区块链技术的应用与展望

朱 瑾 许智颖

(山东师范大学商学院，250358，济南 )

1 引 言

2020年5月，新京报发表社论“以全流程监管打击对消费券‘薅羊毛’”，提出利用区块链等技术手段完善消费券发行制度，为提振受新冠疫情影响的国内经济提供安全监管[1].自2020年初以来，我国累计超过22个省政府将区块链写入工作报告.在国外，对区块链技术的关注度只增不减，许多国家从国家层面出台相关政策激励区块链产业发展[2].美国、英国、日本等始终对加密资产持开放态度.2019年初，新加坡国会通过《支付服务法案》，将有利于区块链、数字货币发展的合法性、规范性.据有关韩媒报道，韩国拟投入4亿美元区块链研发基金助力“数据经济振兴”计划. “区块链+医疗”和“区块链+金融”等创新商业模式日益频繁地出现在人们日常生活中.国内外政府、专家的高度重视以及民众的密切关注逐渐将区块链技术推向热点.

区块链概念最早出现于2008年，中本聪在其著作《比特币：一种点对点电子现金系统》[3]中将区块链作为比特币的底层技术.与传统货币交易系统不同，区块链技术以去中心化的信任机制替代第三方权威机构，通过分布式共识算法对数据进行多主体维护.其核心优势是利用密码学原理，如哈希函数、非对称加密、Merkle树等确保交易信息的可溯源性与不可篡改性.区块链技术最早应用于数字加密货币，这一阶段也被称为区块链1.0时代.随着现有技术的改进，区块链技术具备了更强大的功能，如以自动化脚本编码的智能合约技术嵌入使得区块链系统可在预设指令被激活的情况下自动灵活生成合约.这引发了区块链技术的颠覆式变革，使其脱离比特币作为独立技术范式被引入金融领域，由此进入区块链2.0时代.近年来，区块链技术逐渐突破金融行业，呈现出产业驱动创新的态势[4].在医疗、教育、社会治理、物联网乃至传媒等领域得到广泛应用，区块链技术以“区块链+”为标志进入多场景应用下的区块链3.0时代.值得注意的是，区块链不同时代的划分并非完全独立，而是以耦合状态并行发展逐渐过渡.

2 区块链概念及基本结构

2.1区块链技术的概念区块链技术最早出现于2008年由中本聪编写的著作《Bitcoin:A Peer-to-Peer Electronic Cash System》[3]中.起初，区块链并非一项独立的技术，而是作为比特币的底层支持技术应用于数字货币领域.目前有关区块链的概念尚未得到明确界定.有学者将区块链的本质定义为一种去中心化的数据库[5, 6]，主要执行数据输入、验证与存储功能.也有学者从技术应用的角度，将区块链定义为分布式交易账本[7, 8]，主要执行交易记录的任务以实现价值交换功能.与传统系统依赖于中心权威机构建立信任机制不同的是，区块链是一种去中心化的技术结构，即不存在领导式中心机构(如中央银行)，而是通过散落分布式节点共同承担数据收集、核验、存储、传输任务构建信任机制.区块链独特的链式结构可以完整记录从创世区块至最新区块的全部信息，应用密码学技术保证数据不可篡改.区块链具有可追溯性、信息公开性等优点，用户均可通过PC端查阅区块链中存储的公开数据.

随着时代的发展与区块链技术的迭代完善，其应用已经从数字货币拓展到物联网、传媒、医药、金融等领域[9-11].智能合约等技术逻辑的开发使得区块链不仅仅局限于交易记录，还可以通过自动化脚本在预设指令被激活的情况下智能生成合约并存储.与此同时，有关区块链概念的界定也日趋多元化.综合各界学者的观点，本文总结区块链的概念为：在多主体参与维护下，建立去中心化的信任机制，通过分布式共识算法实现数据存储功能的技术范式.

2.2区块链数据结构李燕等人[12]认为，区块链是由区块组合、数据链接而成的链式结构.具体来讲，区块链是由创世区块与其后续区块通过数据链接形成，其核心组件可以划分为区块头(Header)与区块体(Body)(见图 1).其中区块头包含当前区块哈希值、前一区块哈希值、时间戳、区块号、随机数和梅克尔(Merkle)根结点等海量信息，区块体则记录详细的交易数据.

