“1”句话概括区块链∶可信的分布式数据库

狭义的区块链是一种将数据区块以时间顺序相连的方式组合或的，并以密码学方式保证不可篡改和不可伪造的分布式数据库（或者叫分布式账本技术，distributed ledger technology，DLT）。分布式数据库中的数据由系统的所有节点共同记录，所有节点既不需要属于同一组织，也不需要彼此相互信任（见图15-1）。

区块链可以视作一个账本，每个区块可以视作一页账，其通过记录时间的先后顺序链接起来就形成了“账本”。通常系统会定期更新交易记录，其间的数据信息、交易记录被放在一个新产生的区块中。如果所有节点都认可了这个区块的合法性。这个区块将被各节点添加。

如图15-2所示，区块可以大体分为块头（header）和块身（body）两部分。块头一般包括前一个区块的哈希值（父哈希）、时间戳以及其他信息。哈希是一类密码算法，将信息加密成哈希值。如图15-3所示，父哈希指向上一个区块的地址（头哈希），如此递推可以回溯到区块链的第一个头部区块，也就是创世区块（genesis block）。

每个特定区块的块头都由头哈希值作为识别符。节点可以对区块头进行哈希计算，独立地获取该区块的哈希值。区块高度是另一个标识符，作用与区块头哈希类似。创世区块高度为0，然后依次类推。

块身包含经过验证的、块在创建过程中发生的所有价值交换的数据记录，通过默克尔树（Merkle Tree）结构存储起来。所有数据都记录在这棵树的“叶子”节点里，一级一级往上追溯，归结到一个树根，反之通过树根就追溯到每一笔交易详情。

区块链三大关键机制

第一，密码学原理∶哈希算法、非对称加密。

哈希算法是一类加密算法的统称，是信息领域中非常基础也非常重要的技术。输入任意长度的字符串，哈希算法可以产生固定大小的输出。我们可以用哈希标识一个区块，但我们无法用哈希值反推出区块的具体内容（哈希函数的隐秘性）。

非对称加密是指加密和解密使用不同密钥的加密算法，也称为公私钥加密（见图15-4）。区块链网络中，每个节点都拥有一对私钥和公钥。使用这个密钥对时，如果用其中一个密钥加密一段数据，则必须用另一个密钥解密。在比特币区块链中，私钥代表了对比特币的控制权。交易发起方用私钥对交易（包括转账金额和转账地址）签名并将签名后的交易和公钥广播，各节点接收到交易后可以用公钥验证交易是否合法。

第二，数据存储结构：默克尔树。

默克尔树实际上是一种数据结构。这种树状数据结构在快速归纳和检验大规模数据完整性方面效率很高。在比特币网络中，其树根就是整个交易集合的哈希值，层的叶子节点是数据块的哈希值（见图15-5）。我们只需要记住根节点哈希，只要树中的任何一个节点被篡改，根节点哈希就不会匹配。从而可以达到校验目的。

第三，共识机制。

共识机制是区块链网络核心的秘密（见图15-6）。简单来说，共识机制是区块链节点就区块信息达成全网一致的共识机制，可以保证区块被准确添加至区块链、节点存储的区块链信息一致不分叉，甚至可以抵御恶意攻击。实践中要达到这样的效果需要满足两方面条件∶一是选择一个独特的节点来产生一个区块，二是使分布式数据记录不可逆。

当前主流的共识机制包括∶工作量证明（Proof of Work，POW）、权益证明（Proof of Stake，POS），工作量证明与权益证明混合（POS+POW）、股份授权证明（Delegated Proof-of-Stake，DPOS），实用拜占庭容错（PBFT）、瑞波共识协议等。

区块链两大核心性质：分布式、不可篡改

第一，分布式记账与存储。在记账方面，区块链不需要依赖一个中心机构来负责记账，节点之间通过算力或者权益公平地争夺记账权。通过“全网见证”，所有交易信息都会被“如实地记录”，而且这个账本将不可更改。在传统复式记账中，每个机构仅保存与自己相关的账目，但往往花费大量的中后台成本进行对账与清算。

