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信息安全研究JournalofInformationSecurityResearchV〇1.3N〇.3Ma「.2017区块链技术演进及产业应用展望董宁1朱轩彤21(IBM(中国)有限公司北京100193)2(国家能源局国际合作司北京100824)(matrixhill@aliyun*com)BlockchainTechnologyandItsProspectofIndustrialApplicationDongNing1andZhuXuantong21CIBMChinaCompanyLimitedfBeijing100193)2(DepartmentofInternationalCooperation,NationalEnergyAdministration9Beijing100824)AbstractTheBlockchainindustryiscurrentdevelopingrapidlyglobally,withaclearerpictureofthewholeindustrychain.Theunderlyinginfrastructureandplatform,Blockchainapplicationsindifferentindustrysegments9andventurecapitalinvestmentallhavesoundfoundations.ThepaperintroducesthebasicconceptandworkprincipleofBlockchain?describesthedesignphilosophy,technologicalapplicationandsecurityissuesofthethreemainstreamBlockchainplatformsnowadays(Bitcoin，EthernetandHyperledger)，andthenputsforwardanumberofpotentialBlockchainapplicationscenariosintheworld.WithgreatattentiononBlockchainintermsofindustryapplication，it’shelpfulforBlockchainpracticeswithDesignThinkingandIBMGarage.BothinChinaandaroundtheworld，thepapersummarizesthestatusquooftheBlockchainindustrydevelopment，andoutlinesitsfutureingeneral.KeywordsBlockchain；Bitcoin；Hyperledger；contract；digitalcurrency；digitalassets；designthinking；IBMgarage；FinTech摘要当前全球区块链产业生态发展迅猛，产业链层次逐渐清晰，无论从底层基础架构和平台，还是细分产业板块的区块链应用，以及风险资本投资都已初具规模.通过介绍区块链的基本概念和工作原理，详细阐述了目前区块链技术的三大主流平台（比特币、以太坊和超级账本）的设计思想、技术应用和安全问题，进而提出了目前区块链在全球最具潜力的若干应用场景.在产业应用实践方面，设计思维方法和IBM车库式创新可以有助于区块链场景落地.当前区块链在全球和中国都受到了高度的关注，总结了目前区块链产业的发展现状，并对未来加以展望.关键词区块链;比特币；超级账本;智能合约;数字货币；数字资产；设计思维;IBM车库式创新;金融科技中图法分类号TP309.7收稿日期：2017—02—25200|1区块链概念区块链是一种共享账本技术，实现了在分布式商业网络里多方参与的双边交易中的去中介化.最早关于区块链的描述出现在2008年由Nakamoto[1]所撰写《Bitcoin:Apeer-to-peerelectroniccashsystem》中，重点讨论了比特币系统，区块链被描述为用于记录比特币交易的账目历史.在比特币系统成功运行多年后，部分金融机构开始意识到，作为比特币运行的底层支撑技术——区块链——实际上是一种极其巧妙的分布式共享账本技术，对金融乃至各行各业带来的潜在影响甚至可能不亚于复式记账法的发明.2014年前后，业界开始认识到区块链技术的重要价值，并通过智能合约技术将其用于数字货币外的分布式应用领域.2015年，《经济学人KEconomist)杂志在封面介绍区块链为创造信任的机器，即区块链可以在没有中央权威机构的情况下，为交易双方建立起信任关系.1.1区块链本质区块链实质是由多方参与共同维护一个持续增长的分布式数据库，也被称为分布式共享账本(distributedsharedledger),其核心在于通过分布式网络、时序不可篡改的密码学账本及分布式共识机制建立彼此之间的信任关系，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，最终实现由信息互联向价值互联的进化，如图1所示：1.2区块链工作原理以交易场景为例,区块链工作原理如下:首先客户端将发起的1笔交易经数字签名后广播给网络上其他节点并等待确认;网络中的节点对收到的数据记录信息进行校验，通过校验后数据记录被记录到一个区块中；全网所有接收节点对区块执行共识算法，区块通过共识算法过程后被正式纳入区块链中存储，全网节点均表示接受该区块.而表示接受的方法就是将该区块的随机散列值视为最新的区块散列值，新区块将提供永久和透明的交易记录并以该区块链为基础进行延长，实现资金转移.1.3区块链技术特点具体来说，区块链技术作为创造信任的机器，主要有以下特点：1)分布式结构.区块链构建在分布式网络基础之上，账本并不是集中存放在某个服务器或数据中心，也不是由第三方权威机构来负责记录和管理，而是分散在网络中的每一个节点，每一节点都有一个该账本的副本，所有副本同步更新•2)信任机制.