区块链技术：潮水退去还剩什么？

来源：中国科学杂志社

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撰文 | 赵维杰

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2008年，化名中本聪的神秘科学家发表文章《比特币：一种点对点式的电子现金系统》（Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System），区块链技术自此横空出世。2017年下半年到2018年上半年期间，伴随着比特币市值的几度飙升与震荡，区块链一词也一度成为风靡世界互联网的搜索热词。作为比特币背后的基础技术，区块链技术为数据存储与价值交换提供了一种安全可靠的去中心化模式，它的应用前景被众多学术界及企业界人士寄予厚望。 

面对这一新兴技术潮流，中国政府在谨慎中给予关注。2017年9月，七部委发布《关于防范代币发行融资风险的公告》，全面禁止ICO（Initial Coin Offering，首次币发行）。另一方面，2018年5月工信部发布的《2018年中国区块链产业发展白皮书》则认为，区块链技术已经开始，并将在更多中国实体经济领域中落地应用。在由《国家科学评论》（National Science Review，NSR）组织、NSR副主编郭雷院士主持的区块链主题论坛中，来自学术界和区块链技术公司的多名专家对区块链技术的发展现状与应用前景进行了深入的讨论。

参与专家

陈婧  美国纽约州立大学石溪分校计算机系助理教授，Algorand公司首席科学家

邓小铁  北京大学信息科学技术学院教授

甘国华  北京太一云科技有限公司副总裁

王小云  清华大学清华大学高等研究院教授

郑志明  北京航天航空大学数学与系统科学学院教授

郭雷（主持）  中科院数学与系统科学研究院研究员，NSR副主编

01

区块链的诸多应用场景

郭雷：区块链技术为什么能受到这么多的关注？它到底能够做什么？

郑志明：我先来谈一谈区块链的重要性。从互联网时代开始，我们实现了信息的互联；后来移动通信技术普及，又实现了人与人之间的互联；现在，5G技术和物联网技术发展，我们又即将实现万物互联。

在信息、人、物都实现了互联之后，我们下一步需要的是什么？是价值的互联与交换。价值连接的基础是信任，人们迫切地希望能够通过某种技术和机制来建立信任，为价值的流转建立低成本的运行通道。而区块链刚好提供了能够满足条件的解决方案，它可以为数据和交易提供安全、不可篡改的存储和记录方式，从机制层面上解决信任问题。

此外，从经济学角度看，信任机制的建立是可以促进经济发展的。经济学家费雪讨论过经济发展与价值交换之间的关系，现代货币主义理论的代表人物弗里德曼又对费雪的观点进行了阐释，这个阐释可以简单概括为：GDP约等于流动货币（可以是狭义流动货币M1或者广义流动货币M2）与价值流动速度的乘积。信任机制的建立可以加速价值的流动，也就可以促进GDP，也就是经济的发展。

甘国华：区块链的可应用范围很广，目前可以主要归纳为交易支付、数据存证、溯源以及智能合约等几个方面。这些应用又可以大致分为纯链上业务以及链上链下相结合的业务。

数字货币是纯链上业务的代表，它的业务客体，也就是数字货币，是完全在区块链上产生、流转和消亡的。而链上链下相结合业务的一个例子是溯源。比如在不久前引起轰动的疫苗质量事件发生后，就有人提出可以用区块链来对疫苗生产、运输、使用的全过程进行可溯源的记录。在这种业务中，确保链下物理世界中的客体与链上标记客体的一致性是一个关键问题。

郑志明：我认为，如果一个应用场景符合下面六个特征中的一个，我们就可以考虑在其中应用区块链技术：这个场景具有多方交互性；需要可信性；需要去中介化；具有原子性；需要隐私性；或者，其生产关系需要本质性调整。符合这些特征的场景是非常多样化的，包括供应链管理、垃圾管理、文化娱乐、智能制造、社会公益、政府管理等。区块链的应用远不止于金融领域。

邓小铁：关于区块链的应用，我想最先落地的应该是甘博士所说的“纯链上业务”，也就是完全电子化和数据化的业务。比如电子金融、电子资源共享、电子游戏等。

另一方面，区块链还可能有助于社会利益和个人利益的共同实现。互联网带来了很多公共服务的软件和系统，但是这些系统通常都会或多或少地损害个人隐私。有时候，这些系统在整体上带来社会进步，但却在特定场景中让应用它的个体遭受损失。如何在其中寻找平衡，是现代社会需要面对的问题。