在存储方面，由于网络中的每一个节点都有一份区块链的完整副本，即使部分节点被攻击或者出错，也不会影响整个网络的正常运转。这使得区块链有更高的容错性和更低的服务器崩溃风险，同时也意味着所有的账目和信息都是公开透明、可追溯的。所有参与者都可以查看历史账本，追溯每一笔交易，也有权公平竞争下一个区块的记账权。

第二，不可篡改。在区块链中伪造、篡改账目基本是不可能的，不可篡改也意味着数据的高度一致性和安全性，这是区块链与传统数据库的另一主要区别。首先，合法的交易需要私钥签名，否则无法被其他节点验证；其次，每一笔交易都是可回溯的，也就杜绝了无中生有的可能。

如图15-7所示，假如我们要篡改区块链中第k个区块的数据，那么当前区块的头哈希就会发生改变，由于哈希函数具有碰撞阻力，改变后的头哈希将无法与k+1区块的父哈希相匹配。这要求篡改者在同一时间同时入侵全球所有参与记录的节点并篡改数据，只有重新计算被更改区块后续的所有区块，并且追上合法区块链的记录速度才有可能被认可，这通常需要拥有至少全网51%的算力基础。由于区块链是一个分布式系统，大部分节点都是相互独立的，"51%攻击"在现实中很难发生。

如图15-8所示，区块链产业结构已逐步成型，呈现较为明显的上中下游关系。区块链产业主要分为底层技术、平台服务、产业应用三部分，其中，底层技术部分提供区块链核心技术产品和组件，平台服务部分基于底层技术搭建出可运行相应行业应用的区块链平台，产业应用部分主要根据各行业实际场景，利用区块链技术开发行业应用。

上游基础层：底层技术及基础设施

区块链产业上游主要提供底层技术及基础设施，包含∶共识算法、加密算法、分布式数据存储、智能合约等。随着纵向发展成为共识，相关企业纷纷开始布局区块链底层技术研发，提升产品性能和场景适应能力。

中游服务层：平台服务

区块链平台与技术开发服务是上层应用的重要支撑。其中可分为公有链，联盟链、私有链三种。

公有链是任何人都能读取区块链的信息、发送交易和参与共识过程的一种区块锁，优点是协议公开，信息透明度高，全部数据均可以被公开访问。缺点是很难在满足去中心化和安全性的同时支持很高的交易量。

私有链是写入权限在一个组织手里，读取权限被限制的一种区域链。一般适用于特定机构的内部数据管理与审计。其优点是能更好保护隐私、降低交易成本、交易速度非常快，但存在被操纵价格，被修改代码等风险。

联盟链是根据一定特征设定的节点才能参与和交易，其共识过程受预选节点控制的一种区块链，联盟链是半公开性质的区块链网络，需预先指定节点作为记账人，区块的生成由所有记账人协同决定，联盟链的优点是网络性能高，运作成本较低，但其透明度较公有链低。

企业提供区块链技术的主要服务形式之一为区块链即服务（BaaS）平台。BaaS是指将区块链框架嵌入云计算平台，通过云为开发者提供区块链生态服务的区块链开放平台。区块链即服务（BaaS）集合了区块链和云计算两者优势，以云作为基础资源，配合区块链网络的创建，管理，运行、组件维护，降低了区块链应用的开发和部署成本。

下游应用层：产业应用

“+区块链”商业模式将传统场景与区块链技术相结合，发挥区块链在促进教据共享、建设可信体系、降低运营成本等方面的作用。

区块链已经从最初的数字金融，逐步向供应链金融、产品溯源等领域拓展，现在已在政务、民生、工业管理等行业探索应用（见图15-9）。整体看，区块链应用的发展可以总结成三种类型应用模式（见表15-1）。

