区块链的4种技术创新

当前，随比特币的出现而出现的创新技术区块链，正成为全球政府、银行、科技巨头们所关注的对象。区块链本身是一种特殊的数据库技术，是基于密码学中的椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）来实现去中心化的P2P系统设计，但是区块链的作用并不仅仅局限于比特币上。现代很多人使用区块链，并将其视为数据记录、数据库、数据库技术，这些都与比特币没有必然联系。因此，风靡世界的区块链技术已经在全球迅速发展起来，早已经从以往的密码学货币应用扩大到了政府、金融、货币、医疗、艺术、人工智能、能源环保等诸多领域。区块链技术已经成为当前又一世界级的创新。

从数据角度来看，区块链是一种分布式数据库，或者称为分布式共享总账，这里所谓的“分布式”不但意味着数据的分布式存储，同时也体现了数据的分布式记录，换句话说就是由系统中所有的参与者对数据记录的安全性进行维护和管理。简单地说，就是区块链能够实现全球数据信息的分布式记录、分布式存储。

第一，分布式记录，是由系统中的所有参与者共同记录，而并不是其中的一个个体或者一个中心化的机构去做记录。

第二，分布式存储，是在所有参与的节点中进行数据记录，而并不是集中存储在一个个体或者一个中心化的机构节点中。

从效果的角度来看，区块链可以生成一整套完整的记录时间先后的、不可随意更改的、可信任的数据库，在这套数据库中，所有的数据存储和记录都是去中心化的，并且数据的安全性能够得到有力的保障。

总而言之，区块链作为一种全新的技术，脱胎于比特币的技术，提供一种去中心化的、无需信任积累的信用建立范式。在这种范式当中，任何互不了解的人都可以通过加入一个公开透明度数据库，通过点对点记账、数据传输、认证或是合约，而不需要借助任何一个中间方式来达成信用共识。这个透明公开的数据库中包含了过去所有的交易记录、历史数据以及其他相关信息，所有信息都是按照分布的方式进行存储，并且具有很强的透明化、可查性，并以密码学协议的方式，保证其不能非法篡改。

从以上这些方面，我们可以将区块链技术的创新分为以下4个方面，如图1-8所示。

图1-8 区块链的4种技术创新

分布式账本

前边我们也讲到，区块链的本质是分布式账本，是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里实现资产分享的数据库。换句话说，分布式账本由分布在不同地方的多个节点共同完成，并且每个阶段都记录了完整的账目，因此它们都可以参与监督交易的合法性。分布式账本其实也是区块链的一大颠覆性技术创新。诚然，在所有的经济活动中，进行记账、对账、分账的过程中都有区块链的应用。分布式账本可以通过广泛的应用场景去提高生产，并且有机会变革公共与私营服务的实现方式。

在分布式账本中所存储的往往是那些在金融或者法律基础上定义的实体或电子资产，因此账本中资产的安全性和准确性是有一定的访问限制的，只有通过公钥或者签名的方法才能获得账本的访问权和掌控权，即将公钥或者签名作为一种密码，对分布式账本的安全性和准确性进行保护和维护。

通常情况下，在一个网络里的参与者可以获得一个唯一的真实账本的副本，账本里一旦出现任何更改都会在账本的副本中反映出来，这种反映往往是非常迅速的，通常只需要几秒或者几分钟的时间。因此，对分布式账本进行随意篡改是极其困难的。只有在遵循网络中所达成的共识规则的基础上，账本中的记录才可以由一个人、一些人或者所有的参与者共同更改。也就是说，所有的参与者都可以共同为账本作证。

分布式账本有非常广泛的应用前景，如可以帮助政府征税、发放福利、发放护照、运行等级货物供应链等方面都可以用到分布式账本，这样可以从整体上确保政府记录和服务的正确性。

当前，英国国民健康保险制度（NHS）里已经应用到了分布式账本技术，通过改善和验证服务的送达以及根据精确的规则去安全地分享账户记录，并且在医疗保健系统方面也是非常有发展潜力的。对于广大消费者来讲，可以根据每个消费者自身情况的不同，通过利用分布式账户这一技术，去控制其个人记录的访问权限，与此同时，还可以通过这一技术来得知其他机构对其记录的访问情况。