谷歌曾经有一条著名的准则，叫做 “不作恶”（Don’t be evil），这是一个企业对社会和用户做出的主观承诺。但是我想，我们能否将区块链技术与大数据、物联网等技术结合起来，通过机制设计建立起一个人类生活服务网络。在这个网络中，人与人之间的诚信是由机制本身所要求和保证的，而不需要依赖于企业的自律。

陈婧：一个好的区块链系统可以在大规模的分布式系统中高效地建立共识。共识与日常生活密不可分，从金融活动到数据共享，人们都需要针对“谁拥有什么、谁做了什么”等问题达成共识，只有在这些共识的基础上，人们才能进行进一步的交流和合作。区块链提供了一种建立共识的新方式，因此与日常生活息息相关。

除了共识，机制设计也是保证区块链环境安全、健康的重要因素之一。学术界已经从理论上设计出了很多优秀的博弈机制，但在实际应用中所使用的，通常还是那些传统和简单的机制。这与公众的接受能力有关。我们很难在一个大型经济系统里面，让公众都去理解、接受和信任一个复杂的机制。所以，在区块链的机制设计中，简单、可解释、好分析是非常重要的标准。为了达到这些标准，我们甚至可以牺牲掉一些性能方面的优化。

02

区块链背后的算法

郭雷：区块链具有安全、不可篡改、去中心化等特点。这些特征是由哪些算法和技术支撑的？

王小云：我来谈一谈区块链中的密码学技术。密码学技术为通信的安全性提供保障，在区块链中主要涉及三种密码学算法。第一是加密算法，它保证数据的机密性，确保无关者不能看到信息的内容。第二是电子签名技术，它保证数据来源的可靠、合法、可认证。第三是哈希函数，它保证区块链中数据的不可篡改性。同时，电子签名的不可篡改性也是由哈希函数来保证的。不可篡改性是区块链技术的基础特征，所以哈希函数是区块链技术中非常重要的一环。

哈希函数具有很多优势。首先，它兼顾了安全性和便捷性。哈希函数不需要密钥，所以可以便捷地应用于各种场景。同时，它又具备抗原像攻击、抗第二原像攻击、抗碰撞攻击等安全属性，具备很高的安全性。

其次，哈希函数为系统的可证明安全性提供保障。传统的可证明安全性算法，比如零知识证明，都是交互式的。而哈希函数是非交互式的，在很多场景中，可以不需要反复迭代，一次性完成证明。这可以大大降低通信过程的复杂程度。

最后，哈希函数可以提供绑定技术。绑定技术通常也称为比特承诺，在这个过程中，A先将消息的哈希值的发送给B，一段时间后再将对应的被压缩信息（被绑定信息）也发送给B，B可以用哈希函数来计算被绑定信息的哈希值，同时验证被绑定信息是否匹配。绑定技术在交易、支付、存证、溯源、合约等各种业务中发挥作用，保证这些过程的安全性，因此对于区块链技术的应用非常重要。

陈婧：近年来，也有一些新的区块链算法出现。在传统的区块链算法中有一个三角难题，认为安全、性能、去中心化这三者只能三选二，无法三者兼顾。比特币和以太坊都是如此。而现在新的技术，比如Algorand的新型共识系统，就可以实现三者兼顾。

我们的新共识系统不再基于中本聪的“工作量证明”方式，而是基于一种独特的拜占庭协议，使用我们自己的“权益证明”方式。安全性方面，我们可以证明在恶意节点所占权重不超过三分之一的情况下，这个系统在最坏的情况下也是安全的，其中的交易信息不可篡改、链不会分叉，而且区块一旦产生就马上是得到认可的最终的区块。在性能方面，由于我们不再使用工作量证明模式，就不再需要“挖矿”和求解哈希函数，所以它所要求的计算量是很低的。只要拥有一台普通的笔记本电脑，任何人都可以加入这个系统，成为一个拥有全部权限的节点。在去中心化方面，我们并没像现在的基于权益证明的共识系统一样做出妥协，只允许少数节点参与共识协议。在我们的系统中，所有节点都可以按照其权益份额全权参与到共识系统中。

甘国华：最新的发展趋势还包括链网技术和跨链技术，以及区块链技术和物联网技术、大数据技术的结合。很多场景中，物联网和区块链的节点是可以共用的；物联网产生大数据，而区块链又是数据存储和跟踪的工具。

