2018区块链基础理论与研究概况.pdf

区块链基础 理论 与研究概况 目录 1 概述 . 2 1.1 区块链产生背景 . 3 1.1.1 政治法律 . 3 1.1.2 经济 . 3 1.1.3 社会 . 4 1.1.4 科技 . 4 1.2 编写方法与全文结构 . 4 1.3 术语和缩略语 . 5 2 区块链简介 . 7 2.1 区块链概念 . 8 2.2 区块链发展阶段 . 8 2.2.1 区块链 1.0：数字货币 . 9 2.2.2 区块链 2.0：智能合约 . 10 2.3 区块链特征 . 11 3 核心技术及其研究现状 . 13 3.1 密码学 . 14 3.1.1 公钥密码体制 . 14 3.1.2 哈希算法 . 15 3.1.3 密码学国际研究现状 . 17 3.1.4 密码学代表学者 . 18 3.2 共识协议 . 28 3.2.1 共识机制 . 30 3.2.2 共识机制代表学者 . 32 3.3 博弈论 . 38 3.3.1 博弈论概述 . 38 3.3.2 博弈论代表学者 . 40 4 区块链应用场景 . 47 4.1 数字货币 . 48 4.1.1 比特币概述 . 48 4.1.2 国际研究现状 . 49 4.1.3 国内研究现状 . 50 4.1.4 比特币现存问题 . 50 4.2 区块链其他应用场景 . 51 4.2.1 金融服务 . 52 4.2.2 智能制造 . 53 4.2.3 供应链管理 . 53 4.2.4 文化娱乐 . 53 4.2.5 社会公益 . 54 4.2.6 政府管理 . 54 4.3 区块链发展现存障碍 . 55 4.3.1 技术问题 . 55 4.3.2 监管风险 . 55 4.4 挑战与未来 . 56 参考文献 . 57 图表目录 表 1 术语 . 5 表 2 缩略语 . 6 表 3 区块链的类型及特性 . 8 表 4 加解密算法类型 . 15 表 5 典型散列算法特点 . 16 表 6 共识机制分类 . 29 表 7 共识机制及技术水平 . 31 图 1 区块链 1.0 技术架构 . 10 图 2 区块链 2.0 技术架构 . 11 图 3 密码体制的基本模型 . 14 图 4 对称密码体制加密流 程 . 15 图 5 公钥加密流程 . 15 图 6 密码学研究全局热点 . 17 图 7 基于点对点网络的 Sybil Attack 原理 . 30 图 8 区块链全球学者分布 . 49 扫描下面二维码 订阅 ，我们将自动为您提供一年 20期 相关 研究报告的内容服务。 1 内容摘要 全球新一轮产业变革和科技革命持续深入，信息技术引领 世界技术竞争新高地。区块链作为密码学、分布式系统、共识机制、博弈论的集大成者，推动多领域学术研究的蓬勃发展，也为相关产业提供诸多机遇。 为了总结区块链基础理论研究概况，我们编写了此份研究报告。其主要内容包括： 一、区块链基本概念梳理和国内外区块链发展现状分析。 首先从政治、经济、社会文化、科学技术 4 个角度整理了区块链技术产生背景，简要概括区块链基本概念和相关术语，分别探讨区块链 1.0 数字货币阶段和区块链 2.0 智能合约阶段的技术架构，总结出区块链技术 6大特征，并 指出区块链技术的理论意义及 现实意义。 二、 区块链基础 理论国内外研究现状分析。 通过 AMiner 系统提供的大数据信息，分别整理密码学、分布式系统和博弈论领域的国内外专家学者、研究机构、代表论文、研究热点及热点变化趋势、中外研究情况对比情况，对区块链基础理论研究现状进行全面梳理。 三、区块链典型应用场景及典型应用分析。 以比特币为主分析区块链在实际场景中的应用，分别指出区块链在比特币系统中发挥的作用、比特币研究现状和现存问题。此外，本研究还列举了区块链在金融服务、智能制造、供应链管理、文化娱乐、社会公益、政府管理 6大方面的相对成熟、应用前景广阔或具有潜在应用价值的应 用场景，并对区块链应用价值进行展望。 