区块链技术的发展现状及前景展望

李光彬,韩利伟,韩 彬

(德州市科技金融产业融合促进中心,山东 德州 253000)

0 引言

习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习时强调要把区块链作为核心技术自主创新重要突破口,加快推动区块链技术和产业创新发展。当今区块链、人工智能、量子计算、大数据、5G等新一代信息技术正在共塑新型数字经济时代,世界各国政府、企业高度重视,投入众多人力、物力进行研究,我国在区块链研究与应用上处于世界前列。目前,区块链已经应用于数字金融、网络游戏、供应链物流等众多领域,并且催生了一些新的产业,比如区块链游戏、元宇宙、数字藏品等。

尽管区块链产业生态发展迅速,正在引领全球新一轮技术革命和产业变革,但同时也必须看到区块链技术和应用还处于发展初期,面临着性能效率低下、技术标准体系混乱、人才急缺、监管体系滞后等问题。本文深入分析了当前区块链技术的发展现状,探讨了当今热门应用场景,并针对面临的问题,提出了一些发展建议。

1 区块链简介

1.1 区块链概念

2008年,中本聪在其论文中首次提出了一种点对点的去中心化的电子系统,这个电子系统所采用的技术就是区块链技术。简单而言,区块链就是一个分布式的账本或者数据库,存储的数据或者信息是去中心化的,区块链上所有的交易都是可追溯的,具有不可篡改的特点。

1.2 区块链特点

1.2.1 优点

(1)去中心化。

区块链上存储数据的每个节点权利和义务都是相同的,彼此之间同步更新数据、广播交易数据,没有第三方的参与,真正实现了数据的真实、去中心化。

(2)不可篡改性。

信息在添加至区块链以后,就会按照时间先后顺序被记录下来,永久存储,任何人无法修改。

(3)安全可信。

区块链上节点之间的数据交换遵循固定的算法,参与人无需信任第三方,数据在每个节点上存储的都是相同的,攻击者没有单一入口点,无从下手,从而保障链上数据的安全。

(4)匿名性。

非对称加密的特点使只有拥有私钥的用户才有权查看所有相对应的信息。资产的转账、交易的对象以及各类隐私数据都可以设立私钥进行匿名,满足了用户对于自身隐匿的需求[1]。

1.2.2 缺点

(1)数据延迟性。

目前,在区块链上数据交易的时间相对较长,例如比特币是每秒7笔交易的处理数量,以太坊是每秒30～40笔的交易数量。这样的交易速度在实际商业应用上是远远不够的,容易造成交易拥堵,体验感极差。随着区块链技术的改进,交易速度会逐步得到改善。

(2)监管难度大。

由于区块链具有去中心化特性,给中心化的监管部门带来了新的挑战,而区块链只有在拥抱监管的情况下,才能更好地发展创新,服务于产业,监管部门也需要制定新的制度来为区块链的发展铺平道路。

2 区块链应用模式分类

从传统意义上来看,区块链通常包括3种类型,分别是公有链、私有链、联盟链。但是在实际操作当中,通常不会只存在单一的某种类型,还包括“私有链+联盟链”“联盟链+公有链”等多种模式[2]。

2.1 公有链

公有链是指全世界任何人都可读取、发送交易且交易能获得有效确认的、也可以参与其中共识过程的区块链,具有开放性、透明性、无需许可的特点。公链的主要代表有比特币、以太坊、马蹄链等。

近几年,无论在技术创新上,还是具体应用场景上,区块链公链都取得了突飞猛进的发展。比如以太坊,2022年9月以太坊合并,区块链网络从工作量证明(Proof of Work,PoW)过渡到权益证明(Proof of Stake,PoS),不再需要竞争挖矿,节省了大量的电力,同时有更多验证者可以参与进来,网络更加去中心化,在PoS机制下,想要作恶控制网络,需要更高的成本,网络也更加安全。2023年4月,上海升级(Shapella)是以太坊合并后的首次重要升级,意味着以太坊质押提款功能的开启,对去中心化金融(Decentralized Finance,DeFi)的发展有重要意义,助力开启DeFi3.0时代。一直以来,比特币定位是数字货币区块链,主要承担支付功能,直到2023年1月Ordinals协议的推出,比特币区块链也可以支持构建NFT,有了NFT之后,游戏、社交、金融等各类应用场景都会被激活,比特币网络具备了更大的想象空间。

2.2 私有链

私有链是对单独个人或组织开放的区块链系统,所有节点都掌握在同一家机构手中,只有该机构具有读取和写入权限。私有链具有速度快、隐私高、成本低等优点,主要应用于金融、大数据等对数据隐私较为注重的行业。

