区块链深度研究

作者:Saic Financial  时间:2019-11-09  分类:区块链Blockchain新闻  

  1     引子

  10月24日,政治局首次就区块链技术发展现状和趋势进行集体学习。用四个“要”,为区块链技术如何给社会发展带来实质变化指明方向——

  要探索“区块链 ”在民生领域的运用,积极推动区块链技术在教育、就业、养老、精准脱贫、医疗健康、商品防伪、食品安全、公益、社会救助等领域的应用,为人民群众提供更加智能、更加便捷、更加优质的公共服务。

  要推动区块链底层技术服务和新型智慧城市建设相结合,探索在信息基础设施、智慧交通、能源电力等领域的推广应用,提升城市管理的智能化、精准化水平。

  要利用区块链技术促进城市间在信息、资金、人才、征信等方面更大规模的互联互通,保障生产要素在区域内有序高效流动。

  要探索利用区块链数据共享模式,实现政务数据跨部门、跨区域共同维护和利用,促进业务协同办理,深化“最多跑一次”改革,为人民群众带来更好的政务服务体验。

   

  2     对区块链的认识

2.1 什么是区块链


  区块链是通过密码学方法产生的一串数据块,每一个数据块中记录了上一个区块的信息以及详细业务信息。

                 

              

  图1:区块链概貌

  上一个区块的信息是指通过一种数学方法将上一区块的全部信息转化为一串字符,该信息用于校验上一个区块中的详细业务信息是否被篡改。

  例:将SAICMOTOR转化为一串字符:Hash(SAICMOTOR)= b6d4261bf6aea7a244ef2121054dc06fc6cef97f2443369176f6e9b042f5ae1c

  详细业务信息是指实际业务场景中产生的各类信息,例如在汽车金融场景中,包含贷款申请、贷款审批、汽车抵押、贷款发放、还款等具体信息。

  区块链与传统数据存储技术的最大区别是,传统方案中,数据被记录于一家公司的总账本中,不同公司拥有各自的总账本;在区块链方案中,数据被记录于多家公司的不同区块中,所有的区块汇总后形成总账本。

  

  图2:区块链分布式记账

  从应用范围上,区块链可以分为公有链、私有链与联盟链。三种链的特点对比如下:

  表1:三类区块链对比


公有链

私有链

联盟链

参与者

任何人

个体或机构

联盟内成员

信任机制

工作量证明/权益证明等

自行背书

联盟集体背书

记账人

所有参与者

自己

联盟协商确定

激励机制

需要

可选

中心化程度

去中心化

中心化

多中心化

优势

自建信用/可挖矿/可二次编程

透明/可追溯

信息传输效率高/成本低/可追溯

应用场景

线上交易记账

机构内部打通数据

行业、组织、联盟等进行数据资源交互

性能

10~100笔/秒

1000~100000笔/秒

1000~10000笔/秒

2.2 区块链的发展


2.2.1 区块链的起源


  2009年中本聪发表《比特币:一种点对点的电子现金系统》,在这种去中心化的数字货币中,所有的支付行为被记录在一个公开的分类账本上,该账本实际存储于许多用户的电脑上,每个用户可以查看到账本中的所有支付信息。

  比特币所使用的公开分类账本,就是最早的区块链,区块链伴随比特币而生,但是区块链并不等于比特币。比特币是一种虚拟数字货币,区块链是支撑比特币体系运行的一种底层数据存储技术

2.2.2 区块链的发展


  从技术发展进程来看,可以分为区块链1.0、区块链2.0、区块链3.0三个阶段。

  区块链1.0阶段,典型的代表是2009年上线的比特币区块链,这一阶段最核心的特征是,区块链建立了一套基于密码学的账本,提供了一套新的记账方法,与常见的复式记账法不一样。新的记账方法打破了传统模式下由中心机构负责记账的模式,建立了由多个节点共同记账的模式。但是区块链1.0阶段有一个缺点,其规则都是事先设定好的,没有人可以在比特币区块链上修改任何规则,所有人只能使用它,而不能在它的基础上做进一步扩展。