最后，基于对区块链研究现状的分析和研判，围绕区块链下一步理论研究和应用落地方面提出相关建议。 2 1 概述 3 1.1 区块链产生 背景 1.1.1 政治法律 随着 区块链 逐步应用于金融、供应链、 工业制造、 公益等领域 ，各国 政府及 监管机构在区块链 的发展与落地中 发挥重要作用。目前 ，各国政府对与以比特币为代表的数字货币政策褒贬不一， 但对于区块链 技术，各国政府普遍采取积极支持的态度。 2016 年 1 月 19 日，英国政府发布分布式账本技术：超越区块链白皮书，积极探索区块链未来在减少金融诈骗、降低交易成本的潜力； 2016 年 6 月，新加坡金融管理局推出“沙盒计划”（ Sandbox），在可控范围内允许金融科技公司的发展； 2017 年 4 月 1 日，日本 正式 实施支付服务法案，承认比特币的合法地位； 美国各州政府也采取措施学习与探索区块链技术，并尝试通过区块链提高政府工作的透明度和效率 。 中国政府 同样 对区块链技术给予了高度关注。 自 2016 年 10月工业和信息化部发布中国区块链技术和应用发展白皮书（ 2016）及 2016 年 12 月 区块链首次被作为战略性前沿技术写入国务院发布的国务院关于印发“十三五”国家信息化规划的通知以来，各地政府纷纷出台有关区块链的政策指导意见及通知文件。 中国互联网金融协会 也成立 区块链研究工作组，深入研究区块链技术在金融领域的应用及影响。 2017 年5 月，中国电子技术标准化研究院联合数十家单位发布中国区块链技术和产业发展论坛标准 CBD-Forum-001-2017 ，为区块链落地产业设定标准。 1.1.2 经济 国内外互联网、 IT 等领域的大量企业开始涉足区块链行业，着手研发或推出从基础设施到应用案例的一系列解决方案。 全球主流金融机构布局区块链， 2015 年 10 月，美国纳斯达克 推出基于区块链技术的证券交易平台 Linq，进行 金融证券市场去中心化的 尝试 。 高盛、摩根大通、瑞银集团等银行业巨头分别各自成立各自的区块链实验室、发布区块链研究报告或申请区块链专利，并参与投资区块链初创公司。此外， 区块链初创公司 及 各类投资机构 也纷纷涉足区块链领域 ，为区块链技术落地提供资金 支持。 初创公司 Ripple Labs致力于推动 Ripple成为世界范围内各大银行通 用的标准交易协议，使货币转账能像发电子邮件那样成本低廉、方便快捷 ； R3CEV 推出的 BaaS（ Blockchain as a Service）服务，已与美国银行、花旗银行 、招商银行 等全球 40 余家大型银行机构签署区块链合作项目，致力于制定银行业的区块链行业标准与协议。 从 2016 年开始，招商银行、民生银行等传统金融机构和蚂蚁金服、京东金融、百度金融等金融科技企业 先后 涉足区块链金融场景应用， 众安科技、人寿保险、阳光保险等保险机构也纷纷展开区块链概念证明实验。 4 1.1.3 社会 随着区块链技术的发展，其在各行业的 应用潜力开始受到 社会 关注。 联合国、国际货币基金组织，以及美国、英国、日本等国家 都 对区块链的发展给予高度关注 。 同时， 国内外先后成立各种类型的区块链产业联盟，协调推进区块链技术和应用发展。 R3 区块链联盟于 2015年 9 月成立 ，致力于为 银行提供探索区块链技术的渠道和区块链概念产品。 同年， Linux 基金会成立超级账本（ Hyperledger），推进区块链数字技术和交易验证开源项目。中国先后成立中关村区块链产业联盟、中国分布式总账基础协议联盟（ China Ledger） 、 金融区块链合作联盟（金链盟） 和区块链微金融产业联盟（微链盟） ，积极探索推动区块链的应用。 1.1.4 科技 点对点传输、共识机制、加密算法、博弈论等基础技术及理论的发展与完善，为区块链技术取得进展奠定坚实的基础。 