随着比特币等虚拟数字货币的日益普及与发展,区块链技术受到了研究人员的广泛关注。区块链技术是一种按照时间顺序将区块以链式结构组合而成的分布式数据账本,具有去中心化、可编程、可溯源、不可篡改等特性,在金融领域中的研究尤为广泛。文章面向区块链技术的发展,介绍区块链技术的起源和概述,详细地讨论环签名、零知识证明、数字签名和同态加密等区块链关键技术,综述区块链技术的特点和种类。对区块链技术的应用领域进行概括,重点关注其应用原则和应用领域相关的案例,分析区块链应用当前的发展现状,并对未来区块链技术的发展方向进行分析与预测。
With the increasing popularity and development of virtual digital currencies such as bitcoin,blockchain technology has been widely concerned by researchers.Blockchain technology is a distributed data ledger which combines blocks in a chain structure according to the time sequence.It has the characteristics of decentralization,programmability,and traceability.It has been widely studied in the financial field.Facing the development of blockchain technology,this paper introduces the origin and overview of blockchain technology,discusses in detail the crucial technologies of blockchain,consisting of ring signature,zero know-ledge proof,digital signature and homomorphic encryption,and summarizes the characteristics and types of blockchain technology.This paper summarizes the application field of blockchain technology,focuses on its application principles and relevant cases in the application field,analyzes the current development status of blockchain application,and analyzes and forecasts the development direction of blockchain technology in the future.
区块链技术并非偶然产生的，而是互联网技术发展到一定时期的必然结果。区块链技术最初源于比特币，是比特币等虚拟数字货币的核心支撑技术，目的是解决在没有可信的中心机构以及信息不对称、不确定的情况下，如何构建一个“信任”生态体系来满足活动发生、发展的需求。作为计算机科学领域的前沿技术，区块链技术有望成为继蒸汽技术革命、电力技术革命、信息技术革命之后的又一颠覆式创新技术革命。区块链是将数据区块按照时间先后顺序以链表的方式组成的数据结构，并结合共识机制、密码学等方式实现不可撤销、不可伪造的分布式交易验证的去中心化账本，能够对具有时间先后关系且能在系统内进行验证的数据信息实现可靠存储。
一、区块链技术起源
1.1 比特币系统结构
2008年11月，化名为中本聪（Satoshi Nakamoto）的学者在其发表的论文《比特币：一种点对点式的电子现金系统》（Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System）中首次提出了比特币这一虚拟数字货币的概念，该货币于2009年１月上线，总量为2100万。比特币系统作为首个去中心化的加密货币系统，自2009年面世发展至今，显现出高度的可靠性和安全性。比特币系统的核心思想是以去信任和去中心化为基本目标，简化系统中的价值交换过程，去除无关第三方在中心架构中的参与。
比特币是由交易、共识协议和通信网络等技术组件所构成的一种去中心化的电子交易系统，其涵盖的技术组件形成了整个比特币系统的３个渐进的层次：交易、区块和区块链。比特币系统中的每个区块可划分为区块头和区块体两部分，区块体中存储当前区块所包含的全部交易记录。比特币系统中的交易记录类似于物理系统中的交易记录，每一条交易记录中均包括交易信息的输入、输出地址以及转让的数目等信息。根据这些交易信息可自底向上生成对应的默克尔树（Merkle Tree）结构的形式。默克尔树根节点的哈希值会存储在区块的头部，在每个区块生成时，区块的记账者会为该区块加盖时间戳，用于标明该区块的生成时间。随着时间戳的增强，区块会不断延展形成一个具有时间维度的区块链条，使得数据信息能够按照时间进行追溯。除此之外，区块头中还有版本号、前一区块头部的哈希值、随机数和目标哈希值等信息。最后，对本区块头部的信息进行哈希，产生的哈希值存在下一个区块的头部，在逻辑结构上，使得每一个区块以链的形式串联起来。比特币系统的相应数据结构如图１所示。
