區(qū)塊鏈技術(shù)場景分析及適用性討論

楊晨光 李樂平 李林雄 莊書琪 陳超

【摘要】? ? 區(qū)塊鏈技術(shù)經(jīng)歷十余年發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從虛擬貨幣，拓展到實(shí)體經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。數(shù)據(jù)顯示，區(qū)塊鏈解決方案出現(xiàn)在金融、IT、供應(yīng)鏈、物聯(lián)網(wǎng)等諸多領(lǐng)域。本文通過市場數(shù)據(jù)并結(jié)合技術(shù)，給出關(guān)于區(qū)塊鏈的適用場景的討論，為區(qū)塊鏈?zhǔn)褂锰峁┓较蛐詤⒖肌?/p>

【關(guān)鍵詞】? ? 區(qū)塊鏈? ? 共識(shí)機(jī)制? ? 智能合約? ? 大數(shù)據(jù)? ? 區(qū)塊鏈場景

一、背景概述

區(qū)塊鏈?zhǔn)墙陙砜焖侔l(fā)展的新興技術(shù)。區(qū)塊鏈概念誕生于2009年，比特幣是區(qū)塊鏈的第一個(gè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。2012年，利用區(qū)塊鏈技術(shù)，解決跨境銀行結(jié)算問題的Ripple項(xiàng)目成立。2014年，以太坊作為第一個(gè)智能合約平臺(tái)誕生。以太坊引入了智能合約的概念，拓展了區(qū)塊鏈中，共識(shí)機(jī)制的共識(shí)內(nèi)容范疇。2015年，IBM主導(dǎo)的開源區(qū)塊鏈項(xiàng)目Hyperledger項(xiàng)目[1]啟動(dòng)。Hyperledger是面向企業(yè)應(yīng)用的區(qū)塊鏈平臺(tái)。2016年，R3公司的Corda區(qū)塊鏈平臺(tái)[2]上線。該平臺(tái)是面向金融應(yīng)用的區(qū)塊鏈平臺(tái)。區(qū)塊鏈在經(jīng)歷一個(gè)由虛向?qū)嵉陌l(fā)展歷程，正在由一種虛擬的數(shù)字游戲，向著能解決人類經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)活動(dòng)中實(shí)際問題的方向邁進(jìn)。

本文回顧區(qū)塊鏈的發(fā)展歷史，通過數(shù)據(jù)分析，結(jié)合技術(shù)對(duì)區(qū)塊鏈進(jìn)行未來發(fā)展展望，為區(qū)塊鏈發(fā)展的適用場景方向提供參考。

二、區(qū)塊鏈技術(shù)場景方向分析

區(qū)塊鏈技術(shù)，為提高人類生產(chǎn)力，帶來巨大潛在價(jià)值。引用國外Wintergreen的全球區(qū)塊鏈發(fā)展調(diào)研預(yù)測數(shù)據(jù)[3]，見表 1 區(qū)塊鏈發(fā)展預(yù)測2018-2024。區(qū)塊鏈將在金融、醫(yī)療、虛擬貨幣、供應(yīng)鏈、物聯(lián)網(wǎng)等諸多領(lǐng)域快速發(fā)展。2020至2024年將是區(qū)塊鏈高速發(fā)展的若干年，其增長規(guī)模在20%到180%不等。受疫情影響，這種高速增長可能會(huì)延后，持續(xù)到2025之后的幾年。而中文媒體賽迪顧問給出了區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的分布情況[4]。全球市場分布方面，美國占比44%，歐洲占比1/3強(qiáng)，而中國技術(shù)服務(wù)市場占比不到1%[4]。領(lǐng)頭企業(yè)方面，前5位的分別是IBM，R3，亞馬遜，微軟和以太坊。究其原因，還是我們?cè)诨A(chǔ)鏈技術(shù)領(lǐng)域相對(duì)創(chuàng)新不足。中國雖然區(qū)塊鏈概念很火，但是大多企業(yè)都是技術(shù)上的跟隨者，區(qū)塊鏈技術(shù)多為利用國外技術(shù)的改版。

在市場產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，中國和世界略有不同。我國金融領(lǐng)域，國家有統(tǒng)籌考量。因此中國的區(qū)塊鏈產(chǎn)品在非金融領(lǐng)域有更多的發(fā)展，如供應(yīng)鏈、電子存證、數(shù)字身份、征信等領(lǐng)域占據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中大半。

三、區(qū)塊鏈若干重要問題分析討論

這里我們以問答的形式討論若干與區(qū)塊鏈相關(guān)的核心問題，這些問題往往也是人們對(duì)區(qū)塊鏈認(rèn)知誤區(qū)最多的地方。明確了這些問題，會(huì)幫助區(qū)塊鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和使用者知道區(qū)塊鏈優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而明確區(qū)塊鏈的應(yīng)用場景的實(shí)踐方向。

