(转)中国区块链产业-发展演进及产业链全景研究

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行走的肉包
2017.05.14 01:55* 字数 7584

導語"数字中国"建设取得显著成效,信息化能力跻身国际前列,其中区块链技术首次被列入了《国家信息化规划》。信息技术创新代际周期大幅缩短,创新活力、集聚效应和应用潜能裂变式释放,更快速度、更广范围、更深程度地引发新一轮科技革命和产业变革。物联网、云计算、大数据、人工智能、机器深度学习、区块链、生物基因工程等新技术驱动网络空间从人人互联向万物互联演进,数字化、网络化、智能化服务将无处不在。现实世界和数字世界日益交汇融合,全球治理体系面临深刻变革。全球经济体普遍把加快信息技术创新、最大程度释放数字红利,作为应对"后金融危机"时代增长不稳定性和不确定性、深化结构性改革和推动可持续发展的关键引擎。

一、区块链概念界定

业界的普遍观点认为区块链(Block Chain)是指通过去中心化的方式集体维护一个可靠数据库的技术方案。该技术方案主要让区块(Block)通过密码学方法相关联起来,每个数据块包含了一定时间内的系统全部数据信息,并且生成数字签名以验证信息的有效性并链接到下一个数据块形成一条主链(Chain)。区块链技术并不是一种单一的、全新的技术,而是多种现有技术(如加密算法、P2P文件传输等)与数据库巧妙地组合在一起,形成了一种新的数据记录、传递、存储与呈现的方式。

从数据角度来看:区块链是一种几乎不可能被更改的分布式数据库,这里的"分布式"不仅体现为数据的分布式存储,也体现为数据的分布式记录。

从效果角度来看:区块链可以生成一套记录时间先后、不可篡改、可信任的数据库,这套数据库是去中心化存储且数据安全能够得到有效保证的。

综上所述,区块链就是一份由全网共同记录的所有已发生交易公开账本,是一种把单个区块以链的方式组合在一起的数据结构,它适合存储简单的、有先后关系的、能在系统内验证的数据,用密码学保证了数据的不可篡改和不可伪造。

区块链现已发展出三种主要形态:公有链、私有链、联盟链。

1、公有链。公有链被定义为任何人都可参与到共识机制中的区块链组织架构。任何人都可以参与到决定一个新的区块是否被加入到链上,不论是以工作量证明还是以股权证明的方式参与其中。由于比特币区块链形成最早,同时比特币持有人、验证节点、矿工广泛分布于全球,比特币区块链即成为了所有公有链中最为强健、最为安全的代表。

2、私有链。除了公有链以外的各种尝试均被称为私有链。但事实上私有链也被分为两种细分类型,分别为联盟链或半管制私有链,以及纯私有链或全管制私有链。纯私有链是整个区块链的共识机制、验证、读取等行为均被严格限制在一个范围以内,其作用与企业数据库管理、内部审计等相似,仅对特定主体内部开放,并不以任何形式对外公开。

3、联盟链。联盟链是指其共识过程受到预选节点控制的区块链。例如有15个金融机构组成的共同体,每个机构都运行着一个节点,而且为了使每个区块生效需要获得其中10个机构的确认(2/3确认)。区块链或许允许每个人都可读取,或者只受限于参与者,或走混合型路线。

二、区块链产业发展演进

1、起源比特币,区块链技术被寄予厚望

区块链是比特币的核心和基础架构,有望像互联网一样彻底重塑人类社会活动形态。比特币起源于2008年由化名为"中本聪"的学者在密码学邮件组发表的奠基性论文《比特币:一种点对点电子现金系统》。区块链技术被认为是继大型机、个人电脑、互联网、移动/社交网络之后计算范式的第五次颠覆式创新,是人类信用进化史上继血亲信用、贵金属信用、央行纸币信用之后的第四个里程碑。区块链技术是下一代云计算的雏形,有望实现从目前的信息互联网向价值互联网的转变。

