區塊鏈技術：潮水退去還剩什麽？

撰文 | 趙維傑

2008年，化名中本聰的神秘科學家發表文章《比特幣：一種點對點式的電子現金系統》（Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System），區塊鏈技術自此橫空出世。2017年下半年到2018年上半年期間，伴隨著比特幣市值的幾度飆升與震蕩，區塊鏈一詞也一度成為風靡世界互聯網的搜索熱詞。作為比特幣背後的基礎技術，區塊鏈技術為數據存儲與價值交換提供了一種安全可靠的去中心化模式，它的應用前景被眾多學術界及企業界人士寄予厚望。

面對這一新興技術潮流，中國政府在謹慎中給予關注。2017年9月，七部委發布《關於防範代幣發行融資風險的公告》，全面禁止ICO（Initial Coin Offering，首次幣發行）。另一方面，2018年5月工信部發布的《2018年中國區塊鏈產業發展白皮書》則認為，區塊鏈技術已經開始，並將在更多中國實體經濟領域中落地應用。在由《國家科學評論》（National Science Review，NSR）組織、NSR副主編郭雷院士主持的區塊鏈主題論壇中，來自學術界和區塊鏈技術公司的多名專家對區塊鏈技術的發展現狀與應用前景進行了深入的討論。

參與專家

陳婧美國紐約州立大學石溪分校計算機系助理教授，Algorand公司首席科學家

鄧小鐵北京大學信息科學技術學院教授

甘國華北京太一雲科技有限公司副總裁

王小雲清華大學清華大學高等研究院教授

鄭志明北京航天航空大學數學與系統科學學院教授

郭雷（主持） 中科院數學與系統科學研究院研究員，NSR副主編

01 區塊鏈的諸多應用場景

郭雷：區塊鏈技術為什麽能受到這麽多的關注？它到底能夠做什麽？

鄭志明：我先來談一談區塊鏈的重要性。從互聯網時代開始，我們實現了信息的互聯；後來移動通信技術普及，又實現了人與人之間的互聯；現在，5G技術和物聯網技術發展，我們又即將實現萬物互聯。

在信息、人、物都實現了互聯之後，我們下一步需要的是什麽？是價值的互聯與交換。價值連接的基礎是信任，人們迫切地希望能夠通過某種技術和機制來建立信任，為價值的流轉建立低成本的運行通道。而區塊鏈剛好提供了能夠滿足條件的解決方案，它可以為數據和交易提供安全、不可篡改的存儲和記錄方式，從機制層面上解決信任問題。

此外，從經濟學角度看，信任機制的建立是可以促進經濟發展的。經濟學家費雪討論過經濟發展與價值交換之間的關係，現代貨幣主義理論的代表人物弗裡德曼又對費雪的觀點進行了闡釋，這個闡釋可以簡單概括為：GDP約等於流動貨幣（可以是狹義流動貨幣M1或者廣義流動貨幣M2）與價值流動速度的乘積。信任機制的建立可以加速價值的流動，也就可以促進GDP，也就是經濟的發展。

甘國華：區塊鏈的可應用範圍很廣，目前可以主要歸納為交易支付、數據存證、溯源以及智能合約等幾個方面。這些應用又可以大致分為純鏈上業務以及鏈上鏈下相結合的業務。

數字貨幣是純鏈上業務的代表，它的業務客體，也就是數字貨幣，是完全在區塊鏈上產生、流轉和消亡的。而鏈上鏈下相結合業務的一個例子是溯源。比如在不久前引起轟動的疫苗質量事件發生後，就有人提出可以用區塊鏈來對疫苗生產、運輸、使用的全過程進行可溯源的記錄。在這種業務中，確保鏈下物理世界中的客體與鏈上標記客體的一致性是一個關鍵問題。

鄭志明：我認為，如果一個應用場景符合下面六個特徵中的一個，我們就可以考慮在其中應用區塊鏈技術：這個場景具有多方互動性；需要可信性；需要去中介化；具有原子性；需要隱私性；或者，其生產關係需要本質性調整。符合這些特徵的場景是非常多樣化的，包括供應鏈管理、垃圾管理、文化娛樂、智能製造、社會公益、政府管理等。區塊鏈的應用遠不止於金融領域。

鄧小鐵：關於區塊鏈的應用，我想最先落地的應該是甘博士所說的“純鏈上業務”，也就是完全電子化和數據化的業務。比如電子金融、電子資源共享、電子遊戲等。

另一方面，區塊鏈還可能有助於社會利益和個人利益的共同實現。互聯網帶來了很多公共服務的軟體和系統，但是這些系統通常都會或多或少地損害個人隱私。有時候，這些系統在整體上帶來社會進步，但卻在特定場景中讓應用它的個體遭受損失。如何在其中尋找平衡，是現代社會需要面對的問題。

