区块链的特征架构模型与核心技术介绍

区块链起源于比特币，2008年11月1日，一位自称中本聪（Satoshi Nakamoto）的人发表了《比特币：一种点对点的电子现金系统》一文 ，阐述了基于P2P网络技术、加密技术、时间戳技术、区块链技术等的电子现金系统的构架理念，这标志着比特币的诞生。两个月后理论步入实践，2009年1月3日第一个序号为0的创世区块诞生。几天后2009年1月9日出现序号为1的区块，并与序号为0的创世区块相连接形成了链，标志着区块链的诞生 。

近年来，世界对比特币的态度起起落落，但作为比特币底层技术之一的区块链技术日益受到重视。在比特币形成过程中，区块是一个一个的存储单元，记录了一定时间内各个区块节点全部的交流信息。各个区块之间通过随机散列（也称哈希算法）实现链接，后一个区块包含前一个区块的哈希值，随着信息交流的扩大，一个区块与一个区块相继接续，形成的结果就叫区块链 。

区块链的类型

公有区块链

公有区块链（Public Block Chains）是指：世界上任何个体或者团体都可以发送交易，且交易能够获得该区块链的有效确认，任何人都可以参与其共识过程。公有区块链是最早的区块链，也是应用最广泛的区块链，各大bitcoins系列的虚拟数字货币均基于公有区块链，世界上有且仅有一条该币种对应的区块链 。

联盟（联合）区块链

联盟区块链（Consortium Block Chains）：由某个群体内部指定多个预选的节点为记账人，每个块的生成由所有的预选节点共同决定（预选节点参与共识过程），其他接入节点可以参与交易，但不过问记账过程（本质上还是托管记账，只是变成分布式记账，预选节点的多少，如何决定每个块的记账者成为该区块链的主要风险点），其他任何人可以通过该区块链开放的API进行限定查询。

私有区块链

私有区块链（Private Block Chains）：仅仅使用区块链的总账技术进行记账，可以是一个公司，也可以是个人，独享该区块链的写入权限，本链与其他的分布式存储方案没有太大区别。传统金融都是想实验尝试私有区块链，而公链的应用例如bitcoin已经工业化，私链的应用产品还在摸索当中。

区块链特征

一、去中心化，就是所有在整个区块链网络里面跑的节点，都可以进行记账，都有一个记账权，这个就完全规避了操作中心化的一个弊端。它不是一个中心化，它是一个去中介化。中心化就是，比如说现在40%的比特币掌握在美国人手里，（很有可能掌握在美国政府，当然了这只是一个猜测）它可以嫁接一个白手套来搅动整个市场。这个实际上还是有一个中心化运作体系的；以太坊大量持有在犹太人手里；EOS集中在21个超级节点那。他们只能叫做弱中心化；

二，开放性，这是针对区块链共有链来讲的，因为共有链的信息任何人都可以进去读可以进去写，只要是它整个网络体系的节点，有记账权的节点，都可以进行；

三、防篡改性，就是任何人要改变区块链里面的信息，必须要攻击网络里面的51%的节点才能把数据更改掉，这个难度非常非常大；

四、匿名性，它的匿名性基于它的算法实现了是以地址来寻址的 ，而不是以个人身份，这也是政府比较担心的。整个区块链里面有两个不可控，第一个是身份不可控匿名性，不知道是谁发起了这笔交易；第二个是它有一个跨境支付，这个牵扯到币的资金转移这一块；

五、可追溯性，他的机制就是设定后面一个区块拥有前面一个区块的一个哈希值就像一个挂钩一样，只有识别了前面的哈希值才能挂得上去，是一整条完整的链。可追溯性还有一个好的的特点就是便于数据的查询，因为这个区块是有唯一标识的，比如说之前往数据库里面去查询一个东西的话，是有很多算法去分块来找的，而这个区块链网络里面是以时间节点来定义找这个时间段的这个区块再去寻址，这就更方便。

区块链的架构模型

一般说来，区块链系统由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成 。

其中，数据层封装了底层数据区块以及相关的数据加密和时间戳等基础数据和基本算法；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；共识层主要封装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；合约层主要封装各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特性的基础；应用层则封装了区块链的各种应用场景和案例。该模型中，基于时间戳的链式区块结构、分布式节点的共识机制、基于共识算力的经济激励和灵活可编程的智能合约是区块链技术最具代表性的创新点 。