2、超越比特币,区块链发展进入新阶段

区块链技术应用发展的三个阶段:第一阶段,数字货币为起点,相关应用和支持软硬件为区块链1.0。主要包括以比特币为代表的虚拟货币,是区块链技术目前最成功的应用。

第二阶段,区块链2.0由数字资产开启,可以被理解为区块链技术在其他金融领域的运用。包括目前华尔街银行联合想要打造的区块链行业标准,提高银行结算支付的效率,降低跨境支付的成本;交易所积极尝试用区块链技术实现股权登记、转让等功能。

第三阶段,区块链3.0将区块链应用的领域扩展到的金融行业之外,由更广阔应用场景覆盖人类社会生活的方方面面,在各类社会活动中实现信息的自证明,不再依靠某个第三人或机构获得信任或建立信用,提高整个系统的运转效率。


目前区块链应用已经开始超越比特币(区块链1.0),进入到区块链1.5时代,并且向金融领域(区块链2.0)过度。区块链2.0应用加入了"智能合约"的概念,可以用于股权、债权和产权的登记、转让,证券和金融合约的交易、执行,甚至博彩和防伪等。

未来3-5年,区块链会超越金融领域,进入社会公证、智能化领域(区块链3.0)。区块链3.0主要应用在社会治理领域,包括了身份认证、公证、仲裁、审计、域名、物流、医疗、邮件、签证、投票等领域,应用范围扩大到了整个社会,区块链技术有可能成为"万物互联"的一种最底层的协议。

3、应用场景多,区块链发展潜力无限大

区块链技术不仅可以成功应用于数字加密货币领域,同时在经济、金融和社会系统中也存在广泛的应用场景。

根据区块链技术可能的应用场景,将区块链的主要应用笼统地归纳为数字货币、数据存储、数据鉴证、金融交易、资产管理和选举投票共六个场景:

数字货币:以比特币为代表,本质上是由分布式网络系统生成的数字货币,其发行过程不依赖特定的中心化机构。

数据存储:区块链的高冗余存储、去中心化、高安全性和隐私保护等特点使其特别适合存储和保护重要隐私数据,以避免因中心化机构遭受攻击或权限管理不当而造成的大规模数据丢失或泄露。

数据鉴证:区块链数据带有时间戳、由共识节点共同验证和记录、不可篡改和伪造,这些特点使得区块链可广泛应用于各类数据公证和审计场景。例如,区块链可以永久地安全存储由政府机构核发的各类许可证、登记表、执照、证明、认证和记录等。

金融交易:区块链技术与金融市场应用有非常高的契合度。区块链可以在去中心化系统中自发地产生信用,能够建立无中心机构信用背书的金融市场,从而在很大程度上实现了"金融脱媒";同时利用区块链自动化智能合约和可编程的特点,能够极大地降低成本和提高效率。

资产管理:区块链能够实现有形和无形资产的确权、授权和实时监控。无形资产管理方面可广泛应用于知识产权保护、域名管理、积分管理等领域;有形资产管理方面则可结合物联网技术形成"数字智能资产",实现基于区块链的分布式授权与控制。

选举投票:区块链可以低成本高效地实现政治选举、企业股东投票等应用,同时基于投票可广泛应用于博彩、预测市场和社会制造等领域。

未来3-5年区块链技术将在物联网、金融交易、网络安全、公共记录等多个领域会大显身手,显著改进这些领域的服务流程,甚至颠覆这些领域内的传统商业模式,未来发展潜力巨大。

区块链技术带来的无处不在的价值交换,使得社会形成一个多种设备的无缝对接的价值互联世界。

区块链使得经济不仅仅是金钱的流通,互联网不仅仅是信息的流通,而是进一步使得信息、金钱、价值的有效配置和流通,使人力内耗降到最低,成为真正意义上的去中心化组织。

三、区块链产业链全景

(一)产业链全景图

区块链产业链主要包括基础网络层、中间协议层及应用服务层。

基础网络层由数据层、网络层组成,其中数据层包括了底层数据区块以及相关的数据加密和时间戳等技术;网络层则包括分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制等。

中间协议层由共识层、激励层、合约层组成,其中共识层主要包括网络节点的各类共识算法;激励层将经济因素集成到区块链技术体系中来,主要包括经济激励的发行机制和分配机制等;合约层主要包括各类脚本、算法和智能合约,是区块链可编程特性的基础。