2.3 联盟链

联盟链是只有特定成员或者组织可以参与的区块链网络,生态参与者在许可控制下共同维护、共同管理、共同使用,具有封闭性、高效性、可控性的特点。目前,大部分国内数字藏品平台使用联盟链,因为联盟链能够更好地支持合规,访问任何平台系统服务都必须实名,这一点公有链无法支撑。国内很多互联网巨头,如阿里、百度等都推出了自己的数字藏品平台,并基于联盟链进行发行、管理和交易。

3 区块链关键技术

3.1 分布式存储

区块链分布式存储致力于建设一个以数据安全存储、高速流通和透明交易为宗旨的共建、共享、共荣的全球数据网络。不同于传统的中心化存储,分布式存储可以有效解决互联网架构下的安全性、时效性等问题,将为互联网基础架构和商业模式带来新的变革。区块链网络利用分布式的数据库技术,把数据分散存储在网络中众多节点的硬盘上。当前分布式存储面临着节点数量不足、应用层开发不完善等问题,距离真正大规模商业化应用还有很长的路要走。布局数字经济发展,加快突破分布式网络核心技术,已成为必然趋势。中国工程院院士郑纬民指出,分布式数据存储成为维持元宇宙持久运转的基本方式;腾讯发布数字化管理平台——“腾讯安心平台”,采用区块链分布式存储技术;谷歌成立区块链部门,将专注于分布式计算、存储等技术。业内著名的公链项目像Filecoin、AR,正在做区块链存储的尝试。

3.2 密码学

密码学作为区块链的基石,是区块链技术的一大核心。在区块链中,密码学主要用于保护用户隐私和交易信息,保证数据的一致性。密码学的核心技术包括对称加密和非对称加密。同态加密、零知识证明等都是密码学在区块链技术中的具体应用。

3.3 共识机制

区块链共识机制是指区块链网络中节点之间达成一致的方法或规则,通过共识机制来保证区块链网络中数据的一致性和安全性。区块链采用不同的共识机制对系统的安全性、扩展性、性能效率、资源消耗等性能会产生不同的影响。目前最常见的共识机制就是PoW机制、PoS权益证明机制、委托权益证明机制(Delegated Proof of Stake,DPoS)。

3.3.1 PoW

PoW是早期比特币(Bitcoin)采用的一种共识机制。该机制要求节点通过数学运算,获得区块链验证和记账的权利,该机制的缺点是能耗大。目前,采用该机制的有BTC、BCH、LTC等。

3.3.2 PoS

PoS主要解决PoW工作量计算浪费的问题,通过节点持有代币数量以及时间来分配记账权。目前,采用该机制的有ETH、ADA、ATOM等。

3.3.3 DPoS

全网络的所有用户通过投票的方式,选举少数代表,即节点,代替所有用户履行验证和记账相关事务。目前,采用该机制的有EOS、TRX等。

3.4 智能合约

智能合约是区块链技术的一个重要组成部分,它提供了一个安全、去中心化、可靠和透明的解决方案。智能合约本质是区块链上不可篡改的程序,不由任何个人或组织运行,而是在去中心化的区块链网络上由各个节点执行,由于没有人为干预,可以有效降低人们之间的信任成本,效率比较高。智能合约还可以帮助确保交易的可追溯性和合规性,从而提高数字资产市场的整体透明度和可信度。需要注意的是,“智能合约”已经成为区块链安全的重灾区,智能合约的安全漏洞如果被攻击者利用,就可以控制网络中的所有节点,从而为所欲为。因此,在智能合约上线之前,应对其进行全面深入的代码安全审计,尽可能地消除漏洞,降低安全风险。

4 应用场景分析

4.1 数字货币

数字货币是区块链技术的重要应用,根据发行方分为个人发行和具有国家信用背书的央行发行。比如比特币、以太坊、SOLANA等加密货币是个人发行的,没有主权国家信用背书。目前世界上很多国家也在研发自身主权数字货币,我国从2014年周小川提出进行法定数字货币研发,截至2022年年底,流通中的数字人民币存量达到136.1亿元,有效验证了数字人民币系统的稳定性。

4.2 资金转移

使用区块链技术转移资金比现有的汇款服务更加便宜、快捷,尤其在跨境交易中有突出的表现。对方只需要提供收款地址,就可以从钱包进行任意金额的转账,只需支付少量矿工费,一般几分钟即可到账,同时交易记录被存储到链上。

4.3 供应链的管理

区块链在供应链的应用场景很多。纵向来看,从供应链的计划、采购、制造、交付等环节,都可以应用区块链技术;从横向来看,各行业应用区块链的例子也很多,比如农产品、食品、疫苗等,区块链均有广泛的用武之地。国内目前有多个公司进入该行业,比如招商银行已经落地中国贸易金融区块链平台首笔信用证业务;蚂蚁集团的溯源服务平台,利用区块链和物联网技术解决了溯源信息的真实性问题;京东的智臻链BaaS平台,可以帮助企业建立基于区块链的供应链网络,提升供应链整体信息传递效率。