利用分布式账本可以解决当前改善基础设施过程中出现的效率极低、成本高居不下的问题。当前，导致市场基础设施成本高的原因主要有3个：交易费用、维护资本的费用和投保风险费用。要求承保的费用包括交易对手风险、本金风险等，这些费用都是非常昂贵的。其中还包括了中心化供应商管理风险的费用。降低结算时间成本，即达到及时结算，可以有效降低风险，分布式账本技术就是一种非常有效的降低结算时间的可行性技术。在某些情况下，特别是在有高水平的监管和成熟市场基础设施的地方，分布式账本技术更有可能形成一个新的架构，而不会完全取代当前的机构。[shu籍分享微信 whair004

总的来说，分布式记账与传统的记账方式的不同点在于，没有一个节点可以单独记录账目，而且避免了单一记账人被控制或者被贿赂而出现记假账的可能性。另外，记录账本的节点足够多，也避免了个别节点对账本的破坏。从理论上讲，只有所有的节点都对账本进行破坏，才能出现账目丢失的情况。也就是说，分布式账本技术从根本上保证了账目数据的安全性和准确性。

对称加密和授权方法

在区块链上存储的交易信息是公开、透明的，但是账户身份信息是高度加密的，只有在数据拥有者授权的情况下才能访问，从而保证了数据的安全以及个人隐私不受侵犯。

知识拓展

对称加密和非对称加密

对称加密，也叫私钥加密，是指加密和解密使用相同密钥的加密算法。有时也叫作传统密码算法，就是加密秘钥能够从解密密钥中推算出来，同时解密密钥也可以从加密密钥中推算出来。但是，在大多数的对称算法中，加密密钥和解密密钥是相同的，所以也称这种加密算法为秘密密钥算法或者单密密钥算法。常见的对称加密有DES（Date Encryption Standard）、AES（Advanced Encryption Standard）、RC4、IDEA。

非对称加密，与对称加密的算法是有所不同的，非对称加密算法需要两个密钥，即公开密钥和私有密钥，非对称加密算法在加密和解密过程使用了不同的密钥，非对称密钥也称为公钥加密，在密钥对中，其中一个密钥是对外公开的，所有人都可以获取，称为公钥；另外一个密钥是不公开的，称为私钥。

共识机制

共识机制是区块链技术的核心，它使得区块链这样一个去中心化的账本系统成为可能；而价值载体是区块链技术的潜力所在，它使得区块链技术的应用领域已经超越了以往的数字货币。

比特币本身是由分布式网络系统生成的数字货币，其发行过程不依赖于特定的中心化货币发行机构，而依赖于分布式网络节点共同参与一种称为“工作量证明（Proof of Work，Po W）”的共识过程来完成交易的验证与记录。Po W的共识过程实际上就是俗称的“挖矿”，每个节点称为矿工，通常是各个节点贡献自己的计算资源来竞争解决同一个难度具有可动态变化和调整的数学问题，并成功解决该数学问题的矿工将获得区块链的记账权，同时在当前时间段的所有比特币交易记

录被打包存储在一个新的区块中，并按照时间顺序将其连接到比特币链上。

区块链是比特币的底层技术，类似于一个数据库账本，由分布在不同区域的节点共同参与决策，并记载所有的交易记录，而这些决策规则的核心就是共识机制。

所谓共识机制就是用来决定按照哪个参与节点记账，以及确保交易完成的技术手段和机制。共识机制可以在区块链技术应用的过程中有效平衡效率与安全之间的关系。通常情况下，安全措施越复杂，则处理效率越差，如果想要提升处理效率，就必须降低安全措施的复杂程度。

从目前的情况来看，区块链技术的共识机制主要有：Po W（工作量证明机制）、Po S（股权证明机制）、DPo S（授权股权证明机制）和Pool（验证池机制），如图1-9所示。

