区块链技术：潮水退去还剩什么？

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作者 | 赵伟杰

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2008年，一位名叫中本聪的神秘科学家发表了《比特币：一种点对点电子现金系统》（Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System）一文，区块链技术从此诞生。 2017年下半年到2018年上半年，伴随着比特币市值的数次暴涨和波动，区块链一词一度成为全球网络热搜词。 作为比特币背后的基础技术，区块链技术为数据存储和价值交换提供了安全可靠的去中心化模型。 其应用前景受到众多学术界和商界人士的高度期待。

面对这一新兴的技术趋势，中国政府谨慎关注。 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，首次代币发行）。 另一方面，工信部2018年5月发布的《2018年中国区块链产业发展白皮书》认为，区块链技术已经开始并将在中国实体经济的更多领域得到应用。 在由《国家科学评论》（NSR）主办、副主编郭磊院士主持的区块链主题论坛上，多位来自学术界和区块链技术企业的专家共同探讨了区块链技术。 对其发展现状和应用前景进行了深入探讨。

参与专家

Jing Chen 纽约州立大学石溪分校计算机科学助理教授，Algorand 首席科学家

邓小铁 北京大学信息科学与技术学院教授

甘国华 北京太易云科技有限公司副总裁

王小云清华大学高等研究院教授

北京航空航天大学数学与系统科学学院郑志明教授

郭磊（主任委员）中国科学院数学与系统科学研究院研究员、《国家科学研究院》副主编

01

区块链的众多应用场景

郭磊：区块链技术为什么受到如此多的关注？ 它具体能做什么？

郑志明：我先说说区块链的重要性。 互联网时代以来，我们实现了信息的互联互通； 后来，移动通信技术的普及，实现了人与人之间的互联互通； 现在，随着5G技术和物联网技术的发展，我们即将实现万物互联。

信息、人、物都互联之后，我们接下来需要什么？ 是价值的互联和交换。 价值连接的基础是信任。 人们渴望通过一定的技术和机制建立信任，建立价值转移的低成本运营渠道。 区块链只是提供了一种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，从机制层面解决信任问题。

另外，从经济的角度来看，信任机制的建立可以促进经济的发展。 经济学家费雪探讨了经济发展与价值交换的关系，现代货币主义理论的代表人物弗里德曼对费雪的观点进行了阐释。 这种解释可以简单概括为：GDP约等于流动性货币（可以是狭义流动性货币M1或广义货币M2的乘积）与价值流动速度。 信任机制的建立可以加速价值的流动，也可以促进GDP，也就是经济的发展。

甘国华：区块链的应用范围很广，主要可以概括为交易支付、数据存储、溯源、智能合约等几个方面。 这些应用大致可以分为纯链上业务和链上链下业务。

数字货币是纯链上业务的代表，其业务对象即数字货币完全在区块链上产生、流通和枯竭。 结合链上和链下业务的一个例子是可追溯性。 比如前不久轰动一时的疫苗质量事件后，有人提出可以利用区块链追溯疫苗生产、运输、使用的全过程。 在这种业务中，确保链下物理世界中的对象与链上标记的对象的一致性是一个关键问题。

郑志明：我认为，如果一个应用场景满足以下六个特征之一，我们可以考虑在其中应用区块链技术：场景中存在多方交互； 需要信誉； 需要脱媒； 具有原子性； 需要隐私； 或者，其生产关系需要进行必要的调整。 符合这些特点的场景非常多样，包括供应链管理、废弃物管理、文化娱乐、智能制造、社会福利、政府管理等。区块链的应用远远超出了金融领域。

邓小铁：关于区块链的应用，我觉得首先要落地的应该是甘博士所说的“纯链上业务”，即完全电子化、数据化的业务。 如电子金融、电子资源共享、电子游戏等。

另一方面，区块链也可能有助于社会利益和个人利益的相互实现。 互联网为公共服务带来了很多软件和系统，但这些系统通常或多或少地损害了个人隐私。 有时这些系统带来了整个社会的进步，但以牺牲在特定场景中应用它的个人为代价。 如何在其中找到平衡，是现代社会需要面对的问题。