国内外学者与科研机构对区块链领域的研究 成果不断涌现，进一步助力区块链技术的完善与进化。 日本 经济 贸易 产业 省区块链技术及相关服务的调查报告（ 2015） （ Survey on Blockchain Technologies and Related Services FY2015 Report）、英国政府分布式账本技术：超越区 块链（ Distributed Ledger Technology: Beyond Blockchain） 、中国工业和信息化部中国区块链技术和应用发展白皮书（ 2016）及京东金融研究院与工信部下属中国信通院云计算和大数据所共同发布的区块链金融应用白皮书， 均对区块链及技术发展最新动向进行跟踪总结。 1.2 编写方法与全文结构 一是收集国内外区块链最新研究成果和总结报告。 本研究收集了主要国家政府和国际政府间组织发布的区块链报告和白皮书，如联合国数字货币和区块链技术在构建社会团结金融中如何扮演角色（ How Can Cryptocurrency and Blockchain Technology Play a Role in Building Social and Solidarity Finance?）、工信部中国区块链技术和应用发展白皮书（ 2016）、KPMG 区块链研究报告共识 价值互联的不变协议、 iiMedia Research 2017-2018 中国区块链热点专题研究报告 等，从政府、学术研究 以及 行业发展 等 角度全面把握区块链技术的发展动向。 二是利用 AMiner 平台整理区块链基础技术国内 外研究状况。 重点分析了密码学、分布式系统、共识机制、博弈论领域当前世界学者分布、代表学者、学者关系、研究成果、研究趋势和中外研究概况对比，以丰富的图文数据展示区块链基础理论在全球范围内的发展状况 5 和未来的研究潜力。 三是分析区块链应用的典型案例。 通过对比特币、以太坊和传统金融机构的区块链应用案例进行分析，了解区块链采用的底层基础设施、应用架构和应用价值，展现区块链与现实场景结合状况与现存问题，为区块链理论与实践的进一步发展提出展望。 1.3 术语和缩略语 本报告涉及的术语如表 1 所示。 表 1 术语 术语 定义 /解释 区块链 在 分布式账本中排序及验证交易的方式 ， 是 数据存储 、 点对点传输 、共识机制 、 加密算法等计算机技术的集成应用 。 密码学 研究编制密码和破译密码的 技术科学 。 分布式账本 一个可以在多个站点 ， 不同地理位置或者多个机构组成的网络中分享的资 产数据库 。其中，资产可以是货币以及法律定义的、实体的或是电子的资产 。 共识机制 区块链系统中实现不同节点之间建立信任 、 获取权益的数学算法 。 在区块链各个节点之间达到一致的分布式算法 博弈论 博弈论是现代数学的新分支 ， 也是运筹学的重要学科 ， 研究公式化了的激励结构间的相互作用，是研究具有斗争或竞争性质现象的数学理论和方法 。 智能合约 一种用计算机语言 取代法律语言记录条款的 计算机程序 。 数字货币 货币的数字化 ， 通过数据交易并发挥交易媒介 、记账单位及价值存储的功能 。 6 本报告涉及的缩略语如表 2 所示。 表 2 缩略语 缩略语 原始术语 PoW 工作量证明（ Proof of Work） PoS 股权证明 （ Proof of Stake） DPoS 股 权 授权证明 （ Delegate Proof of Stake） PBFT 实用拜占庭容错 （ Practical Byzantine Fault Tolerance） P2P 点对点（ Peer to Peer） DAPP 分布式应用（ Decentralized Application） RSA RSA 加密算法（ RSA Algorithm） ECC 椭圆加密算法 （ Elliptic Curve Cryptography） KYC 客户识别 （ Know Your Customer） AML 反洗钱（ Anti Money Laundering） 7 2 区块链简介 8 2.1 区块链概念 区块链本质上是一个去中心化的分布式账本数据库，目的是为了解决交易信任问题。 