图1-9 共识机制的4种类型

1. Po W（Proof of Work，工作量证明机制）

所谓工作量证明机制，实际上就是获得货币量的多少取决于挖矿工作的成效，用户使用的计算机性能越好，则挖矿所获得的货币就越多，即根据工作量分配货币。

比特币挖矿就是通过参与或运算，计算出一个符合规则的随机数，即获得本次的记账权，同时发出本轮需要记录的数据，全网其他节点验证后，所有节点的参与人员一起存储该记录数据。系统用工作量证明机制来分发资产，以鼓励用户挖矿，从而保证网络的稳定性。当前，绝大多数的虚拟货币，如比特币、莱特币等都是基于Po W机制的虚拟货币。

Po W机制的优点是实现了完全的去中心化，节点自由进出。但同时也存在一些问题，一是当前比特币已经吸引了全球大部分的计算力，使用Po W共识机制的区块链应用很难获得相同的计算力，并以此来保障自身的安全；二是挖矿造成了严重的资源浪费；三是共识达成的周期较长。Po W机制虽然不太适合于商业应用，但是在太阳能的研究、宇宙智能探索方面具有很大的应用潜力。

2. Po S（Proof of Stake，股权证明机制）

简单来讲，Po S机制实际上就是一个根据用户所持有的货币数量和时间来决定派发利息的制度。Po S机制中有一个叫作“币龄”的概念，每个币每天产生1币龄，如果用户持有币的数量达到了100个，并所持时间为30天，那么其拥有的币龄为3000。这时候，如果用户发现一个Po S区块，那么他的币龄就会被清空，用户每被清空365币龄，就会获得区块中0.05个币的利息（这里可以理解为年利率为5%）。由于币龄清空为零，没发现一个新区块，矿工的计算力也归为零。

与Po W机制相比较，Po S机制是一种升级的共识机制，根据每个节点代币数量和时间的比例降低挖矿难度，加快随机数的寻找速度。在实际运用中， Po S机制具有在一定程度上缩短共识达成时间的优点，同时也在安全性方面有了更大的保障，这对于大数据在金融领域中的应用具有十分巨大的作用。另外， Po S机制构建了区块链技术前沿运用的基础。其缺点是还需要挖矿，实际上并没有从根本上解决商业应用存在的痛点。

3. DPo S（授权股权证明机制）

DPo S机制是一种全新的保障加密货币网络安全的算法。它在尝试解决比特币采用的传统工作量证明机制，以及点点币和NXT所采用的股份证明机制的问题的同时，还能够通过实施科技式的民主以抵消中心化所带来的负面影响。简单来讲，其工作原理实际上类似于董事会投票，给持币者一把可以开启他们所持股份对应的表决权的钥匙，而不是给他们一把能够挖矿的铲子。

DPo S机制有很多优点，其中一点就是大幅缩减了参与验证和记账节点的数量，缩减了需要确认的需求，将使得交易速度在很大程度上得到提升，签署区块的任务将会托付给网络选出的可信之人。与Po W机制和Po S机制相比较， DPo S机制能够在单一区块中容纳更多笔交易，从而将加密货币技术提升到了一个更高的层次，使其能够与中心化的结算系统相媲美。

4. Pool（验证池机制）

Pool本身的意思就是联营、合伙经营，因此Pool机制就是一种基于传统的分布式一致性技术加数据验证机制。Pool机制是当前行业区块链使用最为广泛的共识机制。其优点在于不需要代币也同样可以照常工作，这极大地提升了验证速度，可以实现秒级共识验证，并且在提升验证速度的情况下还提升了验证的安全性，是适合多方参与的多中心商业模式。

总而言之，4种不同的机制适合应用于不同的场景，区块链共识机制的作用就是在效率与安全之间达成最佳的平衡。相信基于区块链技术的不断演化和发展，会有更多的技术和机制应用到我们的生活场景中。区块链在比特币中的应用为人们通向数字货币打开了一扇门，而从数字货币到数字金融最终达到数字社会的道路依然曲折坎坷，因此，区块链共识机制需要进行更多的完善和创新。