谷歌曾经有一个著名的原则，叫做“不作恶”，这是一个公司对社会和用户做出的主观承诺。 但我想，我们能否将区块链技术与大数据、物联网等技术结合起来，通过机制设计来构建人类生活服务网络。 在这个网络中，人与人之间的诚信是由机制本身来要求和保证的，而不依赖于企业的自律。

陈静：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，人们需要就“谁拥有什么，谁做什么”等问题达成共识。 人们只有在这些共识的基础上，才能开展进一步的交流与合作。 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。

除了共识之外，机制设计也是保证区块链环境安全健康的重要因素之一。 学术界从理论上设计了很多优秀的博弈机制，但在实际应用中往往采用传统、简单的机制。 这与公众接受度有关。 公众很难理解、接受和信任一个大经济体系中的复杂机制。 因此，在区块链的机制设计中，简单性、可解释性、良好的分析性是非常重要的标准。 为了满足这些标准，我们甚至可以牺牲一些性能优化。

02

区块链背后的算法

郭磊：区块链具有安全、不可篡改、去中心化等特点。 哪些算法和技术支持这些功能？

王小云：我先说说区块链里面的密码学技术。 密码技术为通信安全提供保障，区块链主要涉及三种密码算法。 首先是加密算法，保证数据的机密性，保证无关人员看不到信息内容。 二是电子签名技术，保证数据来源的可靠性、合法性和真实性。 三是哈希函数，保证了区块链中数据的不可篡改性。 同时，电子签名的不变性也由哈希函数保证。 不变性是区块链技术的基本特征，因此哈希函数是区块链技术中非常重要的一部分。

哈希函数有很多优点。 首先，它平衡了安全性和便利性。 哈希函数不需要密钥，因此可以轻松应用于各种场景。 同时具有抗像攻击、抗二次原像攻击、抗碰撞攻击等安全特性，安全性高。

其次，哈希函数为系统的可证明安全性提供了保障。 传统的可证明安全算法，例如零知识证明，是交互式的。 哈希函数是非交互式的。 在很多场景下，证明可以一次完成，不需要反复迭代。 这样可以大大降低通信过程的复杂度。

最后，散列函数可以提供绑定技术。 绑定技术通常也称为位承诺。 在这个过程中，A首先将消息的哈希值发送给B，然后在一段时间后将相应的压缩信息（绑定信息）发送给B，可以使用BA哈希函数计算绑定的哈希值信息，同时验证绑定的信息是否匹配。 绑定技术在交易、支付、存款、溯源、合约等各种业务中发挥作用，保证这些过程的安全，因此对于区块链技术的应用非常重要。

陈静：近年来，出现了一些新的区块链算法。 在传统的区块链算法中区块链技术来源于以太坊，存在一个三角问题。 认为安全、性能、去中心化只能三选一，不能同时考虑。 比特币和以太坊都是如此。 而现在新技术，比如Algorand的新共识系统，可以做到三者的平衡。

我们新的共识系统不再基于中本聪的“工作量证明”方法，而是基于使用我们自己的“权益证明”方法的独特拜占庭协议。 在安全性方面，我们可以证明，当恶意节点的权重不超过三分之一时，系统在最坏情况下是安全的，其中的交易信息不可篡改，链条不会分叉，并且一旦生成一个块，它被认为是最终块。 在性能方面，由于我们不再使用工作量证明模型，不需要“挖矿”和求解哈希函数，所以它需要的计算量很低。 任何人只要有一台普通的笔记本电脑就可以加入系统，成为拥有完全权限的节点。 在去中心化方面，我们没有像现在基于权益证明的共识系统那样妥协，只允许少量节点参与共识协议。 在我们的系统中，所有节点都可以根据自己的权益份额充分参与共识系统。

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、物联网技术、大数据技术的结合。 在很多场景下，物联网和区块链的节点是可以共享的； 物联网产生大数据，区块链是数据存储和追踪的工具。