目前，学界内尚未形成公认的区块链定义。 广义来看，区块链技术是利用块链式数据结构验证与存储数据、利用分布式节点共识算法生成和更新数据 、利用密码学方式保证数据传输和访问的安全、利用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。 狭义来看，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本。 区块链技术的最大优势与努力方向是“去中心化”，通过运用密码学、共识机制、博弈论等技术与方法，在网络节点无需相互信任的分布式系统中实现基于去中心化信用的点对点交易 。 因此，区块链成为以比特币为代表的数字货币体系的核心底层技术。 区块链 可分为三类：公有链（ Public Blockchain）、联盟链（ Consortium Blockchain）、私有链（ Private Blockchain）。 表 3 区块链的类型及特性 类型 特性 公有链 世界上任何个体或团体都能发送交易 ， 且交易能获得该 区块链的有效确认 任何人均可参与其共识过程 。 最早出现、目前应用最广泛的区块链 。 现阶段 每秒 3 20 次数据写入 。 联盟链 某个群体内部指定 多个 记账节点 ， 每个区块的生成由所有预选节点共同决定 。 预选节点参与共识过程 ， 其他接入节点可以参与交易 ， 但不过问记账过程 ，可满足 监管 AML（ Anti Money Laundering,反洗钱） /KYC（ Know Your Customer,客户识别） 。 现阶段 每秒 1000 次以上数据写入 。 私有链 仅使用区块链总账技术进行记账 ， 某一组织或个人独享写入权限 改善可审计性，不完全解决信任问题 。 2.2 区块链发展阶段 2008 年 ， 名为“ 中本聪”（ Satoshi Nakamoto）的学者 或组织发表 论文比特币：一种点对点电子现金系统 ，这一事件被认为是区块链技术的起源。 随着比特币等数字货币的日益 9 普及， 区块链技术的发展引起了政府部门、金融机构、初创企业和研究机构的广泛关注。 区块链的研究成果与应用成果呈现几何级数增长的态势， 与大数据、物联网、智能制造等场景紧密结合，依托现有技术进行独创性组合创新 。 梳理区块链技术发展脉络，区块链演进 经历了两个 阶段：区块链 1.0，即以可编程数字加密货币体系为主要特征的区块链模式；区块链 2.0，即以可编程金融系统为主要特征的区块链模式 。 当前，区块链发展已经进入区块链 2.0 模式 。 但是，区块链模式是平行发展而非质变式演进的，区块链 1.0 模式与 2.0 模式目前同时存在于人类社会，且 以数字加密货币为应用 代表 的 1.0 模式仍在探索之中。 区块链的不同发展阶段呈现出 相互影响、相互补充的互动态势。 2.2.1 区块链 1.0：数字货币 区块链是 利用密码学方法相关联产生的数据块，用于验证信息有效性或防伪，并生成下一个区块。在区块链 1.0 阶段，以比特币为代表的数字货币 和支付行为 是最典型的应用。 继2008 年中本聪提出比特币设想后， 2009 年比特币正式上线运行。 随着比特币在世界范围内的普及，人们开始意识到作为比特币底层技术的区块链 具有去中心化的优良性质 。区块链采用纯数学方法而不是中心机构建立信任关系，使得 互不信任或弱信任的参与者之间 能够 维系不可篡改的账本记录。 