区块链技术通过数学原理和程序算法，使系统运作规则公开透明，实现交易双方在不需要借助第三方权威机构信用背书下通过达成共识建立信任关系•3)公开透明.区块链对其上的节点可以做到开放、透明.任何人都可以加入区块链，也能查询区块链上的区块记录；同时所有用户看到的是同一个账本，能看到这一账本所发生和记录的每一笔交易■4)时序且不可篡改.区块链采用带有时间戳的链式区块结构存储数据，具有极强的可追溯性和可验证性；同时由密码学算法和共识机制保证了区块链的不可篡改性.1.4区块链演进趋势Swan[2]所著的《区块链:新经济蓝图及导读》一书在业界引起了巨大的反响.她在书中提出了对区块链的版本划分的方法，即按照区块链已经完成的以及将要完成的功能划分成区块链1.〇,2.0和3.0三个阶段.这种版本划分的方式基本上反映了区块链技术成熟发展的大脉络，目前也得到了业界广泛的认可.区块链1.〇基本上代表了比特币的前世今生，这一阶段带给人们关于数字货币的概念及其市场影响的思考.区块链2.0更关注智能合约(smartcontract)所体现的业务价值.智能合约通过在区块链上增加应用功能拓展了区块链的适用网址|201信息安全研究JournalofInformationSecurityResearchV〇1.3N〇.3Ma「.2017范围和生存空间，像以太坊和IBM早期的OpenBlockchain项目便着眼于此.区块链3.0要把区块链的应用范围拓展到政府、医疗、金融、文化等各个领域，支持广义的资产交互和登记.当前，技术和产业从区块链2.0向3.0迈进，也就是走向万物互联的“区块链+”时代.2区块链技术平台比较目前，全球有数个区块链技术平台，其中比特币（Bitcoin)、以太坊（Ethereum)和Linux基金会的开源项目超级账本（HyperledgerFabric)比较有代表性.2.1比特市比特币是区块链最早、也是截至目前数字货币方面最大的应用.比特币提出了一个不需要信用中介的数字货币系统，通过数字签名（digitalsignatures)使得在线支付能够直接由一方发起并支付给另外一方，中间不需要通过任何的金融机构.同时为了防止双重支付（double~spending)的问题[3]，提出了一种采用工作量证明机制的点对点网络来记录交易的公开信息，该网络通过随机散列（Hashing)对全部交易加上时间戳（timestamps)，将它们合并人一个不断延伸的基于随机散列的工作量证明(proof-of-work)的链条作为交易记录，形成的交易记录将不可更改.只要诚实的节点能够控制绝大多数的CPU计算能力，就能使得攻击者事实上难以改变交易记录.节点之间的工作大部分是彼此独立的，只需要很少的协同.每个节点都不需要明确自己的身份，可以随时离开网络，而想重新加人网络也非常容易.节点通过自己的计算力进行投票，表决他们对有效区块的确认，他们不断延长有效的区块链来表达自己的确认，并拒绝在无效的区块之后延长区块以表示拒绝.可以说，比特币包含了一个点对点数字货币系统所需要的全部规则和激励措施•所谓区块链，就是由一个个区块组成的链状数据结构及存储方式.每个区块分为区块头和区块体，区块头主要用来实现区块链接的前一区块散列值（Hashvalue)，而区块体主要包括交易账本，如图2所示：图2区块链的账本在比特币这种去中心化的公有区块链系统中，需要一种在相互间没有信任基础的前提下完成点对点交易的共识机制.比特币发行的共识机制基于工作量证明算法(挖矿），使用过程基于点对点支付和全局记账，货币有效性基于追溯验证算法.“挖矿”过程就是通过把系统中没有记录的现有交易打包到区块里，通过系统提供的计算“挖矿”难度的随机数不断遍历，最先达到条件的即获得记录区块的权力.随后节点将该区块记录通过网络进行发布广播，全网其他节点在验证该区块满足条件，同时区块记录的交易符合规定后，分别把该区块记录的信息更新到自己节点的区块链上，从而形成全网账本的共识.比特币的发行以及运行到现在，说明了区块202|链技术在数字货币领域的可行性，但其并不能完全代表区块链技术，它只有唯一的数字资产（比特币），而且没有图灵完备的编程语言平台，允许开发人员建立更广泛的分布式账本系统应用•2.2以太坊智能合约的引入对于区块链2.0有着极大的推动作用，而作为早期推动智能合约的区块链平台以太坊一度为广大区块链社区所看好.以太坊是一个通用的数字代币平台M，如图3所示，它通过一套图灵完备的脚本语言(EthereumVirtualMachineCode,简称EVM语言）建立应用，同时编程并不需要直接使用EVM语言，而是类似C，Python，Lisp等高级语言，再通过编译器转成EVM语言.以太坊的核心价值目标是智能合约，它可以看作是一个以太坊系统里的自动代理人.它有1个自己的以太币地址，当用户向合约的地址里发送1笔交易后该合约就被激活，然后根据交易中的额外信息合约会运行自身的代码，最后返回1个结果，这个结果可能是从合约的地址发出另外1笔交易.需要指出的是，以太坊中的交易不单只是发送以太币而已，它还可以嵌人相当多的额外信息.如果一笔交易是发送给合约的，那么这些信息就非常重要，因为合约将根据这些信息来完成自身的业务逻辑.图3以太坊架构图以太坊合并了很多对比特币用户来说十分熟悉的特征和技术，同时自己也进行了很多修正和创新.比特币区块链纯粹是一个关于交易的列表，而以太坊的基础单元是账户.以太坊区块链跟踪每个账户的状态，所有以太坊区块链上的状态转换都是账户之间价值和信息的转移.账户分为2类:1)外部账户，由私人密码控制；2)合约账户，由它们的合约编码控制，只能由外部账户“激活对于大部分用户来说，两者基本的区别在于外部账户是由人类用户掌控——因为他们能够控制私钥，进而控制外部账户.而合约账户则是由内部编码管控.如果他们是被人类用户“控制”的，那也是因为程序设定他们被具有特定地址的外部账户控制，进而被持有私钥控制外部账户的