  区块链2.0阶段,以2015年7月推出的以太坊为典型代表,以太坊区块链与1.0版本最大的不同,是可以在以太坊区块链的基础上做其他的应用开发,以太坊区块链仅仅负责底层事务,所有人可以在此基础上开发适合自身业务场景的功能,具备了进一步扩展的功能。最为人所熟知的是智能合约概念,智能合约并不是合同,而是一段计算机程序,这段程序由用户自定义并部署在以太坊上,可以在不借助第三方的情况下,只要触发事先约定好的条件,智能合约就会自动执行相关事务。

  区块链3.0阶段,由于区块链1.0、区块链2.0阶段都难以支持大规模的商业应用,3.0阶段要解决的就是在性能上支持大规模的商业应用。

  3     理解区块链

  3.1  区块链的运作原理

  区块链是以点对点传输加密算法等作为底层技术,利用共识机制生成或更新数据的一种分布式基础架构。

  点对点传输,又称对等互联网技术,是指在没有服务器的前提下,利用网络内多个客户端的计算能力与带宽,实现客户端之间的信息传输。

  

  图3:客户端模式与点对点模式

  加密算法,是指对原始数据按某种算法将其转化为不可阅读的一段密文,只有持有秘钥的人才能将密文转化为原始数据。

  共识机制并不是一种技术,而是一种规则,用于指导区块链内的节点如何信任其他节点的信息,可以简单的理解为多数决定原则或2/3原则。

  在区块链中,点对点传输主要用于不同节点之间的信息传输,例如某个节点发起一笔交易,广播给其他节点,或者节点将其他节点的数据同步至本地,都使用了点对点传输技术。加密算法主要用于交易过程中的签名,例如A给B转账1比特币,发起转账时,A需要用自己的私钥为该笔交易签名,用于确认是其本人发起的交易。一个区块的信息转化为一串字符记录在下一个区块中时,转化的算法也是一种加密算法。另外,在比特币中,每个矿机在执行挖矿事务时计算的数学问题,实际上就是通过枚举法尝试解密一串密文,这也是比特币区块链采取的共识机制,称为工作量证明机制。

  以比特币为例,区块链的处理逻辑如下:

  表2:区块链在比特币中处理逻辑


业务场景

区块链变动情况

生成区块

A矿机挖矿成功

A矿机获得生成一下个区块的权利,并生成编号为0101的区块,上一个区块编号为0100,将0100区块中的交易信息转化为一串字符,记录在0101区块中。

同步区块

B矿机同步数据

B矿机搜索当前所有区块,并将新生成的0101区块同步至本地。

记录交易

Jack给Rose转账1比特币

Jack的交易请求被大部分矿工认可,于是在所有矿机内排队等待记入区块,当0101区块生成时,这笔交易被记录在0101区块内。

篡改信息

C矿机试图篡改一笔交易

C矿机试图将0100区块中的一笔交易金额从1改为2,试图给自己凭空增加1比特币,其他矿机从C矿机同步0100区块数据时,发现篡改后的0100区块的信息与0101区块中的一串字符不匹配,不认可0100区块的信息,篡改失败。

  综上所述,区块链基于点对点传输以及加密算法,对数据进行存储、同步、查询,在运行过程中包含下列环节:

  ü  生成新的一个区块,按照约定的顺序或共识机制确定是谁生成该区块,不同的区块可以生成在不同的服务器上。

  ü  新区块中必须记录上一个区块的所有交易的哈希值,可以用于防篡改。

  ü  每个节点都可以将其他节点服务器上的区块同步至本地,信息完全透明。

  ü  产生的业务信息记录到最新生成的一个区块中。

  ü  信息记录后无法修改,只能追加信息进行更正。

  3.2   区块链的核心思想

  如果将区块链核心思想加以总结,亦可以概括为“一个中心,两个基本点”。“一个中心”——去中心化;“两个基本点”——分布式记账,防篡改。

3.2.1 去中心化

  在区块链整体的实现逻辑中,核心就是去中心化。在区块链所产生的非信任机制里面,每一个节点都是平等的,没有任何特权存在。各个节点通过统一的共识机制,共同完成并维护整体体系的运作,一旦体系启动,即无需任何的“中心”再加以管理,每一个节点都可以参与到管理和维护中,从而减低成本,并提升安全性。因此,透明、公开、平等以及低成本、高安全性等等关键词,就是“去中心化”赋予区块链的最大优势。