应用服务层作为区块链产业链中最重要的环节,则包括区块链的各种应用场景和案例,包括可编程货币、可编程金融和可编程社会。

(二)主要环节分析

1、基础网络层是区块链系统的技术支撑

(1)数据层:设计账本的数据结构

1)数据区块

区块(block)包含数据库中实际需要保存的数据,这些数据通过区块包装组织起来被写入数据库。数据通过称为区块的文件,永久记录在数字货币网络上。它们好比是一个股票交易账本。新的区块会被添加到记录(区块链)的末端,而且一旦书写就很难修改或移除。

每个区块由区块头、区块主体组成。区块主体负责记录交易信息,它包含一段时间内所有交易信息,区块头用以实现区块链的其他功能。

2)链式结构

每个区块的区块头中记录了其引用的父区块的哈希值,通过这种方式形成了前后区块的链式关系。

以比特币为例,区块链中记录的是交易信息,每个节点都在本地保存有一份完整的区块链,每个完整的区块链中都记录了从2009年比特币诞生之日起发生的所有交易信息,每当有一个新交易申请产生时,节点都可以通过完整区块链验证这笔新交易的正确性,被验证通过的交易会被记录到下一个将要生成的新区块中。

3)哈希函数

哈希函数将任意长度的二进制值映射为较短的固定长度的二进制值,这个小的二进制值称为哈希值。一般来说哈希函数满足这样的关系:f(data)=key,输入任意长度的data数据,经过哈希算法处理后输出一个定长的数据key。这种转换是一种压缩映射,也就是说,哈希值的空间通常远小于输入的空间,是一段数据唯一且极其紧凑的数值表示形式。哪怕一段数据只有很细微的改变,随后的哈希函数都将产生不同的哈希值。要找到哈希值相同的两个不同的输入,在计算上是不可能的。

4)Merkle树

Merkle树是一种数据编码的结构。在最底层,我们把交易信息数据分成小的数据块,有相应的哈希值和它对应。但是往上走,并不是直接去运算根哈希值,而是把相邻的两个哈希值合并成一个字符串,然后运算得到这个字符串的哈希值,这样每两个哈希值就结婚生子,得到了一个"子哈希值"。

依次往上推,可以得到数目更少的新一级哈希,最终必然形成一棵倒挂的树,到了树根的这个位置,这一代就剩下唯一的根哈希值,我们把它叫做Merkle根。目前在计算机领域,Merkle树大多用来进行比对以及验证处理。

5)非对称加密

非对称加密算法是一种密钥的保密方法。非对称加密算法需要两个密钥:公钥和私钥。

公钥与私钥是一对,如果用公钥对数据进行加密,只有用对应的私钥才能解密,从而获取对应的数据价值;如果用私钥对数据进行签名,那么只有用对应的公钥才能验证签名,验证信息的发出者是私钥持有者。

因为加密和解密使用的是两个不同的密钥,所以这种算法叫做非对称加密算法,而对称加密在加密与解密的过程中使用的是同一把密钥。

(2)网络层:实现记账节点的去中心化

对等网络(peer-to-peer,P2P),又称点对点技术,是没有中心服务器、依靠用户群交换信息的互联网体系。与有中心服务器的中央网络系统不同,对等网络的每个用户端既是一个节点,也有服务器的功能。

其具有去中心化与健壮性等特点。1)去中心化:网络中的资源和服务分散在所有结点上,信息的传输和服务的实现都直接在结点之间进行,可以无需中间环节和服务器的介入。2)健壮性:P2P架构天生具有耐攻击、高容错的优点。由于服务是分散在各个结点之间进行的,部分结点或网络遭到破坏对其它部分的影响很小。

2、中间协议层是连接应用和网络的桥梁

(1)共识层:调配记账节点的任务负载

1)工作量证明机制

(Proof of Work,POW)

工作量证明机制挑选能够计算出一个满足规则的随机数的节点,赋予其新区块产生时的记账权。通俗地说,节点获得多少货币,取决于其挖矿贡献的有效工作。也就是说,节点的电脑性能越好,计算出随机数的可能性越大,获得创建新区块权利的可能性越大,分给该节点的矿就会越多,这就是根据节点的工作证明来执行货币的分配。2)股权证明机制