郭雷：在区块链领域，还有哪些需要进一步研究和解决的问题？

郑志明：刚刚陈婧提到了区块链中的三角难题，我想这其中的三点，安全性、性能、去中心化，确实是区块链技术的核心指标，如何对三者进行统筹优化、使系统适用于各个具体的应用场景，会是领域中持续的研究方向。

甘国华：没错。此外还有容量问题和通讯问题。目前受区块大小的限制，区块链上能够保存的数据量是有限的，我们要去平衡区块大小和效率。而要把区块链上的交易广播出去，又需要通讯技术的更大支持。

另外我想，对于现在的区块链，尤其是智能合约，我们似乎还没有从数学上证明它的正确性和合理性。

邓小铁：现在的很多区块链系统，包括以太坊，都是图灵完备的。而对于这些图灵完备的系统，很难从理论上去证明它的合理性。事实上，关于区块链是否一定需要是图灵完备的，也是一个需要探讨的问题。

我还想到另一个需要研究的问题。区块链有很多经济学上的应用，这其中会衍生出一些经济学问题。在未来的经济系统中，算法和人工智能将发挥越来越重要的作用，其中的新型经济学问题是值得研究的。

陈婧：的确如此。区块链金融和传统金融有相同也有不同。区块链上产生的虚拟化数字资产就和传统资产不同：传统物理资产通常只涉及使用权，而区块链上的代币资产可能与用户的决策权、投票权相关，所以在资产转移的过程中，就不仅仅是使用权的转移，也伴随着决策权和投票权的转移。理清新经济模式与传统模式的相同和不同之处，会是很有意思的研究。

03

去中心化与监管

郭雷：监管也是区块链相关的重要问题。对于匿名性和去中心化的区块链，如何进行监督和管理？

郑志明：在世界范围内，没有任何一项技术是可以在不接受监管的情况下落地应用的。而且从技术上讲，区块链与监管并不冲突。事实上，作为不可篡改，并且公开透明的数据链，区块链可能是更易于监管的。我们需要发展一种“监管融入技术”的模式，在区块链中加入监管节点，获得全面、实时的监管数据。

王小云：从密码学角度讲，区块链虽然是去中心化的，但仍然使用公钥和电子签名技术，这就意味着，我们可以从技术上将区块链账号与真实世界联系起来，可以用电子签名技术保证账号和数据的合法性、可靠性和真实性。我前面提到，哈希函数和电子签名技术是区块链的核心技术，而区块链的监管同样要依赖于这些技术。

甘国华：两位老师说得很对。在监管层面上，区块链技术是中性的，它既有匿名性、保护隐私的一面，也有透明化、防篡改，利于监管的一面。我想，区块链监管的具体实施有两种途径，一种是相对的实名制，这里面涉及到王老师所说的电子签名技术，另一种就是郑老师所说的，加入具有一定权限的监管节点。

此外，监管本身正是区块链的一个重要的应用方向。如果我们能够利用区块链准确地记录和追踪什么人在什么时间地点对什么客体做了什么事情，那么就可以实现对很多实际领域的溯源和监管。

邓小铁：我曾经参与过关于另一项技术的监管问题的讨论，那时我提出了一个建议，我想这个建议也同样适用于区块链：在监管问题上，企业应当主动向政府部门提出建议，帮助政府部门了解如何对企业进行有效监管。这可以帮助企业和政府之间形成有效的、交互式的讨论氛围，对于一个健康的监管体制的建立是很有帮助的。

04

未来发展

郭雷：在互联网和通信行业中，标准化是非常重要的一环。目前是否已经有区块链相关的标准在建立中？

甘国华：有。在国内，我个人就参与了工信部下属中国信息通信研究院“可信区块链标准”的制定，这一标准已经成为了国际电信联盟（ITU）标准体系的一部分。此外，工信部电子标准所也在积极参与相关ISO标准的制定。

王小云：对区块链技术的标准化，首先就是对其三种核心算法，也就是加密算法、电子签名和哈希函数的标准化。其中，加密算法的标准化已经比较成熟。关于哈希函数的标准化，在2004和2005年，美国国家标准与技术研究院的MD5和SHA-1密码被成功破解 [译注：这两个算法是由王小云教授破解的] 之后，中国和美国分别推出了哈希函数相关的SM3算法和SHA-2、SHA-3算法，这些新算法目前正在申请ISO标准，并且已经进入了最后的标准拟定阶段。