谷歌曾經有一條著名的準則，叫做 “不作惡”（Don’t be evil），這是一個企業對社會和用戶做出的主觀承諾。但是我想，我們能否將區塊鏈技術與大數據、物聯網等技術結合起來，通過機制設計建立起一個人類生活服務網絡。在這個網絡中，人與人之間的誠信是由機制本身所要求和保證的，而不需要依賴於企業的自律。

陳婧：一個好的區塊鏈系統可以在大規模的分布式系統中高效地建立共識。共識與日常生活密不可分，從金融活動到數據共享，人們都需要針對“誰擁有什麽、誰做了什麽”等問題達成共識，只有在這些共識的基礎上，人們才能進行進一步的交流和合作。區塊鏈提供了一種建立共識的新方式，因此與日常生活息息相關。

除了共識，機制設計也是保證區塊鏈環境安全、健康的重要因素之一。學術界已經從理論上設計出了很多優秀的博弈機制，但在實際應用中所使用的，通常還是那些傳統和簡單的機制。這與公眾的接受能力有關。我們很難在一個大型經濟系統裡面，讓公眾都去理解、接受和信任一個複雜的機制。所以，在區塊鏈的機制設計中，簡單、可解釋、好分析是非常重要的標準。為了達到這些標準，我們甚至可以犧牲掉一些性能方面的優化。

02 區塊鏈背後的算法

郭雷：區塊鏈具有安全、不可篡改、去中心化等特點。這些特徵是由哪些算法和技術支撐的？

王小雲：我來談一談區塊鏈中的密碼學技術。密碼學技術為通信的安全性提供保障，在區塊鏈中主要涉及三種密碼學算法。第一是加密算法，它保證數據的機密性，確保無關者不能看到信息的內容。第二是電子簽名技術，它保證數據來源的可靠、合法、可認證。第三是哈希函數，它保證區塊鏈中數據的不可篡改性。同時，電子簽名的不可篡改性也是由哈希函數來保證的。不可篡改性是區塊鏈技術的基礎特徵，所以哈希函數是區塊鏈技術中非常重要的一環。

哈希函數具有很多優勢。首先，它兼顧了安全性和便捷性。哈希函數不需要密鑰，所以可以便捷地應用於各種場景。同時，它又具備抗原像攻擊、抗第二原像攻擊、抗碰撞攻擊等安全屬性，具備很高的安全性。

其次，哈希函數為系統的可證明安全性提供保障。傳統的可證明安全性算法，比如零知識證明，都是互動式的。而哈希函數是非互動式的，在很多場景中，可以不需要反覆迭代，一次性完成證明。這可以大大降低通信過程的複雜程度。

最後，哈希函數可以提供綁定技術。綁定技術通常也稱為比特承諾，在這個過程中，A先將消息的哈希值的發送給B，一段時間後再將對應的被壓縮信息（被綁定信息）也發送給B，B可以用哈希函數來計算被綁定信息的哈希值，同時驗證被綁定信息是否匹配。綁定技術在交易、支付、存證、溯源、合約等各種業務中發揮作用，保證這些過程的安全性，因此對於區塊鏈技術的應用非常重要。

陳婧：近年來，也有一些新的區塊鏈算法出現。在傳統的區塊鏈算法中有一個三角難題，認為安全、性能、去中心化這三者只能三選二，無法三者兼顧。比特幣和以太坊都是如此。而現在新的技術，比如Algorand的新型共識系統，就可以實現三者兼顧。

我們的新共識系統不再基於中本聰的“工作量證明”方式，而是基於一種獨特的拜佔庭協議，使用我們自己的“權益證明”方式。安全性方面，我們可以證明在惡意節點所佔權重不超過三分之一的情況下，這個系統在最壞的情況下也是安全的，其中的交易信息不可篡改、鏈不會分叉，而且區塊一旦產生就馬上是得到認可的最終的區塊。在性能方面，由於我們不再使用工作量證明模式，就不再需要“挖礦”和求解哈希函數，所以它所要求的計算量是很低的。只要擁有一台普通的筆電電腦，任何人都可以加入這個系統，成為一個擁有全部權限的節點。在去中心化方面，我們並沒像現在的基於權益證明的共識系統一樣做出妥協，只允許少數節點參與共識協議。在我們的系統中，所有節點都可以按照其權益份額全權參與到共識系統中。

甘國華：最新的發展趨勢還包括鏈網技術和跨鏈技術，以及區塊鏈技術和物聯網技術、大數據技術的結合。很多場景中，物聯網和區塊鏈的節點是可以共用的；物聯網產生大數據，而區塊鏈又是數據存儲和跟蹤的工具。