郭磊：在区块链领域，有哪些问题需要进一步研究和解决？

郑志明：刚才陈静提到了区块链中的三角问题。 我觉得安全性、性能、去中心化这三点确实是区块链技术的核心指标。 如何协调和优化三者，使系统适用于各个特定的应用场景，将是该领域持续研究的方向。

甘国华：对。 还有能力问题和沟通问题。 目前受限于区块大小，区块链上可以存储的数据量是有限的，我们需要平衡区块大小和效率。 在区块链上广播交易需要通信技术的更大支持。

另外，我觉得对于现在的区块链，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：目前很多区块链系统，包括以太坊，都是图灵完备的。 对于这些图灵完备系统，理论上很难证明其合理性。 事实上，区块链是否一定是图灵完备的，也是一个需要探讨的问题。

我还想到了另一个需要研究的问题。 区块链在经济学中有很多应用，会导致一些经济问题。 在未来的经济体系中，算法和人工智能将发挥越来越重要的作用，其中新的经济问题值得研究。

陈静：确实。 区块链金融与传统金融既有相同点也有不同点。 区块链上产生的虚拟化数字资产与传统资产不同：传统的实物资产通常只涉及使用权，而区块链上的代币资产可能涉及到用户的决策权和投票权，所以在这个过程中在资产转让过程中，不仅是使用权的转让，更是决策权和表决权的转让。 梳理新经济模式与传统模式的异同，将是一件有趣的研究。

03

权力下放和监管

郭磊：监管也是与区块链相关的一个重要问题。 如何监管和管理一个匿名和去中心化的区块链？

郑志明：世界上没有没有监督就可以应用的技术。 从技术上讲，区块链与监管并不冲突。 事实上，区块链作为一条不可篡改、公开透明的数据链，可能更易于监管。 我们需要发展“监管融入技术”的模式，在区块链上加入监管节点，获取全面、实时的监管数据。

王晓云：从密码学的角度来看，虽然区块链是去中心化的，但它仍然使用公钥和电子签名技术，这意味着我们可以在技术上将区块链账户与现实世界联系起来，可以使用电子签名技术来保证合法性、帐户和数据的可靠性和真实性。 前面我提到，哈希函数和电子签名技术是区块链的核心技术，区块链的监管也依赖于这些技术。

甘国华：两位老师说得对。 在监管层面，区块链技术是中性的。 既具有匿名性和隐私保护性，又具有透明性和不可篡改性，有利于监管。 区块链监管我觉得有两种方式，一种是相对实名制，涉及到王总说的电子签名技术，还有一种就是什么监管节点。

此外，监管本身就是区块链的一个重要应用方向。 如果我们能够利用区块链准确记录和追踪谁在什么时间、什么地点对什么对象做了什么，那么我们就可以实现很多实际领域的溯源和监管。

邓小铁：我曾经参与过一个关于另一个技术的监管问题的讨论。 当时，我提出了一个建议。 我觉得这个建议也适用于区块链：在监管问题上，企业应该主动向政府部门提出建议，帮助政府部门了解如何有效监管企业。 这有助于在企业与政府之间形成有效的、互动的讨论氛围，对建立健康的监管体系非常有帮助。

04

未来发展

郭磊：在互联网和通信行业，标准化是非常重要的一环。 目前是否有任何与区块链相关的标准正在制定中？

甘国华：对。 在国内，我亲自参与了工信部下属的中国信息通信研究院《可信区块链标准》的制定。 该标准已成为国际电信联盟（ITU）标准体系的一部分。 此外，工信部电子标准研究所也在积极参与相关ISO标准的制定。

王小云：区块链技术的标准化首先是其三大核心算法的标准化，即加密算法、电子签名和哈希函数。 其中，加密算法的标准化已经比较成熟。 关于散列函数的标准化，在2004年和2005年国家标准技术研究院的MD5和SHA-1密码被成功破解后【译注：这两个算法都是王小云教授破解的】，中美分别介绍了哈希函数相关的SM3算法和SHA-2、SHA-3算法。 这些新算法目前正在申请ISO标准，并已进入最终标准起草阶段。

