区块链技术发展现状与展望_袁勇.docx
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1、第 42 卷 第 4 期 自 动 化 学 报 Vol. 42, No. 4 2016 年 4 月 ACTA AUTOMATICA SINICA April, 2016 区块链技术发展现状与展望 袁 勇 1, 2 王飞跃 1, 3 摘 要 区块链是随着比特币等数字加密货币的日益普及而逐渐兴起的一种全新的去中心化基础架构与分布式计算范式 , 目 前已经引起政府部门、金融机构、科技企业和资本市场的高度重视与广泛关注 . 区块链技术具有去中心化、时序数据、集体维 护、可编程和安全可信等特点 , 特别适合构建可编程的货币系统、金融系统乃至宏观社会系统 . 本文通过解构区块链的核心要 素 , 提出了区块链
2、系统的基础架构模型 , 详细阐述了区块链及与之相关的比特币的基本原理、技术、方法与应用现状 , 讨论了 智能合约的理念、应用和意义 , 介绍了基于区块链的平行社会发展趋势 , 致力于为未来相关研究提供有益的指导与借鉴 . 关键词 区块链 , 比特币 , 共识机制 , 智能合约 , 平行社会 引用格式 袁勇 , 王飞跃 . 区块链技术发展现状与展望 . 自动化学报 , 2016, 42(4): 481494 DOI 10.16383/j.aas.2016.c160158 Blockchain: The State of the Art and Future Trends YUAN Yong1,
3、2 WANG Fei-Yue1, 3 Abstract Blockchain is an emerging decentralized architecture and distributed computing paradigm underlying Bitcoin and other cryptocurrencies, and has recently attracted intensive attention from governments, nancial institutions, high- tech enterprises, and the capital markets. B
4、lockchain s key advantages include decentralization, time-series data, collective maintenance, programmability and security, and thus is particularly suitable for constructing a programmable monetary system, nancial system, and even the macroscopic societal system. In this paper, we proposed a basic
5、 model of the blockchain system, discussed the principles, technologies, methods and applications of blockchain and the related Bitcoin systems. We also discussed the smart contract and its applications, and presented the future trends of blockchain-enabled paralleled societies. This paper is aimed
6、at providing helpful guidance and reference for future research eorts. Key words Blockchain, Bitcoin, consensus mechanism, smart contract, paralleled society Citation Yuan Yong, Wang Fei-Yue. Blockchain: the state of the art and future trends. Acta Automatica Sinica, 2016, 42(4): 481494 区块链是以比特币为代表的
7、数字加密货币体系 的核心支撑技术 . 区块链技术的核心优势是去中心 化 , 能够通过运用数据加密、时间戳、分布式共识和 经济激励等手段 , 在节点无需互相信任的分布式系 统中实现基于去中心化信用的点对点交易、协调与 协作 , 从而为解决中心化机构普遍存在的高成本、低 效率和数据存储不安全等问题提供了解决方案 . 随 着比特币近年来的快速发展与普及 , 区块链技术的 收稿日期 2016-02-22 录用日期 2016-03-02 Manuscript received February 22, 2016; accepted March 2, 2016 国家自然科学基金 (71472174, 71
8、102117, 61533019, 71232006, 61233001) 资助 Supported by National Natural Science Foundation of China (71472174, 71102117, 61533019, 71232006, 61233001) 本文责任编委 林宗利 Recommended by Associate Editor LIN Zong-Li 1. 中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室 北京 100190 2. 青岛智能产业技术研究院 青岛 266109 3. 国防科技大 学军事计算实验与平行系统技术中心 长沙