(Proof of Stake,POS)

股权证明机制已有很多不同变种,但基本概念是获得对新区块记账权利的可能性与该节点在网络里所占的股权(所有权占比)成比例,等比例地降低挖矿难度。3)授权股权证明机制

(Delegate Proof of Stake,DPOS)

授权股权证明机制的理念是每个节点可以将其投票权授予一名代表,获票数最多的前100位代表按既定时间表轮流记录产生的区块。每名代表分配到一个时间段来生产区块,所有的代表将收到等同于一个平均水平的区块所含交易费的1%作为报酬。如果代表不能履行他们的职责会被除名,网络会选出新的超级节点来取代他们。

(2)激励层:制定记账节点的"薪酬体系"

发行机制和激励机制:以比特币为例

比特币最开始由系统奖励给那些创建新区块的矿工,该奖励大约每四年减半。刚开始每记录一个新区块,奖励矿工50个比特币,该奖励大约每四年减半。依次类推,到公元2140年左右,新创建区块就没有系统所给予的奖励了。届时比特币全量约为2100万个,这就是比特币的总量,所以不会无限增加下去。

另外一个激励的来源则是交易费。新创建区块没有系统的奖励时,矿工的收益会由系统奖励变为收取交易手续费。例如,你在转账时可以指定其中1%作为手续费支付给记录区块的矿工。如果某笔交易的输出值小于输入值,那么差额就是交易费,该交易费将被增加到该区块的激励中。只要既定数量的电子货币已经进入流通,那么激励机制就可以逐渐转换为完全依靠交易费,那么就不必再发行新的货币。

(3)合约层:赋予账本可编程的特性

智能合约是一组情景应对型的程序化规则和逻辑,是通过部署在区块链上的去中心化、可信共享的脚本代码实现的。通常情况下,智能合约经各方签署后,以程序代码的形式附着在区块链数据上,经P2P网络传播和节点验证后记入区块链的特定区块中。智能合约封装了预定义的若干状态及转换规则、触发合约执行的情景、特定情景下的应对行动等。区块链可实时监控智能合约的状态,并通过核查外部数据源、确认满足特定触发条件后激活并执行合约。

3、应用服务层是获得持续发展动力所在

(1)可编程货币:区块链1.0应用

可编程货币既数字货币,其不同于电子货币,是一种价值的数据表现形式,通过数据交易并发挥交易媒介、记账单位及价值存储的功能,但它并不是任何国家和地区的法定货币,也没有政府当局为它提供担保,只能通过使用者间的协议来发挥上述功能。而电子货币是将法定货币数字化后以支撑法定货币的电子化交易,因此二者并不等同。目前数字货币的主流是以比特币为代表的去中心化的数字货币。

(2)可编程金融:区块链2.0应用

可编程金融应用是指区块链在泛金融领域的众多应用。基于区块链可编程特点,人们尝试将智能合约添加到区块链系统中,形成可编程金融。智能合约的核心是利用程序算法替代人执行合同。这些合约需要自动化的资产、过程、系统的组合与相互协调。合约包含三个基本要素:要约、承诺、价值交换,并有效定义了新的应用形式,使得区块链从最初的货币体系拓展到金融的其他应用领域,包括在股权众筹、证券交易等领域开始逐渐有应用落地。

(3)可编程社会:区块链3.0应用

可编程社会应用是指随着区块链技术的发展,其应用能够扩展到任何有需求的领域,包括审计公证、医疗、投票、物流等领域,进而到整个社会。区块链是价值互联网的内核,能够对于每一个互联网中代表价值的信息和字节进行产权确认、计量和存储。价值互联网的核心是由区块链构造一个全球性的分布式记账系统,它不仅仅能够记录金融业的交易,而是几乎可以记录任何有价值的能以代码形式进行表达的事物。