一、数据层

数据层封装了底层数据区块的链式结构，以及相关的非对称公私钥数据加密技术和时间戳等技术，这是整个区块链技术中最低层的数据机构，其中大多数级技术都已被发明数十年，并在计算机领域使用了很久，无须担心其中的安全性，因为如果这些技术出现安全问题，则意味着全球金融技术都会出现严重问题。中本聪在设计比特币时，为每个区块设置了1MB（兆）大小的容量限制，但由于目前比特币的交易量迅速提升，1MB的区块空间能够容纳的交易数量有限，所以要考虑扩容区块链来突破这个限制。

二、网络层

网络层包括分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制等，由于采用了完全P2P的组网技术，也就意味着区块链是具有自动组网功能的，这种P2P组网技术，在早先应用于BT（比特流）和eMule（电驴）之类的P2P下载软件中，也是一种相对于来说非常成熟的技术。

三、共识层

共识层主要封装网络节点的各类共识机制算法。共识机制算法是区块链技术的核心技术，因为这决定了到底由谁来进行记账，记账者选择方式将会影响整个系统的安全性和可靠性。目前已经出现了十余种共识机制算法，其中最为知名的有工作量证明机制、权益证明机制、股份授权证明机制等。

四、激励层

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，该层主要出现在公有链中，因为在公有链中必须激励遵守规则参与记账的节点，并且惩罚不遵守规则的节点，才能让整个系统朝着良性循环的方向发展。所以激励机制往往也是一种博弈机制，让更多遵守规则的节点愿意进行记账。而在私有链中，则不一定需要进行激励，因为参与记账者的节点往往是在链外完成了博弈，也就是可能有强制力或者有其它需求来要求参与者记账。

五、合约层

合约层主要封装各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特性的基础。以以太坊为首的新一代区块链系统试图完善比特币的合约层。比特币尽管也包含了脚本代码，但并不是图灵完备的，即不支持循环语句；以太坊在比特币结构基础上，内置了编程语言协议，从而在理论上可以实现任何应用功能。如果把比特币看成是全球账本的话，那么就可以把以太坊看作是一台“全球计算机”---任何人都可以上传和执行任意的应用程序，并且程序的有效执行能够得到保证。

六、应用层

应用层则封装了区块链的各种应用场景和案例，比如搭建在以太坊上的各类区块链应用就是部署在应用层，所谓可编程货币和可编程金融也将会搭建在应用层。

该模型中，基于时间戳的链式区块结构、分布式节点的共识机制、基于共识机制的经济激励和灵活可编程的智能合约是区块链技术最具代表性的创新点。其中数据层、网络层和共识层是构建区块链应用的必要因素，否则将不能称之为真正意义上的区块链。而激励层、合约层和应用层则不是每个区块链应用的必要因素，有部分的区块链应用并不完整的包含着这三层结构。

区块链的核心技术

分布式账本

一个分布式账本（distributed ledger）是在一个在去中心化网络的成员之间分享、复制、同步的一种数据库。分布式账本记录着网络的参与者们之间的交易，比如资产或者数据。

网络的参与者们管理账本，并一致同意对账本上的记录的更新。分布式账本系统不存在中心机构或者第三方中介的参与，比如金融机构或者结算所（clearinghouse）。分布式账本中的每一条记录都有一个时间戳和一个独特的加密签名，这就使账本成为了网络中所有交易记录的可信的、不变的历史。

非对称加密

存储在区块链上的交易信息是公开的，但是账户身份信息是高度加密的，只有在数据拥有者授权的情况下才能访问到，从而保证了数据的安全和个人的隐私 。

非对称加密要用到两个密钥，一个公钥（客户端拥有），一个私钥（服务端拥有）。公钥是公开的，私钥是保密的。加密时客户端通过公钥进行加密，服务端接收到加密数据使用私钥进行解密。其流程如下：

共识机制

共识机制就是所有记账节点之间怎么达成共识，去认定一个记录的有效性，这既是认定的手段，也是防止篡改的手段。区块链提出了四种不同的共识机制，适用于不同的应用场景，在效率和安全性之间取得平衡 。