4.4 元宇宙

2022年,元宇宙吸引了多家科技巨头纷纷布局,2023年更是关键一年,我国很多省市纷纷入场,浙江、上海、福建、山东、河南等地把元宇宙列为2023年的发力方向。上海市提出,2023年大力发展数字经济、绿色低碳、元宇宙、智能终端四大新赛道;山东省提出在合成生物、元宇宙等领域,支持1 000家科技型企业开展产学研协同创新,加快布局人形机器人、元宇宙、量子科技、未来网络等前沿领域;2023年4月,河南省首支元宇宙基金揭牌,总规模1.5亿元;北京市文化和旅游局制定了相关政策,支持科技赋能旅游消费新场景,支持大数据、云计算、物联网、区块链等新技术应用到旅游消费场景中。元宇宙正逐步从概念走向现实,张家界市武陵源景区旅游投资有限公司携手长沙宏达威爱信息科技有限公司打造的张家界元宇宙馆已经面向全球开放;南京大报恩寺全真互联元宇宙博物馆开始试运营。元宇宙应用场景已经实实在在地成为行业风口,成为用户的新宠。

4.5 游戏

区块链在游戏领域的应用还处于初期,目前面临着开发游戏质量不高、用户体验差、进入门槛偏高等问题,随着Web3游戏的出现,游戏可能是消费者自下而上进入区块链及Web3行业的最大入口之一,主流游戏工作室会带入活跃的玩家转向区块链游戏。区块链与游戏结合后,游戏的规则、玩法、奖品数量等不可再更改,杜绝了暗箱操作,保护了玩家的核心利益,游戏内积分、道具、武器等完全属于玩家,且永久存在,玩家可以在链上自由交易属于自己的资产。2017年,一款基于区块链技术的“虚拟养猫”游戏走红国际市场,一些公司开始探索“区块链+游戏”的市场。2023年以来,区块链驱动的游戏化社交媒体应用TOKHIT宣布完成1亿美元融资,软银透露作为验证者参与日本游戏区块链Oasys,阿里云在日本为游戏开发者开设区块链实验室。区块链游戏公司Aether Game宣布完成450万美元股权融资。目前已有越来越多的投资机构、开发者、用户投身到区块链游戏中。随着区块链技术的成熟,游戏的体验性也会逐步得到改善,区块链游戏未来在游戏市场中前景广阔。

4.6 社交媒体

传统的社交媒体是一个非常混乱的系统,社交媒体公司在其平台上的内容周围创建了一个围墙,阻止外部开发者进行创新或者建立应用程序,不同平台之间没有互操作性,比如人们无法在Facebook上看到推文;社交媒体过度中心化,比如一些私人公司有效地控制了公共话语权,对于用户的言行具有绝对控制权。将社交媒体内容放入区块链,打造一个由社区控制的社交媒体平台已经迫在眉睫。Lens Protocol推出用于社交媒体的区块链扩展解决方案Bonsai,专门用于促进中心化媒体应用程序的扩展,从而能够以最低的成本处理大量交易。社交媒体应用程序MeWe宣布采用基于Polkdot的Frequency区块链。另外,Nostr、Farcaster等社交协议也纷纷推出了解决方案。

4.7 NFT数字产品

非同质化通证(Non-Fungible Token,NFT)代表物品链上的价值凭证。2022年以来,基于NFT的数字产品正逐渐升温。国际企业纷纷在区块链上推出NFT,日本零食公司Calbee将在Astar区块链上发行NFT,作为新的促销活动的一部分,Reddit在Polygon区块链上部署了其NFT系列“Reddit Collectible Avatar”的第3代合约,索尼新专利提出在PlayStation上构建NFT和区块链系统。国内新华社、中央广播电视总台、各地博物馆等也纷纷推出了形式各异、内容丰富的数字藏品,并且广受好评。NFT数字产品逐渐被用于游戏、收藏品、艺术品、身份认证、音乐版权等领域。据统计,2023年一季度NFT交易额约为45亿美元,相比2022年第四季度的19亿美元,增长136.8%。

5 面临挑战

5.1 技术问题

区块链的性能问题一直是阻碍区块链实际落地应用的关键瓶颈,目前区块链技术的性能还无法与传统的中心化系统相媲美,区块链“不可能三角”尚未有明确的有效突破手段,商用领域的实际业务处理效率与每秒万级的实验室交易吞吐量数据还有较大差距。

5.2 标准问题

区块链标准是发展区块链技术和实现产业运用的关键一环,直接影响区块链技术的发展路径。当前标准种类繁多,缺乏统一协调一致的标准体系,导致出现标准冲突、重复等现象。

5.3 人才匮乏问题

区块链行业正面临着人才急剧短缺的问题。主要有以下3个原因:

