区块链原理与技术应用

区块链精学丛书

区块链原理与技术应用

赵其刚 王红军 李天瑞 王明文 成飏 著

人民邮电出版社

北京

图书在版编目（CIP）数据

区块链原理与技术应用 / 赵其刚等编著. --北京：人民邮电出版社，2020.9

ISBN　978-7-115-53743-0

Ⅰ.①区…　Ⅱ.①赵…　Ⅲ.①电子商务-支付方式　Ⅳ.①F713.361.3

中国版本图书馆CIP数据核字（2020）第137847号

定价：69.00元

读者服务热线：（010）81055410　印装质量热线：（010）81055316

反盗版热线：（010）81055315

广告经营许可证：京东市监广登字20170147号

内容提要

本书详细介绍了区块链的概念与技术体系，涉及其本质、作用、技术背景、原理、关键知识点和应用场景等，在内容写作上由整体到局部，层次分明，难度由浅入深，理论联系实际，力图使读者能快速、全面地了解区块链相关技术。

全书共10章。第1章从区块链的背景知识切入，介绍了区块链的基本概念，分析了区块链的价值基础，概括了当前区块链的主要应用与面临的挑战。第2章介绍了区块链的发展历程，揭示了区块链技术从产生到发展壮大的过程。第3章介绍了区块链的总体技术体系架构、核心层原理、开发架构与评估体系，并介绍了目前经典的区块链软件架构。第4章主要介绍区块链的账户系统，详细介绍了区块链涉及的主要密码学知识。第5章介绍了区块链的数据结构，阐述了区块链产生和运行的基本原理。第6章介绍了区块链的网络基础，即P2P网络的结构和基本原理。第7章分析了区块链的共识机制，并对不同共识机制的特性与适用场景进行了分析。第8章介绍了智能合约的基本原理、发展过程与面临的挑战。第9章详细介绍了在以太坊上编写智能合约的方法和部署过程。第10章介绍了一个简单的区块链系统的开发实例，逐步带领助读者进行区块链系统的开发。

本书可作为信息类相关专业本科生教学类用书，也适合作为有志于研究区块链的读者的入门图书，还可作为科研人员、工程技术人员以及商务人员的参考用书。

前言

2008年比特币的横空出世，2014年后以太坊、超级账本的兴盛发展，让业界多次欢呼、振奋。这都归结于区块链技术的产生与发展，这向世人展示了一种新型网络运行模式—基于区块链的网络信息存储、传递和交换。使区块链技术名声大振的是比特币的产生及发展，而后各类“虚拟货币”的推波助澜使区块链技术名声发展到前所未有的高度。本书将拨开这些“虚拟货币”的层层迷雾，专注于揭示区块链技术的奥秘，帮助读者拓展区块链技术多方面的应用。

对区块链的解读主要有4个维度—技术维度、应用维度、社会学维度和哲学维度。这4个维度正好对应了我们社会4类不同人群的视角—技术人员视角、经营人员视角、社会管理者视角及学者视角。目前技术维度和应用维度，由于相关从业人员较多而被讨论得相对普遍，另外两个维度则讨论得相对较少。就技术维度而言，区块链就是一个分布式、去中心化的共享账本或数据库，它通过分布在全球的多个节点存储由同一个统一共识规则部署的数据备份，以确保数据的安全与可信。就应用维度而言，区块链就是依赖机器与算法的新型信任构建模式、技术体系或技术基础设施。在这种新型信任模式下，可以重构诸多原来依赖于人的社会活动关系。就社会学维度而言，区块链就是互联社会的一场“变革”运动。这种运动的目标使互联网创新者重新看到了重构互联网新兴生态的可能。就哲学维度而言，区块链给出的哲学原理是机器与算法比人性更可靠。因为区块链构建信息是基于无情绪、无意识的机器和机制，以及规则公开透明的算法，因而不会受到具有不稳定特征的人的意识、情绪的影响。

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。本书主要从技术维度，介绍区块链所涉及的相关概念、技术和应用开发。对区块链这个新兴事物的学习、理解、认知、发展和应用不能停滞，如何在有限资料和研究的条件下，尽可能为学习、研究和应用区块链的读者提供相对完整和全面的区块链技术知识体系，特别是区块链技术原理的知识体系，正是本书的目标。

编者

第1章 区块链概述

如果说当今IT领域的热门技术，如人工智能、大数据、云计算、物联网等有利于人类生产能力与生产效率的提升，那么区块链（Blockchain）就是服务于互联社会环境下人类生产关系的优化，甚至重构。

区块链并非单一技术的创新，而是如同互联网一样，是IT技术集成运用的系统级创新。互联网的出现及发展实现了人类“信息”的自由传播及广泛共享，而区块链将在互联网的基础上，推动人类“价值”的自由传递及共享利用。

理解区块链的产生背景、技术体系及运行原理，将有助于持续推动区块链技术的进步与发展；主动将区块链技术应用于人们日常生产、生活及社会治理活动中，将推进互联社会生产协同关系的持续完善和优化。

1.1 区块链产生的背景

人类生产关系的实质是个体或组织的价值创造、价值交互与价值记录的过程。在这个过程中，价值创造的“可信”、价值交互的“可信”与价值记录的“可信”是有效社会活动的前提与基础，没有信任保证的社会关系与社会活动是无序、低效甚至混乱的，信任是人类社会生产关系得以维系并发展和进步的核心要素。