(三)难点和突破点

区块链目前仍然处于发展的早期,还有着诸多潜在的制约因素。从目前区块链产业链的总体发展情况来看,中间协议层发展相对成熟,而基础网络层和应用服务层还都存在很多有待解决的问题。尤其应用服务层的不成熟是制约区块链发展的最重要因素,一旦区块链的应用服务获得突破式的进展,那么必将带来区块链产业和市场的爆发式发展,但目前来看,这个过程仍然需要3-5年左右的时间。

1、区块链的基础技术仍然有待改善

区块链技术想要全面应用于现实社会中,关键是要解决高耗能、数据存储空间及大规模交易处理等问题。

(1)高耗能问题

区块链技术成功解决了去中心化与安全问题,但却带来了"高能耗"的问题。要维持区块链数据的安全性与可靠性,就必须保证全球多个节点同时参与记账,多个节点的数据共享过程实际上也是一个高耗能的过程。技术的应用要考虑其系统的整体性,也许区块链技术的应用过程就是一个权衡成本收益后让技术效用最大化的过程。

(2)数据库存储空间问题

区块链数据的存储空间容量要求成为一个制约其发展的关键问题。区块链数据库记录了从创建开始发生的每一笔交易,每一个参与进来的节点都必须下载存储并实时更新一份从创世块开始延续至今的数据包,这造成区块链对存储空间容量要求非常高。

目前市场中提出了两种解决方法:一是创建一个"轻数据库"供非专业使用节点下载,这些轻数据库剔除了早期的无意义交易数据,为整个数据包减负;二是互联网世界的存储技术也在高速发展,也许存储技术的发展会让数据库存储空间问题变得无足轻重。

(3)处理大规模交易的抗压能力问题

一旦将区块链技术推广到大规模交易环境下,区块链记录数据的抗压能力就无法得到保证。目前的区块链技术还没有真正处理过全世界所有人都共同参与进来的大规模交易,目前已投入使用的区块链系统中的节点总数规模仍然很小。以应用最多的比特币区块链系统为例,该系统的理论交易处理速度峰值为每秒7笔,而VISA网络处理峰值约为10000笔/秒。

对于区块链的交易处理速度问题,市场中目前有两种解决办法:一是通过技术创新(如"超导交易"、清算型区块链等)加快区块链处理交易的速度;二是寄希望于区块链技术的摩尔定律能成立,区块链的可扩展性能得到加强。

综上所述,区块链在技术层面依然存在很多问题,只有针对这些问题进行重点突破,才能使得区块链走出小众应用,真正实现大规模的普及发展。随着人们对区块链技术优势的认识越来越深刻,越来越多的资本、人才、资源不断的被投入到相关研究中,相关技术水平会不断进步,区块链的上述技术缺陷得到解决相信只是时间问题。2、区块链在应用层面依然不够成熟

区块链在应用层面仍然需要3-5年的时间来进行技术演进和经验积累。区块链的应用分成三个阶段:第一阶段是理论探讨阶段;第二阶段业务测试阶段;第三阶段是大规模应用阶段,区块链真正走到生产系统中去。目前除了数字货币处在第三阶段,其他大部分应用都处于第一和第二阶段,区块链在相关领域的应用仍需要3-5年的时间让人们去接受和认可,最终才能步入第三阶段,实现大规模应用和快速发展。目前区块链的应用种类和领域也相对较少,未来还存在着更加广阔的想象和发展空间。

3、区块链在监管方面存在较大风险

区块链的迅速发展对未来监管提出新要求。一方面,区块链去中心、自治的特性淡化了国家、监管等概念,对现行体制带来了深刻冲击。另一方面,监管部门对区块链这项新技术也缺乏充分的认识和预期,法律和制度建立可能会十分滞后,导致与运用区块链相关的经济活动缺乏必要的制度规范和法律保护,无形中增大了市场主体的风险。

因此,区块链的发展受监管的影响很大。以比特币为例,中国央行于2013年12月5日就发布了《关于防范比特币风险的通知》,央行在这一通知中称比特币不是货币,只是一种虚拟商品,金融机构和支付机构不得开展与比特币相关的业务。作为一门新技术,区块链的监管体系还尚未建立,但预计其监管体系将会在3年左右较为成熟。

区块链
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