第一是链上存证类，链上存证类是区块链成为链上存证的信任账本，主要应用于全网数据一致性要求较高的业务，如供应链金融、溯源、审计、票据等。

第二是链上协作类，链上协作类是区块链提供多方协作的信任机器，在去中心化的大规模多方协作业务中，发挥出数据共享、数据互联互通的重要作用。

第三是链上价值转移类，链上价值转移类是区块链构建价值传递的智能互联信任基础设施，以资产的映射、记账、流通为主要业务特点，主要应用于DCEP、跨境贸易等。

投融资回暖，政策红利开启

产业已经度过了最初的过热期和冷静期，进入了稳定发展初期。从整体规模来看，区块链项目的相关投融资规模经过2019年的冷静阶段后，于近年不断逐渐扩大。

从全球区块链相关公司融资轮次分布情况来看，约77%的融资事件处于种子轮、天使轮或A轮，B轮占比约为5%，C轮占比1.7%。在经历了2014～2015年的爆发式增长后，行业投融资规模在2016～2020年间逐步向下，投融资次数逐步降低。然而2021年资本风险偏好上升，区块链相关投资回暖，区块链相关行业也向成熟期更进一步。

商业模式相对更明晰的金融领域等行业更受青睐。从行业角度来看，2021年区块链融资金额排名前三的行业是金融服务、基础设施建设和NFT ，占比分别为49%、23.62%和12.07%。区块链可以提高金融机构间数据传递效率和价值，从而获得执行时间、成本上的优势，因此在金融行业应用的潜力巨大。

虽然金融行业仍是发展重点，但其他行业也快速发展，逐渐从“1到N”。区块链已经从最初的数字货币和去中心化金融等单一领域逐步向社会各领域渗透，包括政府政务、民生、工业管理等领域，其相关产业链也进一步完善。其中基础设施建设投资占比略有上升。NFT相关投资意愿明显提高。未来随着区块链行业逐步进入稳定发展阶段。基础设施建设投资占比预计将进一步上升。而元宇宙等产业数字化的发展也预示着未来下游行业将逐步实现多元化发展。

在政策方面，国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要中区块链被列为数字经济重点产业之一。中央政府在不断加大支持力度，地方政府对区块链的重视程度逐渐提升，政府部门区块链技术应用正积极落地。广东省、山东省、河北省、北京市等地出台了区块链专项政策。浙江省、陕西省、上海市等地将区块链技术写入地方“十四五规划，着力推进当地区块链产业体系健康发展。2020～2021年间，全国启动区块链项目超过90个，其中政务服务项目超过40个，政务领域将成为区块链应用的突破口和主战场。

作为数字经济时代重要的连接环节，未来区块链将广泛应用于监管、治理与线上交易等场景。区块链通过数学原理而非第三方中介来创造信任，可以降低系统的维护成本。在产业数字化进程中，区块链将用于优化传统的第三方担保信用交易，赋能产业数字化转型过程。在数字产业化进程中，区块链将作为线上交易的底层应用，填补数字产业化的缺失。

贸易数字化转型

全球贸易涉及主体多，手续复杂，沟通烦琐。主体之间信息离散程度高，大量的纸质作业使供应链缺乏透明度，协同效率低下，导致资源利用率降低、运输时间长、成本提高。2014年，马士基从非洲运输货物至荷兰，耗时1个月，涉及超过30个主体200多次沟通交互，整体流程结束签署文件厚度高达25厘米。

区块链的去中心化、可追溯、信息对称、安全可视等特点天然地适用于全球贸易的物流环节（见图15-10）。在IBM开放物流平台上可以通过双方以及多方数字签名和凭证（Token）对物流信息进行全网验证。五大管理系统包括物流、港口、海关、供应链、运输交通，这些管理系统可以实现协作管理。对进口商、出口商、制造商来说，端到端的信息透明可以实时监管物流全流程∶对港口和集装箱集中地管理来说，可以提高空箱利用率和降低资源错配率；对海关等机构来说，信息正确可以提高审批效率；对运输管理商来说，可以优化货物运输路线和日程安排。对于IBM与马士基合作的项目，在从鹿特丹港到新泽西纽瓦克港的运输中，时间上节省超过40%，成本降低超过20%。