9、410073 1. The State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190 2. Qingdao Academy of Intelli- gent Industries, Qingdao 266109 3. Research Center of Mili- tary Computational Experiments and Parallel System, Nation
10、al University of Defense Technology, Changsha 410073 研究与应用也呈现出爆发式增长态势 , 被认为是继 大型机、个人电脑、互联网、移动 /社交网络之后计 算范式的第五次颠覆式创新 , 是人类信用进化史上 继血亲信 用、贵 金属信 用、央 行纸币信用之后的第 四个里程碑 1. 区块链技术是下一代云计算的雏形 , 有望像互联网一样彻底重塑人类社会活动形态 , 并 实现从目前的信息互联网向价值互联网的转变 . 区块链技术的快 速发展引起了政府部 门、金 融 机构、科技企业和资本市场的广泛关注 . 2016 年 1 月 , 英国政府发布区块链专题研究
11、报告 2, 积极推行 区块链在金融和政府事务中的应用 ; 中国人民银行 召开数字货币研讨会探讨采用区块链技术发行虚拟 货币的可行性 , 以提高金融活动的效率、便利性和透 明度 . 美国纳斯达克于 2015 年 12 月率先推出基于 区块链技术的证券交易平台 Linq, 成为金融证券市 场去中心化趋势的重要里程碑 ; 德勤和安永等专业 审计服务公司相继组建区块链研发团队 , 致力于提 升其客户审计服务质量 . 截止到 2016 年初 , 资本市 场已经相继投入 10 亿美元以 加速区块链 领域的 发 482 自 动 化 学 报 42 卷 展 . 初创公司 R3CEV 基于微软云服务平台 Azur
12、e 推出的 BaaS (Blockchain as a service, 区块链即服 务 ) 服务 , 已与美国银行、花旗银行等全球 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 . 区块链技术起源于 2008 年由化名为 “ 中本聪 ” (Satoshi nakamoto) 的学者在密码学邮件组发表的 奠基性论文比特币 : 一种点对点电子现金系统 3, 目前尚未形成行业公认的区块链定义 . 狭义来讲 , 区 块链是一种按照时间顺序将数据区块以链条的方式 组合成特定数据结构 , 并以密码学方式保证的不可 篡改和不可伪造的去中心化共享总账 (Decen
13、tral- ized shared ledger), 能够安全存储简单的、有先后 关系 的、能 在系统内验证的数据 . 广义的区块链技 术则是利用加密链式区块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 自动化脚本代码 (智能合约 ) 来编程和操作数据的一 种全新的去中心化基础架构与分布式计算范式 . 区块链具有去中心化、时序数据、集体维护、可 编程和安全可信等特点 . 首先是去中心化 : 区块链 数据的验证、记账、存储、维护和传输等过程均是基 于分布式系统结构 , 采用纯数学方法而不是中心机 构来建立分布式节点间的信任 关系 , 从而形成去中 心化的可信任的分布式系
14、统 ; 其次是时序数据 : 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 ; 第三是集体维护 : 区块链系统采用特定的经 济激励机制来保证分布式系统中所有节点均可参与 数据区块的验证过程 (如比特币的 “ 挖矿 ” 过程 ), 并 通过共识算法来选择特定的节点将新区块添加到区 块链 ; 第四是可编程 : 区块链技术可提供灵活的脚本 代码系统 , 支持用户创建高级的智能合约、货币或其 他去中心化应用 . 例如 , 以太坊 (Ethereum) 平台即 提供了图灵完备的脚本语言以供用户来构建任何可 以精确定义的智能合约或交易类型
15、4; 最后是安全 可信 : 区块链技术采用非对称密码学原理对数据进 行加密 , 同时借助分布式系统各节点的工作量证明 等共识算法形成的强大算力来抵御外部攻击、保证 区块链数据不可篡改和不可伪造 , 因而具有较高的 安全性 . 区块链技术是具有普适性的底层技术框架 , 可 以为金 融、经济、科 技甚至政治等各领域带来深刻 变革 . 按照目前区块链技术的发展脉络 , 区块链技术 将会经历以可编程数字加密货币体系为主要特征的 区块链 1.0 模 式、以 可编程金融系统为主要特征的 区块链 2.0 模式和以可编程社会为主要特征的区块 链 3.0 模式 1. 目前 , 一般认为区块链技术正处于 2.0
