区块链技术场景分析及适用性讨论

杨晨光 李乐平 李林雄 庄书琪 陈超

【摘要】    区块链技术经历十余年发展，应用领域已经从虚拟货币，拓展到实体经济领域。数据显示，區块链解决方案出现在金融、IT、供应链、物联网等诸多领域。本文通过市场数据并结合技术，给出关于区块链的适用场景的讨论，为区块链使用提供方向性参考。

【关键词】    区块链    共识机制    智能合约    大数据    区块链场景

一、背景概述

区块链是近年来快速发展的新兴技术。区块链概念诞生于2009年，比特币是区块链的第一个应用实现。2012年，利用区块链技术，解决跨境银行结算问题的Ripple项目成立。2014年，以太坊作为第一个智能合约平台诞生。以太坊引入了智能合约的概念，拓展了区块链中，共识机制的共识内容范畴。2015年，IBM主导的开源区块链项目Hyperledger项目[1]启动。Hyperledger是面向企业应用的区块链平台。2016年，R3公司的Corda区块链平台[2]上线。该平台是面向金融应用的区块链平台。区块链在经历一个由虚向实的发展历程，正在由一种虚拟的数字游戏，向着能解决人类经济、生产活动中实际问题的方向迈进。

本文回顾区块链的发展历史，通过数据分析，结合技术对区块链进行未来发展展望，为区块链发展的适用场景方向提供参考。

二、区块链技术场景方向分析

区块链技术，为提高人类生产力，带来巨大潜在价值。引用国外Wintergreen的全球区块链发展调研预测数据[3]，见表 1 区块链发展预测2018-2024。区块链将在金融、医疗、虚拟货币、供应链、物联网等诸多领域快速发展。2020至2024年将是区块链高速发展的若干年，其增长规模在20%到180%不等。受疫情影响，这种高速增长可能会延后，持续到2025之后的几年。而中文媒体赛迪顾问给出了区块链结构的分布情况[4]。全球市场分布方面，美国占比44%，欧洲占比1/3强，而中国技术服务市场占比不到1%[4]。领头企业方面，前5位的分别是IBM，R3，亚马逊，微软和以太坊。究其原因，还是我们在基础链技术领域相对创新不足。中国虽然区块链概念很火，但是大多企业都是技术上的跟随者，区块链技术多为利用国外技术的改版。

在市场产品结构方面，中国和世界略有不同。我国金融领域，国家有统筹考量。因此中国的区块链产品在非金融领域有更多的发展，如供应链、电子存证、数字身份、征信等领域占据产品结构中大半。

三、区块链若干重要问题分析讨论

这里我们以问答的形式讨论若干与区块链相关的核心问题，这些问题往往也是人们对区块链认知误区最多的地方。明确了这些问题，会帮助区块链系统设计者和使用者知道区块链优缺点，进而明确区块链的应用场景的实践方向。

问题1：区块链作为分布式存储技术，是否能帮助我们存储更多的信息？

回答：区块链技术本身并不能帮助我们存储更多的信息，反而我们在设计使用区块链时，要尽量少的在区块链上存储信息。

区块链的确是一种“分布式”存储技术，然而区块链的设计初衷，却不是为了更高效的存储、传输更多的互联网信息。区块链技术解决的问题，是如何利用互联网技术解决网上互不见面、互无信任的各个参与方互信的问题。

而解决问题所使用的核心技术机制是共识机制，即：通过技术手段，使得每个参与方都拿到一份相同的数据账本。这样的数据账本被称为共识内容。一个参与方持有的数据账本的真实性，可以通过所有参与方各自持有的数据账本进行比对验真。换而言之，一份数据如果存入区块链，需要分发复制，使得每个参与方各持一份相同的拷贝。由此可见，区块链的分布式，是为了通过共识机制进行验真;而从存储，查询，运算的效率上来讲，这种存多份相同拷贝的做法，无疑是低效的。因此，在区块链设计中（例如比特币，以太坊中），往往区块链上存储的数据，只是如哈希值这样的最小可验证凭证。

问题2：同样被称为“分布式”技术，区块链和大数据中的分布式有什么关联和不同？

从广义上讲，区块链也属于大数据范畴。在实践中，客户往往希望一个区块链平台即有共识能力，又能如同在传统大数据系统中那样，对区块链的数据进行增删改查等操作中，具有高速高效等特性。然而这两种需求在本质上具有矛盾。论述如下。