問題1：區(qū)塊鏈作為分布式存儲(chǔ)技術(shù)，是否能幫助我們存儲(chǔ)更多的信息？

回答：區(qū)塊鏈技術(shù)本身并不能幫助我們存儲(chǔ)更多的信息，反而我們?cè)谠O(shè)計(jì)使用區(qū)塊鏈時(shí)，要盡量少的在區(qū)塊鏈上存儲(chǔ)信息。

區(qū)塊鏈的確是一種“分布式”存儲(chǔ)技術(shù)，然而區(qū)塊鏈的設(shè)計(jì)初衷，卻不是為了更高效的存儲(chǔ)、傳輸更多的互聯(lián)網(wǎng)信息。區(qū)塊鏈技術(shù)解決的問題，是如何利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決網(wǎng)上互不見面、互無信任的各個(gè)參與方互信的問題。

而解決問題所使用的核心技術(shù)機(jī)制是共識(shí)機(jī)制，即：通過技術(shù)手段，使得每個(gè)參與方都拿到一份相同的數(shù)據(jù)賬本。這樣的數(shù)據(jù)賬本被稱為共識(shí)內(nèi)容。一個(gè)參與方持有的數(shù)據(jù)賬本的真實(shí)性，可以通過所有參與方各自持有的數(shù)據(jù)賬本進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)真。換而言之，一份數(shù)據(jù)如果存入?yún)^(qū)塊鏈，需要分發(fā)復(fù)制，使得每個(gè)參與方各持一份相同的拷貝。由此可見，區(qū)塊鏈的分布式，是為了通過共識(shí)機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)真;而從存儲(chǔ)，查詢，運(yùn)算的效率上來講，這種存多份相同拷貝的做法，無疑是低效的。因此，在區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)中（例如比特幣，以太坊中），往往區(qū)塊鏈上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，只是如哈希值這樣的最小可驗(yàn)證憑證。

問題2：同樣被稱為“分布式”技術(shù)，區(qū)塊鏈和大數(shù)據(jù)中的分布式有什么關(guān)聯(lián)和不同？

從廣義上講，區(qū)塊鏈也屬于大數(shù)據(jù)范疇。在實(shí)踐中，客戶往往希望一個(gè)區(qū)塊鏈平臺(tái)即有共識(shí)能力，又能如同在傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中那樣，對(duì)區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改查等操作中，具有高速高效等特性。然而這兩種需求在本質(zhì)上具有矛盾。論述如下。

雖然區(qū)塊鏈和和我們傳統(tǒng)意義理解的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)（如：hadoop spark 等），同屬于分布式系統(tǒng)，但卻有很大不同。Hadoop和Spark的設(shè)計(jì)思想，是將任務(wù)拆分并行執(zhí)行。算法實(shí)現(xiàn)上，核心是Map/Reduce方法：將一個(gè)任務(wù)拆分成若干可并行執(zhí)行的子任務(wù)，由算法協(xié)調(diào)、分配至各個(gè)分布式主機(jī)，由各主機(jī)各自計(jì)算一部分子任務(wù)，并最終匯總得到結(jié)果。這類的分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的在于提高任務(wù)執(zhí)行效率。而區(qū)塊鏈的分布式設(shè)計(jì)，目的在于通過多方對(duì)信息、信用進(jìn)行驗(yàn)證。核心算法是共識(shí)機(jī)制：區(qū)塊鏈上的不同分布式節(jié)點(diǎn)，通過算法，對(duì)同一內(nèi)容、同一信息進(jìn)行共同驗(yàn)證，以此達(dá)到對(duì)該信息真實(shí)性有效性的確認(rèn)。 區(qū)塊鏈上節(jié)點(diǎn)對(duì)信息的共識(shí)需求，勢必會(huì)對(duì)信息的處理效率，產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

由上可見，兩種分布式解決的問題定義上具有很大的不同。區(qū)塊鏈從算法上，很難兼顧共識(shí)和增刪改查的效率。如何將區(qū)塊鏈與傳統(tǒng)意義的大數(shù)據(jù)在算法上進(jìn)行融合，是設(shè)計(jì)者一直在努力追求的目標(biāo)。

問題3：為什么要用區(qū)塊鏈？

回答：隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的火爆，中國國內(nèi)和全世界都產(chǎn)生了區(qū)塊鏈項(xiàng)目熱。然而，從全球來看，很多區(qū)塊鏈項(xiàng)目，只是跟風(fēng)，運(yùn)用區(qū)塊鏈的邏輯并不清晰。在上區(qū)塊鏈項(xiàng)目之前，往往需要問一個(gè)基本問題“為什么要用區(qū)塊鏈？”。