可以说人类社会的发展史就是一部个人、组织及社会的信任体系不断发展与完善的历史，社会信任体系的完善程度往往标志着社会发展与进步的程度。根据信任主体之间的关系，可以把信任体系划分为无中介熟人信任、第三方信任和去中介陌生信任3类，如表1-1所示。无中介熟人信任，信任主体之间的信任关系是构建在对相互身份、交往历史的了解和掌握的基础之上，信任主体之间为“熟人”关系；第三方信任，信任主体之间为“陌生人”关系，相互之间的信任依托于对第三方中介的信任，对第三方中介的信任程度直接影响对“陌生人”的信任程度；去中介陌生信任，信任主体之间虽是“陌生人”关系，但相互之间构建信任关系并不依赖于第三方中介，信任的构建将依赖于新的模式与机制，如依托软件算法与机器。

在原始社会时期，部落文明信任体系是构建在熟人社会基础之上的无中介熟人信任。即使在今天，同乡信任、同学信任、战友信任等，个体之间的信任很多都是构建在对相互历史的了解和掌握的基础之上，因而均属于无中介熟人信任体系。

现代社会的发展，在社会关系建设方面一个非常重要的成就是第三方信任体系的大规模建设与不断完善。不管是个人，还是组织，在各项社会活动中，无不需要这些第三方信任体系的支持。公安机关及工商部门为个人、组织提供身份可信，教育机构为个人提供学历可信，银行、证券交易所、房产管理局为个人提供资产可信，各类公共市场、电子商务平台为个人提供交易可信……

无中介熟人信任和第三方信任为人类社会关系的发展和进步做出了重大贡献，在人类社会今后的发展过程中，这两类信任体系仍将继续发挥重要作用。但在互联社会的今天，这两类信任体系的构建在成本及效率方面渐显不足，而区块链的横空出现，则展示了人类可以构建一种新型的社会信任体系，即去中介陌生信任。

1.1.1 传统信任体系的局限

在无中介熟人信任体系中，信任主体需要对价值交往对象的身份、交往历史进行了解和掌握，这种了解和掌握是构建在与交往对象的长期相识、相处及价值频繁交互的历史信息基础之上的，因而这类信任体系呈现如下特点。

①信任的基础是熟人社会形成的历史信用记录。

②信任的建立需要投入大量时间、精力，甚至情感等。

③信任范围有限，价值交互对象数量有限。

无中介熟人信任体系的特点决定了其信任范围、作用范围有限，并且信任成本高昂而低效，因而现代社会主要发展了更具效率的第三方信任体系。相较无中介熟人信任体系，第三方信任体系具有如下特征。

①信任主体的价值交互范围大大扩展，由原来价值交互对象极其狭窄的熟人群体扩展到广泛的陌生人群体。

②由对价值交往个体的信任转变为对第三方中介的平台信任。

③第三方中介平台的信任构建能力决定了个体对价值交互对象的信任水平。

第三方信任体系极大地提升了信任构建效率，扩大了社会影响范围，并显著地简化了价值交互主体间的信任建立过程，这对现代经济社会的跨时空融合和效率提升发挥了基础性作用。在这种情况下，社会信任体系构建的责任及风险由价值交互主体转移到了第三方信任中介。如覆盖人们日常生产、生活的方方面面，有效保证社会生产、人们生活价值交互秩序的国家信用体系，就有强大的国家政权作为保障；一个好的商业公司、交易平台，其信任体系的构建依托于其先进的技术设施、专业的管理能力、良好的服务历史和口碑。

第三方信任体系是当前社会的主体与主流信任体系，构成了现代社会治理的基础框架，但第三方信任体系仍有其局限性，主要表现在以下两个方面。

一方面，第三方信任体系的构建成本依然高昂。每一个成功的第三方信任平台，必须经过长期的团队努力、资金投入、精心经营，方可持续运营与服务，因而依托第三方信任平台的价值交互必然需要承担由此带来的高昂的交易成本。

另一方面，第三方信任体系的信任风险广泛存在。由于第三方信任体系将原来由价值交互主体花费大量成本构建信任的责任转移到了第三方中介平台上，而第三方中介平台本身在资源投入、信息获取和运营管理能力方面的局限，以及自身潜藏的中介发展风险，均可能造成第三方信任的削弱甚至丧失。

第三方信任体系的局限性使人们有了探索新的信任体系的动力，特别是在互联社会大背景下，如何结合互联网构建高效率、低成本的信任体系就是一个值得研究的问题。

1.1.2 互联社会发展的瓶颈

近20年来，互联网的广泛应用与发展，使人类对“信息”的创造、传播与利用的自由获得了空前的释放，“信息”的自由已极大地扩展了信任中介服务的时间与空间范围，基于互联网的跨时空互联社会已逐步形成。当前，在互联社会的各个领域之间进行“信息”的高效传播、利用往往要通过信任中介——互联网企业。

目前，互联网行业的用户服务规模与服务能力都在高速发展，相对于其他行业，更易形成行业垄断，其根本原因主要在于如下两点。

第一，当前互联网企业构建的信任体系仍属于传统的第三方信任体系，互联网企业信任的来源仍主要依托互联网企业自身的品牌、实力、运营和服务能力，用户选择互联网平台进行价值交互的主要依据仍是对第三方中介平台的信任程度。高信任度的互联网平台更容易获得用户的选择。由于互联网的运行不受时间和空间的束缚，因而“强者恒强”的生态法则在互联网企业中表现得尤为显著。