虽然区块链和和我们传统意义理解的大数据系统（如：hadoop spark 等），同属于分布式系统，但却有很大不同。Hadoop和Spark的设计思想，是将任务拆分并行执行。算法实现上，核心是Map/Reduce方法：将一个任务拆分成若干可并行执行的子任务，由算法协调、分配至各个分布式主机，由各主机各自计算一部分子任务，并最终汇总得到结果。这类的分布式系统设计目的在于提高任务执行效率。而区块链的分布式设计，目的在于通过多方对信息、信用进行验证。核心算法是共识机制：区块链上的不同分布式节点，通过算法，对同一内容、同一信息进行共同验证，以此达到对该信息真实性有效性的确认。 区块链上节点对信息的共识需求，势必会对信息的处理效率，产生一定的负面影响。

由上可见，两种分布式解决的问题定义上具有很大的不同。区块链从算法上，很难兼顾共识和增删改查的效率。如何将区块链与传统意义的大数据在算法上进行融合，是设计者一直在努力追求的目标。

问题3：为什么要用区块链？

回答：随着区块链技术的火爆，中国国内和全世界都产生了区块链项目热。然而，从全球来看，很多区块链项目，只是跟风，运用区块链的逻辑并不清晰。在上区块链项目之前，往往需要问一个基本问题“为什么要用区块链？”。

这里我们不妨从项目发起者角度梳理一下，如何回答“为什么要用区块链？”。区块链解决的是多方之间的信任问题。因此，在项目场景中，往往需涉及多方参与，同时多方之间需要对某一问题产生共识。而这种共识，在上区块链项目之前，可能是以“频繁书面文件往来”，“多人工参与确认”这种效率低下形式存在。那么，这样的场景，运用区块链的逻辑便是清晰的。因为区块链可以通过共识机制，相对人工处理，更高效的解决各方如何共识的问题。

特别是在区块链应用于我国国内场景时，需要结合我国国情。例如，我国国內的数据流转，很多时候是在系统内部，如：在一个机构下属的各个部门之间进行数据流转。在这种情况下，相互之间的信任问题，往往已经解决;区块链可以从技术手段，帮助提升内部监督效率问题;同时，区块链结合其他技术，如隐私计算，大数据等，可能解决各部门间数据孤岛的打通问题。

问题4：如何通过区块链连通物理世界与虚拟网络世界的信用？

回答：区块链在互联网虚拟世界中，连接了各个参与方，通过技术手段共识机制，建立了各方之间的信任/信用。然而，在应用场景中，如何可信的采集数据，并上传区块链，从而连接物理世界与虚拟世界，是需要设计中的关键问题。

以供应链溯源当中的大米溯源为例。在该场景中，消费者希望知道大米的来源产地。大米从生产者最终卖到终端消费者手中，经历了生产、运输、仓储、零售等环节。目前常见的解决方案是，溯源大米包装上的二维码。在大米的流转过程中，每次交割都会扫码记录，并上传区块链。然而，我们希望溯源的是大米，不是包装。不法商贩可以偷换大米外包装。从而出现虚假溯源的情况。上述这种溯源场景中的大米实物对象，就是我们说的物理世界，而其二维码及区块链则是虚拟世界。由上述可见，连接物理世界与虚拟世界具有难度。

我们这里提供两个思路。思路1，采集物理世界相对难以更改的特征，将特征上传虚拟世界。例如，我国使用的公民二代身份证。身份证中的芯片，直接连接虚拟网络世界。而连接身份证和物理世界公民的，是相貌特征：身份证上的相片对应连接了人的相貌。相貌相对难以更改的生物学特征。思路2，对于特定场景，可以采用巧妙的机制设计连接物理和虚拟世界。例如，比特币机制。回顾比特币机制，比特币作为设想中的“安全交易电子凭证”，在交易过程中，需要诚实的公证人对交易进行公证，同时为奖励公证人，会给做了公证工作的公证人一定数量的比特币作为奖励。这里，候选公证人们，为向系统证明其为诚实的且有资格，需要通过购置算力，计算一个数学问题。当候选公证人购置的算力大的时候，其计算数学问题的速度就快，就有可能被选为公证人，获得奖励。这一通过算力遴选公证人的过程，称之为工作量证明机制（Proof Of Work，简称POW）。比特币机制中，正是巧妙的通过工作量证明机制，连接了物理世界算力，这种在物理世界无法伪造的能力，和虚拟世界的比特币。

作者单位：杨晨光    李乐平    李林雄    庄书琪    陈超

广东省网络与信息安全漏洞研究重点实验室

参  考  文  献

[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]赛迪顾问，2018年区块链市场数据，2018.