图1 区块链数据结构

区块链中的数据并非以原始形式保存，而是经由哈希算法将任意长度的数据转换为固定长度的二进制数据信息载入区块.如原始数据通过两次SHA256哈希算法(输出长度为256位)，生成Merkle树叶子节点被记入区块体[13].Merkle树根节点记录叶子节点哈希值，不包含底层数据.这一技术降低了数据验证与识别的复杂度，有效提高了区块链的运行效率.区块头中前一区块哈希值承载上一区块内的全部交易信息，当前区块哈希值则是由该区块生成阶段内所有通过验证的交易信息构成.由此相邻区块形成首尾相连、环环相扣的紧密链式结构，每一区块均涵盖自创世区块以来的全部信息. 时间戳是指被存储数据通过验证的时间，与数据载入的先后时序相对应.加盖时间戳为信息存储增添了时间维度，一方面确保信息可溯源性和时序性[12]，另一方面为知识产权注册、公证等对时间较为敏感的领域应用奠定了基础.区块链应用POW(工作量证明)等算法保证区块头中随机数生成的无序性和不可预测性.

2.3区块链基础架构关于区块链的基础架构，当前学界主要有“五层模型”与“六层模型”两种不同观点.蔡晓晴等人[7]以区块链的发展历程为依据，在数据层、网络层、共识层构成的区块链核心架构基础上扩展构建了合约层与应用层.而曾诗钦等人[14]则将智能合约与执行环境、处理模型融合在一起，用控制层替代合约层，搭建了共识层所生成的数据与应用层之间的平台.而袁勇等人[4]从去中心化的分布式节点挖矿行为的自利性视角出发，构建一系列激励机制刺激节点积极执行任务，由此建立了涵盖数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层的“六层模型”，此种分类应用较为广泛.

区块链各层由下至上分别执行数据存储、信息传播、算法共识、工作激励、智能合约和灵活应用等功能.数据层、网络层和共识层确保所有交易数据算法一致、存储完整且不可篡改.激励机制驱动各节点积极挖矿扩展区块链，最终以合约层为端口链接各应用场景，助力区块链技术到商业逻辑的转化.

3 区块链主要特征

3.1去中心化区块链的核心优势在于去中心化.区别于传统的中心化系统结构，去中心化系统并不存在唯一的中心权威机构.区块链依靠分布式共识机制构建点对点( P2P)网络结构，实现全网节点间的信息通讯[15].依靠纯数学方法而非中心机构统一授权[4]，由此形成了区块链独特的信任机制.每一节点地位平等且互联互通，任何节点均可利用自身算力承担数据验证、存储和传输等任务.区块链安全问题由各节点共同参与，在特定激励机制驱动下实现多利益主体维护.从技术应用层面，去中心化的系统结构有效提高了数据传输效率，降低了时滞性，从更低成本化角度拓宽了技术应用场景.

3.2不可篡改性密码学中哈希函数等技术的应用决定了区块链数据的不可篡改性.哈希函数具有抗碰撞性(Collision Resistance)，即在SHA256函数有限的输出空间中(2256)，难以人为创造哈希碰撞使任意x≠y，满足H(x)=H(y)，除非遍历所有可输入值,但工作量庞大.利用这一性质，可检测加密数据经哈希转换所得值与初始哈希值是否相等以确保信息未被篡改.哈希函数还有单向不可逆性(Hiding)，在输入空间足够大且分布均匀的前提下，原始交易信息x经哈希函数转换为H(x)被公布，但无法由结果反推出输入值，这样可以有效防止原始交易信息被篡改.在实际操作中通常将原始信息结合随机数(Nonce)共同哈希，以满足输入空间足够大条件.根据区块链运行原理，在指定区块后每生成一个新的区块则称为完成一次对指定区块的确认.规定每项交易至少经过六次确认才具有合法性.而每一区块中的随机数是基于SHA256双哈希算法[16]生成，具有绝对的不可预测性，要想篡改数据需要依靠强大算力.攻击系统耗费的巨大成本使得篡改数据难以实现.

3.3可追溯性区块链独特的链式结构决定了被存储数据的可追溯性.共存于每一区块中的父哈希和子哈希将当前区块与前一区块内的历史数据封装于一体，依托于相邻区块首尾相接、环环相扣的链式结构，区块链存储的每项交易数据均可追溯.另外，通过验证的交易信息在写入区块的同时加盖时间戳，为数据增建时间维度，强化了信息可追溯性.区块链可追溯性为食品、药品安全监管的落实提供了技术支持.

4 区块链应用场景

早期区块链技术主要应用于数字货币领域，随着非对称加密算法、智能合约以及各类共识机制的嵌入，区块链技术的适配场景更加广泛.区块链系统所具备的去中心化、可溯源性、时序性、不可篡改性以及安全可信等特征，引起物联网、金融、医疗[17]、传媒、教育以及保险等领域的颠覆式变革.“区块链+”的繁荣为社会生活带来智能、便捷的同时，也催化了区块链技术的优化迭代.