這里我們不妨從項(xiàng)目發(fā)起者角度梳理一下，如何回答“為什么要用區(qū)塊鏈？”。區(qū)塊鏈解決的是多方之間的信任問題。因此，在項(xiàng)目場景中，往往需涉及多方參與，同時(shí)多方之間需要對(duì)某一問題產(chǎn)生共識(shí)。而這種共識(shí)，在上區(qū)塊鏈項(xiàng)目之前，可能是以“頻繁書面文件往來”，“多人工參與確認(rèn)”這種效率低下形式存在。那么，這樣的場景，運(yùn)用區(qū)塊鏈的邏輯便是清晰的。因?yàn)閰^(qū)塊鏈可以通過共識(shí)機(jī)制，相對(duì)人工處理，更高效的解決各方如何共識(shí)的問題。

特別是在區(qū)塊鏈應(yīng)用于我國國內(nèi)場景時(shí)，需要結(jié)合我國國情。例如，我國國內(nèi)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，很多時(shí)候是在系統(tǒng)內(nèi)部，如：在一個(gè)機(jī)構(gòu)下屬的各個(gè)部門之間進(jìn)行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。在這種情況下，相互之間的信任問題，往往已經(jīng)解決;區(qū)塊鏈可以從技術(shù)手段，幫助提升內(nèi)部監(jiān)督效率問題;同時(shí)，區(qū)塊鏈結(jié)合其他技術(shù)，如隱私計(jì)算，大數(shù)據(jù)等，可能解決各部門間數(shù)據(jù)孤島的打通問題。

問題4：如何通過區(qū)塊鏈連通物理世界與虛擬網(wǎng)絡(luò)世界的信用？

回答：區(qū)塊鏈在互聯(lián)網(wǎng)虛擬世界中，連接了各個(gè)參與方，通過技術(shù)手段共識(shí)機(jī)制，建立了各方之間的信任/信用。然而，在應(yīng)用場景中，如何可信的采集數(shù)據(jù)，并上傳區(qū)塊鏈，從而連接物理世界與虛擬世界，是需要設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。

以供應(yīng)鏈溯源當(dāng)中的大米溯源為例。在該場景中，消費(fèi)者希望知道大米的來源產(chǎn)地。大米從生產(chǎn)者最終賣到終端消費(fèi)者手中，經(jīng)歷了生產(chǎn)、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、零售等環(huán)節(jié)。目前常見的解決方案是，溯源大米包裝上的二維碼。在大米的流轉(zhuǎn)過程中，每次交割都會(huì)掃碼記錄，并上傳區(qū)塊鏈。然而，我們希望溯源的是大米，不是包裝。不法商販可以偷換大米外包裝。從而出現(xiàn)虛假溯源的情況。上述這種溯源場景中的大米實(shí)物對(duì)象，就是我們說的物理世界，而其二維碼及區(qū)塊鏈則是虛擬世界。由上述可見，連接物理世界與虛擬世界具有難度。

我們這里提供兩個(gè)思路。思路1，采集物理世界相對(duì)難以更改的特征，將特征上傳虛擬世界。例如，我國使用的公民二代身份證。身份證中的芯片，直接連接虛擬網(wǎng)絡(luò)世界。而連接身份證和物理世界公民的，是相貌特征：身份證上的相片對(duì)應(yīng)連接了人的相貌。相貌相對(duì)難以更改的生物學(xué)特征。思路2，對(duì)于特定場景，可以采用巧妙的機(jī)制設(shè)計(jì)連接物理和虛擬世界。例如，比特幣機(jī)制。回顧比特幣機(jī)制，比特幣作為設(shè)想中的“安全交易電子憑證”，在交易過程中，需要誠實(shí)的公證人對(duì)交易進(jìn)行公證，同時(shí)為獎(jiǎng)勵(lì)公證人，會(huì)給做了公證工作的公證人一定數(shù)量的比特幣作為獎(jiǎng)勵(lì)。這里，候選公證人們，為向系統(tǒng)證明其為誠實(shí)的且有資格，需要通過購置算力，計(jì)算一個(gè)數(shù)學(xué)問題。當(dāng)候選公證人購置的算力大的時(shí)候，其計(jì)算數(shù)學(xué)問題的速度就快，就有可能被選為公證人，獲得獎(jiǎng)勵(lì)。這一通過算力遴選公證人的過程，稱之為工作量證明機(jī)制（Proof Of Work，簡稱POW）。比特幣機(jī)制中，正是巧妙的通過工作量證明機(jī)制，連接了物理世界算力，這種在物理世界無法偽造的能力，和虛擬世界的比特幣。

作者單位：楊晨光? ? 李樂平? ? 李林雄? ? 莊書琪? ? 陳超

廣東省網(wǎng)絡(luò)與信息安全漏洞研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] Cachin C. Architecture of the hyperledger blockchain fabric[C]. Workshop on distributed cryptocurrencies and consensus ledgers. 2016， 310（4）.

[2] Brown R G， Carlyle J， Grigg I， et al. Corda： an introduction[J]. R3 CEV， August， 2016， 1： 15.

[3] WinterGreen Research， Blockchain Market shares， market strategies， and market forecasts 2018-2024， WinterGreen Research， 2018.

[4]賽迪顧問，2018年區(qū)塊鏈?zhǔn)袌鰯?shù)據(jù)，2018.