具体而言， 区块链 1.0 具有 如下 特征 ： 分布式账本 （ Distributed Ledger） ： 分布式账本是 在网络成员之间共享、复制和同步的数据库 ， 记录网络参与者之间的交易 ，部分国家的 银行 将分布式账本 作为一项节约成本的措施和降低操作风险的方法。 块链式数据 （ Linked Data Storage） ： 区块链采用带有时间戳的链式区块结构存储数据，从而为数据增加了时间维度，具有极强的可验证性和可追溯性。 梅克尔树 （ Merkle Trees） ： 梅克尔树是区块链的重要数据结构，能够快速归纳和校验区块数据的存在性和完整性 。 工作量证明 （ Proof of Work, PoW） ： 通过引入分布式节点的算力竞争保证 数据一致性和共识的安全性。 10 图 1 区块链 1.0技术架构 1 2.2.2 区块链 2.0：智能合约 区块链 2.0 进入可编程金融阶段 。 在这一阶段，区块链系统渗入经济、金融与资本市场，形成股票、债券、期货、贷款、抵押、产权、智能财产 的 智能合约。除了构建货币体系之外，区块链在泛金融领域也有众多应用案例。 例如， 智能合约的核心是利用程序算法替代人执行合同 ， 这些合约 包含三个基本要素：要约、承诺、价值交换 ，可以实现 资产、过程、系统的自动化 组合与相互协调。 区块链 2.0 具有如下 特征 ： 智能合约 （ Smart Contract） ： 1994 年， Nick Szabo2首次提出智能合约概念 ，即一种旨在 以信息化方式传播、验证或执行合同的计算机协议 ， 能够在没有第三方的情况下进行可信交易。智能合约 是已编码的、可自动运行的业务逻辑，通常有自己的代币和专用开发语言。 虚拟机 （ Virtual Machine） ： 指通过软件模拟的运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统，在区块链技术中，虚拟机 用于 执行智能合约编译后的代码。 去中心化应用 （ Decentralized Application, DApp） ： 去中心化应用是运行在分布式网络上 、参与者的信息被安全保护（也可能是匿名的）、 通过网络节点进行去中心化操作的应用 。 包含用户界面的应用，包括但不限于各种加密货币 ，如以太坊（ Ethereum）的去中心化区块链及其原生数字货币以太币（ Ether） 。 1 内容来源：中国区块链技术和应用发展白皮书（ 2016） 2 Szabo N. Smart contractsJ. Unpublished manuscript, 1994. 11 图 2 区块链 2.0技术架构 3 2.3 区块链 特征 区块链共有五大特征： 去中心化、 开放性、自治性、信息不可篡改和匿名性 。其中，去中心化是指区块链由众多节点共同组成一个端到端的网络，不存在中心化的设备和管理机构。 开放性 是指区块链的所有数据信息也是公开的，每一笔交易都会通过广播的方式，让所有节点可见。安全可靠是指单个甚至多个节点对数据库的修改无法影响其他节点的数据库，除非能控制超过 51%的节点同时修改。 自治性 是指任何人都可以参与到区块链网络，每个节点都能获得一份完整的数据库拷贝。节点间基于一套共识机制，通过竞争计算共同维护整个区块链。 去中心化 ： 区块链数据的验证、记账、存储、维护和传输都不是 基于中心机构，而是利用数学算法实现。去中心化使网络中的各节点之间能够自由连接，进行数据、资产、信息等的交换。 开放性 ： 区块链 具有源代码开源性，即 网络中设定的共识机制、规则都可以通过一致的、开源的源代码进行验证。 任何人都可以加入（公开链），或者通过受控方式加入（联盟链） 。 自治性 ：区块链技术 采用基于协商一致的规范和协议 ， 使得整个系统中的所有节点能够在去信任的环境自由安全的交换数据，任何人为的干预不起作用。 信息不可篡改 ： 区块链使用了密码学技术中的哈希函数、非对称加密机制 保证区块链上的信息不被篡改。 由于每一个区