第二，互联网零边际成本的扩张与规模经济效益显著，使互联网企业更容易采取免费、补贴等营销政策加速规模化用户的集中和行业垄断的形成。

如果互联网行业出现垄断局面，就会对互联社会的发展极为不利。一方面，垄断将造成不公平竞争，会抑制互联网领域的创新；另一方面，垄断了的互联网企业并不利于互联社会信任体系的构建，因为垄断的互联网企业仍然受传统第三方信任的局限，而且垄断会使互联网企业滋生腐败。

显然，互联网行业的大发展，得益于传统第三方信任的赋能，但垄断一旦形成又会增加第三方信任体系的风险，并可能在相当程度上阻碍互联社会的创新。因而，互联社会需要发展一种全新的信任体系，以打破垄断格局，并推动互联社会创新与信任体系的持续优化与完善。

1.1.3 区块链“信任”的发展

公钥体制作为现代密码学的重要成就，已成为现代信息网络的安全基础设施。公钥体制的显著成就是提供了在开放网络基础上的去中介安全信息传输。公钥体制中加密通信主体包括两个密钥：一个公钥和一个私钥。公钥类似于通信主体的地址，是公开的，可以为任何其他通信用户获知；而私钥则相当于房门钥匙，由加密通信主体独自掌握。发送信息时，发送方使用其私钥签名，由于仅能被其公钥解密，因此任何接收方均可以根据该公钥推断信息是由该公钥所对应的私钥持有者发出的，并且不能抵赖；接收信息时，发送方使用接收方的公钥进行加密，由于信息仅能由公钥所对应的私钥所解密，因而可以确保信息仅能由该公钥所对应的私钥持有者所接收。公钥体制保证了在一个开放性网络（如互联网）中，去中介陌生信任的端对端通信的可靠性和安全性。

P2P（Peer to Peer）网络（即对等网络）是一种在对等者（Peer）之间分配任务和工作负载的应用架构，是对等计算模型在开放式系统互联（Open System Interconnection, OSI）应用层形成的一种组网或网络形式。P2P网络与目前网络中占据主导地位的客户端/服务器（Client/Server，C/S）模式的一个本质区别是，整个网络结构中不存在中心节点（或中心服务器）。在P2P网络中，每一个节点大都同时具有信息消费者、信息提供者和信息通信等3个方面的功能。从计算模式上来说，P2P网络打破了传统的C/S模式，使网络中的每个节点的地位都是对等的。每个节点既充当服务器，为其他节点提供服务，同时也享用其他节点提供的服务。P2P网络使网络中不再存在能单独控制网络功能与服务的超级节点，打破了单一主体对网络的独立控制，并且因为具有更优质的通信性能和更稳定、更安全的持续服务提供能力，而成为去中介陌生信任网络理想的基础通信平台。

P2P网络与公钥体制事实上已为互联网络环境下去中介陌生信任奠定了两大基础，但仅有二者只能在有限单一的环境下发挥定制性用途，并不能形成系统性、生态性的信任体系。2003年，戴维克（Dwork）、纳尔（Naor）、拜克（Back）、维斯努穆斯（Vishnumurthy）等结合“虚拟货币”系统应用提出和发展的工作量证明（Proof of Work，PoW）共识机制，使一个系统性的去中介陌生信任体系的雏形开始出现。2008年，中本聪（Satoshi Nakamoto）提出并实施了基于工作量证明的加密“虚拟货币”系统——比特币系统。比特币系统的成功，验证了基于P2P网络、公钥体制及工作量证明共识机制构建统一的公共账本，从而构建出一个去中介陌生信任体系，不仅在理论上可行，在实践上也是可行的。工作量证明共识机制，实际上确保了在开放的P2P网络上，用户基于公钥体制生成统一的公共账本，为一个由陌生主体构成的开放网络构建一致性、系统性的“可信数据”提供了保证。

比特币系统通过生成和维护公共账本所采取的系列技术方案，让人们认识到了如何在一个去中心化、去中介的陌生主体环境中构建一个高敏感、高安全、高可信要求的经济信号的技术方案，而维塔利克·巴特林（Vitalik Buterin）在 2013 年提出以太坊智能合约技术机制，将这种基于P2P网络、公钥体制和工作量证明共识机制，构建去中心化、去中介统一公共账本的整套技术方案转变为一个底层技术，即我们现在所知道的技术概念——区块链。在区块链中引入具有开放编程能力的智能合约机制，使以太坊具备了图灵完备的计算支持能力，并实现不受限制的内部交易存储容量，使去中介陌生信任体系的搭建具有了系统性的架构，从此区块链就具备了作为互联社会环境下构建新型信任体系基础架构的能力。

上述各类信任体系的特点如表1-2所示。

1.2 区块链的基本概念

单从字面上来理解，“区块链”是一个特别令人费解的技术概念与专业术语。这个概念也阻碍了许多人对区块链的理解。这对区块链理念的传播、推广与普及应用是不利的。不过，即使我们不太喜欢用“区块链”这一名词来指代其所代表的整个技术体系，但由于这一概念在业界已进行了长期传播，因此，我们仍不得不从这一概念的定义入手，来阐释其所代表的整个技术体系及其内涵。

1.2.1 区块链的定义

区块链的简单定义：区块链是互联社会构建信任的一种技术基础设施。对这一概念，本书做如下说明。

第一，区块链的应用场景是互联化的社会，或者说是以互联网作为基础设施的人类社会。

第二，区块链是一种以技术为中心的基础设施，“技术”表明了区块链解决“信任”的方案与以往的方案具有显著的不同—依托于算法、软件等技术能力，而“基础设施”即意味着区块链作为“基础层”可以支撑极其广泛的应用场景。