4.1区块链在物联网中的应用物联网[18]是基于信号传感设备的应用，将物理实体互相连接，实现数据互联、信息共通的智能化识别、追踪与管理的网络，被列为我国新型战略性产业之一[19].信息与物理空间的高度融合随时间延续使信息呈爆炸式增长，由此产生一系列数据存储与传输问题.如车联网随着联入网络的车辆增多，车载网络信息剧增给系统效率带来负面影响.对此，有学者结合边缘网络与区块链技术构建WSN(无线传感器网络)，并提出“滚动块链”概念[20].利用支持移动边缘计算的区块链系统解决工作证明难题，提高车联网中资源利用率[21].另外，利用区块链分布式节点的综合算力可以实现物联网的海量数据存储[22].以2020年爆发的新冠肺炎疫情为例，李旭东等人[23]分析了区块链技术及突发公共卫生事件下应急物流的耦合机理，构建高效运行、助力捐赠和智能发展三维度应急物流模型.有学者将这种区块链+物联网的合作体系称作“物链网”[24].以块链技术为依托的物联网突破数据存储带宽局限，保障互访高效同时预防信息孤岛现象，具有广泛的应用前景[25].

4.3区块链在金融领域的应用区块链最早应用于比特币[27]，这为其在金融领域的拓展奠定了基础.传统金融系统依赖于中央权威机构建立信任关系，交易双方以中心机构为媒介实现协议达成、货币流转以及信息传递.第三方机构的干预使得金融交易效率有限且具有高度依赖性，一旦依赖中心机构受到攻击，相关交易信息都将面临泄露风险.区块链系统具有去中心化的信任机制，依赖分布式共识算法可大大缩减交易成本，加盖时间戳与非对称加密算法保证了金融数据的不可篡改性与可溯源性.因此，越来越多的金融机构将其资产整合到区块链中[12]，区块链技术在国内乃至跨境支付中发挥了重要作用.如国际区块链联盟R3CEV与微软及以太坊合作开发了票据交易系统，吸引了高盛、瑞士联合银行等国际知名金融机构的加入.早在2016年，我国招商银行也应用区块链技术研发出一套针对跨境直连清算的系统.2020年2月5日，中国人民银行发布了首个金融行业内区块链标准——《金融分布式账本技术安全规范》(JR/T 0184—2020)，标志着区块链金融领域的日益规范化、合法化.

4.4区块链技术在文化传媒中的应用伴随互联网技术的成熟，传统新闻传媒生成内容逐渐由文字转向数字化，经虚拟网络即时、异地传播.随着区块链应用场景的扩展普及，“区块链+传媒”的资本逻辑转化愈加理性成熟.不少媒体开始引进区块链技术试水，主攻信息源权威认证、文体版权保障以及传播效果提升等基本需求.区块链为助力传媒行业打破困局转型升级提供关键技术支持.

在产业投融资层面，文化产业面临融资分散不稳定的拓展瓶颈.利用区块链去中心化优势，可以匹配长程运作中的各个环节在非权威背书下自动生成合约完成集资，确保运作流程顺畅低风险.熊卿等人[33]通过DEA效率评估法实证检验以上论述，并证实区块链技术的嵌入对提高文化产业投融资效率有显著影响.在信息生成阶段，段欣毅等人[34]提出利用区块链分布式特征搭建多方内容生成平台，经由激励机制保障节点信息质量与积极性.实力突破新闻发现难、看点低的困境.这种类似于“新闻众包”模式提高了用户卷入度，重塑内容生产模式并提振用户消费积极性[35].在版权保障层面，互联网环境使得传媒内容生产、传播以及交换均在虚拟空间运行，盗版、抄袭易发最终形成“劣币驱逐良币”的恶性循环.对此，多位学者提出利用区块链哈希算法将版权交易信息透明化[35, 36]，借助时间戳技术为文字、音频等信息加盖唯一标识防篡改.区块链应用使得数字版权从确权到用权乃至维权均有了可溯源性，有力打击盗版侵权赋能数字版权价值体系[37].

5 区块链潜在问题

自2008年问世以来，区块链技术的发展呈现出日益蓬勃的良好态势，区块链生态系统也日渐丰富完善.然而，由于技术本身并非完全成熟，其固有的系统性漏洞引发一系列安全问题、资源与效率问题.且“区块链+”级区块链与其他领域的交互融合也处于探索阶段，相关法律、应用制度并不健全.这些潜在问题制约着区块链技术的进步发展，区块链技术需要日益完善.