智能合约

我们都知道，自动售货机的使用方法是你塞进钱去，它就会吐出你选择的商品。虽然我们看不到自动售货机的工作机制，但是一条不变的事实就是你不塞钱，它就不会吐东西出来。基于自动售货机的启发，一位名叫尼克·萨博（Nick Szabo）的计算机科学家提出了“智能合约”这个概念。在他看来，购买者塞入一定数量的货币，选择想要购买的商品，就在购买者与自动售货机之间形成了一种强制执行的合约。当购买者塞进钱币并选择商品，卖家通过对自动售货机进行内置设定逻辑就可以为购买者提供商品和找零，这就是在遵守合约。但是一旦塞入钱币，却没有吐出商品那么就严重违反了合约。

由自动售货机引出的“智能合约”的定义，即一个计算机程序，是一个任何人都可以使用的去中心化系统，是一套以数字形式定义的承诺，包括合约参与方可以在合约上执行这些承诺的协议。

智能合约的达成必须具备以下几个条件，如图1-10所示。

图1-10 达成智能合约需要的条件

1.必须有货币参与

没有货币的交易是无法进行的，所以无论是使用法定货币还是使用加密数字货币，在交易中都是不可缺少的。

2.资产必须数字化

如何能够将属于你的资产进行数字化呢？将你的房屋、汽车等进行数字化，就需要给其加一把密码锁。我们所开的汽车、居住的房子，其锁都属于物理锁，但是，设想一下，有一天，你的汽车和房屋只有通过持有密码学公钥的人才能打开，那么是不是为你资产的安全性提供了更多的保障呢？

在过去，合约的谈判、起草、签署、执行和跟踪是相互分离的，其成本高、效率低。但是通过区块链技术，合约不仅可以被植入整个交易过程中，还可以设置可执行的参数触发器，当具备不同条件时，系统自动跳转到相应流程，执行相应的指令，再反过来驱动新的合约的产生和执行。

智能合约是一段涉及资产和交易的代码，只有将其放在区块链上，才能有效防止出现“盗版”和“篡改”现象。因此，在区块链出现以前，智能合约没有大的发展，随着区块链技术的发展成熟，智能合约将大有用武之地。

智能合约是一种全新的在参与者之间达成共识的方式。它的执行不依赖于任何参与者，而是自动执行的，违约情况几乎不会发生。智能合约将成为全区经济的基本构建，任何人都无需事先审查和承担高昂的预付成本，就可以使用这种方式来参与经济活动。

支付宝之所以受到广大商户和消费者的喜爱，关键一点就在于它作为第三方金融机构，不会让交易双方之间出现买家付款、卖家却没发货的现象，而是需要买家事先将费用拨到支付宝，然后商家确认发货之后再把款从支付宝拨到卖家，这样就有效保障了交易双方的利益。支付宝这种工作机制实际上是与智能合约基本上一致的，其共同点就是基于信任而存在，使得工作效率更高，双方利益更具安全性。传统合同制定中，往往合同达成共识的各方会寻求类似支付宝这样的第三方信任机构来保证合约的正常运行，但是智能合约却移除了寻找对第三方信任机构的必要。

基于智能合约的不可篡改、无需寻找第三方信任机构等特点，人们对于智能合约充满了期待，但是智能合约的发展也存在一些现实的阻挠，主要体现在以下两个方面。

（1）目前基于区块链的资产数字化还远远不够。从内部依赖条件来讲，智能合约的应用是需要依赖于基于区块链的资产数字化的，但是，显而易见的是，当前基于区块链的资产数字化还远远没有实现，当前有的只是零星的尝试而已。因此，这对于智能合约的发展具有一定的阻碍性。

（2）智能合约是在去中心化的系统中自动执行的。如果仅仅智能合约的载体是去中心化的，这对于智能合约的发展是远远不够的。如果执行合同的触发条件不是去中心化的、有效的共识机制，那么触发条件就很容易出现不一致现象，这将会进一步影响智能合约作为一个去中心化系统的有效性。因此，智能合约的发展还需要依赖于事件或事实发生的去中心化，像去中心化预言机的出现就是一个典型。

从以上内容，我们发现，智能合约的应用并不是能够一蹴而就的，而是需要一个协作体系的建立与逐渐趋于成熟，才能一步步推动智能合约的不断发展。因此，可以说，智能合约虽然是区块链的创新技术之一，但是在大规模范围内实现成功落地还是需要一定的时间的。

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