第三，区块链所集成解决的问题是互联社会中“信任”的建立问题，这是核心词，也代表了区块链的主体核心价值。

上述区块链的简单定义对非计算机专业的读者而言，用来理解区块链可能已经足够了，但对计算机专业的读者而言，这显然是不够的，因为其没有对区块链这一技术基础设施的组成内容进行定义。

因此，需要进一步对区块链给出定义：区块链是以在互联社会中构建信任基础设施为目标，综合运用P2P网络、非对称加密算法、共识机制等技术与手段，通过建立按时序编列、不易篡改、块链式的公共账本，构建形成开放网络信任基础的技术、运营与服务体系。

对这一概念，本书进一步给出如下解释。

第一，在互联社会搭建信任基础设施是区块链的价值目标与应用场景。

第二，区块链是一种去中心化、去中介的陌生信任体系，其关键和核心技术主要包括P2P网络技术、非对称加密算法、共识机制等。

第三，区块链在技术上实现去中心化、去中介陌生信任的核心与关键基础是具有时序、内容不易被篡改、呈块链式结构特征的公共账本数据。这个公共账本是区块链网络信任的基础，也是区块链整体技术概念的来源。

第四，区块链最终的呈现，既是一种新型的技术框架，又是一种崭新的运营体系与服务网络。

1.2.2 私有链、联盟链与公有链

根据前面对区块链下的定义，可以进一步根据区块链共识建立的范围、公共账本公开对象的不同，将区块链应用网络划分为私有链、联盟链与公有链3种不同类型，如表1-3所示。

1. 私有链

私有链即区块链共识建立的范围及公共账本的公开对象为单一主体，单一主体对区块链的网络运行及数据处理、交换与存储具有全部权利。显然，除了利用区块链的技术特性来增强数据的安全性与网络运行的可靠性外，私有链应用与传统的中心化技术相较并无特别优势，反而由于区块链技术自身固有的一些性能弱点，如同步时延较大、高并发处理能力不强等，使私有链的应用场景极其有限。

2. 联盟链

联盟链即区块链共识建立的范围及公共账本的公开对象为有限主体，如同业联盟成员之间，联盟成员平等参与区块链的P2P网络构建、公共账本创建与维护。联盟链使参与主体的共识边界由原来主体私有范围扩展至整个联盟范围，由于共识边界扩大，联盟成员之间具有了共同的信任基础——联盟链公共账本，因而联盟链成员之间在无须第三方中介参与的条件下，相互的价值交互效率将获得极大的提升。

3. 公有链

公有链即区块链共识建立的范围是面向全社会，公共账本及软件代码完全公开，任何个体与组织均可在赞同公有链相关共识机制的条件下，自由参与公有链P2P网络的建设与运营，参与区块数据的产生、传播与维护，以及各类区块链应用的开发、部署与服务运营。公有链由于完全开放，参与主体众多，特别是对具有应用开发支持能力，即支持智能合约的区块链而言，就具备了围绕相关主题，构建自治、闭环生态系统的能力，这对打破垄断型的互联网生态系统而言，具有特别重大的意义。

1.2.3 主链和侧链

区块链构建信任的核心是块链式结构的公共账本，公共账本的产生方式及公开范围决定了区块链的属性。根据区块链的交易数据是否列入区块链的公共账本，把相应的交易数据所构成的区块数据链称为主链或侧链。

1. 主链

主链即由公共账本构成的数据链。任何区块链均有唯一和统一的公共账本，即主链。列入主链的数据，可以被所有区块链用户所同步并访问。主链数据由于需要达成全网共识，并实现全网同步和验证，因此列入主链的数据的产生、传输与存储成本都相对较高，适用于区块链中核心数据和高价值数据的存储。

2. 侧链

侧链即与主链在某些区块发生关联，但主体数据并未列入公共账本，而是作为独立数据链由区块链中部分节点或用户所创建、同步与存储。侧链可以缓解主链网络资源、数据存储资源有限，以及处理与存储成本较高的问题，可作为一种提升区块链并发处理能力的有效手段，用于有限范围节点或用户之间进行区块链应用及数据的处理与存储。

主链与侧链可通过一定技术机制实现信息、数据及其代表价值的相互转换和传递，如图1-1所示。

1.3 区块链的价值基础

区块链的根本价值在于它以一种崭新的模式和机制解决人类社会关系信任构建的问题，这就是去中介陌生信任体系。区块链的出现和发展已经远超单一技术概念，已成为一种新兴的思维方式，一种崭新的技术架构，一类创新的服务网络和一种变革性的价值生态系统。

1.3.1 区块链解决的根本问题

区块链在互联网的基础上，依托P2P网络、公钥体制与共识机制等技术解决人类社会关系中的信任问题，从而提供了一种新型的去中心化、去中介的陌生信任体系。具体而言，区块链以新型的技术手段与机制解决了人类社会关系中的三大根本关系的可信性问题，如图1-2所示。

1. 三大根本关系

（1）所有关系

所有关系是人类社会生产关系的根本关系。所有关系是人类个体、组织之间建立交互关系的前提与基础，也是区分个体、组织的根本属性。人与人之间、组织与组织之间的不同，就是所有关系的不同。个人与组织可通过历史继承与生产创造活动形成所有关系，并通过交易活动进行所有关系的变更。

（2）交易关系

在所有关系之上，人类活动中所发生的所有交互关系，不管是从事一项互通有无的买卖，还是一次简单的谈话沟通，均可称为一次交易关系。交易关系与人类生产创造活动一起构成了人类活动的基本内容，人类社会活动的本质就是交易活动。交易活动可以让所有关系发生变更。