服务业数字化转型

金融服务业中小微型企业存在融资难、信用成本高的问题。以供应链金融为例，在传统供应链金融模式下，信息不够透明导致中小企业融资难，成本高。首先，银行出于风控考虑往往仅愿意对上下游中的一级供应商提供相关服务，导致二三级供应商和经销商巨大的融资需求无法得到满足，使供应链上的中小企业因为融资受限影响生产进度和产品质量，从而伤害了整个供应链。其次，现阶段商业汇票、银行汇票作为供应链金融的主要融资工具，使用场景受限且转让难度较大。银行对于签署类似应收账款债权“转让通知”的具有法律效力的文件往往非常谨慎，要求核心企业的法人代表去银行当面签署，操作难度大。

区块链则使供应链金融变得更加高效、成本更低（见图15-11）。2017年3月，区块链金融平台“Chained Finance”出现。Chained Finance首先将核心企业的应付账款转化为区块链上的线上资产eAP。当核心企业与一级供应商L1形成应付账款并写入区块链后，L1可以任意分拆 eAP并用于支付自己的供应商L2，以此类推至L3、L4等。eAP最终成为区块链平台上的“商票、银票”。区块链的介入使得供应链上的中小企业融资成本下降了约15%。

政务数字化转型

征信是依法收集、加工自然人及其他组织的信用信息，并对外提供信用报告、信用评估、信用信息咨询等服务。早在2014年，清华大学课题组发布的报告中就曾测算，2012年征信系统改善了4986 亿元的消费贷款质量，为银行带来了801.6亿元的收益，拉动了约0.33%的GDP增长。

随着数据量和征信维度的增加，各个征信机构只能在某一方面做到专业，公共部门的数据也略显不足。严重的“信息孤岛”问题导致片面的决策和风险。

通过系统各节点的信息共享，区块链可以构建一个完整的“信用分评价体系”，根据个人行为对信用的影响程度高低来评估个人的整体信用水平，并根据联盟机构对信用评价的贡献分配信用使用方查询数据产生的收益，解决“信息孤岛”问题。

区块链技术的应用有助于进一步厘清征信数据的归属问题（见图15-12）。当前征信体系的数据归属错位带来数据安全和隐私问题。而在区块链模式下，个人所产生的信用行为记录由机构向区块链进行反馈，并在个人的“账簿”上进行记录，向全网广播，通过共识机制进行记录，在信用查询时，则需要经用户许可才能查询个人信息。

赋能元宇宙基础建设

2021年Facebook 正式更名为Meta，开启了元宇宙时代。而区块链作为元宇宙的技术应用，搭建了数字世界的底层互信框架（见图15-13）。单一公司难以支撑元宇宙的流量，未来元宇宙将会是跨国家或跨文明的。元宇宙系统中庞大的交易量、复杂的交易模式以及对效率的要求使得流量大、效率高以及难统一成为其特点。

区块链的去中心化以及高效等特点较契合元宇宙的。应用区块链的DeFi可以做到去中心化管理，将数据分散保存于各个节点，在避免中心节点垄断式管理的同时还保证了数据难以被篡改。同时，NFT的应用则保证了用户在元宇宙中的权益。

完善大数据时代的信息安全

在数字经济时代，数据作为重要的生产要素之一，其安全性至关重要。传统的数据储存方式易受攻击，数据安全问题形势严峻。根据国家工信安全中心的数据，2020年受到网络攻击所导致的数据安全事件占所有数据安全事件的15%，平均数据泄露成本约为443万美元。而区块链的优势则是在非信任网络条件下创造出不可篡改的数据，保护数据安全。

区块链主要有以下两个特性能够降低风险∶

第一，数据中心形式的集中储存环境加剧了数据安全风险，而区块链天然的去中心化将数据同步分散储存于多个服务器节点，增加了攻击的难度与成本。正如本章第一节所述，区块链具有不可篡改性。在区块链中，每当数据写入或篡改时，修改者必须向所有节点广播。因此，攻击者需要拥有全链至少51%的算力才有机会成功。

第二，区块链中的非对称加密算法、默克尔树存储结构和哈希算法等加密算法能够有效降低数据被攻击、篡改的风险。区块链中的非对称加密算法将小数据进行加密编译，最终形成长数据串，用于验证数据来源。哈希算法能够穷举对应无数明文的特性也使得其不可逆，能够保证数据隐私。而默克尔树存储结构能够使区块链在短时间内验证大量数据的一致性，由此提升了区块链的数据安全性。