5.1安全问题

5.1.1 共识算法安全 一直以来，区块链安全问题频发且受到学者们的密切关注.韩璇等人[38]从区块链基础架构角度，剖析各层级潜在的安全隐患及相应措施.其中基于POW共识机制的共识层主要面临51%攻击问题.即掌握全网51%以上算力的节点，可以随意篡改数据威胁主链安全[39].如2019年1月5日开始，ETC网络遭受51%算力攻击，两天内至少发生11次双花攻击，累计损失约合110万美元.尽管POS共识算法可有效应对这一问题，但随之而来的分叉难题(长程攻击)却不可避免.即攻击者购买创建区块的密钥，并无代价模拟构建一条始于创世区块的分支，新节点受弱主观性影响认可伪链最终替代合法主链.

5.1.2 加密机制安全 私钥是用户在区块链体系内的“身份证”，私钥丢失意味着用户身份及所有权益的完全转移.利用区块链去中心化特征，黑客可以通过盗取私钥的方式偷取用户资产.2019年11月19日，门罗币官网被植入恶意代码，窃取用户私钥及助记词.由于区块链不可篡改性，被盗资产无法追回.除此以外，区块链系统内的非对称加密技术尽管有哈希函数作为安全保障，人为制造哈希碰撞与逆向解码所需成本最小化加密风险，但量子计算机指数级的算力仍然对破解非对称加密存在威胁，尽管有研究者提出针对性技术改进[40]，但反量子加密技术仍有很大进步空间.

5.1.3 智能合约安全 目前智能合约技术仍存在一定的漏洞，包括可重入漏洞和区块参数依赖漏洞等.如2016年发生的The Dao事件，非法端利用智能合约可重入性漏洞进而盗取项目内全部资金.区块参数依赖漏洞是指生成区块过程中需嵌入随机数，在没有官方提供随机数的前提下技术人员需要基于区块内相关变量自行开发伪随机数.这些变量包括区块号(Block.Number)、区块难度(Block.Difficulty)、时间戳(Block.Timestamp)以及区块Gas限制(Block.Gaslimit)等，因此操控这些参数就能实现随机数生成的可预测性,恶意矿工利用这一漏洞可以发起攻击.频发的安全事件给研发人员提出了新的技术挑战，也为智能合约留出更大的进步空间.总体而言，区块链健康生态系统的构建未来可期.

5.2资源与效率问题区块链应用POW共识算法对节点算力具有高度依赖性，每个节点都要求解双哈希函数并生成随机数来竞争记账权.由于求解哈希值的过程需大量计算能力，矿机运行也要足够电力持续供应，但最终上链节点只有一个，由此其他节点在阶段内付出的算力资源以及电力资源均被浪费[4].以至于有不法分子为降低高昂电力成本，不惜铤而走险私自改装矿机并利用变压器“偷电挖矿”.另外，交易效率主要受区块生成时间的影响，而POW共识算法下新区块生成至少需要10 min，交易确认因此延迟,基于时间敏感性的实时交易则无法通过区块链技术完成.同时伴随区块链发展节点数量日益增多，系统吞吐率仅限于每秒7笔交易，存储容量无法提高导致低伸缩性，使得运行效率逐渐降低[41].因此，减少资源浪费提高区块链运行效率的最新技术还有待研发.

5.3法律制度问题现实社会中公民行为均受到法律制度的约束，以保障社会治理安定有序.然而，区块链系统缺乏标准化行为准则，对黑客入侵行为没有形成法律层面的惩处机制，这使得非法攻击屡禁不止.另外，区块链技术本身的特性使其面临法律风险[42]，如基于非对称加密算法及共识机制所赋予的不可篡改性和匿名性，区块链极易被用于洗钱、恶意融资等非法活动[43].智能合约技术的应用引发区块链系统的颠覆式变革，同时合约双方可匿名签约的特质为合约追责埋下隐患[44]，对此，区块链相关法律条例需要进一步增加和完善.

6 区块链技术展望

6.1技术前沿化POW共识算法是区块链的核心技术之一，但基于工作量证明的信任机制使得哈希在求解过程中造成巨幅电力、算力资源浪费,同时，受吞吐量限制区块链运行效率不高，对此，已经有学者从不同视角提出算法改进.