5.3.1 入行门槛高

区块链技术是一种全新的技术,涉及密码学、分布式系统等多个领域,对于普通开发人员而言,学习和应用难度较大。

5.3.2 培养体系不够完善

区块链领域具有跨学科性、人才需求量大、技术更新快等特点,高校、科研院所、社会机构等尚未建立完善的人才培养体系。

5.3.3 人才需求加大

区块链作为新兴产业,在行业快速发展的同时,对从业人才的需求也不断加大,尤其是高端专业人才的匮乏更是制约着行业的发展。

5.4 监管问题

由于区块链具有去中心化特性,用户信息具有匿名化特点,监管和追踪难度大。一些不法分子打着“区块链”的旗号,通过发行所谓的“虚拟货币”“虚拟资产”,进行非法集资、金融诈骗、传销等违法犯罪活动。

6 发展建议

6.1 加快区块链基础设施建设

要加强区块链底层技术研究,在TPS、共识算法、数据存储、跨链技术、隐私保护等关键技术领域取得突破,支持利用传感器、可信网络、软硬件结合等技术加强链上链下数据协同,推动区块链与其他新一代信息技术融合,打造安全可控、跨链兼容的区块链基础设施。目前,我国在区块链公链领域的技术水平与国外还有一定差距,缺乏重量级产品。比如业内知名L1公链的ETH、ADA、APTOS、SUI,L2领域的Arbitrum、Optimism、Zksera、Starknet等都是国外开发的。我们要学习国外以太坊等公链社区的组织模式,以开源模式促进技术创新与市场应用,尽快拿出属于我们自己的拳头产品。

6.2 引导产业标准化发展

区块链技术近几年发展迅速,相关制度还没有与之匹配,需要积极引导,规范管理,统一制定标准,对于跨行业、跨国之间,更容易达成领域共识,从而推动区块链技术在各行业领域快速落地。我国对区块链标准化工作非常重视,工业和信息化部、中央网信办印发《关于加快推动区块链技术应用和产业发展的指导意见》中提到要坚持标准引领,推动区块链标准化组织建设,建立区块链标准体系;加快重点和急需标准制定,鼓励制定团体标准,深入开展标准宣传推广,推动标准落地实施;积极参加区块链全球标准化活动和国际标准制定。腾讯牵头立项首个区块链数字藏品国际标准,蚂蚁链牵头两项区块链国际标准在ITU成功立项。标准体系建设的逐步完善,可以有效指导我国区块链产业建设,提升技术与应用服务水平。

6.3 加大区块链人才培养力度

区块链领域面临着人才数量上的稀缺性和培养上的紧迫性等问题,与区块链广阔的应用相比,真正的区块链人才少之又少,加大人才培养力度,建立人才培养体系刻不容缓。一是鼓励高校、科研院所设置区块链技术相关专业与课程,加快培养区块链高技术人才。二是要想满足行业发展对人才需求的巨大缺口,要充分重视市场机制在人才培养和配置方面的作用,逐步建立政府引导,企业、培训机构、高校多方参与的多层次、多元化的区块链人才培养体系。2021年7月,蚂蚁链携手武汉大学共同推动“武汉大学X蚂蚁链区块链创新人才培养基地”项目正式启动,双方将基于自身技术创新和学术研究优势,通过区块链课程体系建设、技能培训、人才认证等形式,共同培养优秀的区块链人才。

6.4 进一步加强监管,引导行业健康有序发展

监管机制是区块链世界与现实社会组织结构之间重要的衔接点,有助于拓宽区块链的应用范围,为区块链应用平台提供纯净健康的网络环境,是区块链应用层架构不可或缺的组件[3]。对区块链的监管应坚持“以链治链,全面监管”的基本原则,借助实名制与备案制,在链上设置监管节点,实现对链上活动的协同监管及穿透式监管。我国要学习发达国家的监管经验,结合我国实际情况,尽快出台相关法律规章制度,保护用户合法权益。目前沙盒监管是现阶段全球监管部门主推的监管模式。2023年2月,在数字欧洲计划的支持下,欧盟委员会正式启动欧洲区块链监管沙盒,用于探索涉及区块链技术的创新用例,企业可以在沙盒中测试产品和服务,同时与监管机构合作。我国也在北京、上海等地已经开展了试点工作。

7 结语

综上所述,区块链技术是一种颠覆性技术,在未来有广泛的应用场景,然而区块链技术和应用还处于起步阶段,面临着技术、标准、人才、监管等各个方面的挑战。本文在阐述区块链现状、展望未来的基础上,深刻分析了区块链技术和应用面临的挑战,提出了相关建议。相信在不久的将来,随着技术的进步、标准体系的健全、人才培养体系的建立、监管体系的加强,区块链将会为各行各业带来更多的机遇和变革。