1.2 比特币系统运行机制
比特币系统的运作机制就是实现账本的记账过程，该记账过程对于用户而言是透明的。在具有中心架构的系统中，账本的记账权由账本的所有者管理，例如商场的记账权由商场来控制，银行的记账权由银行来控制。然而，在比特币系统中，为达到去中心化和去信任的目的，账本的记账权不能集中在单一机构或者某个中心内部，而应将账本的记账权下放到分布式系统的各个节点当中。比特币系统采用分布式系统达到去中心化的目的，而具体该分布式系统中的哪个节点获得某交易记录的记账权，需系统中的每个节点通过竞争来获取。各个节点在竞争的过程中需要付出一定的代价来防止作恶，只有遵守相应的规则才能够获得系统的奖励，整个系统由奖惩机制驱动，可进行良性循环。在比特币系统中，该过程被称为挖矿，其中的各个节点被称为矿工。在解决了账本记账权的归属问题后，下一步应当考虑的是比特币系统中的节点如何成功实现交易数据的同步更新，即在分布式系统中如何确保各个节点中所交易数据信息的一致性。该问题可以通过共识机制来解决，系统中的各个节点在接收到区块链中新区块的数据时，需停止当前的挖矿工作，对新区块进行数据一致性验证。
比特币系统的运行机制可简述为如下流程：首先由用户发起一笔交易，该交易以广播的形式发送到区块链系统中的各个节点。网络中的各个节点在接收到交易后会验证该交易消息的有效性和正确性，如果交易信息未验证通过，节点将拒绝接收该交易，并将交易被拒绝的信息返回给交易的发起者。如果交易信息验证通过，节点会将该交易信息放到自己的交易池中，并继续向网络中传播。各节点对各自交易池中的交易进行打包，并加入随机数进行相应的计算。最先计算出符合要求哈希值的节点将获得所打包区块中交易的记账权，即创建新区块。随后，该节点会将计算得到的新区块广播到比特币系统中的其他节点，其他节点在收到该区块后，会立即验证该区块的有效性和正确性。验证成功后会将收到的新区块链接到自己的本地链中，同时会删除原本自己的交易池中所打包的区块，按照上述步骤再进行新一轮的区块生成过程。比特币系统的运行机制如图２所示。
二、区块链的分类
区块链的共识机制致力于解决在分布式存储过程中区块链发展所面临的一致性问题，即“拜占庭将军”问题。基于不同场景下的信任创建方式，区块链可归纳为如下两类：许可链和非许可链。基于数据的读写权限和管理权限的差异，区块链可划分为公有链、私有链和联盟链。下文会对公有链、私有链和联盟链３种不同区块链的权限和共识机制进行介绍。
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三、区块链的三大发展阶段
自比特币提出以来，加密货币（尤其比特币）一直受到投资者、监督机构和媒体的高度关注。目前，虽然区块链的发展标准尚未统一，但却可通过其发展演化过程来更深入地认识了解区块链。根据区块链的发展演化阶段，区块链经历了以比特币为代表所实现可编程货币的区块链1.0模式、以太坊为代表实现可编程金融的区块链2.0模式、以EOS为代表实现可编程社会的区块链3.0模式3个发展时期，本节会对其展开详细的介绍。
3.1 区块链1.0
区块链1.0是区块链技术的基础版本，能实现可编程货币，是与货币支付、汇款、兑换、交易和转移等功能相关的数字货币应用。常见的数字货币有比特币、莱特币（Litecoin,LTC）和瑞波币（Ripple,XRP）等。在区块链1.0阶段，比特币是当之无愧的主角，戴尔、微软等电子商务网站相继接受比特币作为支付方式。比特币作为最早实现去中心化的数字货币，运用分布式记账技术，使得整个交易过程实现了去中心化的效果。交易无需通过任何第三方的机构或者组织进行监督或验证，而是由区块链系统中的各个节点来验证交易的合理性。比特币平台不仅可用于创建比特币，还可用于创建其他货币。代币原本指的是具有与货币相似的尺寸及形状、具有支付功能和固定流通范围的货币替代品。早期的代币主要以购物券、电子消费卡等形式存在。随着消费方式的多样化，传统代币逐渐消失，取而代之的为以点币为主的虚拟货币。随着互联网技术的快速发展，网络虚拟货币逐渐成为一种在网络空间中流通的、具有货币职能的代币。莱特币2011年面世，是一种比特币替代币。在技术原理上，莱特币与比特币基本类似，但却是一种更为轻量的数字资产。莱特币能够降低硬件成本，使得普通人挖矿也成为了可能。
然而，瑞波币与比特币之间差异很大。瑞波系统是由美国旧金山的瑞波实验室所研发的一种基于移动互联网的金融交易协议。该协议能够实现在全球货币或者价值体间的实时、自由、免费的汇兑与转换，例如人民币、美元、欧元、英镑、比特币和飞行里程等，交易确认仅需几秒钟，交易费用几乎为0，减免了原本异地跨行、跨境操作的支付费用。瑞波币是瑞波系统中与货币流通有关的工具，是不同类别货币间进行兑换的桥梁货币。由于瑞波币具有在不同网关间自由流通的特性，因此在该系统内，其他类别的货币在不兑换成瑞波币的情况下，则很难实现跨行跨境转账。
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