郭雷：在區塊鏈領域，還有哪些需要進一步研究和解決的問題？

鄭志明：剛剛陳婧提到了區塊鏈中的三角難題，我想這其中的三點，安全性、性能、去中心化，確實是區塊鏈技術的核心指標，如何對三者進行統籌優化、使系統適用於各個具體的應用場景，會是領域中持續的研究方向。

甘國華：沒錯。此外還有容量問題和通訊問題。目前受區塊大小的限制，區塊鏈上能夠保存的數據量是有限的，我們要去平衡區塊大小和效率。而要把區塊鏈上的交易廣播出去，又需要通訊技術的更大支持。

另外我想，對於現在的區塊鏈，尤其是智能合約，我們似乎還沒有從數學上證明它的正確性和合理性。

鄧小鐵：現在的很多區塊鏈系統，包括以太坊，都是圖靈完備的。而對於這些圖靈完備的系統，很難從理論上去證明它的合理性。事實上，關於區塊鏈是否一定需要是圖靈完備的，也是一個需要探討的問題。

我還想到另一個需要研究的問題。區塊鏈有很多經濟學上的應用，這其中會衍生出一些經濟學問題。在未來的經濟系統中，算法和人工智能將發揮越來越重要的作用，其中的新型經濟學問題是值得研究的。

陳婧：的確如此。區塊鏈金融和傳統金融有相同也有不同。區塊鏈上產生的虛擬化數字資產就和傳統資產不同：傳統物理資產通常隻涉及使用權，而區塊鏈上的代幣資產可能與用戶的決策權、投票權相關，所以在資產轉移的過程中，就不僅僅是使用權的轉移，也伴隨著決策權和投票權的轉移。理清新經濟模式與傳統模式的相同和不同之處，會是很有意思的研究。

03 去中心化與監管

郭雷：監管也是區塊鏈相關的重要問題。對於匿名性和去中心化的區塊鏈，如何進行監督和管理？

鄭志明：在世界範圍內，沒有任何一項技術是可以在不接受監管的情況下落地應用的。而且從技術上講，區塊鏈與監管並不衝突。事實上，作為不可篡改，並且公開透明的數據鏈，區塊鏈可能是更易於監管的。我們需要發展一種“監管融入技術”的模式，在區塊鏈中加入監管節點，獲得全面、實時的監管數據。

王小雲：從密碼學角度講，區塊鏈雖然是去中心化的，但仍然使用公鑰和電子簽名技術，這就意味著，我們可以從技術上將區塊鏈账號與真實世界聯繫起來，可以用電子簽名技術保證账號和數據的合法性、可靠性和真實性。我前面提到，哈希函數和電子簽名技術是區塊鏈的核心技術，而區塊鏈的監管同樣要依賴於這些技術。

甘國華：兩位老師說得很對。在監管層面上，區塊鏈技術是中性的，它既有匿名性、保護隱私的一面，也有透明化、防篡改，利於監管的一面。我想，區塊鏈監管的具體實施有兩種途徑，一種是相對的實名製，這裡面涉及到王老師所說的電子簽名技術，另一種就是鄭老師所說的，加入具有一定權限的監管節點。

此外，監管本身正是區塊鏈的一個重要的應用方向。如果我們能夠利用區塊鏈準確地記錄和追蹤什麽人在什麽時間地點對什麽客體做了什麽事情，那麽就可以實現對很多實際領域的溯源和監管。

鄧小鐵：我曾經參與過關於另一項技術的監管問題的討論，那時我提出了一個建議，我想這個建議也同樣適用於區塊鏈：在監管問題上，企業應當主動向政府部門提出建議，幫助政府部門了解如何對企業進行有效監管。這可以幫助企業和政府之間形成有效的、互動式的討論氛圍，對於一個健康的監管體制的建立是很有幫助的。

04 未來發展

郭雷：在互聯網和通信行業中，標準化是非常重要的一環。目前是否已經有區塊鏈相關的標準在建立中？

甘國華：有。在國內，我個人就參與了工信部下屬中國信息通信研究院“可信區塊鏈標準”的制定，這一標準已經成為了國際電信聯盟（ITU）標準體系的一部分。此外，工信部電子標準所也在積極參與相關ISO標準的制定。

王小雲：對區塊鏈技術的標準化，首先就是對其三種核心算法，也就是加密算法、電子簽名和哈希函數的標準化。其中，加密算法的標準化已經比較成熟。關於哈希函數的標準化，在2004和2005年，美國國家標準與技術研究院的MD5和SHA-1密碼被成功破解 [譯注：這兩個算法是由王小雲教授破解的] 之後，中國和美國分別推出了哈希函數相關的SM3算法和SHA-2、SHA-3算法，這些新算法目前正在申請ISO標準，並且已經進入了最後的標準擬定階段。

當然，還需要對區塊鏈的協議框架進行標準化，這屬於密碼協議層的範疇。在這方面，近年來多種技術湧現，很難馬上得到一個統一的標準。但我想，經過五到十年的發展，我們將可以得到比較統一、可以應用於各種場景的區塊鏈協議框架標準。

