题的 解决 过程更高效、灵活以及更具客观性。 2、 业务 开展需要参与方 之 间 建立 低 成本 信任 大多数 业务开展 都 需要 建 立 一定的信任基础，尤其是 跨主体的 场景下。 对 信任建立困难、信任维护成本 高的应用场景 ， 区块链 可以提供非常有效帮助。 我们 从 三个方面来 考察 区块链如何 建立 低 成本 信任： a) 数据可信 传统 的 解决 方案中，数据 通常 是 以 中心化的方式存储， 本应 共有的 业务 数据 通常却 被 强势的参与方 持有 。 这种 模式下，数据的可信度是由 数据 持有者的 商业 /社会 信用 来 保证的， 只能 建立主观的 可信，对于 一些重要的领域 ， 仍需要付出额外的成本 来 防范数据 被 恶意 篡改 的风险。 区块链的解决 方案是 结合 了 密码 学 哈希和数字 签名 ，以 区块链条的形式 将 数据的 变更 历史 按 时间 先后 链 在 一起 ， 并 通过共识 协议 使得参与的各方都 共同 拥有 这些 数据 。 京 东 区 块链技术白皮书 14 由于多方分别 持有 相同的数据副本 ， 并且 数据 被签名 确认 ， 并记录 数据 的 “指纹”（哈希值 ）， 以 密码技术 保证 了数据无法被篡改， 数据因此变得 可信。 区块链使 数据 持有 变得 去中心化 ，以 技术手段 实现数据 客观 “可信” 。 b) 合约履行 通常 的 合约 （或者契约 、 协定 、合同） 的 履行 从 根本 上是 由法律来 保障的。合约被 自觉履行 一般都 是 因为有利益、 道德 或 法律后果 ， 受 许多主观 因素影响。 商业活动 中为了 防止 违约 、或对 违约 进行 追索 ， 需要 付出 高昂的成本（ 担保 、保险、律师费、漫长司法程序等等） 。 区块链 智能 合约 的 本质 是一套 数字 化形式的契约，由计算机 确保 严格 执行。执行方式上 ， 通常的 合约 是事后 以 人 的 主观 意愿来 执行 ； 而 智能合约 是在 触发条件 被 满足后 ， 由 计算机 程序 来 保证合约及时地 执行 ，具有 客观性 。 我们把 资产数字化到区块链或与区块链 锚定 ， 采用智能 合约 来描述对 资产关系的承诺 ，同时 智能合约的执行过程和结果被区块链严格记录，这样 便可以 降低 履约 成本 和确保高 效 履约。 区块链智能 合约 带来 的 是 “ 契约 ” 的一种 新 的 更精确的表示形式 ， 以及 一种 更客观 、 更严格 的 执行 方式 。由于 契约 是我们 社会活动的基础 ，因此 这种变化 将 会带来 更广泛 的社会影响。 c) 历 史可证明 区块链固化了交易历史，并提供对交易历史的追溯查询，保证交易的不可篡改和不可抵赖。 如果某个事件发生时，这个事件连同时间戳一起被记录到区块链中，将来就可以通过区块链证明这件事确实在这个时间发生过。因此区块链为参与交易的各方保留了可信的历史记录。 京 东 区 块链技术白皮书 15 3、 业务过程存在长交易 、 长周期 链条 业务在多 主体间流转时， 难以确定 间接主体的真实性和 有效性，同时由 于 多主体 间的 业务 隔离， 难以延伸出多级业务。 区块链 从技术上保证 整个长交易 、 长周期 链条的各参与主体身份真实，数据可信 ， 实现信用的多级传递， 促进 业务链条扁平化 ，提升 业务 效率 。 比特币作为 区块链技术 的 一种 典型 应用， 在 交易市场上 市值已 达千亿美元 ，这样 的一个高市值 系统 却是 以开源的方式在公共网络上运行 了 多年 ， 表现 出了良好 的安全 性 和健壮性 。比特币系统的 表现 揭示 了 一个重要 事实 以 客观 区 块链 技术 为手段可以 直接建立信任 ， 而不需中介 背书。 如果我们把 区块链 技术推广 运用 到 更广泛的 产业、金融 、 公共 服务等 场景 ， 将 使 社会的生产分工 方式产生 巨大 变化 ，这些 变化包括： 商业 交易 过程更容易 达成 信任 ， 从而 降低 风险， 使交易 更具确定性 商业 交易 中间 环节 被 缩减 ， 多方交易可直接达成 传统中介 的中心化 的 服务模式 将 发 生巨 变 这种 影响 目前 已经逐渐显现， 随着 区块链的逐渐成熟和 应用 的不断丰富，这种影响力将会像蝴蝶效应一般逐步放大 和 深入到 整个 社会 ， 推动 去 中心化或 多 中心化 主 体间的高效协同和 共识 决策 。 人类 因 掌握“ 工具 ” 而发展文明 ， 我们 相信区块链 是一种新 的 “ 工具 ” ，最终将促进 人类 社会的进步 发展 。 1.4. 区 块链 发 展 面临的 挑战 目前 人们 已经广泛认识到 区块链 巨大 的 应用 价值 ，但是 区块链 的 技术 发展 却 还 没有 到达成熟 阶段 ， 尤其 在企业 级 应用方面 ， 区块链 的 交易 并发 能力 、 数据存储 能力 、 通用性 、 功能完备性 、 易 用性 都 还 存在 明显 不足 。 京 东 区 块链技术白皮书 16 高 并发 交 易 能力 目前开源 的区 块链 系统 的 高 并发 交易 能力普遍不高， 其中 ，共识算法 是 制约性能的重要方面 。在 区块链中使用的典型共识算法 主要有 ： PoW、 PoS、 DPoS、 PBFT 等， 它们的 性能对比如下： Systems Committee Formation (Resources) Performances Throughput Latency HybridByzCoin PoW 1000 tx/s 1 1020s 1 Algorand Lottery 90 tx/h 2 40s 2 Hyperledger Permissioned 110k tx/s 3 1s 3 RSCoin Permissioned 2k tx/s 4 1s 4 Elastico PoW 16 blocks in 110s 5 110s for 16 blocks 5 Omniledger PoW/PoX 10k tx/s 6 1s 6 Chainspace Flexible 350 tx/s 7 1s 7 proof-of-XOuroboros Lottery 257.6 tx/s 9 20s Snow-white Stake 100-150 tx/s 9 Intel PoET TH12 1000 tx/s 10 proof-of-word Bitcoin PoW 7 tx/s 600s Bitcoin-NG PoW 7 tx/s 1s DECOR+HOP PoW 30 tx/s 8 60s 表 主流区块链平台的性能对比测试 注 ： 1 144 nodes/committee. 2 50k nodes/committee. 3 nodes/committee. 4 nodes/committee. 10 committees. 5 100 nodes/committee. 16 committees. 6 72 nodes/committee (12.5% adversary). 25 committees. 7 4 nodes/committee. 15 committees. 8 1 minute average interval; 1 block = 1 MB. 9 40 nodes. 10 As reported in a blog post. 11 proof-of-retrievability. Trusted Hardware. 京 东 区 块链技术白皮书