（3）历史关系

在人类价值创造、交易变更等活动过程中，形成了按时间顺序且不可逆的活动过程记录，即为历史关系。历史关系对评价个人、组织活动过程价值，以及基于已有过程价值再创新、再利用具有重要意义。人们以历史数据为基础，对活动主体的价值给出客观评估，并基于这些历史经验进一步优化和创新未来主体的活动。

在人类社会活动中，这三大根本关系要良好、有效运行，其核心要素是这三大根本关系均要“可信”，因此“可信”是这三大根本关系的关键要素。作为一种新型的信任体系，区块链以其特有的技术手段与机制，依靠“算法”与“中立机器”的力量有效地解决了这三大根本关系的可信问题。

2. 三大根本关系的可信问题

（1）所有关系的可信

区块链所采用的公钥体制，使区块链中的私有账户只能由掌握私钥的创建主体控制并操作，而其对外公开的公钥又使其能与其他主体用户便捷地交易互动。公钥体制确保了区块链在去中介的P2P网络环境下的所有关系的可信。

（2）交易关系的可信

区块链中公钥体制及P2P网络技术的集成运用，解决了交易主体的可信，同时避免了单一主体控制的第三方中介可能存在的中介发展风险，从而确保了交易关系的可信。

（3）历史关系的可信

区块链通过对公共账本的集体创建、维护，通过哈希加密计算技术确保块链式交易账本数据的不可逆和永久性存储，使区块链中用户账户数据、交易记录数据得以真实、透明、安全、可靠地记录和存储，确保了区块链历史数据的可信。

显然，区块链以新的模式、新的机制解决了人类社会三大根本关系的可信问题，这奠定了区块链在互联社会优化甚至重构人类社会关系的基础。

1.3.2 区块链思维

正如推进互联网工作时，我们要有互联网思维一样，同样，在理解和推进区块链工作中，我们要建立区块链思维。事实上，区块链就是一种新型的思维与行为模式，区块链思维特别强调如下几个方面。

1. 去中心化

中心化是第三方中介信任体系的特征，而区块链是一种去中心化、去中介的陌生信任体系。因此，去中心化是推进区块链工作首先要建立的一种思维方式。开展一项涉及信任构建的工作，首先要思考，如果使用去中心化怎样来解决？不仅高价值数据资产及其相关计算能去中心化，普通Web数据访问存储也可以去中心化。通过去中心化思考，可能会获得中心化信任体系下难以获取的诸多新特性、新能力。

2. 透明、开放

推进区块链工作，在所属的共识范围内，需要机制、规则、代码的完全透明、开放，透明、开放是让共识群体积极参与的前提和基础；黑箱运行潜藏规则或独有专利，在区块链中难以获得更大范围的共识，并难以被更多参与者所拥护。

3. 协同合作

不要试图一个人或一个机构独自完成所有工作和享有所有回报，要习惯人与人之间、团队与团队之间的协同合作，共定游戏规则，共建生态，共同发展产业，共获回报。

4. 相信算法

人性是自私的，不用“考验”人性，但在区块链中，可以相信算法、机制与中立机器；相信一切机制、规则与社会关系均可用算法描述；算法与机器没有偏见，在这方面它们可以比人做得更好，但需要对它们进行持续发展和优化。

1.3.3 区块链技术架构

由P2P网络、公钥体制、共识机制及智能合约等技术所构建的区块链技术体系，事实上已构建了一个全新的技术架构，这个技术架构与互联网的OSI模型一样，也具有相应的功能层次模型。作为一种崭新的技术与开发架构，区块链包括如下层次模型。

1. 数据层

区块链的数据层是一个“区块+链”的数据结构，本质上是一个分布式区块链，以非对称加密算法、哈希计算等技术为基础，确保一个区块链数据账本决定一个网络，每个区块链的数据不易被篡改。

2. 网络层

区块链的网络层遵循P2P网络协议，确保网络的开放和稳定服务，确保互联网用户的自由、平等参与，以及区块链数据的同步等。

3. 共识层

区块链的共识层决定区块链的记账权（在主链上链接区块的权利）获取机制。采用工作量证明（Proof of Work，PoW）共识机制，计算机的性能越好，越容易成功封装区块并获得通证（即Toben，区块链上的权益证明，在大多数情况下为对应的“虚拟货币”）奖励；采用权益证明（Proof of Stake，PoS）共识机制，类似股份公司股权的概念，会根据持有的通证数量和时间，由股权拥有者按其权益比例获得区块封装权利，并根据封装区块获得挖矿奖励。

4. 激励层

区块链的激励层对应区块链的奖励机制，是对为网络提供计算及验证服务的所谓“矿工”的奖励措施，通过对区块封装节点实施奖励，以确保分布节点投入区块链计算的积极性。

5. 合约层

区块链的合约层即区块链的智能合约层，针对不同区块链应用，在该层可进行灵活的逻辑规则定义、编码、部署及分布式和去中心化运行。通过该层的引入和支持，使区块链的底层信任支持能力可以扩展到更广泛的去中心化陌生信任应用场景。

6. 应用层

区块链的应用层即区块链的展示层与业务层，通过使用区块链的开放接口，使各类应用与区块链集成，区块链的应用层可以是移动端、Web端，或是直接融合进现有的业务服务器，可把当前的业务应用作为应用层。