区块链的共识机制具备“少数服从多数”以及“人人平等”的特点，其中“少数服从多数”并不完全指节点个数，也可以是计算能力、股权数或者其他的计算机可以比较的特征量。“人人平等”是当节点满足条件时，所有节点都有权优先提出共识结果、直接被其他节点认同后并最后有可能成为最终共识结果。以比特币为例，采用的是工作量证明，只有在控制了全网超过51%的记账节点的情况下，才有可能伪造出一条不存在的记录。当加入区块链的节点足够多的时候，这基本上不可能，从而杜绝了造假的可能 。

智能合约

智能合约是基于这些可信的不可篡改的数据，可以自动化的执行一些预先定义好的规则和条款。以保险为例，如果说每个人的信息（包括医疗信息和风险发生的信息）都是真实可信的，那就很容易的在一些标准化的保险产品中，去进行自动化的理赔。在保险公司的日常业务中，虽然交易不像银行和证券行业那样频繁，但是对可信数据的依赖是有增无减。因此，笔者认为利用区块链技术，从数据管理的角度切入，能够有效地帮助保险公司提高风险管理能力。具体来讲主要分投保人风险管理和保险公司的风险监督 。

区块链应用场景

1、支付和现金交易

区块链通过自身去中心化的优势为支付和现金交易创建一个更直接的支付流，它可在国内或跨国界，并且无需中介，以超低费率几乎瞬时速度的方式支付。

2、银行业

本质上来说，银行是一个安全的存储仓库和价值的交换中心，而区块链作为一种数字化的、安全的以及防篡改的总账账簿可以达到相同的功效。

3、游戏

区块链应用游戏领域的核心价值：把游戏权利交还给游戏玩家。区块链技能去中心化、智能合约、资产买卖等技能特点，能很好的解决现在游戏职业游戏数据和用户数据隐私走漏的问题，促进游戏中虚拟数字钱银的保值，完成用户与游戏开发渠道公正的价值同享。

4、物联网

作为匿名的去中心化的点对点遥感技术，区块链可以成为大量设备的一种公共账簿，它们将不再需要有一个中央化的路由在他们之间居中交通。在没有了中央控制系统来验证之后，设备将能够在它们之间互相匿名传输，并管理软件的更新、错误，或者进行能源管理。

5、供应链金融

区块链可以缓解信息不对称的问题，十分适合供应链金融的发展。供应链中商品从卖家到买家伴随着货币支付活动，在高信贷成本和企业现金流需求的背景下，金融服务公司提供商品转移和货款支付保障。供应链溯源防伪、交易验真、及时清算的特点将解决现有贸易金融网络中的诸多痛点，塑造下一代供应链金融的基础设施。

6、版权保护

在区块链技术环境下，每一次版权交易都会产生不可逆的交易记录，这也就意味着，包括一个创意、故事、剧本或角色。一旦记录在区块链上，即使所有权发生交换、转移、出售等，该资产都将一直被追踪，从而解决版权问题。

7、汽车业

未来的客户选择他们想要租赁的汽车，进入区块链的公共总账；然后，坐在驾驶座上，客户签订租赁协议和保险政策，而区块链则是同步更新信息。 这不是一个想象，对于汽车销售和汽车登记来说，这种类型的过程也可能会发展为现实。

8、物流链

商品从生产商到消费者手中，需要经历多个环节（流程可能如上图所示），跨境购物则更加复杂；中间环节经常出问题，消费者很容易购买的假货。区块链天生的开放、透明，使得任何人都可以公开查询，伪造数据被发现的概率大增。物流链的所有节点上区块链后，商品从生产商到消费者手里都有迹可循，形成完整链条；商品缺失的环节越多，将暴露出其是伪劣产品概率更大。

9、跨境支付

跨境支付涉及多种币种，存在汇率问题，流程繁琐，结算周期长：传统跨境支付基本都是非实时的，银行日终进行交易的批量处理，通常一笔交易需要24小时以上才能完成；某些银行的跨境支付看起来是实时的，但实际上，是收款银行基于汇款银行的信用做了一定额度的垫付，在日终再进行资金清算和对账，业务处理速度慢。

接入区块链技术后，通过公私钥技术，保证数据的可靠性，再通过加密技术和去中心，达到数据不可篡改的目的，最后，通过P2P技术，实现点对点的结算；去除了传统中心转发，提高了效率，降低了成本（也展望了普及跨境小额支付的可能性）。