当然，区块链的协议框架也需要标准化，属于密码学协议层的范畴。 在这方面，近年来出现了多种技术，很难立即获得统一的标准。 但是我认为经过五到十年的发展，我们一定能够得到一个相对统一的区块链协议框架标准，可以适用于各种场景。

陈静：行业对区块链标准的需求越来越迫切。 新的区块链系统不断问世，每一个都声称在性能上有所突破。 最终用户不可能了解所有新技术和新系统的细节并判断其性能。 因此，学术界、工业界和政府需要承担制定标准的责任。

确定通用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。 比如参与模式可以分为几类：是否每个节点都可以直接自由参与共识； 一些节点是否需要将自己的权限授权给其他节点； 或者节点在参与过程中的权益是否需要“锁定”。 还有几种类型的组织模型：许可的、联合的、无许可的等等。 此外，网络结构也是区块链标准化的一个因素，需要考虑带宽和信息传输方式。

此外，可能还有一些不常提及的因素也会影响区块链系统的性能。 在制定区块链标准的过程中区块链技术来源于以太坊，我们需要考虑多方面的因素。

郭磊：目前区块链发展到什么阶段，发展到什么程度？

甘国华：我认为区块链的发展基本符合Gartner咨询公司提出的技术成熟度曲线（The Hype Cycle）。 目前，我国对虚拟货币管理严格，币圈发展受限，而链圈正在生根发芽，落地于各个领域。 我觉得经过一段时间的技术积累和产业调整，2020年左右，我们就能看到区块链在各个行业真正的应用。

区块链在炒作周期中的位置

邓小铁：关于区块链的发展，我一直有一个疑问，就是到底有多少链会存活下来。 不久前，比特黄金遭到恶意攻击，表明链间相互攻击已经开始。 纸币（交子）最初在中国出现时，由 16 个富商共同负责发行，但最终统一为一个。 未来会不会只剩下一条区块链和一种代币？ 近期不同币种之间的算力竞争也给区块链市场造成了巨大的扰动。

王小云：我觉得这个问题应该分两种情况来讨论。 第一个案例是一个碎片化的区块链应用。 对于很多需要不可篡改安全性的场景，我们可以构建区块链来满足其特定的需求。 会有很多这样分散的应用，每个具体的应用都可以有自己的区块链。 对于一些大的应用领域，我们可以使用区块链来搭建它的整体框架。 在这种情况下，每个领域只需要保留一两个成熟的区块链架构即可。

郭磊：最后一个问题，目前国内外的区块链研发有哪些异同？

甘国华：前不久我参加了一个区块链知识产权相关的峰会。 我在会议上看到了数据。 目前，区块链相关专利申请以中国和美国为主。 就是这样。 但是就我个人的体验而言，我们在底层技术层面和国外还有一定的差距，但是我们在应用方面的投入是非常积极的，这可能和我们在互联网应用方面的优秀表现有关。 另外，国外通常结合币链，而中国强调无币区块链。

邓小铁：在基础理论方面，中国和国外确实有差距。 但我们也看到，国内学术界也开始关注这个领域，很多高校和科研院所都建立了区块链相关的实验室。 而且，陈静、石润婷（Elaine Shi）、宋晓东（Dawn Song）等美籍华人科学家在这一领域的表现也非常出色。

另外，我觉得国内的学术研究应该和产业界保持一定的距离。 因为学术界的工作应该具有创新性和前瞻性，如果我们只研究已经在工业界应用的技术，是不可能为未来尚未出现的技术做出贡献的。 再比如，目前很多国家出于现实考虑，对虚拟货币持保守态度。 但或许学术界不应该完全中断相关研究，因为如果我们现在完全放弃虚拟货币，多年后虚拟货币再次成为主流，我们将失去加入该体系的机会或技术储备，即使这种阻断作用是不是永久性的，修复它会花费我们很多时间和精力。 从区块链技术的发展方向来看，我们广阔的市场需求对区块链应用有着其他市场难得的广阔原始驱动力，有望在下一阶段的区块链实践领域有突出表现。