区块链通过分层技术架构的清晰分工协同，有效地保证了区块链技术体系的系统性、完整性、灵活性与开放性。

区块链技术体系所呈现的不同特征也意味着，围绕区块链的技术开发与应用开发也具有新的特点。在面向完全去中心化的区块链应用开发中，“智能合约+分布式文件系统”将是去中心化应用开发的典型架构。

1.3.4 区块链服务网络

区块链服务网络是一类创新的服务运营网络。

区块链技术体系的不同组合，可构建出不同类型的服务运营网络：由数据层、网络层、共识层及激励层构成底层网络，提供以公共账本为核心的去中介陌生信任的基础服务，如以太坊主运营网络，其提供基础服务，支持各类去中心化应用的开发、部署与运营；底层网络也可与特定的应用目标相结合，提供具体的或相对具体的去中介陌生信任媒介服务，如比特币网络，其提供以比特币为核心的“虚拟货币”应用服务。事实上，区块链开放的分层技术架构体系使得开发者可根据服务定位不同、服务目标不同、应用场景不同，创新和构建出各种类型的服务运营网络，而非我们现在所看到的比特币网络、以太坊等相对单一和程式化的服务运营网络。

对于区块链服务运营网络，可从如下角度来定义或解析。

1. 应用目标

应用目标是指确定所要构建的服务运营网络是解决一个具体的信任媒介问题（如“虚拟货币”、加密证书等），还是一个基础性的信任服务问题（如提供各类去中心化应用部署与运营的网络环境），或是一个行业性、领域性的共识应用问题（如农业行业的食品溯源、文化艺术领域的艺术品认证与交易）。

2. 服务内容

服务内容是指确定所提供的服务，可以是一种基础性的服务，如支持去中心化应用的智能合约的开发、部署与运营；可以是一种行业性、领域性的公共设施，如支持农业行业的去中心化应用开发、农业资产数字化与去中心化交易；可以是一种有价值的具体应用媒介，如“虚拟货币”、数字积分、数字证书等。

3. 运营体系

运营体系是指确定所构建的服务运营网络，可以是一种完全去中心化、自由开放的P2P公有链架构，也可以是一种多中心、分布式运行、许可加入的P2P联盟链架构，还可以是一种单一主体控制、多节点分布式运行、能力开放的私有链云服务架构。

4. 共识范围

共识范围是指确定网络公共账本的生成、维护所采用的共识机制；确定网络重大变革事件的决策机制，是社群民主决策，还是少数精英决策，还是单一主体独立决策。

5. 技术保障

技术保障是指确定区块链的技术支持力量是采用开源社区维护，还是由多个或单一主体的技术开发力量维护。

可以预见，不同类型的区块链服务运营网络，将构建出不同类型的区块链价值生态系统。

1.3.5 区块链价值生态系统

基于区块链服务运营网络，可以围绕不同的产业或应用主题，构建变革性的价值生态系统。

凡参与者众多、价值互补、相互需要、具有自发或自觉组织性的社会活动系统均可以称其为价值生态系统。在经济领域，传统的价值生态系统以行业为界，以产业链为基础，产业链中围绕龙头企业、核心企业进行供需组织、价值传递，由相互需要、相互服务而构成一个互相依存的生态体系。

在传统的产业价值链中，龙头企业、核心企业，往往具有统治性、主宰性的地位，是产业价值链游戏规则的主导制定者，也是产业价值链的最大获益者。

互联网的出现一度打破了传统产业链的运行规则，使产业价值链核心环节向掌握终端用户的互联网服务运营商转移，如BAT（指中国互联网公司三巨头：B为百度，A为阿里巴巴，T为腾讯）等互联网企业。

以传统产业链为中心的价值生态系统，核心企业往往凭借其资本、品牌、渠道的力量，主导甚至是主宰产业价值链的发展与利益的分配，而普通消费者、核心价值提供者，由于在产业价值链中的弱势地位，往往成了被动的参与者与利益受损者。例如，在当前的互联网游戏产业链中，渠道方得到整个游戏运营收入的90%，而真正的游戏开发商、运营商仅能取得10%。

作为一种去中心化、去中介的陌生信任体系，区块链已通过比特币系统、以太坊等实践证明，完全可以基于区块链构建一种新型的价值生态体系，在这类价值生态体系中将呈现与传统产业链完全不同的价值生态系统特征。

1. 去中介

区块链已经提供了一种不需依赖于第三方中介的去中介陌生信任体系，创造价值的个体与组织完全可依托于区块链所构建的去中介陌生信任体系进行直接的价值交换，从而使价值的分配权与最大获益者回流至价值创造者与价值消费者。

2. 社群共识

生态系统中的重大变革、关键决策不再由单一的主体或个人所主导，而需依照生态社群所构建的共识机制进行集体决策，这将避免少数个人或单一主体对生态体系的决定性影响与控制。

3. 代码“宪法”

生态社群共识的达成、提案发起与决策流程，个体与组织间的价值交互，均可以通过公共透明的程序代码进行确定性的定义和一致性的执行，诚信不再是对人性的考验，而是对代码正确性的测试。

4. 价值倍增

区块链生态社群中的价值主体、价值创造、价值交互的历史数据将清晰明确、准确无误、不易篡改、永久性地存储下来，而这些真实的价值数据随着数据的不断积累，既会使价值主体的价值不断累积增加，又会使整个社群的价值倍增。基于透明历史的区块链社群所积累的庞大而真实的数据将具有巨大的社会经济价值。