当然，还需要对区块链的协议框架进行标准化，这属于密码协议层的范畴。在这方面，近年来多种技术涌现，很难马上得到一个统一的标准。但我想，经过五到十年的发展，我们将可以得到比较统一、可以应用于各种场景的区块链协议框架标准。

陈婧：业界对于区块链标准的需求是越来越急迫的。新的区块链系统不断问世，每一个新系统都宣称自己在某些性能上取得了突破。终端用户不可能自行了解所有新技术、新系统的细节并判断其性能的高低。所以学术界、工业界和政府需要担负起制定标准的责任。

确定通用的性能参数并建立严格的数学评估方法非常重要。安全性、可扩展性和去中心化程度应该是主要的评估标准。比如说，参与模式可以分为几个类别：是不是每一个节点都可以直接和自由地参与共识；是不是有一些节点需要将自身权利授权给其他节点；或者在参与过程中，节点的权益是否需要被“锁定”。组织模式同样有几种类型：许可型、联合型、无许可型等。此外，网络结构也是区块链标准化中的一个因素，所需带宽和信息的传输方式需要被考虑。

除此之外，可能还有一些不常被提起的因素同样影响着区块链系统的性能。在区块链标准的制定过程中，我们需要考虑到各种各样的因素。

郭雷：目前区块链的发展处于哪个阶段、什么程度？

甘国华：我认为区块链的发展基本符合美国高德纳咨询公司提出的技术成熟度曲线（The Hype Cycle），热炒概念的过热阶段已经过去，进入到行业稳定繁荣之前的低谷期。目前，中国对虚拟货币严格管理，币圈发展受限，而链圈正在向各个领域扎根和落实。我认为，在经过一段时间的技术积累和产业调整之后，到2020年左右，我们将可以看到区块链在各行业之中得到真正的应用。

技术成熟度曲线中区块链的位置

邓小铁：关于区块链的发展，我一直有一个疑问，就是最终会有几条链存活下来的问题。不久前，比特黄金遭到恶意攻击，说明链与链之间的互相攻击已经开始。当纸币（交子）最初在中国出现的时候，是由16家富商共同负责发行，但最终统一成了一家。在未来，会不会只剩下一条区块链、一种代币呢？最近不同币种之间的算力竞争也对区块链市场也造成巨大扰动。

王小云：我想这个问题应该分两种情况讨论。第一种情况是零散的区块链应用，对于很多需要不可篡改性的安全性的场景，我们都可以建立一个区块链来满足其具体要求。这样的零散的应用会非常多，每一个具体应用都可以有自己的一条区块链。而对于一些大的应用领域，我们可以用区块链来构建它的整体框架。在这样的情况下，每个领域只需要保留一个或者两个成熟的区块链架构就足够了。

郭雷：最后一个问题，目前国内外的区块链研究和发展情况有哪些异同？

甘国华：我不久前参加了一个区块链知识产权相关的峰会，在会上看到数据，目前区块链相关的专利申请是由中、美两国主导的，技术方面和应用方面的专利都是如此。但就我的个人感受来讲，在底层技术层面，我们和国外还有一定差距，但我们在应用方面的投入非常积极，这可能和我们已经在互联网应用方面表现出色有关。此外，国外通常是币-链结合，而国内强调无币区块链。

邓小铁：在基础理论方面，中国确实和国外有差距。但我们也看到，国内学术界也已经开始关注这一领域，不少高校和研究所都建立了区块链相关的实验室。而且，陈婧、石润婷（Elaine Shi）、宋晓东（Dawn Song）等在美华人科学家都在这一领域中表现十分出色。

另外，我认为国内学术界的研究应当和产业界保持一定的距离。因为学术界的工作应该有创新性和前瞻性，如果只研究已经在产业界中应用的技术，就不可能为还没有出现的未来技术做出贡献。再比如说，目前许多国家都出于现实考虑，对虚拟货币态度保守。但学术界也许不应该完全中断相关研究，因为如果我们现在完全放弃了虚拟货币，而多年之后虚拟货币又成为了主流，我们将会失去加入这个体系的机会或技术储备，这种阻断效应即便不是永久性的，也会花费我们很多时间和精力才能弥补。在区块链技术的发展方向上，我们广阔的市场需求对区块链应用有着其它市场少有的广阔原生推动力，有望在下一阶段在区块链实用领域有突出的表现。