  但目前在区块链行业里一些领域以及项目仍然有中心化存在,如数字货币交易所,通常都需要对用户进行实名认证,并根据不同的等级会有更加详细的身份信息认证。用户之间也许是互不知晓身份的,但是对交易所而言,它仍作为中心存在。所以,中心化在目前的大部分区块链应用中并不能被完全屏蔽,各类“区块链项目”实际很难完成去中心化,目前唯一已知实现去中心化的应用案例,有且仅有比特币。

  作为区块链目前最核心,最成功的应用案例,比特币即通过点对点交易,共识机制与工作量机制,成功解决了去中心化过程中的信息传递问题、拜占庭问题,实现了去中心化。然而即便实现了去中心化,该理念也与各国政府中心化的管理理念有所冲突,使得比特币也一直未能真正“走上台面”。

3.2.2 分布式记账


  分布式记账,是辅助区块链实现去中心化的重要手段。以比特币为例,在比特币的体系当中,所有参与记账的节点都需要同步目前链上所有的账本记录。各节点通过各自的算力,通过复杂计算争夺记账的权利。为了保证各节点的记账动力,比特币体系会给予记账节点对应的比特币作为奖励。

  随着区块链的发展,“记账”已不限于数字字符的记录,而是发展成一种行为,以“文字信息影音信息”等形式把发生的事件记录到载体,从而实现特定的业务场景需求。

3.2.3 防篡改


  区块链体系,通过加密算法与记账区块间的联系,来实现伪造区块的甄别和对区块内容的篡改。通过哈希加密函数SHA265,对每个区块内的交易记录、节点编号、时间戳等种种特性加以加密。在节点挖掘新区块的过程中,节点需要通过大量的计算找出约定的加密函数的解。因为该加密算法中封装了大量上一个区块的信息,所以任何细微的变化都会导致最终结果出现非常大的差异。又因为此加密算法难于求解但易于验证,所以区块链可以通过此类方式实现区块防伪。

  

  图4:区块链区块间的相互验证

  对于已进行全网广播的区块内的交易信息,因记录节点分布众多,除非一次性实现全网更改,否则针对单一节点账本的信息修改实际也没有意义。

  3.3   区块链与传统技术的对比

  区块链与传统技术相比,在具体项目实现上各有优劣。以车险行业的信息共享为例,2015年上线的“全国车险信息平台”,实现了跨公司、跨地区的车险数据实时共享,为车险行业定价机制提供了坚定的技术支持,该平台由银保监会指定中国保险信息技术管理有限公司(以下简称中国保信)承建,全国车险信息平台以银保监会为信用背书,建立中心化的服务机构,归集各保险公司车险信息,并提供查询。如果采用区块链建立上述平台,与现有技术方案的区别如下:

  表3:区块链与现有技术方案的对比


  现有方案

  区块链方案

  系统部署

  中国保信部署服务器,各保险公司各自部署业务系统服务器,并与中国保信对接。

  不需设立中国保信,各保险公司各自部署系统,约定规则,建立联盟链。

  数据存储

  保险公司发生车险业务,同步给中国保信,数据同时存储于保险公司和中国保信。

  保险公司将信息广播给其他保险公司,并按约定记录在最新的区块中,该区块可能由另一家保险公司生成。

  数据查询

  保险公司均从中国保信查询出险信息,并支付费用。

  各保险公司同步其他保险公司的区块中的数据,无需向外部查询,根据保险公司的业务规模确定如何权衡利益

  故意漏报数据问题

  保险公司故意不上报数据给中国保信,中国保信无法在技术层面上发现和解决。

  保险公司故意不把数据广播给其他保险公司,所有保险公司难以在技术层面上发现和解决。

  修改数据

  保险公司发现数据有误,先修改本地数据,再同步给中国保信。

  保险公司发现数据有误,不能修改原有数据,只能声明原数据失效,再将原始的正确信息广播给所有保险公司

  通过上述对比,可以看出区块链相对原有技术方案,具有数据同步效率高、成本低的优点,但是也存在难以定价以及历史数据修改繁琐的问题,并且对于保险公司恶意不共享数据的问题,区块链技术也难以解决。