16、模式的初期 , 股权众筹和 P2P 借贷等各类基于 区块链技术的互联网金融应用相继涌现 . 然而 , 上 述模式实际上是平行而非演进式发展的 , 区块链 1.0 模式的数字加密货币体系仍然远未成熟 , 距离其全 球货币一体化的愿景实际上更远、更困难 . 目前 , 区 块链领域已经呈现出明显的技术和产业创新驱动的 发展态势 , 相关学术研究严重滞后、亟待跟进 . 截止 到 2016 年 2 月 , 以万方数据知识服务平台为中文 数据源、以 Web of Science 和 EI Village 为英文数 据源的文献检索显示 , 目前篇名包含关键词 “ 区块 链 /blockchain” 的仅有
17、2 篇中文 56 和 9 篇英文文 献 614. 本文系统性地梳理了区块链的基本原 理、 核心技术、典型应用和现存问题 , 以期为未来研究提 供有益的启发与借鉴 . 本文组织结构为 : 第 1 节概述区块链与比特币 的发展史及二者的关系 ; 第 2 节阐 述区 块链的基础 架构模型及其关键技术 ; 第 3 节和第 4 节分别概要 总结了区块链技术的应用场景与现存的问题 ; 第 5 节介绍智能合约及其在区块链领域的应用现状 ; 第 6 节展望了区块链驱动的平行社会发展趋势 ; 第 7 节 总结本文内容 . 1 比特币与区块链概述 比特币是迄今为止最为成功的区块链应用场景 . 据区块链实时监控网站
18、 Blockchain.info 统计显示 , 平均每天有约 7 500 万美元的 120 000 笔交易被写 入比特币区块 链 , 目前已生 成超 过 40 万个区块 15. 加密货币市值统计网站 显示 , 截止到 2016 年 2 月 , 全球共有 675 种加密货币 , 总 市值超过 67 亿美元 , 其中比特币市值约占 86 %, 瑞 波币和以太币分别居二、三位 16. 目前比特币供应 量 (即已经挖出的比特币数量 ) 已经超过 1 500 万枚 , 按照每枚比特币 389.50 美元的现行价格估算其总 市值已超过 59 亿美元 , 在世界各国 2015 年 GDP 排名中占据第 1
19、44 位 (略低于欧洲的摩尔多瓦 ). 换 言之 , 在没有政府和中央银行信用背书的情况下 , 去 中心化的比特币已经依靠算法信用创造出与欧洲小 国体量相当的全球性经济体 . 预计到 2027 年 , 全球 10 % 的 GDP 将会通过区块链技术存储 17. 比特币区块链的第一个区块 (称为创世区块 ) 诞 生于 2009 年 1 月 4 日 , 由创始人中本聪持有 . 一周 后 , 中本聪发送了 10 个比特币给密码学专家哈尔芬 尼 , 形成了比特币史上第一次交易 ; 2010 年 5 月 , 佛 罗里达程序员用 1 万比特币购买价值为 25 美元的 披萨优惠券 , 从而诞生了比特币的第一
20、个公允汇率 . 此后 , 比特币价格快速上涨 , 并在 2013 年 11 月创下 每枚比特币兑换 1 242 美元的历史高值 , 超过同期每 盎司 1 241.98 美元的黄金价格 . 据 CoinDesk 估算 , 目前全球约有 6 万商家接受比特币交易 , 其中中 国 4 期 袁勇等 : 区块链技术发展现状与展望 483 是比特币交易增长最为迅速的国家 18. 比特币本质上是由分布式网络系统生成的数字 货币 , 其发行过程不依赖特定的中心化机构 , 而是依 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, PoW) 的共识过程以完成比特币交 易的验证与记录 .
21、 PoW 共识过程 (俗称挖矿 , 每个 节点称为矿工 ) 通常是各节点贡献自己的计算资源 来竞争解决一个难度可动态调整的数学问题 , 成功 解决该数学问题的矿工将获得区块的记账权 , 并将 当前时间段的所有比特币交易打包记入一个新的区 块、按 照时间顺序链接到比特币主链上 . 比特币系 统同时会发行一定数量的比特币以奖励该矿工 , 并 激励其他矿工继续贡献算力 . 比特币的流通过程依 靠密码学方法保障安全 . 每一次比特币交易都会经 过特殊算法处理和全体矿工验证后记入区块链 , 同 时可以附带具有一定灵活性的脚本代码 (智能合约 ) 以实现可编程的自动化货币流通 . 由此可见 , 比特币 和
22、区块链系统一般具备如下五个关键要素 , 即公共 的区块链账 本、分 布式的点对点网络系 统、去 中心 化的共识算法、适度的经济激励机制以及可编程的 脚本代码 . 区块链技术为比特币系统解决了数字加密货币 领域长期以来所必需面对的两个重要问题 , 即双重 支付问题和拜占庭将军问题 19. 双重支付问题又称 为 “ 双花 ”, 即利用货币的数字特性两次或多次使用 “ 同一笔钱 ” 完成支付 . 传统金融和货币体系中 , 现 金 (法币 ) 因是物理实体 , 能够自然地避免双重支付 ; 其他数字形式的货币则需要可信的第三方中心机构 (如银行 ) 来保证 . 区块链技术的贡献是在没有第三 方机构的情况
23、下 , 通过分布式节点的验证和共识机 制 解决了去中心化系统的双重支付问题 , 在信息传 输的过程同时完成了价值转移 . 拜占庭将军问题是 分布式系统交互过程普遍面临的难题 , 即在缺少可 信任的中央节点的情况下 , 分布式节点如何达成共 识和建立互信 20. 区块链通过数字加密技术和分布 式共识算法 , 实现了在无需信任单个节点的情况下 构建一个去中心化的可信任系统 . 与传统中心机构 (如中央银行 ) 的信用背书机制不同的是 , 比特币区 块链形成的是软件定义的信用 , 这标志着中心化的 国家信用向去中心化的算法信用的根本性变革 . 比特币凭借其先发优势 , 目 前已经形成体系完 备的涵盖
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