陳婧：業界對於區塊鏈標準的需求是越來越急迫的。新的區塊鏈系統不斷問世，每一個新系統都宣稱自己在某些性能上取得了突破。終端用戶不可能自行了解所有新技術、新系統的細節並判斷其性能的高低。所以學術界、工業界和政府需要擔負起制定標準的責任。

確定通用的性能參數並建立嚴格的數學評估方法非常重要。安全性、可擴展性和去中心化程度應該是主要的評估標準。比如說，參與模式可以分為幾個類別：是不是每一個節點都可以直接和自由地參與共識；是不是有一些節點需要將自身權利授權給其他節點；或者在參與過程中，節點的權益是否需要被“鎖定”。組織模式同樣有幾種類型：許可型、聯合型、無許可型等。此外，網絡結構也是區塊鏈標準化中的一個因素，所需帶寬和信息的傳輸方式需要被考慮。

除此之外，可能還有一些不常被提起的因素同樣影響著區塊鏈系統的性能。在區塊鏈標準的制定過程中，我們需要考慮到各種各樣的因素。

郭雷：目前區塊鏈的發展處於哪個階段、什麽程度？

甘國華：我認為區塊鏈的發展基本符合美國高德納谘詢公司提出的技術成熟度曲線（The Hype Cycle），熱炒概念的過熱階段已經過去，進入到行業穩定繁榮之前的低谷期。目前，中國對虛擬貨幣嚴格管理，幣圈發展受限，而鏈圈正在向各個領域扎根和落實。我認為，在經過一段時間的技術積累和產業調整之後，到2020年左右，我們將可以看到區塊鏈在各行業之中得到真正的應用。

鄧小鐵：關於區塊鏈的發展，我一直有一個疑問，就是最終會有幾條鏈存活下來的問題。不久前，比特黃金遭到惡意攻擊，說明鏈與鏈之間的互相攻擊已經開始。當紙幣（交子）最初在中國出現的時候，是由16家富商共同負責發行，但最終統一成了一家。在未來，會不會只剩下一條區塊鏈、一種代幣呢？最近不同幣種之間的算力競爭也對區塊鏈市場也造成巨大擾動。

王小雲：我想這個問題應該分兩種情況討論。第一種情況是零散的區塊鏈應用，對於很多需要不可篡改性的安全性的場景，我們都可以建立一個區塊鏈來滿足其具體要求。這樣的零散的應用會非常多，每一個具體應用都可以有自己的一條區塊鏈。而對於一些大的應用領域，我們可以用區塊鏈來構建它的整體框架。在這樣的情況下，每個領域只需要保留一個或者兩個成熟的區塊鏈架構就足夠了。

郭雷：最後一個問題，目前國內外的區塊鏈研究和發展情況有哪些異同？

甘國華：我不久前參加了一個區塊鏈知識產權相關的峰會，在會上看到數據，目前區塊鏈相關的專利申請是由中、美兩國主導的，技術方面和應用方面的專利都是如此。但就我的個人感受來講，在底層技術層面，我們和國外還有一定差距，但我們在應用方面的投入非常積極，這可能和我們已經在互聯網應用方面表現出色有關。此外，國外通常是幣-鏈結合，而國內強調無幣區塊鏈。

鄧小鐵：在基礎理論方面，中國確實和國外有差距。但我們也看到，國內學術界也已經開始關注這一領域，不少高校和研究所都建立了區塊鏈相關的實驗室。而且，陳婧、石潤婷（Elaine Shi）、宋曉東（Dawn Song）等在美華人科學家都在這一領域中表現十分出色。

另外，我認為國內學術界的研究應當和產業界保持一定的距離。因為學術界的工作應該有創新性和前瞻性，如果隻研究已經在產業界中應用的技術，就不可能為還沒有出現的未來技術做出貢獻。再比如說，目前許多國家都出於現實考慮，對虛擬貨幣態度保守。但學術界也許不應該完全中斷相關研究，因為如果我們現在完全放棄了虛擬貨幣，而多年之後虛擬貨幣又成為了主流，我們將會失去加入這個體系的機會或技術儲備，這種阻斷效應即便不是永久性的，也會花費我們很多時間和精力才能彌補。在區塊鏈技術的發展方向上，我們廣闊的市場需求對區塊鏈應用有著其它市場少有的廣闊原生推動力，有望在下一階段在區塊鏈實用領域有突出的表現。

版權聲明

本文英文原文於2018年11月13日在線發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR ），原標題為“Blockchain technology: development and prospects ”。NSR是科學出版社旗下期刊，與牛津大學出版社聯合出版。《知識分子》獲NSR和牛津大學出版社授權刊發該文中文翻譯。