  4     区块链的当前应用案例

   

  4.1   数字货币

  区块链诞生于数字货币,因此其最成功的应用就是数字货币。当前,比特币、Libra、DECP是最热门的数字货币,三类数字货币的对比如下: 

  表4:三类数字货币对比

数字货币

比特币

Libra

DECP

发起者

中本聪

Facebook

人民银行

管理者

Libra协会

人民银行

现状

市值约1.32万亿人民币

美国众议院叫停Libra项目;法国、德国抵制Libra

将于近期推出,明确采取中心化的方式发行数字货币

发币方

任意节点

授权经销商

商业银行

发币方式

以最短时间计算给定的问题,获得生成下一个区块的权利,新区块默认发行一定数量的比特币,且拥有者为发现区块的节点

以一篮子货币为储备资产,按照1:1的比例向Libra协会申请发行

商业银行以人民币为底层资产向人民银行申请数字货币,商业银行再发行给用户

底层技术

区块链

区块链

借鉴区块链思想的常规技术

共识机制

工作量证明机制

容错共识机制

开放性

任何节点可接入

早期向100名成员开放,后续逐步扩大开放

不对外开放

缺陷

1、价值波动大

2、工作量证明机制消耗大量算力和电力

3、每秒处理交易笔数仅7笔,不具有实用性

1、Libra协会分布全球各行业,利益难以协调

2、最新的监管态度不利于Libra发展,已有成员退出

1、中国电子货币体系已趋于成熟,央行推出的数字货币几乎等同于电子货币,没有新型应用场景

  尽管数字货币目前很火热,但是短期内比特币、Libra、DECP受制于性能、监管、场景等问题,都难以大规模应用到实际消费场景

  4.2   区块链在金融体系中的应用

4.2.1 支付清算


      现阶段商业贸易的交易支付、清算都要借助银行体系。这种传统的通过银行方式进行的交易要经过开户行、对手行、清算组织、境外银行(代理行或本行境外分支机构)等多个组织及较为繁冗的处理流程。在此过程中每一个机构都有自己的账务系统,彼此之间需要建立代理关系。每笔交易需要在本银行记录,与交易对手进行清算和对账等,导致整个过程花费时间较长、使用成本较高。与传统支付体系相比,区块链支付可以为交易双方直接进行端到端支付,不涉及中间机构,在提高速度和降低成本方面能得到大幅的改善。尤其是跨境支付方面,如果基于区块链技术构建一套通用的分布式银行间金融交易系统,可为用户提供全球范围的跨境、任意币种的实时支付清算服务,跨境支付将会变得便捷和低廉。

4.2.2 征信管


  目前,商业银行信贷业务的开展,无论是针对企业还是个人,最基础的考虑因素都是借款主体本身所具备的金融信用。商业银行将每个借款主体的信用信息及还款情况上传至央行的征信中心,需要查询时,在客户授权的前提下,再从央行征信中心下载信息以供参考。这其中存在信息不完整、数据更新不及时、效率较低、使用成本高等问题。在征信领域,区块链的优势在于可依靠程序算法自动记录信用相关信息,并存储在区块链网络的每一台计算机上,信息透明、不可篡改、使用成本低。商业银行可以用加密的形式存储并共享客户在本机构的信用信息,客户申请贷款时,贷款机构在获得授权后可通过直接调取区块链的相应信息数据直接完成征信,而不必再到央行申请征信信息查询。

4.2.3 权益证明和交易所证券交易


   在区块链系统中,交易信息具有不可篡改性和不可抵赖性。该属性可充分应用于对权益的所有者进行确权。对于需要永久性存储的交易记录,区块链是理想的解决方案,可适用于房产所有权、车辆所有权、股权交易等场景。股权所有者凭借私钥,可证明对该股权的所有权,股权转让时通过区块链系统转让给下家,产权明晰、记录明确、整个过程也无需第三方的参与。目前,欧美各大金融机构和交易所纷纷开展区块链技术在证券交易方面的应用研究,探索利用区块链技术提升交易和结算效率,以区块链为蓝本打造下一代金融资产交易平台。