1.4 区块链的应用

区块链所解决的核心问题是去中介陌生信任体系的构建，技术本质是基于社群共识创建和维护公共账本。基于此，区块链可适用于大多数依托于信任的商业与社会活动应用，并由于信任体系构建的变革，而优化甚至重构现有的商业与社会活动模式。

根据区块链技术特征及其所解决的核心问题，区块链可在资产所有权的区块链化、个体与组织价值积累的区块链化、扩展共识范围的交易效率、发展互助型产业生态与培育共识自治社群等方面获得重大应用。

1.4.1 资产区块链化

私有财产权（即物权），是人权的组成部分，而资产的所有关系是人类社会关系的根本关系。

在无中介熟人信任体系中，部落财产所有关系的确立是依靠部落氏族道德和习惯的力量来维系的；而在第三方信任体系中，如现代社会，是依靠法律与国家机器的强制性等第三方力量来保证的。区块链的出现，将为人们资产所有权关系的确立带来崭新的变化，即谁掌握所创建区块链账户的密钥，谁就拥有所建账户资产的所有权。与前述两种信任体系所确立的资产所有关系相比较，由区块链所确立的资产所有关系具有如下特点。

1. 安全性

区块链网络体系及非对称加密算法的高可靠、高安全特征，决定了基于区块链账户所建立资产的安全性。除非用户自身的原因而导致密钥丢失或被盗以外，区块链账户资产的安全不受诸如道德、地域、政治变化等外在因素的影响。

2. 隐私性

区块链账户可在极隐私的条件下匿名创建，账户之间的资产交互无须提供用户真实的身份信息，并且这也不影响交易本身的真实可靠性。交易真实，而身份匿名，这种机制可确保区块链账户的隐私性。

3. 便捷性

区块链基于P2P网络所构建的资产账户，可实现账户之间资产高效、便捷的转移和交换，这种所有权转移的便捷程度将远远超过传统信任体系下的资产所有权转移。

4. 流动性

区块链资产交易的便捷性、高效性，必然带来区块链资产的高流动性，而高流动性将带来区块链资产的价值倍增。

区块链资产的如上特点决定了区块链应用的首批浪潮必将围绕各类资产的区块链化而展开，这些资产包括游戏道具、数字作品等虚拟资产，以及房屋、汽车、土地、农业作物等实体资产。

1.4.2 价值存储区块链化

区块链的公共账本实现了“交易即记账”，且记入区块中的交易数据不易被篡改并永久存储。这个特性确保了区块链数据的高度真实性、可追溯性和历史重现性。真实的历史数据将为价值交互主体及其资产带来价值增值，正如上市公司的审计与信息公示制度确保了上市公司资产与价值的真实性、可交换性，从而使上市公司股权相对未上市公司具有更高的价值认可。在区块链中价值主体的价值创造、交易过程的存储，将为价值主体不断累积并提升价值。

例如，个人学习或任职过程的区块链存储，将简化学校入学考核或就业部门的入职考核，使学生与学校、求职者和就业单位之间实现高效、主动的条件匹配，其间可以减去大量不必要的中间环节，并能有效避免不公平、不合理的人为干涉；对于农作物及食品，从所使用的土壤成分开始，包括农业添加物、包装、运输及加工过程的全程数据的区块链存储，将简单、直接地为农作物及食品进行定级、定价，这样的可信农产品更容易获得消费者的认可，并提升其价值。无论是个人，还是实体或实物的各种认证，基于区块链的存储，可有效避免各类伪造、作假和恶意欺骗等现象。

区块链对价值数据的真实性存储将为另两项新兴技术——大数据与人工智能的发展奠定坚实基础。目前，大数据技术、人工智能技术发展中的重要瓶颈是数据产权管理难而带来的商业模式困境，以及数据不真实性而引起人工智能的机器学习失效，而这两个瓶颈正好可通过区块链解决。

1.4.3 提升社会协同效率

在联盟链、公有链中，区块链将原来限定在单一主体的共识边界扩展至多主体甚至公众范围，从而使共识边界大幅扩展（见图1-3）。由于在共识范围内，价值主体之间具有了信任的基础——公共账本，因此相互间的价值交互过程将直接而高效，既省去了构建信任所需花费的信任构建成本，同时因为“交易即记账”，也省去了交易过程及事后记账、审计的大量复杂事务，使价值交互主体的协同工作效率获得空前提升。

例如，基于区块链的供应链管理将使供应链中的上下游企业，凭借供应企业之间的交易记录形成的公共账本，有效建立供应企业之间的互信，从而促使供应链高效、自动、智能及集约化地运转。同时，基于供应链交易的公共账本，可以极容易地引入银行等金融机构提供基于区块链的供应链金融服务。

区块链基于互联网所构建的高效信息交换网络及公共账本所构建的信任基础，将大幅提升人类社会协同工作效率，从而推动人类社会生产效率与生产能力的再次进步。

1.4.4 催生互助型产业生态

区块链基于代码定义规则、基于公共账本建立的信任机制，将催生一种崭新的产业经济形态，即基于区块链的互助型产业生态。基于区块链的互助型产业生态将显著区分于依托“资本”“渠道”“品牌”等传统中介力量而形成的以中介企业为“主宰者”的传统产业经济模式。

在以区块链为基础构建的互助型产业生态中，价值创造者将与价值消费者直接进行价值交换，甚至共同参与价值创造，共同决定产业生态游戏规则。传统产业链在区块链中将解构或进行价值重组和价值链再造，而新生的产业价值链将是协作的、互助的、共识的，甚至是完全智能的，价值将直接面向价值创造者进行公平合理的分配。绵延了几千年，依托于信息不对称或信息垄断而在传统产业价值链中获取最大利益的“中间商”将逐渐势微甚至退出产业生态。