基于POW机制扩容与效能对立的核心矛盾，戴安博等人[5]提出链上改造与链下拓展两种可行方案.链上操作以Bitcoin-NG、Byzcoin和GHOST算法为例，在保留POW出块规约的前提下利用新的分区标准提高系统吞吐量.链下拓展以闪电网络、分片共识为例，本质在于分散中心工作量以此扩容提速.从资源维护的视角出发，刘志杰等人[45]设计了ECDLP挑战方案，并引入LISTS字段记录矿工游走轨迹便于验证.考虑到区块链数据公开造成的隐私泄露问题，学者们提出门限密码学[46]、零知识证明[47]、混币和环签名算法[48]等多视角方案.面对量子计算机的指数级算力对区块链安全性造成威胁，格密码有望发挥抗量子攻击作用[49].上述技术改进方案能完善区块链性能，提高安全性，但目前仅局限于理论探讨与数字建模阶段，其可行性与操作性还有待学者们开发探究.

6.2应用拓展化在应用层面，区块链最初作为数字货币底层技术，为其在金融、审计领域的应用孕育了天然环境.但随着互联网技术的演进，物联网、人工智能、大数据与区块链融合带来的技术红利成为驱动各行业转型的新风向.

就教育行业而言，现代化教育进程中智能设备建设[50]、学生信息核验以及知识成果评估[51]等方面的要求日益严格.从引领舆论的“知网查重”到当前热议的“冒名顶替”事件，均为教育行业的信息保护及信用机制敲响警钟.多位学者提出利用区块链技术建设电子学历、数字教育服务平台和智慧校园[52]，重构校园管理架构赋能教育[53].另外，为充分发挥“产学研”合作绩效，以胡祥培教授牵头与京东合作构建的“京东农场”项目，成功将农产品选品种植、培育、承销及物流与区块链技术相结合，搭建“物联网+区块链”的全智能化供应链监控管理流程，助力“菜篮子”工程推进.除此以外，区块链技术在能源交易[54]、征信、政府政务等场景均有应用潜力.提高企业数智化管理水平，拓展区块链应用场景以推进技术变现将成为企业家及学者们关注的焦点.

6.3基建完善化为响应高质量发展号召，区块链被纳入新基建范畴，成为牵动国家数字转型信息化发展的强力引擎.特别是在区块链技术优势凸显迭代高效的背景下，承接技术创新向成果转化是基础设施建设的重要职责.目前区块链发展主要面临技术瓶颈难突破、业务场景待拓展两大痛点.而相应基础设施完善可以有效解决上述难题[7].

在国外，有关区块链基础设施建设已经初具雏形，例如早在2018年，就有21个欧盟成员国就区块链发展达成共识，以区块链合作协议(EBP)为纽带，合力构建区块链服务基础设施(EBSI).迄今为止，已有30个成员国加入该项工程建设，为构建欧盟范围内的跨境公共服务提供安全保障与技术支持.在国内，区块链技术隶属新基建建设中新技术基础设施的关键项目，其作为通用目的的技术属性已得到公认，基础建设正处于筹备阶段.如中国信通院融合区块链与互联网搭建“星火.链网”的基础设施.以主子链为框架，由国家级新基建与区域级新基建匹配协同，通过骨干节点将子链锚定至主链超级节点实现跨链操作的整体架构.特别针对后疫情时代经济下行现状，稳固的区块链基建必然引起大规模项目建设需求吸引资金流，以此激活区块链行业的发展.

6.4服务平台化目前，区块链技术已经相对成熟并在逐步优化，但从技术逻辑到商业成果转化仍缺乏联结机制.搭建区块链技术服务平台，可以充分发挥技术溢出效应，使得掌握技术的研究人员有项目落地实操，也为企业冗余商业资源提供技术支持.对此，以京东和腾讯为典型打造企业级区块链服务平台应用示范，为技术与应用互联搭建了桥梁，助力加速技术资本化.

以腾讯区块链为例，其整体架构将区块链技术作为底层平台(Trust SQL)，通过SQL(数据库查询)与API(应用编程接口)两种方式开发服务逻辑并封装底层技术，由此衍生出数字资产、鉴证服务和共享账本等自有业务，搭建平台产品服务层.最后，在应用服务层为各行业提供应用开发平台，利用区块链可溯源、去中心、防篡改以及透明公开等优势为银行、证券以及供应链等行业提供技术解决方案.目前“微企链”方案就是腾讯区块链为帮助企业转让债务凭证完善财务报表而推出的平台服务项目.京东智臻链Baas平台同样为开发者与企业提供安全可靠的跨链服务.京东Baas基于云计算特性部署灵活可靠的多层应用场景，帮助企业构建身份链，秒级启动上链服务，提供用户无技术背景下跨链交易服务.由此，服务平台化成为区块链未来发展的一大趋势.