  4.3   区块链在供应链中的应用

  区块链不可篡改的特性可以应用于追溯商品在供应链上的信息,提升供应链上的信息透明度。Provenance是一家专注于追踪商品历史信息的公司,借助于区块链以及序列号、条形码、RFID等标记技术,将实体产品与区块链上的数字资产进行一对一的匹配。在供应链上的每一个环节的企业,都必须在Provenance上注册并获取私钥,商品制造的源头企业将商品上链,生成数字资产,随着商品从制造商流转到经销商、物流、零售商等节点,上述节点扫描商品的序列号或二维码等,将商品当前正处于流转的哪个环节上传到链上,更新数字资产的状态,最终构成商品的流转信息。

  但是上述基于区块链的供应链解决方案,并不能解决商品被掉包或者有瑕疵的问题,消费者固然能够查到供应链信息,但是难以解决商品有缺陷或商品造假的问题。实质上,对于线下资产上链的应用场景,都难以解决线下资产与线上数字资产不匹配的问题,技术人员虽然希望通过加密技术将线下资产对应到区块链上的一串符号并持续跟踪,但是线下资产在存储、运输过程中,存在损坏或被调包的风险,这些风险都是区块链无法知晓的,在这些场景中,区块链更多是作为一种促进信息共享、而非监督商品好坏的技术手段。

  5     对区块链的思考

  随着国家号召政治局集体学习,本已火热的区块链概念进一步升温。在金融科技、数据科技、供应链等相关领域,不谈区块链,感觉就会“掉队”,不随口说出几个区块链面上的特征,似乎就会缺少谈话的谈资,人人都在谈区块链应用,区块链创新,似乎这一切已经离我们很近。

  区块链最核心的内容是去中心化,包括共识机制、工作量证明等等配套机制,设计之初都旨在为去中心化服务。然而在现有的各类“区块链应用”中,很难做到“去中心”。企业、政府,都在各自的“区块链项目”中或多或少的担当着中心控制者的角色。当一个区块链项目不能实现“去中心化”时,对比传统技术或云计算等其他新兴技术,各类方式都早已能实现数据节点多地分布、业务流加密不易篡改等内容,无非是实现方式略有不同。

  大家平时谈的很多的关于数据信息的完全公开共享,藉由区块链与其他方式技术都能实现。一个类似项目的落地关键,还在于合作各方的沟通与协议约定。在此角度上,以最终实现目标为导向,只要能达成最终数据信息共享公开的目标,扯上“区块链”的虎皮做大旗,确实也是在当前区块链热潮之下合乎情理的方法。

  在我们的社会中,几乎所有的机制,都是中心化的。其实绝对的去中心化并不优于绝对的中心化,这点类似民主和集权的关系,中心化拥有集权带来的好处,而民主带来的坏处,去中心化也一个没落下。基本上,中心和去中心的概念推广到社会体制,就是集权和民主,各有利弊。所以关于一项业务或一个项目,到底是应该去中心化还是中心化,还是要由实际情况来确定,不能以偏概全而论,去中心化的区块链思想就是先进的,传统的核心系统思想就是落后的。

   在个别项目的实现上,亦如前文所述,区块链和其他技术各有优劣。在此前提下,我们还是应该积极保持对区块链技术的关注,做好相关知识储备,在合适的项目中,无论是否做到去中心化,只要在风向上、技术上,区块链能够协助实现项目的最终目标,都是可以借鉴、推广的,“黑猫白猫,抓住老鼠就是好猫”。

 综上,区块链将众多传统技术通过创新的思想加以整合,形成了一套独立完整的技术方案。比特币是目前已知真正且唯一的区块链应用。其他的各类“区块链应用”,都是作为区块链思想的延伸应用,与传统实现技术方案各有利弊。对于目前涌现的各类关于区块链的讨论与应用,我们在自己充分学习、了解的前提下,还是需要冷静看待。在具体的业务与项目实现过程中,不能为了实现区块链而用区块链,要根据项目的最终实现目标,综合考虑各类技术方案的优劣,以最终项目的实现落地为目标,取各家所长,对各类方案加以借鉴应用。

注:本文由上汽金融Fintech小组合力完成。

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作者:Saic Financial
来源:九木杂言

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