“公司”作为第三方信任体系下的经济组织单元完全可能会被去中介陌生信任体系下的新型组织形态——“价值共同体”所取代。不同于“公司”这种第三方信任体系，在以区块链为基础所构建的新型经济组织“价值共同体”中，商家（服务提供商）与消费者不再是二元对立关系，而是成为一个价值统一体；消费者参与消费的同时，也是一种价值创造或价值投资的过程，并将享有价值共同体后续价值增值的收益。

传统经济组织与区块链经济组织的异同如表1-4所示。

例如，以音乐创作和音乐“粉丝”所构成的音乐区块链网络将成为一个新兴的音乐价值合作同盟，创作者将不必再担心其版权被侵权，其大部分收益也不用担心被渠道分走。创作者通过与“粉丝”的密切互动、合作努力，共同推动音乐价值合作同盟的发展和享受所带来的收益，这也将有助于创作者创作更多优秀的音乐作品。

1.4.5 培育共识自治社群

区块链基于公众参与形成的共识机制，基于公开代码所形成的确定性执行机制，基于公共账本形成的公开、透明的信息披露机制，可促进基于互联社会的民主、自治、透明、诚信社群的有序形成，将推动社会治理发生深远变革。

目前我们广泛发展的基层社区、社团民主自治，新型企业的组织治理，社会团体、公益组织、慈善机构的民主决策与业务发展，区块链均将为其提供良好的平台基础，使社会治理更民主、更公平、更公开。

1.5 区块链的挑战

区块链作为一种新兴的信任体系构建模式，将会推动经济社会深刻、长远的变革，但其本身也会面临技术、商业和社会的诸多风险与挑战。

1.5.1 技术的挑战

区块链技术体系在构建和维护区块链信任基础——在共识范围内的公共账本的过程中，随着技术的发展及应用的进一步推广和深化，面临如下技术挑战。

1. 账户安全

现行的非对称加密算法面临正在发展中的新一代计算技术——量子计算而带来的加密体制失效的风险，需要迅速发展诸如“格”密码（一种不能被量子计算所解析的密码技术解决方案）之类的抗量子计算体制；密钥的丢失与被盗威胁账户资产的安全，需要更好的技术及非技术社区共识机制来管理与防范。

2. 高并发交易

现行公有链基于PoW共识机制，既浪费电力又带来交易效率的瓶颈；区块封装与同步机制在本质上还是一种全网串行计算机制。这些现行区块链技术所带来的低交易效率将限制区块链的应用场景，因而发展更高交易效率、更低能耗的高并发共识机制，甚至突破区块串行计算限制，发展高速并行计算的区块链技术体系就日益迫切了。

3. 普及性软件

区块链诞生于程序员的极客小圈子，当前区块链的相关软件技术、产品仍然有专业性较强、操作不简便等问题，因而，其在移动化、便捷化、易理解性等方面仍然有相当的局限性，这在一定程度上阻碍了区块链的推广与普及应用。

1.5.2 商业的挑战

区块链对产业生态的重构将挑战传统商业的规则与逻辑，并直接挑战传统商业既得利益者的利益格局，因此可能会受到传统商业的多方围堵和挤压。如何构建新兴的区块链商业模型使区块链能更高效、更便捷和更富吸引力地解决商业价值链中的根本痛点，并赢得普通大众的支持，是区块链赢得未来商业竞争并不断发展壮大的基础。

区块链新型经济组织形态——“价值共同体”的产生、培育与发展，在现有经济体制下面临理念与知识普及、配套设施及服务体系建设、法律法规建立及完善等诸多难题。

1.5.3 社会治理的挑战

区块链作为新型信任基础设施，其“隐私性”“全球性”“共识性”“民主性”等在为普通用户带来便捷、隐私保护及促进社会公平、民主自治的同时，也可能会被一些人非法利用。同时，区块链由于采用了新的信任体系，这与当前主流的社会信任体系可能直接冲撞，而在区块链相关法律、法规及监管体制尚未有效形成之际，可能会带来相当长时期的社会治理难题。

因此，这就需要个人、组织、社会及国家共同努力，及早探索、研究区块链时代来临时的相关社会治理的法律制度及监管防范体系。通过主动研究与积极探索，迅速把握区块链技术与应用的发展规律，努力让这一革命性的技术为社会提供正向价值。

1.6 课后习题

1.现有的3类信任体系及各自的特点是什么？通过区块链技术所构建的信任体系属于哪一类？为什么？

2.京东商城、淘宝网等互联网平台的信任体系是哪一类？互联网平台形成垄断的速度远超传统行业，其根本原因是什么？

3.简述区块链的概念和分类。区块链的公共账本在区块链技术体系中的意义是什么？区块链公共账本的公开范围对区块链本身有何影响？

4.简述私有链、联盟链、公共链三者的基本概念、内涵与区别。

5.简述主链和侧链的概念、内涵及区别。

6.区块链从本质上来讲解决了人类社会关系中的哪3个基本关系？如何解决的？

7.区块链可以在哪些领域中应用？在这些领域主要运用区块链的哪些技术？

8.区块链在经济领域中的应用有哪些？如何理解区块链“价值共同体”这一崭新的经济组织形态？它与传统的经济组织形态“公司”有何本质的区别？

9.区块链目前面临的技术挑战有哪些？这些技术挑战产生的背景与原因是什么？

10. 区块链目前存在的问题和风险有哪些？如何应对这些问题或风险？