10、实体资产

实体资产往往难以分割，不便于流通，实体资产的流通难以监控，存在洗黑钱等风险，用区块链技术实现资产数字化后，所有资产交易记录公开、透明、永久存储、可追溯，完全符合监管需求。

11、医疗

电子医疗数据的处理、药品溯源、医疗保险都是区块链+医疗行业的热点领域。

医疗数据的区块链存储完成去中心化的医疗信息和患者数据管理，实现各机构数据共享。例如EC国际的肿瘤医疗项目，易通天下的医联体分级诊疗平台，实现数据掌握在患者手中，各机构也可在用户授权下共享数据。

12、社交

区块链应用社交领域的核心价值：让用户自己控制数据，杜绝隐私泄露。

想想为什么我们刚刚浏览完某个购物网站，总会在其他社交平台上收到类似的广告弹窗，因为数据隐私被垄断的大数据平台进行了可耻的贩卖。

区块链技术在社交领域的应用目的，就是为了让社交网络的控制权从中心化的公司转向个人，实现中心化向去中心化的改变，让数据的控制权就牢牢掌握在用户自己手里。

13、云计算

区块链应用云计算领域的核心价值：推动公共信任基础设施建设进程。

我国信息通讯研究院以为，区块链与云的结合也是必然趋势。区块链与云的结合，有两种方法，一种是区块链在云上，一种是区块链在云里。

后边一种，也就是BaaS，Blockchain-as-a-Service，是指在云效能商直接把区块链作为效能供给给用户。

未来，云效能企业越来越多地将区块链技术整合至云核算的生态环境中，经过供给BaaS功用，有用下降企业运用区块链的安置本钱，下降立异创业的初始门槛。

14、共享经济

区块链应用云计算领域的核心价值：为平台构建用户信任。

区块链经过借助智能合约技能、能够主动履行满意某项条件下的操作，也能够使得更多产品“共享”，大幅降低契约建立和履行的本钱。

腾讯正在把智能合约运用于自行车租赁、房子共享等范畴，假如这种智能合约运用于今日火爆的共享单车范畴，或许会给整个职业带来全新的改动。

15、慈善

区块链应用慈善领域的核心价值：实现所有数据公开透明。

对于慈善捐助，区块链可以让人们准确跟踪其捐款流向，捐款何时到账，最终捐款到了谁的手里。

由此，区块链可以解决慈善捐赠过程中长期存在的透明度不高和问责不清等问题。

16、文件存储

区块链的去中心化可以安全的，高性能的和廉价的方式来存储数据，将数据散布在许多节点上。至于数据的安全性，区块链的方法就意味着每一个文件都是被切碎的，并且使用你自己的密钥进行加密，然后散布在网络上，直到你准备再使用这个文件。需要检索的时候，这些文件就会被解密，并迅速地无缝重新组装起来。

17、大数据

区块链的去中心化可以安全的，高性能的和廉价的方式来存储数据，将数据散布在许多节点上。至于数据的安全性，区块链的方法就意味着每一个文件都是被切碎的，并且使用你自己的密钥进行加密，然后散布在网络上，直到你准备再使用这个文件。需要检索的时候，这些文件就会被解密，并迅速地无缝重新组装起来。

18、礼品卡和会员项目

区块链可以帮助提供礼品卡和会员项目的零售商，使得他们的系统更廉价、更安全。几乎不用任何中间人来处理销售交易和礼品卡的发行，应用区块链技术的礼品卡的获取过程和使用过程将更加有效和廉价。同样的，区块链独有的验证技术使得欺诈保护手段进一步升级，可以减少成本、阻止非法用户获取被盗账户。

19、体育

对运动员进行投资逐渐成为了体育管理机构和公司的关注点，但是区块链通过民主化粉丝的能力去获得现在的体育明星在未来的金融股份，可以将投资运动员的过程去中心化。这一利用区块链去投资运动员并获得收益的概念并没有大规模被尝试。

20、政务

政务信息、项目招标等信息公开透明，政府工作通常受公众关注和监督，由于区块链技术能够保证信息的透明性和不可更改性，对政府透明化管理的落实有很大的作用。政府项目招标存在一定的信息不透明性，而企业在密封投标过程中也存在信息泄露风险。区块链能够保证投标信息无法篡改，并能保证信息的透明性，在彼此不信任的竞争者之间形成信任共识。并能够通过区块链安排后续的智能合约，保证项目的建设进度，一定程度上防止了腐败的滋生。