核心技术概览

一、定义

关于区块链的定义，可从狭义和广义两个角度来理解。

• 狭义上，区块链是一种以区块为基本单位的链式数据结构，区块中利用数字摘要对之前的交易历史进行校验，适合分布式记账场景下防篡改和可扩展性的需求。

• 广义上，区块链还指代基于区块链结构实现的分布式记账技术，包括分布式共识、隐私与安全保护、点对点通信技术、网络协议、智能合约等。

二、基础原理

区块链的基本原理理解起来并不复杂。

• 交易（Transaction）：一次对账本的操作，导致账本状态的一次改变，如添加一条转账记录；

• 区块（Block）：记录一段时间内发生的所有交易和状态结果等，是对当前账本状态的一次共识；

• 链（Chain）：由区块按照发生顺序串联而成，是整个账本状态变化的日志记录。

如果把区块链系统作为一个状态机，则每次交易意味着一次状态改变；生成的区块，就是参与者对其中交易导致状态改变结果的共识。

三、区块链与分布式记账

区块链是首个自带对账功能的数字账本结构。

更广泛地，区块链实现了非中心化的记录。参与到系统中的节点，并不属于同一组织，彼此可以信任或不信任；链上数据由所有节点共同维护，每个节点都存储一份完整或部分的记录拷贝。

跟传统的记账技术相比，基于区块链的分布式账本包括如下特点：

• 维护一条不断增长的链，只可能添加记录，而且记录一旦确认则不可篡改；

• 非中心化，或者说多中心化的共识，无需集中的控制，实现上尽量分布式；

• 通过密码学的机制来确保交易无法被抵赖和破坏，并尽量保护用户信息和记录的隐私性。

四、技术分类

根据参与者的不同，可以分为公有（Public 或 Permissionless）链、联盟（Consortium 或 Permissioned）链和私有（Private）链。

• 公有链，顾名思义，任何人都可以参与使用和维护，参与者多为匿名。典型的如比特币和以太坊区块链，信息是完全公开的。

如果进一步引入许可机制，可以实现私有链和联盟链两种类型。

• 私有链，由集中管理者进行管理限制，只有内部少数人可以使用，信息不公开。一般认为跟传统中心化记账系统的差异不明显。

• 联盟链则介于两者之间，由若干组织一起合作（如供应链机构或银行联盟等）维护一条区块链，该区块链的使用必须是带有权限的限制访问，相关信息会得到保护，典型如超级账本项目。在架构上，现有大部分区块链在实现都至少包括了网络层、共识层、智能合约和应用层等分层结构，联盟链实现往还会引入额外的权限管理机制。

另外，根据使用目的和场景的不同，又可以分为以数字货币为目的的货币链，以记录产权为目的的产权链，以众筹为目的的众筹链等，也有不局限特定应用场景的所谓通用链。通用链因为要兼顾不同场景下的应用特点，在设计上需要考虑更加全面。

五、关键问题和挑战

5.1 共识

共识是分布式系统领域经典的技术难题，学术界和业界都已有大量的研究成果（包括 Paxos、拜占庭系列算法等）。

问题的核心在于确保某个变更在分布式网络中得到一致的执行结果，是被参与多方都承认的，同时这个信息是不可推翻的。

最初，比特币区块链考虑的是公开匿名场景下的最坏保证。通过引入了“工作量证明”（Proof of Work）策略来规避少数人的恶意行为，并通过概率模型保证最终共识到最长链。

5.2 交易性能

目前，公开的比特币公有区块链只能支持平均每秒约 7 笔的吞吐量，其安全的交易确认时间为一小时。以太坊公有区块链的吞吐量略高，达到每秒几十笔，但仍不能满足较大的应用。

5.3 扩展性

大部分区块链系统的性能，很大程度上取决于单个节点的处理能力。对这些系统来说，节点需要满足 高性能、安全、稳定、硬件辅助加解密能力。

对于比特币和以太坊区块链而言，网络中每个参与维护的核心节点都要保持一份完整的存储，并且进行智能合约的处理。此时，整个网络的总存储和计算能力，取决于单个节点的能力。甚至当网络中节点数过多时，可能会因为共识延迟而降低整个网络的性能。尤其在公有网络中，由于大量低性能处理节点的存在，问题将更加明显。

要解决这个问题，根本上是放松对每个节点都必须参与完整处理的限制（当然，网络中节点要能合作完成完整的处理），这个思路已经在超级账本等项目中得到应用；同时尽量减少核心层的处理工作，甚至采用多层处理结构来分散交易。

5.4 安全防护

世界上并没有绝对安全的系统。

系统越复杂，攻击面越多，安全风险越高；另外系统是由人设计的和运营的，难免出现漏洞。

首先是立法。对区块链系统如何进行监管？攻击区块链系统是否属于犯罪？攻击银行系统是要承担后果的。但是目前还没有任何法律保护区块链（特别是公有链）以及基于它的实现。

另外，公有区块链所有交易记录都是公开可见的，这意味着所有的交易，即便被匿名化和加密处理，但总会在未来某天被破解。安全界一般认为，只要物理上可接触就不是彻底的安全。实际上，已有文献证明，比特币区块链的交易记录大部分都能追踪到真实用户。

5.5 数据库和存储系统

区块链网络中的大量信息需要写到文件和数据库中进行存储。

观察区块链的应用，大量的读写操作、Hash 计算和验证操作，跟传统数据库的行为十分不同。

目前已经出现了引入区块链特性的“账本数据库”，包括甲骨文和亚马逊等产品。它们通过签名来防抵赖，并追溯数据修改历史，提供审计功能。

此外，在高吞吐量的场景下，本地账本结构会快速累积大量数据。这些数据的保存、索引、清理，发生故障后的恢复，新加入节点的数据获取等，都是值得探索的开放问题。

六、认识上的误区

6.1 区块链离不开加密数字货币？

虽说区块链的早期应用之一是比特币等加密数字货币，但发展到今日，区块链技术早已脱颖而出，两者也各自朝着不同的目标向前发展。比特币侧重从金融角度发掘加密数字货币的实验和实践意义；区块链则从技术层面探讨和研究分布式账本科技的商业价值，并试图拓展到更多分布式互信的场景。